柴油机的冷却系统1

柴油机的冷却系统 一、冷却系统的方式 冷却系统的功用是保证发动机在正常的温度下工作，把发动机工作时产生的热量通过它散发出去，加以冷却，经常检查冷却系统的工作状况，不能有缺水、漏水或风向、风流、风量不对等现象，以免破坏发动机的正常工作，损坏机件，造成事故。冷却系统按发动机的冷却方式可分为风冷却和水冷却两种[1]。 1.风冷却系统 风冷却一般用于小型发动机上。依靠飞轮上的风扇叶旋转，产生气流，通过导风罩、引风圈、导风板等导风装置的导向作用，直接吹向气缸盖和气缸体的外表，将热量带走。气缸盖、气缸体外表上分布了很多散热片，它的功用是加大与空气的接触面积，提高散热能力。导风罩和引风圈、导风板的作用是将冷空气引导到需要冷却的部位，使各部位冷却均匀，达到维持其适宜工作温度的目的。若不用导风装置，则在气缸盖、气缸体等零件的背面就不能得到足够的冷却，使之温度过高，造成很大温差，引起气缸和其他零件变形，严重时还会发生活塞拉缸和卡死等故障。 2．水冷却系统 水冷却系统的主要部件有水泵、散热水箱、风扇、水温调节装置和水温表。按冷却水循环方式的不同，小型柴油机的冷却系可分为三种：蒸发式冷却、热对流循环式冷却、压流循环式冷却。 ①蒸发式冷却。发动机工作时，气缸体水套和气缸盖水套中的水因接触高温零件而温度升高，这部分水受热膨胀，密度减小，便上升到水箱的顶部，水箱表层的水受到外界空气的冷却，密度加大而下沉，分别进入缸体水套和缸盖水套，形成上下对流，连续不断地循环，从而将气缸体和气缸盖周围的热量带到水箱散发掉。当水箱内的水温升高到沸点时，缸体水套和缸盖水套内水逐渐变成水蒸气，冲击水箱水面散发到空气中去。蒸发式水冷却系统靠水沸腾吸收大量的热并散发到空气中去，加强散热冷却作用。因此，水箱常常出现“开锅”现象，这是正常的，应注意经常补充冷却水，以保证发动机的正常工作温度。 ②热对流式循环冷却。立式195T 和德力1105型柴油机的冷却系统属于此种冷却方式，利用水的温度差所引起的密度变化形成水的热对流自然循环，当柴油机工作时，气缸体水套与气缸盖水套的冷却水由于接触高温零件而温度升高，密度变小，沿上水管进入水箱的上水室，而水箱内的冷却水因密度较大靠自重而进入下水室，经下水管进入气缸体水套和气缸盖水套，缸体水套和缸盖水套的低温水受热后密度变小又上升进入上水室，水箱内的冷却水下沉到下水室进入缸体水套和缸盖水套，如此往复，使冷却水连续不断地循环，达到传热和散热的目的. ③压流循环式冷却。多缸发动机和泰山12型拖拉机配置的195T型柴油机的冷却系统，利用离心式水泵将水加压进行强制循环，主要由水泵、散热器、轴流式风扇及进水橡胶管等组成，散热器及其蒸汽空气阀的结构同热对流循环式相同。发动机工作时，曲轴通过三角皮带，带动冷却水泵的叶轮旋转，冷却水以一定的压力进入气缸体水套、气缸盖水套和散热器上水室，受热的冷却水经散热器芯向下流动，被风扇吹来的大量冷空气冷却，流到散热器下水室，又被吸入水泵，再压入气缸体水套，实现冷却水的强制循环。 水冷却的效果跟冷却液有很大的关系，使用水作为冷却液已经不能满足现代柴油机的冷却要求。应用防冻液和水按不同的比例进行配置，并且添加一定量的添加剂的冷却液才能够满足冷却系统的基本要求。常用冷却液是由乙二醇和水按不同的比例配置，并产生不同的防冻性能。当乙二醇的浓度达到60％时，冷却液达到最高防冻能力，浓度大于60％时冷却液的防冻能力和冷却效果反而降低，影响添加剂的吸收[2]。 