水冷柴油机

仪器设备

柴油机的冷却方式分为水冷和风冷两大类。水冷却方式是以水作为介质，将柴油机产生的热量传送出去。这种冷却方式的柴油机通常由水泵、散热水箱、风扇、节温器等组成。冷却水在水泵的作用下，被吸入到柴油机内部以一定路线流动，吸收带走机件产生的热量，并通过风扇和水箱的作用将热量散发到空中。使柴油机的工作温度保持在一定范围之内。

冷却方式

柴油机的冷却方式分为水冷和风冷两大类。

1.风冷柴油机

风冷柴油机的工作原理

风冷方式又称为空气冷却方式，它是以空气作为介质，将柴油机受热零件的热量传送出去的。这种冷却方式的发动机通常由风扇和导风罩组成，为了增加散热面积，气缸体和气缸盖外部做成皱折片，工作时风扇转动将空气吸入，沿导风罩流向气缸体和气缸盖的表面。空气流经气缸体和气缸盖时，将它们传出的热量带走。

风冷柴油机的优缺点：风冷柴油机具有结构简单、质量轻、维修方便的优点，但是，其冷却效果差、噪音大，多适用于小型柴油机上。

2.水冷柴油机

水冷柴油机的工作原理：柴油机的水冷却方式是以水作为冷却介质，柴油机产生的热量通过水被传送出去。这种冷却方式的柴油机结构相对简单，组成部分通常为：水泵、散热水箱、风扇、节温器。冷却水在水泵的作用下，进入到柴油机内部，按照相应路线流动，吸收带走机件产生的热量，并通过风扇和水箱的作用将热量散发到空气中。从而，柴油机的工作温度保持在一定范围之内。

水冷柴油机的优缺点：水冷柴油机冷却效果较好，适用于大功率柴油机，当温度或工作负载发生变化时便于调节冷却强度，使柴油机始终在规定温度(65℃～95℃)范围内进行工作。此外，在冬季还可以利用灌热水的方法来进行预热，启动方便。但是，由于水冷却方式的限制，它也具有易结水垢、对缸套产生穴蚀现象等缺点。

应用领域：水冷柴油机主要应用于农业机械、工程机械、汽车工业、船舶机械、电力工业等领域。

影响因素

大功率柴油机的工况比较复杂，影响其冷却系统的因素也较多，其中主要有循环水量、散热效率和空气流量三个方面。

循环水量

循环水量不仅与水泵结构、发动机转速有关，而且与冷却水量及水流组织是否合理有关，根据试验，冷却水量应与发动机所发出的功率成正比，即发动机每发出1kW 的功率，应有0．3～0．4L冷却液配合冷却。此外，水流方向的合理组织，也可以在一定程度上缓解冷却系统内部阻力，并使冷却效果均匀，避免发动机部分零部件过热的现象。

散热效率

发动机的散热效率主要与与之相匹配的水箱有关，现代的矿用汽车所匹配的水箱基本上都是带有压力盖的水箱，由于内部有较高的压力，提高了冷却液的沸点，使之在达到100℃时，不会立即出现开锅现象。另外，也与冷却水箱管道内部的水垢有关，水冷柴油机若长期使用不合格的冷却液或硬水，冷却水箱的管道内将不可避免地结出水垢，必然影响到水箱的散热效率。

空气流量

空气流量主要与风扇叶片直径、叶片安装角度、叶片形状、发动机转速等因素有关，其中，影响程度最大的应该是风扇叶片直径和叶片安装角度。

常见故障

柴油机在工作时，发动机内部温度可达2 000℃以上，此时，若发动机的冷却系统出现故障，对发动机的安全使用将是一个重大的威胁。

水温过高

故障现象

冷却水温度过高，即水表指针常指在100℃以上，并且伴有“开锅”现象‘幻。

故障原因分析

（1）冷却系统中冷却液不足。柴油机在启动前未对冷却水箱的水位进行检查，冷却系统泄漏严重导致冷却液缺失，不能够及时带走发动机机件产生的热量，进而造成水温过高。

（2）散热面积不足。柴油机均根据功率和负载对冷却水的散热面积进行了匹配。但由于水冷柴油机的冷却液均大部份为水配以乙二醇而来，夏季还有加入自来水的现象发生。长期使用过程中，因冷却液质量不合格，在散热管内产生大量水垢，堵塞散热管，降低散热效率。

