5-7第七节 冷却系统

第五章 燃油系统、润滑系统和冷却系统 198

第七节 冷却系统

在柴油机中燃油燃烧放出的热量约有30%要经过气缸、气缸盖和活塞等部件散向外界。为了能散出这些热量，需要有足够数量的冷却介质强制连续流经受热部件，通过冷却保证这些受热部件的正常稳定温度。因而在多数柴油机中均设置冷却系统，保证足够而连续的冷却介质流量以及适当的冷却介质温度。

一、冷却的作用和方式

从能量利用观点来看，柴油机的冷却是一项应予避免的能量损失，但从保证柴油机正常工作考虑它又是必需的。柴油机冷却有以下作用：首先，冷却可以保持受热部件的工作温度不超过材料所允许的限值，从而可保证在高温状态下受热部件的足够强度；其次，冷却可以保证受热部件内外壁面适当的温差，减少受热部件的热应力；此外，冷却还可以保证运动部件如活塞与缸套的适当间隙和缸壁工作面滑油膜的正常工作状态。冷却的这些作用通过冷却系统来实现。在管理中应兼顾柴油机冷却的两方面要求，既不使柴油机因过分冷却而过冷，也不使柴油机因缺乏冷却而过热。从尽量减少冷却损失以充分利用燃烧能量出发，国内外正在进行“绝热发动机”的研究，相应发展了一批耐高温的材料，如陶瓷材料等。

目前，柴油机的冷却方式分强制液体冷却和风冷两种。绝大多数柴油机采用前者。

二、冷却介质

在柴油机强制液体冷却系统中，冷却介质通常有淡水、海水、滑油、柴油等。淡水的水质稳定，传热效果好并可采用水处理解决其腐蚀和结垢的缺陷，因而它是目前使用广泛的一种理想冷却介质。柴油机对淡水水质的要求一般为不含杂质的淡水或蒸馏水。若为淡水要求其硬度不超过10个德国度，pH值为6.5~8，氯化物含量不超过50×10-6 。当使用蒸馏水或离子交换器产生的完全脱离子水作为冷却淡水时，必须特别注意对淡水进行水处理，并定期化验，确保水处理剂的浓度达到规定范围。否则由浓度不够而产生的腐蚀比使用一般硬水还严重（因无一般硬水所形成的石灰薄膜沉淀物保护）。海水的水质难以控制且其腐蚀和结垢问题比较突出，为减少腐蚀和结垢应限制海水的出口温度不超过45℃，因而目前很少使用海水直接对柴油机进行冷却。滑油的比热小，传热效果较差，高温状态易在冷却腔内产生结焦，但它不存在因漏泄而污染曲轴箱油的危险，因而适于作为活塞的冷却介质。柴油一般作为喷油器的冷却介质。

三、冷却系统的组成和设备

在柴油机动力装置中，根据冷却方式和工作特点的不同，冷却系统分为开式、闭式和中央（集中）式三种类型。传统柴油机冷却系统是用淡水强制冷却柴油机，然后用海水强制冷却淡水和其它载热流体（如滑油、增压空气等）。在系统布置上前者属闭式循环，后者属开式系统。

1．闭式淡水冷却系统

由于受热部件工作条件不同，所要求的冷却液的温度、压力和冷却系统基本组成也各不相同。因而各受热部件的冷却系统通常由几个单独的系统组成，一般为缸套和气缸盖、活塞、喷油器三个闭式淡水冷却系统。

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在缸套水冷却系统中，淡水流动路线可以有两种方案，如图5-7-1所示。两者的区别在于淡水泵供应的淡水在a）方案中先进主机，然后再去淡水冷却器；而在b）方案中则先去淡水冷却器，然后再去主机。一般来说，淡水泵供应的淡水应先进主机，这可以防

止缸套穴蚀和冷却水的汽化，但由于目前冷却水压力

图5-7-1 缸套水系统布置方案

较高，两者实际区别不大。

1-主机；2-膨胀水箱；3-淡水冷却器；4-淡水泵 图5-7-2为MAN-B&W MC型柴油机缸套冷却水

系统。主淡水泵3出口的淡水经造水机11和淡水冷却器12冷却后由缸套进口总管进入各缸套下部，沿缸套→气缸盖→增压器路线进行冷却。各缸出水管汇总后一路经阀A（航行时开启，港泊时关闭）进入空气分离器8并进入主淡水泵进口；另一路进入淡水膨胀水箱6。平衡管7用于给系统补水并保持淡水泵吸入压头。

图中还给出了发电柴油机（副机）的冷却水系统。它与主机冷却水系统并联布置。在航行期间可以分别并列循环（此时开A阀），在港泊期间可用副机冷却水经管13给主机暖缸（此时关A阀，开B阀）。

