水冷柴油机的构造与原理
柴油机工作时，高温燃气及摩擦生成的热会使气缸（盖）、活塞和气门等零部件的温度升高。如不采取适当的冷却措施，将会使这些零件的温度过高。受热零件的机械强度和刚度会显著降低，相互间的正常配合间隙会被破坏。润滑油也会因温度升高而变稀，失去应有的润滑作用，加剧零件的磨损和变形，严重时配合件可能会卡死或损坏。柴油机过热，会导致充气系数降低，燃烧不正常，功率下降，耗油量增加等。如柴油机温度过低，则混合气形成不良，造成工作粗暴、散热损失大、功率下降、油耗增加、机油黏度大、零件磨损加剧等，导致柴油机使用寿命缩短。
实践表明，柴油机经常在冷却水温为40～50℃条件下使用时，其零件磨损要比正常温度下运转时大好几倍。因此柴油机也不应冷却过度。柴油机冷却系统的作用是保证发动机在最适宜的温度范围内工作。对于水冷式柴油机，缸壁水套中适宜的温度为80～90℃，对于风冷式柴油机，缸壁适宜温度为160～200℃。根据冷却介质的不同，柴油机冷却系统可分为水冷式和风冷式两种。本文中康明斯公司重点为你介绍水冷式柴油发动机的特点。
水冷却方式是用水作为冷却介质，将柴油机受热零件的热量传递出去。这种冷却方式具有冷却比较均匀、可使柴油机稳定在最有利的水温下工作、运转时噪声小等优点，所以目前绝大多数柴油机采用的是水冷式冷却系统。根据冷却水在柴油机中进行循环的方法不同，可分为自然循环冷却和强制循环冷却两类。
自然循环冷却是利用水的密度随温度变化的特性，以产生自然对流，使冷却水在冷却系统中循环流动。其优点是结构简单，维护方便；缺点是水循环缓慢，冷却不均匀，柴油机下部水温低，上部水温高，局部地方由于冷却水循环强度不够而可能产生过热现象。并且自然循环冷却系统要求水箱容量较大，故只在小型柴油机上采用。自然循环冷却可分为蒸发式、冷凝器式和热流式三种。
而强制循环冷却是利用水泵使水在柴油机中循环流动。强制循环冷却系统可分为开式和闭式两种。在开式强制循环冷却系统中，冷却介质直接与大气相通，冷却系统内的蒸汽压力总保持为外界大气压，其消耗水量比较多。而在闭式强制循环冷却系统中，水箱盖上安装了一个空气-蒸汽阀，冷却介质与外界大气不直接相通，水在密闭系统内循环，冷却系统的蒸汽压力稍高于大气压力，水的沸点可以提高到100℃以上。其优点是可提高柴油机的进、出水口水温，使冷却水温差小，能稳定柴油机工作温度和提高其经济性；与此同时，还能提高散热器的平均温度，从而缩小散热面积，减少水的消耗量，并可缩短机油预热时间。其缺点是冷却系统零部件的耐压要求较高。这种冷却方式目前应用最为广泛。
如图1所示为康明斯系列柴油发动机闭式强制循环水冷却系统示意图。柴油发动机的气缸体和气缸盖中都铸造有水套。冷却液经水泵5加压后，经分水管10进入机体水套9内，冷却液在流动的同时吸收气缸壁的热量并使自身的温度升高，然后流入气缸盖水套7，在此吸热升温后经节温器6及散热器进水管进入散热器2中。与此同时，由于风扇4的旋转抽吸，空气从散热器芯吹过，流经散热器芯的冷却液热量不断地散发到大气中去，使水温降低。冷却后的水流到散热器2底部后，又经水泵5加压后再一次流入缸体水套中，如此不断地循环，柴油机就不断地得到冷却。当水温高于节温器的开启温度时，回水进入散热水箱进行冷却，完成水循环，这种循环通常称为大循环；当水温低于节温器开启温度时，回水便直接流入水泵进行循环，这种循环通常称为小循环。
图1柴油机强制循环水冷却系统示意图
柴油发动机转速升高，水泵和风扇的转速也随之升高，则冷却液的循环加快，扇风量加大，散热能力就增强。为了使多缸机前后各缸冷却均匀，一般柴油机在缸体水套中设置有分水管或铸出配水室。分水管是一根金属管，沿纵向开有若干个出水孔，离水泵愈远处，出水孔愈大，这样就可以使前后各缸的冷却强度相近，整机冷却均匀。
水冷系统还设置有水温传感器和水温表8。水温传感器一般安装在气缸盖出水管处，将出水管处的水温传给水温表。操作人员可借助水温表随时了解冷却系统的工作情况。
为了防止和减轻冷却水中的杂质对发动机的腐蚀作用，某些柴油机（如康明斯n855型和卡特彼勒3400系列柴油机）在冷却系统中还设有防腐装置。在防腐装置的外壳中装有用镁板夹紧着包有离子交换树脂的零件。其作用是由金属镁作为化学反应的金属离子的来源，当冷却水流经防腐装置的内腔时，水中的碳酸根离子便和金属离子形成碳酸镁而沉淀，在该装置中被滤去，从而减小了冷却水对发动机水套及冷却系统各部件的腐蚀。
1、散热器