（3）水泵失效。水泵固定叶轮的销钉折断或松脱致使水泵转而叶轮不转，水泵将会停止工作，冷却水不循环，也将导致水温升高。

（4）节温器失效。在水温高于规定温度时不能及时打开进行大循环，导致机体内的水温越来越高。

（5）风扇故障。风扇皮带打滑或脱落、叶片损坏、叶片安装角度不正确，都将影响水箱的散热，从而导致整个冷却系统温度过高。

（6）发动机喷油时间过晚。未燃烧的柴油将会造成柴油机温度过高，缸盖温度升高也会造成发动机水温过热。

检查处理方法

(1)检查冷却水。检查冷却水箱水位，查看冷却水管、散热器管有无泄漏现象。如有，及时处理。

(2)检查散热管及冷却液。查看散热管内是否有水垢堵塞现象，如常有水垢堵塞现象，可在冷却系统中加入DCA过滤器，它是加有DCA化学药品的容器，可使水软化，避免水垢的形成，并且具有保护缸体、缸套、防止穴蚀现象发生的作用，同时，过滤器中还装有纸滤芯，可起到机械过滤的作用。也可以在使用中直接加入适量的DCA药剂，在日常保养中经常检查冷却液质量，使用正规冷却液。

(3)检查水泵。用手握紧发动机连接水泵的水管，踩踏油门加大发动机的转速，若能明显感觉到水流量加大，则证明水泵工作正常。若无感觉，则水泵不工作，此时，可检查水泵的叶轮销钉是否折断或松脱。

(4)检查节温器。可检查水箱上水室进水管，若发动机温度高于节温器打开温度时，进水管处没有或只有很少水流出，则证明无法正常打开，无法形成大循环，造成水温过高。

(5)检查风扇皮带。如果皮带过松应进行调整，若皮带有磨损过大或折断的迹象应及时进行更换。

水温过低

故障现象

在冬季，柴油机的水温经常出现过低的情况，这样会使发动机缸内温度大大降低，对发动机的润滑及功率输出都有较大影响。

故障原因分析

(1)节温器失效。节温器阀关闭不严或完全不能关闭，都将使发动机时刻处于大循环中，使得发动机不能快速有效地提高到正常工作温度。

(2)发动机冷却水道内水垢过多。水冷柴油机在长期使用后，机体内冷却水道中不可避免地会产生水垢，水垢的厚度主要取决于发动机大修周期的长短及冷却液的质量，若机体内水垢过厚，则冷却液不能够顺利带走发动机产生的热量，容易造成冷却液温度过低而机体部件过热的现象。

(3)保温不良。柴油机在冬季，特别是低负荷、高转速的工况下经常出现保温不良的现象，使得冷却液温度过低。

检查处理方法

(1)检查节温器。可检查水箱上水室进水管，若冷却液温度低于节温器打开温度时，进水管处有大量水流出，则证明不能正常关闭或关闭不严，始终进行大循环，造成水温过低。

(2)定期检查水道。定期检查水道，若水道中水垢过厚，则应用清洗液加以清洗，同时，在日常使用过程中应注意使用合格的冷却液，不可加入硬水。若无条件，可加入DCA药剂或DCA过滤器，使其软化。

(3)检查柴油机保温状况。除以上两种情况外，若水温仍然过低，则应是保温不良造成的原因，此时，应在冷却水箱外套上一层保温罩。

柴油机工况最佳冷却液工作温度的确定

试验结果证明,柴油机工作存在一个最适宜的工作温度,即柴油机工况最佳冷却液温度。柴油机在最佳冷却液温度下工作时,柴油机的运转状况包括燃油燃烧、尾气排放、润滑油的粘度、机件的刚度及其间隙、柴油机的运转状态等均处于良好状态。这样,不仅可以改善柴油机经济性、动力性和降低噪声,同时也会大大延长柴油机的使用寿命。

水冷柴油机最佳冷却液工作温度可以根据以下模型通过优化设计方法确定。

根据柴油机使用性能的要求,取以下函数作为确定柴油机在一定工况下最佳冷却液工作温度的目标函数： .

式中: 为油门的开度; 为柴油机曲轴的输出转速; i = 1, 2,… , k 1; j = 1, 2,… , k2; k 1为油门开度T的试验工况数; k2 为柴油机转速为ne 时的试验工况数; l = 1,2,… , n; n 为分目标函数数; 为对应工况的综合目标函数; Q为柴油机性能重要度加权系数;为柴油机冷却液温度.详细计算过程请查阅参考资料[2].

