基本介紹
- 中文名：水冷柴油機
- 外文名：water cooled diesel engine
- 套用領域：土木工程
- 相關術語：風冷柴油機、蒸汽式水冷柴油機
柴油機的冷卻方式,水冷柴油機冷卻系統的影響因素,循環水量,散熱效率,空氣流量,水冷柴油機的常見故障,水溫過高,水溫過低,柴油機工況最佳冷卻液工作溫度的確定,水冷柴油機的維護保養,冷卻液的使用,定期檢查,水冷柴油機的分類,
柴油機的冷卻方式
柴油機的冷卻方式分為水冷和風冷兩大類。
1.風冷柴油機
風冷柴油機的工作原理
風冷方式又稱為空氣冷卻方式，它是以空氣作為介質，將柴油機受熱零件的熱量傳送出去的。這種冷卻方式的發動機通常由風扇和導風罩組成，為了增加散熱面積，氣缸體和氣缸蓋外部做成皺摺片，工作時風扇轉動將空氣吸人，沿導風罩流向氣缸體和氣缸蓋的表面。空氣流經氣缸體和氣缸蓋時，將它們傳出的熱量帶走。
風冷柴油機的優缺點：風冷柴油機具有結構簡單、質量輕、維修方便的優點，但是，其冷卻效果差、噪音大，多適用於小型柴油機上。
2.水冷柴油機
水冷柴油機的工作原理：柴油機的水冷卻方式是以水作為冷卻介質，柴油機產生的熱量通過水被傳送出去。這種冷卻方式的柴油機結構相對簡單，組成部分通常為：水泵、散熱水箱、風扇、節溫器。冷卻水在水泵的作用下，進入到柴油機內部，按照相應路線流動，吸收帶走機件產生的熱量，並通過風扇和水箱的作用將熱量散發到空氣中。從而，柴油機的工作溫度保持在一定範圍之內。
水冷柴油機的優缺點：水冷柴油機冷卻效果較好，適用於大功率柴油機，當溫度或工作負載發生變化時便於調節冷卻強度，使柴油機始終在規定溫度(65℃～95℃)範圍內進行工作。此外，在冬季還可以利用灌熱水的方法來進行預熱，啟動方便。但是，由於水冷卻方式的限制，它也具有易結水垢、對缸套產生穴蝕現象等缺點。
套用領域：水冷柴油機主要套用於農業機械、工程機械、汽車工業、船舶機械、電力工業等領域。
水冷柴油機冷卻系統的影響因素
大功率柴油機的工況比較複雜，影響其冷卻系統的因素也較多，其中主要有循環水量、散熱效率和空氣流量 三個方面。
循環水量
循環水量不僅與水泵結構、發動機轉速有關，而且與冷卻水量及水流組織是否合理有關，根據試驗，冷卻水量應與發動機所發出的功率成正比，即發動機每發出1kW 的功率，應有0．3～0．4L冷卻液配合冷卻。此外，水流方向的合理組織，也可以在一定程度上緩解冷卻系統內部阻力，並使冷卻效果均勻，避免發動機部分零部件過熱的現象。
散熱效率
發動機的散熱效率主要與與之相匹配的水箱有關，現代的礦用汽車所匹配的水箱基本上都是帶有壓力蓋的水箱，由於內部有較高的壓力，提高了冷卻液的沸點，使之在達到100℃時，不會立即出現開鍋現象。另外，也與冷卻水箱管道內部的水垢有關，水冷柴油機若長期使用不合格的冷卻液或硬水，冷卻水箱的管道內將不可避免地結出水垢，必然影響到水箱的散熱效率。
空氣流量
空氣流量主要與風扇葉片直徑、葉片安裝角度、葉片形狀、發動機轉速等因素有關，其中，影響程度最大的應該是風扇葉片直徑和葉片安裝角度。
水冷柴油機的常見故障
柴油機在工作時，發動機內部溫度可達2 000℃以上，此時，若發動機的冷卻系統出現故障，對發動機的安全使用將是一個重大的威脅。
水溫過高
故障現象
冷卻水溫度過高，即水錶指針常指在100℃以上，並且伴有“開鍋”現象‘幻。
故障原因分析
（1）冷卻系統中冷卻液不足。柴油機在啟動前未對冷卻水箱的水位進行檢查，冷卻系統泄漏嚴重導致冷卻液缺失，不能夠及時帶走發動機機件產生的熱量，進而造成水溫過高。
（2）散熱面積不足。柴油機均根據功率和負載對冷卻水的散熱面積進行了匹配。但由於水冷柴油機的冷卻液均大部份為水配以乙二醇而來，夏季還有加人自來水的現象發生。長期使用過程中，因冷卻液質量不合格，在散熱管內產生大量水垢，堵塞散熱管，降低散熱效率。
