柴油機冷卻系統應用前景研究

韓曉鋼 張飛飛 王利斌 侯召峰 梁東輝

摘要：針對柴油機風冷系統和水冷系統進行分析對比，綜述應用領域和未來發展前景。目前，柴油機技術的發展日新月異，品牌也是日漸增多，各式各樣型號的柴油機不斷的出現，極大地提高了我們裝備的保障能力，確保了柴油機供電系統工作的可靠性，增強了我們完成各種高難度任務的實效性，同時由于柴油機種類繁多，維護和修理的標準不同，在給我們工作帶來便利的同時，也增加了一定的難度。

關鍵詞：風冷系統;水冷系統;應用前景

0? 引言

冷卻系統作為柴油機的重要組成部分之一，有著不可取代重要的地位。發動機工作時，氣缸內部工作溫度可以達到2000℃左右，即使是廢氣也有400℃-700℃左右的高溫。如果不及時將這些熱量散去，發動機中的機油就會焦化變質，將會破壞機件表面形成的油膜，進而造成內部結構卡死，機器損壞，此時冷卻系統作用的發揮就顯得尤為重要。

1? 柴油機冷卻系統分類

冷卻系統，顧名思義，主要是對柴油機進行冷卻，保證柴油機在一定的溫度范圍內可靠地工作，根據冷卻介質的不同，分為風冷系統和水冷系統。

1.1 柴油機風冷系統

風冷柴油機的冷卻介質采用的是風，需要風扇吸引空氣形成的氣流來進行冷卻，氣流依次流經氣缸體、氣缸蓋、機油散熱器等部件，將熱量及時帶走，從而達到冷卻效果。

在氣缸蓋和氣缸體的背風面通常都會設有擋風板，用來調節風量的分配[1]。冷空氣在冷卻風扇的吸引下進入風壓室，然后根據需要流過各個冷卻零部件。冷卻風扇有軸流式和徑流式兩種類型。冷卻風扇主要包括靜葉輪和動葉輪兩部分。靜葉輪常采用鋁合金精密壓鑄件的方式，液力耦合器位于靜葉輪轂內部。動葉輪與風扇外殼之間的有一定的間隙。柴油機風冷系統的一大特點就是機體上的各個部件上布滿了大大小小形狀各異的散熱片從而增強它的冷卻效果。

1.2 柴油機水冷系統

水冷柴油機的冷卻介質一般為水或防凍液，通過水和防凍液的流動及時帶走柴油機的熱量，保證其時刻處于正常的溫度范圍內[3]。水冷系統一般由散熱器、水泵、風扇、水箱、水管、節溫器、缸體和缸蓋中的水套等部分組成，冷卻液在水泵的帶動下不斷的流動，及時吸收高溫機件熱量，然后在散熱器中通過風扇和氣流來對其進行冷卻，隨后再次循環進入水套內，進行循環冷卻。

水冷系統中，水泵的作用非常重要，通過其不斷的工作使水冷系統保持一定的壓力，節溫器的功用是根據發動機冷卻液的溫度，自動來調整冷卻系中大循環的開啟程度，風扇的工作受其溫控開關控制，當冷卻液的溫度變化時，溫控開關自動改變風扇的轉速從而改變了流經散熱器片間的空氣流量，以此來調節發動機冷卻系的冷卻溫度。工作原理有大循環和小循環兩種[2]。

2? 風冷系統與水冷系統性能對比

結合風冷系統和水冷系統的系統構造、振動噪聲、冷卻效果、低溫性能、使用壽命，進行分析比較。

2.1 系統構造

水冷柴油機的氣缸套分為干式氣缸套（不直接與水接觸）和濕式氣缸套（直接與水接觸），活塞在缸套內往復運動時，將熱量傳給缸套，缸套又將熱量傳遞給冷卻液來實施冷卻，需要有水泵、水管、節溫器等專用零部件，構造復雜;風冷柴油機則省去許多部件和環節，結構相對簡單，但風冷系統對材料的耐熱，耐磨，膨脹系數要求更高，制造起來技術工藝要求也比水冷要高。

2.2 振動噪聲

水冷系統由于在缸套外側配備水套，噪音經過水后變小，從而大大降低了發動機內部噪音，相對來說水冷柴油機機的噪聲更小、震動較小，擁有更高的壓縮比，爆發力更強，功率更高，風冷系統需要風扇高速運轉來進行抽風與排風，風燥比較大，震動較為明顯。

2.3 冷卻效果

水冷系統的缸體和缸蓋剛度好，冷卻強度高，發動機內部和外部冷卻均勻，冷卻水路設計自由度大，工作可靠，循環性好，降溫迅速，不容易過熱，不受環境影響;風冷系統的冷卻介質為空氣，空氣的比熱容大約為水的比熱容的1/4左右，空氣的傳熱系數大概為水的傳熱系數的1/20-1/30左右，空氣的降溫效果不如水明顯，尤其在夏季使用中，水冷系統的優勢更為明顯。

2.4 低溫性能

風冷系統啟動方便、運行經濟，啟動后氣缸的溫度上升較快，在短時間內即可進入大負荷工作狀態，沒有凍裂和過熱沸騰的危險，其低溫性能優良;水冷系統啟動后，溫升比較緩慢，而且冷卻液更換不及時容易凍壞發動機，需要定期檢查冷卻液的質量，低溫環境下風冷系統的優勢更大。

2.5 使用壽命

風冷系統由于氣缸壁溫度高，升溫速度快，酸性腐蝕和磨損在很大程度上降低了，柴油機在露點以下的工作時間也大大縮短了，因而風冷系統機件腐蝕、銹蝕程度小，而且缸體、缸蓋、散熱器、冷卻部件上也不會像水冷系統一樣存有水垢;水冷系統時間久了，冷卻管道容易受到腐蝕和損壞，相關部件容易老化、開裂，水箱容易產生水垢反而影響冷卻效果，風冷系統使用壽命更長。

3? 風冷系統和水冷系統應用前景

兩種冷卻系統各有所長，在某些方面不能完全被對方所取代，只是在某些相對的領域某一類冷卻系統的優勢會更加明顯，很長的一段時間內仍然是共存的一種局面。

3.1 民用領域應用

風冷系統具有啟動迅速、運行經濟，對環境適應強等優點，風冷系統可以用在地址勘察，石油開采等特殊行業;水冷系統冷卻效果理想，功率相對風冷系統更加穩定耐用，可以長時間不間斷運作，可應用于農業機械、工程機械、汽車工業、船舶機械、電力工業等領域。

3.2 軍用領域應用

風冷柴油機的冷卻效果雖然比不上水冷，但其對環境整體的適應能力遠遠大于水冷柴油機，鑒于任務單位的機動范圍大，野外執行任務多，經常在跨區域、跨氣候條件下使用，因而對柴油機的適應性能要求較高，因此風冷系統在軍用領域的應用范圍將會越來越廣。風冷柴油機因為沒有了水箱、水泵、水管等結構而減少了維護部件，而且由于通用化、系列化的程度高，主要零部件通用性強，因此拆裝容易，結構簡單、故障率低;相反，水冷系統的故障率較高，發生故障的可能性更大。對于經常在野外機動作業的單位，對可靠性要求較高，在未來戰場環境中，風冷系統應用前景更為廣闊。

參考文獻：

[1]毛必顯，蔣紅暉.道依茨風冷柴油機的構造和原理[M].西南交通大學出版社，2003.

[2]王建昕，帥石金.汽車發動機[M].北京：清華大學出版社，2018.

[3]張金柱，汽車原理與構造[M].北京：化學工業出版社，2016.