二、冷却系统的发展趋势 目前国内外前沿的发动机冷却系统的设计理念有智能化电控冷却系统、精确冷却理念、分流式冷却、空气侧流动等等[3]。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电控零部件技术成熟，冷却系统的智能化和自动化成为可能。国内外学者在对柴油机冷却液温度智能控制方面作了大量研究，如：利用电动冷却水泵取代传统机械冷却水泵和电控节温器取代传统的节温器技术。智能控制冷却系统，在以温度传感器反馈的基础上可以根据柴油机的工况通过电子芯片进行控制与自动调节冷却液温度与流量，将冷却液温度控制在柴油机各工况运行在最佳状态时所需的冷却水温度[4]。 2.1冷却系统的智能化 ①智能化控制冷却系统采用高低温双循环方式布置[5],高温循环部件有:发动机水腔、电控水泵、节温器、水散热器、电控阀。低温循环部件有:中冷器、机油散热器、节温器、水散热器、电控水泵、电控阀。通过调节电控水泵转速及电控阀开度来调节冷却系统冷却能力,其中电控阀开度用于调节外循环的水流量,冷却系统热量主要通过外循环水带走,电控水泵用于调节内循环的水流量,当外循环水冷却不及时或过度冷却时, 通过电控水泵调节内循环水流量进行补偿。电控阀开度的控制由发动机工况、环境温度及电控阀前后压差确定。先通过热平衡实验,对发动机进行散热需求分析,结合GT-COOL冷却系统性能仿真模型,确定发动机在不同工况和环境温度下冷却系统所需冷却水流量。水是典型的大惯性传热介质,当采用开环控制对电控阀开度进行调节后,冷却水的温度并不是马上发生变化达到目标温度,且波动较大。因此,有必要对发动机冷却系统内循环水流量进行闭环控制,从而使开环控制及时得到补偿,即当冷却水温度高于目标温度时,则提高电控水泵转速,增大内循环冷却水流量;当冷却水温度低于目标温度时,则降低电控水泵转速,减小内循环冷却水流量。控制过程采取模糊控制。 ②基于GT-COOL软件建立了某型柴油机冷却系统数值仿真模型，对该冷却系统瞬态过程的系统响应问题做了研究，为该冷却系统实现智能化控制提供了依据[6]。在研究智能化控制冷却系统时，将机械水泵更换为不受柴油机转速影响的电控水泵。在制定控制策略时，为使柴油机出水温度迅速达到稳定状态，应根据工况首先调节外循环水流量，再根据柴油机出水温度调节水泵转速，达到稳定出水温度的目的。 2.2EGR电控冷却系统 ERG冷却系统作为发动机原冷却系的分支通过电动水泵实现冷却水的强制循环流动[7]。EGR冷却控制系统主要由各种传感器、电控单元ECU、执行元件电动水泵等组成。传感器有发动机冷却水温度传感器、发动机转速传感器、油门踏板位置传感器以及冷却后EGR温度传感器等，安装在EGR电控冷却系统的各个部位，分别提供给EGR发动机冷却水温度信号、发动机转速、负荷信号及冷却后EGR温度信号。ECU对各种传感器送来的信号进行处理、运算、分析和判断后，发出水泵转速控制命令，控制直流电动水泵的转速，通过控制冷却水循环量的方法，最终达到控制EGR冷却温度的目的。执行部分是直流电动水泵，它根据ECU的指令实现无极调速。EGR电控冷却系统研究的首要任务是找全发动机不同转速和负荷等工况点不同EGR率下的EGR冷却规律，而且控制系统的响应速度要快，抗干扰能力强。EGR冷却系统的控制装置采用开环控制与PID控制相结合的控制方式[8]。