系统中有温度传感器9检测主、副机冷却水出口温度的变化，并通过热力控制阀14、10控制其进口温度。通常主淡水泵设有两台，并为离心泵。缸套冷却水系统中均设高置膨胀水箱。其作用是：膨胀，使系统中的淡水受热后有膨胀余地；补水，补充系统中因蒸发和漏泄而损失的水量并保持淡 水泵有足够的吸入压头；排放

图5-7-2 MC/MCE柴油机缸套冷却水系统

系统中的空气；投药，可在此

1-主机；2-副机；3-主淡水泵；4-副机机带淡水泵；5-空气分离器报警器；6-膨

投放化学药剂以对冷却水进行胀水箱；7-平衡管；8-空气分离器；9-温度传感器；10-热力膨胀阀；11-造水机；

12-缸套水冷却器；13-暖机水管系 化学处理；加热，可对冷却水

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加热以暖机（如在其中设置加热装置）。

图5-7-3为某大型柴油机的活塞冷却系统。该活塞采用淡水冷却。主要由淡水循环柜4、活塞水泵2和冷却器3等组成。活塞水泵泵出的淡水经冷却器后进入各缸活塞冷却水进水总管7，再分别经各缸活塞套管冷却机构对活塞进行冷却。最后冷却水在各缸活塞冷却水出口汇总管8汇集送往循环柜4循环使用。

淡水循环柜的作用是：汇集各缸活塞冷却水；补充水量不足；可在此投药进行化学处理；如设有加热装置，可对此系统中的水加热用于暖机。

喷油器冷却系统的组成和原理与活塞冷却系统基本相同，冷却剂可用淡水或柴油。在某些喷油器冷却系统中，有时不设冷却器，借助冷却系统的自然散热即可达到冷却目的。有时在冷却水循环箱中设置加热器以保证起动时喷油器对冷却水温度的要求。

2．开式海水系统

开式海水系统是用海水作为冷却剂冷却淡水、滑油、增压空气和空气压缩机等。系统的基本组成是海底阀和大排量海水泵。其系统如图5-7-4所示，使用过的海水排至舷外。在系统中装设感温元件6和自动温度调节阀11，使部分使用过的海水回流至海水泵进口，保证进冷却器的

图5-7-3 活塞冷却水系统

1-主机；2-活塞水泵；3-活塞水冷却器；4-循环水柜；5-活塞水漏泄柜；6-自动调温阀；7-活塞冷却水进水管；8-活塞冷却水出水管；9-透气管；10-观察镜；11-低位警报；12-补水管；13-水处理投药口；14-压力表；15-活塞水压力表

图5-7-4 开式海水冷却系统

1-主机；2-低位海底阀；3-高位海底阀；4-海水滤器；5-海水泵；6-感温元件；7-滑油冷却器；8-增压空气冷却器；9-活塞水冷却器；10-缸套水冷却器；11-温度调节阀；12-出海阀；13-温海水回流管；14-透气管

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海水温度不低于25℃。

一般设两个以上海底阀，分高位和低位，分设在船舶的两侧舷旁。高位海底阀（门）位于空载水线下约300mm处，低位海底阀（门）设在舱底（靠双层底附近）。船舶进港后，由于水面下泥沙污物较多，多用高位海底阀。而在海上航行时，为防止因风浪造成空吸，多使用低位海底阀。当船舶在码头停靠时，一般停止使用靠近码头一侧的海底阀，而改用外侧海底阀，以防污物堵塞。

海水泵一般设两台，一台备用。有些船上把备用泵兼作备用淡水泵。海水泵排量很大，通常在吸入管接一应急舱底吸口，以备机舱进水时应急排水之用。海水泵一般均采用大排量离心泵。 3．中央冷却系统 近代船舶动力装置冷却系统中出现了一种新型的系统，即中央冷却系统。这种冷却系统的基本特点是使用不同工作温度的两个单独的淡水循环系统：高温淡水

（80~85℃）和低温淡水图5-7-5 RTA-T柴油机中央冷却系统 （30~40℃）

闭式系统。前者用于冷却主机，后者用于冷却高温淡水和各种冷却器。受热后低温淡水再在一个中央冷却器中由开式海水系统进行冷却。因此可保证只使用一个用海水作为冷却液的冷却器。图5-7-5所示为Sulzer RTA-T系列柴油机使用的中央冷却系统。