散热器的作用是将冷却水所携带的热量散入大气以降低冷却水的温度。散热器必须有足够的散热面积，并用导热性好的材料制造，其构造如图2（a）所示，它由上水箱（有的带有空气-蒸汽阀）、芯部和下水箱三部分组成。上、下水箱用来存放冷却水，上水箱顶部开有注入冷却水的加水口，用水箱盖封闭。柴油机水套中的热水从气缸盖上的出水口流进上水箱，经散热器芯子冷却后流到下水箱，再经下水箱的出水管被吸入水泵。
图2 柴油机散热器及芯部构造
散热器芯部构造形式有多种，常用的有管片式和管带式两种。管片式的芯部构造如图2（b）所示，它由许多扁形水管焊在多层散热片上构成。其芯部的散热面积大，对气流的阻力小，结构刚度好，承压能力强，不易破裂，所以目前被广泛采用。其缺点是制造工艺比较复杂。管带式芯部的构造如图2（c）所示，它由波纹状散热带8与冷却扁管9相间排列组合而成。带上开有缝槽10，可以破坏气流附面层以增加传热效果。该型芯部的刚度不如管片式好，但制造工艺简单，便于大量生产，其应用有逐渐增多之势。
散热器芯子多用黄铜制造。黄铜具有较好的导热和耐腐蚀性能，易于成形，有足够的强度且便于焊修。为了节约铜，近年来，铝合金散热器也有一定发展。
闭式强制循环冷却系统是一个封闭的系统，提高系统的蒸汽压力后，可以提高冷却水的沸点。由于冷却水温和外界气温温差加大，因而也就提高了整个冷却系统的散热能力。但如果冷却系统内蒸汽压力过大，就可能使散热器芯的焊缝或水管破裂。当冷却系统中的蒸汽凝结时，会使系统中的蒸汽压力低于外界大气压力，如果这个压力过低，散热器芯部就可能被外界大气压压坏。因此闭式冷却系统的水箱盖上装有空气-蒸汽阀，其结构及工作原理如图3所示。当冷却系统内蒸汽压力低于大气压力0.01～0.02mpa时，在压差作用下，空气阀3便克服弹簧的预紧力而开启，如图3（a）所示。空气从蒸汽引出管5经空气阀进入上水箱，使冷却系统的压力升高。当冷却系统内蒸汽压力超过大气压0.02～0.03mpa时，蒸汽阀弹簧2被压缩，蒸汽阀1便开启，如图3（b）所示，此时将从蒸汽引出管5中出一部分蒸汽，使冷却系统的压力下降。此时，冷却水的沸点可提高到108℃左右，减少了冷却水的消耗。
空气-蒸汽阀一般安装在散热器盖上，有的柴油机则安装在散热器上储水箱的侧面。当柴油发动机过热时，如需打开闭式强制循环冷却系统的散热器盖，应将其慢慢旋开，使冷却系统内的压力逐渐降低，以免蒸汽和热水喷出伤人。如果要旋松放水开关放出冷却水时，也需先打开散热器盖，才能将水放尽。
图3 柴油机空气-蒸汽阀结构及工作原理示意图
2、风扇
风扇的功用是增大流经散热器芯部空气的流速，提高散热器的散热能力。水冷系统的风扇要求足够的风量，适度的风压，功率消耗少，效率高，噪声低以及工艺简单。在水冷系统中常用的是轴流式风扇，这种形式的风扇结构简单，布置方便，低压头时风量大，效率高。它一般装在散热器芯部后面，利用吸风来冷却芯部。
风扇的构造如图4所示。在固定于带轮7上的风扇支架上，铆着用薄钢板冲制成的风扇叶片。风扇的扇风量主要与风扇直径、转速、叶片形状、叶片安装角及叶片数目有关。叶片大多用薄钢板冲压制成，断面形状多为弧形。但也可用塑料或铝合金铸成翼形断面的整体式风扇，虽然制造工艺较复杂，但效率高，功率消耗小。在有些发动机上，冷却风扇的冲压叶片端部弯曲，以增加扇风量。叶片应安装得与风扇旋转平面成30°～60°倾斜角。叶片数目通常为4片或6片。有的将叶片间夹角做成不等，以减小旋转时产生的振动和噪声。风扇外围装设护风圈，可适当提高风扇的工作效率。
图4 柴油机水箱风扇的构造图
3、水泵
水泵的作用是提高冷却水压力，使水在冷却系统内加速循环。柴油机上广泛采用离心式水泵，工作原理如图5所示。水泵叶轮由曲轴驱动旋转时，带动水泵中的水一起转动，由于离心力的作用，水被抛向叶轮边缘并产生一定的压力，经出水管被压入缸体水套中，在叶轮中心处，由于水被甩向外缘而压力降低，水箱中的水经进水管被吸入泵中，再被叶轮甩出。水泵叶轮一般有6～8个轮叶，轮叶形状有径向直叶片的，其构造简单；有曲线形叶片的，其泵水效率高。离心式水泵的主要特点是结构简单、外形尺寸小、工作可靠、制造容易以及当水泵由于故障而停止转动时，冷却水仍可进行自然循环。
图5 柴油机离心式水泵工作原理
4、冷却强度调节装置
冷却系统的散热能力是按照发动机常用工况和气温较高的情况下能保证可靠冷却而设计的。但使用条件（如转速、负荷和气温等）变化时，必须改变散热器的散热能力，使需要从冷却系统散走的热量与冷却系统的散热能力相协调。可通过改变流经散热器芯部冷却水的循环流量或冷却空气流量的方法来调节其冷却强度，以保证发动机在最佳温度状况下工作。
① 改变流经散热器芯部冷却水的循环流量
冷却