开环控制是基于MAP的控制方法,以试验得出的柴油机不同工况下EGR的冷却规律为基础,根据供油齿条位置传感器和转速传感器提供的信号,由ECU判断属于哪一种工况,然后根据该工况的实测参数输出控制信号,控制伺服电动水泵的转速,从而通过控制冷却水的循环量来控制EGR温度,这是主要的控制方法。PID控制作为辅助控制,主要控制水泵的平均转速,高于ECU所设定的EGR冷却温度较多时可以以较大的转速运转,在设定的温度附近可以输送给水泵较低的电压,根据控制差量而相应作出转速的调节,使得EGR冷却温度达到设定值。EGR冷却温度进行控制的EGR电控冷却系统的可行性,所确定的EGR冷却规律是正确的。使用EGR电控冷却系统后保证了柴油机在不同工况下的最佳EGR冷却温度。重型运输车用柴油发动机电控技术从电子调速器、喷油定时调节发展到当今的发动机全电子控制[9]；从供油系统电控、电控喷油推广到涡轮增压器，甚至配气相位、进气涡流等自动调节；从一般电子控制发展到微机控制的电控系统，并和重型运输车进行交互控制和全局功率匹配。柴油发动机电控系统除了控制功能外，还具有遥控、诊断、监控、报警和保护等功能，全面地改善了发动机的性能，从而提高了发动机的经济性，并改善了排放，使发动机在实现自动化操作方面迈出了一大步。随着时间的推移和电子技术的飞速发展，电控柴油机的各项控制性能会日趋完善，最终将取代传统柴油机而占领整个重型运输车用柴油机市场。 2.3冷却系统的精确制冷 ①小型风冷柴油机具有易于实现轻量化、工作可靠、适应性强、制造维修方便的优势，但存在着热负荷高、充量系数低，以致相应的平均有效压力比水冷柴油机低5%左右的缺陷。随着现代计算技术的飞速发展，在柴油机设计与改进过程中，越来越多地采用各种数值模拟技术进行结构和冷却优化，通过先进合理的设计开发方案，确保开发目标的实现[10]。以风冷却的X170F柴油机为例，主要对冷却风的流量和分布进行重新分配、对原机的挡风板和鼻梁区进行了改进。原机冷却风量流动不畅通，气缸盖重点部位的冷却效果不明显，在结构上进行了一定的改进，取得了较好的效果，冷却风量的分配(进入气缸盖和进入机体的风量分配)也更为合理。 ②国外有采用改变冷却风扇皮带轮尺寸的方法提高冷却效率的专利，日本有一个控制内燃机冷却水泵转速的专利，我国也有对发动机冷却系统智能控制的相关研究。针对国内载货汽车发动机普遍存在的预热缓慢、废气排放严重污染环境以及低速大负荷时出现的过热问题，将发动机传统单回路冷却系统改为双回路冷却系统，对缸盖及缸体的温度分别进行控制，并对冷却系统的驱动和控制方式进行了改进设计及探索[11]。冷却系统分为缸盖和缸体两个循环回路，节温器根据缸体和缸盖的温度工作，分别对缸盖、缸体双回路的冷却液流量进行控制。在试验过程中，传感器将采集到的缸体和缸盖的水温信号送入ECU，ECU根据发动机不同工况需要对电动水泵与风扇的转速分别进行控制，系统冷却能力不再受发动机曲轴转速的限制。双回路冷却系统能使发动机的缸盖和缸体温度各自处于最佳工作温度范围，改善了燃油混合气的质量，促进了混合气的完全燃烧，与单回路冷却系统相比，未燃HC 的排放率明显降低。 ③合理布局缸体进水孔方案可以改善缸体水套内冷却水的流动和冷却效果，减少流动损失，降低水泵的功率损耗[12]。合理设计和布置缸盖入水孔，可以大大提高缸盖水套内冷却水的整体流动速度，减小各缸冷却效果的差异，改善热负荷