（3）水泵失效。水泵固定葉輪的銷釘折斷或鬆脫致使水泵轉而葉輪不轉，水泵將會停止工作，冷卻水不循環，也將導致水溫升高。
（4）節溫器失效。在水溫高於規定溫度時不能及時打開進行大循環，導致機體內的水溫越來越高。
（5）風扇故障。風扇皮帶打滑或脫落、葉片損壞、葉片安裝角度不正確，都將影響水箱的散熱，從而導致整個冷卻系統溫度過高。
（6）發動機噴油時間過晚。未燃燒的柴油將會造成柴油機溫度過高，缸蓋溫度升高也會造成發動機水溫過熱。
檢查處理方法
(1)檢查冷卻水。檢查冷卻水箱水位，查看冷卻水管、散熱器管有無泄漏現象。如有，及時處理。
(2)檢查散熱管及冷卻液。查看散熱管內是否有水垢堵塞現象，如常有水垢堵塞現象，可在冷卻系統中加人DCA過濾器，它是加有DCA化學藥品的容器，可使水軟化，避免水垢的形成，並且具有保護缸體、缸套、防止穴蝕現象發生的作用，同時，過濾器中還裝有紙濾芯，可起到機械過濾的作用。也可以在使用中直接加入適量的DCA藥劑，在日常保養中經常檢查冷卻液質量，使用正規冷卻液。
(3)檢查水泵。用手握緊發動機連線水泵的水管，踩踏油門加大發動機的轉速，若能明顯感覺到水流量加大，則證明水泵工作正常。若無感覺，則水泵不工作，此時，可檢查水泵的葉輪銷釘是否折斷或鬆脫。
(4)檢查節溫器。可檢查水箱上水室進水管，若發動機溫度高於節溫器打開溫度時，進水管處沒有或只有很少水流出，則證明無法正常打開，無法形成大循環，造成水溫過高。
(5)檢查風扇皮帶。如果皮帶過松應進行調整，若皮帶有磨損過大或折斷的跡象應及時進行更換。
水溫過低
故障現象
在冬季，柴油機的水溫經常出現過低的情況，這樣會使發動機缸內溫度大大降低，對發動機的潤滑及功率輸出都有較大影響。
故障原因分析
(1)節溫器失效。節溫器閥關閉不嚴或完全不能關閉，都將使發動機時刻處於大循環中，使得發動機不能快速有效地提高到正常工作溫度。
(2)發動機冷卻水道內水垢過多。水冷柴油機在長期使用後，機體內冷卻水道中不可避免地會產生水垢，水垢的厚度主要取決於發動機大修周期的長短及冷卻液的質量，若機體內水垢過厚，則冷卻液不能夠順利帶走發動機產生的熱量，容易造成冷卻液溫度過低而機體部件過熱的現象。
(3)保溫不良。柴油機在冬季，特別是低負荷、高轉速的工況下經常出現保溫不良的現象，使得冷卻液溫度過低。
檢查處理方法
(1)檢查節溫器。可檢查水箱上水室進水管，若冷卻液溫度低於節溫器打開溫度時，進水管處有大量水流出，則證明不能正常關閉或關閉不嚴，始終進行大循環，造成水溫過低。
(2)定期檢查水道。定期檢查水道，若水道中水垢過厚，則套用清洗液加以清洗，同時，在日常使用過程中應注意使用合格的冷卻液，不可加入硬水。若無條件，可加入DCA藥劑或DCA過濾器，使其軟化。
(3)檢查柴油機保溫狀況。除以上兩種情況外，若水溫仍然過低，則應是保溫不良造成的原因，此時，應在冷卻水箱外套上一層保溫罩。
柴油機工況最佳冷卻液工作溫度的確定
試驗結果證明,柴油機工作存在一個最適宜的工作溫度,即柴油機工況最佳冷卻液溫度。柴油機在最佳冷卻液溫度下工作時,柴油機的運轉狀況包括燃油燃燒、尾氣排放、潤滑油的粘度、機件的剛度及其間隙、柴油機的運轉狀態等均處於良好狀態。這樣,不僅可以改善柴油機經濟性、動力性和降低噪聲,同時也會大大延長柴油機的使用壽命。
水冷柴油機最佳冷卻液工作溫度可以根據以下模型通過最佳化設計方法確定。
根據柴油機使用性能的要求,取以下函式作為確定柴油機在一定工況
下最佳冷卻液工作溫度 
的目標函式：
.
式中: 
為油門的開度; 
為柴油機曲軸的輸出轉速; i = 1, 2,… , k 1; j = 1, 2,… , k2; k 1為油門開度T的試驗工況數; k2 為柴油機轉速為ne 時的試驗工況數; l = 1,2,… , n; n 為分目標函式數; 
為對應
工況的綜合目標函式; Q為柴油機性能重要度加權係數;
為柴油機冷卻液溫度.詳細計算過程請查閱參考資料[2].