维护保养

冷却液的使用

水冷柴油机对冷却液的使用有着比较严格的要求，因为一旦冷却液不达标，将会对柴油机整个冷却系统造成损害。在使用过程中应注意即使在夏季不需要使用防冻液时也尽量不要直接使用硬水，避免冷却系统结出水垢。若无条件加入软水，则可加入一定量的DCA药剂等软化水的药剂，可以防腐、防垢，对冷却系统起到一定的保护作用。

定期检查

定期对冷却系统进行检查，主要检查其是否有泄漏现象、冷却液水位、节温器工作是否正常，冷却系统的管道是否有水垢产生，如发现异常，应及时处理。

设备分类

水冷柴油机主要有循环水冷柴油机和蒸发式水冷柴油机两大类，主要区别在于冷却方式的不同：循环水冷柴油机主要靠水箱里的强制冷却系统冷却水，工作时热水往上进入水箱，被风扇强制冷却成冷水，再重新泵回柴油机重新使用。而蒸发式水冷柴油机则是靠水的自然蒸发制冷，水蒸发的过程中也带走了柴油机的热量，达到了冷却的目的。但此种冷却方式需要经常加水，耗油也相对较多，可价格便宜，适合在中原地区使用。

蒸发式水冷柴油机的特点是：因其耗水量大，使用中应随时注意水位，及时加注冷却水。工作出现冷却水沸腾是正常现象，因为柴油机工作中必须保持一定的温度。

蒸发式水冷柴油机过热的表现

（1）测定排气管排出的废弃温度。一般排出的废弃温度为400～500℃，若废弃温度高达700℃以上，可视为柴油机温度过高。

（2）测定水箱里冷却水的耗水量。正常情况下冷却水每小时耗量为1.5kg，如每小时耗水量超过2kg，可视为柴油机温度过高。

（3）测定机油温度。机油正常温度为70-90℃，如果经常在95℃以上，可视为柴油机温度过高。

（4）测定柴油箱内的柴油温度。根据实验正常工作一小时后的温度如果高于20℃时，可以视为柴油机温度过高。

（5）测定水箱里冷却水沸腾时间，一般情况下，若负荷额定转速运转，在室温情况下，20分钟左右开始沸腾，如10分钟以内沸腾，可视为柴油机温度过高。

（6）柴油机工作中，排气管严重冒黑烟、功率不足，可视为柴油机温度过高。

蒸发式水冷柴油机过热的危害

（1）柴油机温度高可造成气门关闭不严、气门密封环带烧蚀、活塞顶边沿烧损、喷油器针阀卡死等。所以柴油机温度不可过高。

（2）零件在高温下机械强度显著下降，容易损坏，使用寿命大大缩短，同时还会发生变形(如缸盖翘曲变形)，卡滞(如活塞膨胀卡死在缸套中)，烧蚀(气门垫烧损)等故障。

（3）.柴油机过热可使充气量不足，排气带烟，加速缓慢，功率下降，油耗增加。

（4）机油温度过高而变稀，油膜变薄，甚至烧焦变质，润滑性能恶化，久而加剧了运动零件表面磨损(如烧缸等)。

过热的原因及处理方法

（1）水箱及水套水垢太厚。水垢，一方面使冷却系的容积变小，循环阻力增大，另一方面降低了冷却系的散热能力冰垢的导热能力仅为钢铁的1/25)，久而使冷却强度大大减弱，造成柴油机过热。长期使用井水(硬水)，因含有各种盐类矿物质，水温升高后会沉积出来，这些沉淀物将附着在冷却系各金属部件的水壁上而形成水垢。因此，冷却系要使用软水。如用井水时，可将其先软化后再使用。软化方法有二：一是煮沸法，将井水煮沸经沉淀后再使用；二是添加软化剂，每10kg水中加入苛性钠(烧碱)79或碳酸钠(纯碱)5～10g，沉淀过滤后使用。

（2）.机体与缸盖的水套里杂质沉积太多，甚至堵塞水套，使水循环不畅通，引起散热不良。此时应清理沉积杂质与泥沙，疏通水道，避免使用不清洁的冷却水。

（3）积碳严重造成柴油机过热。由于柴油机严重烧机油，喷油嘴严重厚底。喷油压力低等，在柴油机燃烧室内壁、活塞顶部和气门表面积碳严重，会使散热不良，造成柴油机过热。

（4）供油时间过晚导致柴油机过热。由于供油时间过晚，会延长燃烧期，特别使燃烧补燃过程延长，汽缸套及相关零件吸热过多，引起柴油机机件过热，应及时校正柴油机的供油时间。

（5）柴油机经维修后各部配合间隙较小(如气缸间隙、轴向间隙等)，因此，维修后不能马上投入正常作业，应先进行磨合试运转一段时间，如马上投入负荷作业，柴油机运转阻力增大，强烈摩擦会引起运动件过热，或因配合间隙小而卡死。

（7）柴油机长时间超负荷工作，供油量大而转速低，汽缸套及相关零件吸热增多，造成散热不良而过热。

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