主机缸套冷却水为高温淡水循环系统，发电副机缸套水为低温淡水系统。低温淡水由中央冷却水泵泵出分别冷却主机增压空气冷却器的低温回路、各台发电柴油机及其它冷却器，并且部分低温淡水通过混水阀进入高温淡水系统以调节高温淡水系统的温度。高温淡水系统主要用来冷却主机缸套水和空冷器的高温回路。在港泊期间，发电副机缸套冷却水可用来给主机暖机。受热后的低温淡水可在中央冷却器中由主海水泵泵出的海水进行冷却。由此，简化了船舶海水管系，使海水管系最短。此外在系统中尚有多个温度传感器以及相应的热力控制阀，可根据水温的变化调节旁通水量大小。

中央冷却系统较前述传统的冷却系统有以下明显优点：海水管系及中央冷却器的维修工作减至最低限度；气缸冷却水温度稳定，不受工况变化的影响，因而使柴油机始终在最佳冷却状态下运转；淡水循环可多年保持清洁，维修工作量极少。中央冷却系统的缺点是：增加

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了中央冷却器及其辅助设备与管系，因而投资费用较高；由于附加管系的阻力损失，使水泵耗功也有所增加。

在近年来建造的现代化船舶中，大多采用中央冷却系统。

四、冷却水添加剂及水处理

闭式和中央冷却系统中，虽然都采用淡水作为冷却介质，但自然界中没有纯净的水，仍需对系统中的淡水进行处理，以防在冷却腔中结垢和造成腐蚀。船舶上处理冷却水的方法有两种。一种是加入无机缓蚀剂，此类化学药品大致分为阳极缓蚀剂和阴极缓蚀剂两种。前者如碳酸盐、磷酸盐、亚硝酸盐等，可在阳极金属上形成保护层，防止阳离子进入水中，但浓度必须足够，否则未形成保护层的局部将产生严重腐蚀；后者如重碳酸钙等，可在阴极金属上形成保护层。目前大多使用亚硝酸盐和硼酸盐为主的水处理剂。其价格便宜，保护效果好，投药量低（＜0.5%），如浓度不当，其危害不突出，且不会伤及皮肤。其缺点是在船上必须定期化验其浓度变化，对锌及镀锌管有腐蚀作用，另外亚硝酸盐有一定毒性。另一种是加入乳化防锈油，由于环境保护的要求，目前较少使用乳化防锈油。 1．无机缓蚀剂

无机缓蚀剂（防锈剂）的种类很多，但目前国内外所使用的均以亚硝酸盐和硼酸盐为主要成分。前者具有很好的防垢和防锈双重作用，后者为碱性物质可提高冷却水的pH值，有利于保护膜形成。只要按使用说明书应用，都能取得良好效果。下面仅以远洋船上常用的UNITER公司生产的船用冷却水处理剂Dieselguard（原名PEROLIN Formet 326）为例加以说明。这种冷却水处理剂为干燥灰白色粉状亚硝酸盐-硼酸盐化合物，能使金属表面形成完整的一层薄膜，不影响传热，能防止电化学腐蚀和穴蚀，抑制水垢生成，对铜、黄铜及非金属（如软管、垫床、密封装置）均无损害。加有这种药剂的冷却水可用作造水机的热源，制得的淡水可供饮用。

使用时这种药剂的用量控制及浓度是根据亚硝酸盐浓度而定的，见表5-7-1。对原来积有水垢和沉积物的冷却腔，加药量应加倍（达5000×10-6 ），且经常从系统中放水，其排出水垢、铁锈和泥渣，放水量每次10L即可。药剂未加入系统之前，应先按1Kg药剂加6Kg水的比例把药剂溶解，放掉系统中的部分水后，加入膨胀水柜中。待药剂分散到整个系统后，应立即取水样化验，并根据化验结果对含药浓度进行调节。当达到所需要求以后应每周再化验一次。亚硝酸盐浓度化验是使用UNITER公司提供的手提化验箱按说明进行：取经过滤后的水样5ml放入瓶内，再加蒸馏水至50ml，加入2片亚硝酸盐1号药片，待摇至溶解后再放入1片亚硝酸盐2号药片，待溶解后再放入第二片2号药片，这样一片片加入直至出现粉红色并保持1min以上。加入的2号药片总数乘以180即得出亚硝酸盐的浓度值（10-6 ），再和表5-7-1比较，即可决定加药数量。亚硝酸盐的浓度一定要足够，否则金属表面薄膜不能保持完整，反而会加速电化学腐蚀。

我国交通部推荐的柴油机水处理的药剂也是亚硝酸盐和四硼酸盐的混合物，其处理与化验步骤可参见有关说明书。 2．乳化防锈油

乳化防锈油品种很多，配方各异，但不外乎由有机防锈添加剂、乳化剂和基础油三部分组成。采用防锈油处理冷却水，除有防蚀作用外，还有一定的润滑作用，因此常用于活塞冷却水的处理。我国船舶常用的防锈油有国产NL型乳化防锈油和壳牌“壮马士B”（Shell Dromus

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