水冷柴油機的維護保養
冷卻液的使用
水冷柴油機對冷卻液的使用有著比較嚴格的要求，因為一旦冷卻液不達標，將會對柴油機整個冷卻系統造成損害。在使用過程中應注意即使在夏季不需要使用防凍液時也儘量不要直接使用硬水，避免冷卻系統結出水垢。若無條件加入軟水，則可加人一定量的DCA藥劑等軟化水的藥劑，可以防腐、防垢，對冷卻系統起到一定的保護作用。
定期檢查
定期對冷卻系統進行檢查，主要檢查其是否有泄漏現象、冷卻液水位、節溫器工作是否正常，冷卻系統的管道是否有水垢產生，如發現異常，應及時處理。
水冷柴油機的分類
水冷柴油機主要有循環水冷柴油機和蒸髮式水冷柴油機兩大類，主要區別在於冷卻方式的不同：循環水冷柴油機主要靠水箱裡的強制冷卻系統冷卻水，工作時熱水往上進入水箱，被風扇強制冷卻成冷水，再重新泵回柴油機重新使用。而蒸髮式水冷柴油機則是靠水的自然蒸發製冷，水蒸發的過程中也帶走了柴油機的熱量，達到了冷卻的目的。但此種冷卻方式需要經常加水，耗油也相對較多，可價格便宜，適合在中原地區使用。
蒸髮式水冷柴油機的特點是：因其耗水量大，使用中應隨時注意水位，及時加注冷卻水。工作出現冷卻水沸騰是正常現象，因為柴油機工作中必須保持一定的溫度。
蒸髮式水冷柴油機過熱的表現
（1）測定排氣管排出的廢棄溫度。一般排出的廢棄溫度為400～500℃，若廢棄溫度高達700℃以上，可視為柴油機溫度過高。
（2）測定水箱裡冷卻水的耗水量。正常情況下冷卻水每小時耗量為1.5kg，如每小時耗水量超過2kg，可視為柴油機溫度過高。
（3）測定機油溫度。機油正常溫度為70-90℃，如果經常在95℃以上，可視為柴油機溫度過高。
（4）測定柴油箱內的柴油溫度。根據實驗正常工作一小時後的溫度如果高於20℃時，可以視為柴油機溫度過高。
（5）測定水箱裡冷卻水沸騰時間，一般情況下，若負荷額定轉速運轉，在室溫情況下，20分鐘左右開始沸騰，如10分鐘以內沸騰，可視為柴油機溫度過高。
（6）柴油機工作中，排氣管嚴重冒黑煙、功率不足，可視為柴油機溫度過高。
蒸髮式水冷柴油機過熱的危害
（1）柴油機溫度高可造成氣門關閉不嚴、氣門密封環帶燒蝕、活塞頂邊沿燒損、噴油器針閥卡死等。所以柴油機溫度不可過高。
（2）零件在高溫下機械強度顯著下降，容易損壞，使用壽命大大縮短，同時還會發生變形(如缸蓋翹曲變形)，卡滯(如活塞膨脹卡死在缸套中)，燒蝕(氣門墊燒損)等故障。
（3）.柴油機過熱可使充氣量不足，排氣帶煙，加速緩慢，功率下降，油耗增加。
（4）機油溫度過高而變稀，油膜變薄，甚至燒焦變質，潤滑性能惡化，久而加劇了運動零件表面磨損(如燒缸等)。
過熱的原因及處理方法
（1）水箱及水套水垢太厚。水垢，一方面使冷卻系的容積變小，循環阻力增大，另一方面降低了冷卻系的散熱能力冰垢的導熱能力僅為鋼鐵的1/25)，久而使冷卻強度大大減弱，造成柴油機過熱。長期使用井水(硬水)，因含有各種鹽類礦物質，水溫升高后會沉積出來，這些沉澱物將附著在冷卻系各金屬部件的水壁上而形成水垢。因此，冷卻系要使用軟水。如用井水時，可將其先軟化後再使用。軟化方法有二：一是煮沸法，將井水煮沸經沉澱後再使用；二是添加軟化劑，每10kg水中加入苛性鈉(燒鹼)79或碳酸鈉(純鹼)5～10g，沉澱過濾後使用。
（2）.機體與缸蓋的水套里雜質沉積太多，甚至堵塞水套，使水循環不暢通，引起散熱不良。此時應清理沉積雜質與泥沙，疏通水道，避免使用不清潔的冷卻水。
（3）積碳嚴重造成柴油機過熱。由於柴油機嚴重燒機油，噴油嘴嚴重厚底。噴油壓力低等，在柴油機燃燒室內壁、活塞頂部和氣門表面積碳嚴重，會使散熱不良，造成柴油機過熱。
（4）供油時間過晚導致柴油機過熱。由於供油時間過晚，會延長燃燒期，特別使燃燒補燃過程延長，汽缸套及相關零件吸熱過多，引起柴油機機件過熱，應及時校正柴油機的供油時間。
（5）柴油機經維修後各部配合間隙較小(如氣缸間隙、軸向間隙等)，因此，維修後不能馬上投入正常作業，應先進行磨合試運轉一段時間，如馬上投入負荷作業，柴油機運轉阻力增大，強烈摩擦會引起運動件過熱，或因配合間隙小而卡死。
（7）柴油機長時間超負荷工作，供油量大而轉速低，汽缸套及相關零件吸熱增多，造成散熱不良而過熱。
