兰装院汽车发动机构造与维修讲义12冷却系统

《汽车发动机构造与维修》讲义121/8任务十二冷却系统的检修完成本学习任务后，你应当能：1.解释发动机冷却系统的结构、作用及工作原理；2.正确地检查发动机传动带和更换；3.正确地检查发动机冷却液密度和液面高度。习任务冷却系统是对发动机受热零部件进行适当冷却，保障发动机工作正常，使发动机各零部件在各种工况下都能保持在合适的温度范围内工作。一、冷却系统的作用冷却系统是对发动机受热零部件进行适当冷却，保障发动机工作正常，使发动机各零部件在各种工况下都能保持在合适的温度范围内工作。燃烧过程中，缸内气体温度高达2000℃以上，气缸体、缸套、气缸盖、活塞和气门等直接与高温气体接触的零件，若不及时进行适当的冷却，会造成发动机过热、工作过程恶化、零部件强度降低、机油变质、运动零件受热膨胀及磨损加剧等不良后果；同时引起发动机动力性、经济性、可靠性和耐久性下降，甚至会造成受热零件因高温而损坏。发动机的冷却必须适度，若冷却过度，会造成热量散失过多、效率降低、气缸壁面温度过低及排放恶化等。二、冷却系统的类型车用发动机冷却系统有风冷和水冷等方式。风冷发动机的高温零件通过散热片等装置将热量直接散入大气进行冷却，例如保时捷经典车型993就采用了风冷技术（图11-1）；水冷发动机将热量先传递给水，然后再散入大气进冷却。水冷系统根据是否装有水泵等装置，可分为强制循环冷却和自然冷却。汽车发动机大多采用强制循环水冷方式（图11-2）。图11-1保时捷993风冷发动机图11-2强制循环水冷发动机三、强制循环水冷系统1.传统的发动机水冷系统传统的发动机水冷系统主要由水箱（散热器）、水泵、风扇、节温器、暖风水箱以及储液罐组成。水泵在曲轴的带动下使冷却液在散热器、发动机水道等通道循环，车头的散热器通过迎面而来的气流和电子扇的作用将高温的冷却液所散发出的热量吹走。同时，节温器根据发动机的水温控制进入散热器的热水量，达到控制温度的目的。如图11-3所示。图11-3传统的发动机水冷系统2.针对涡轮增压发动机的冷却系统涡轮增压发动机在汽车上的应用越来越多，为了解决发动机和涡轮增压器的散热问题，涡轮增压式发动机的冷却系统较传统的水冷系统发生了变化。该系统有两套冷却系统，一套负责涡轮增压系统的散热，由电子水泵驱动，可以保证发动机运行时涡轮增压系统的散热和发动机熄火后继续对涡轮增压系统散热；另外一套则有机械水泵驱动，主要负责发动机机体的散热和为车内提供暖风。如图11-4所示。图11-4涡轮增压发动机水冷系统四、强制循环水冷系统组成部件汽车发动机的水冷系统包括水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水桶、发动机机体和缸盖中的水套等(图11-5)。1.散热器发动机水冷系统中的散热器由进水室、出水室及散热器芯等三部分构成(图5-6)。冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过。热的冷却液由于向空气散热而变冷，冷空气则因为吸收冷却液散出的热量而升温，所以散热器是一个热交换器。散热器一般用黄铜、铝和铝-锌等材料制成。散热器中冷却液的流动方向有横流和纵流两种形式。轿车用发动机一般采用横流式散热器，以降低散热器的高度。如图11-7所示。图11-5冷却系组成图11-6散热器结构图11-7纵流式和横流式散热器(1)散热器芯冷却管是焊接在进、出水室之间的直管，作为冷却液的通道。空气流过管的外表面，从而使管内流动的水得到冷却。为了进一步提高散热效果和使结构紧凑，冷却管大多采用扁圆形断面。管片式散热器由许多冷却管和散热片组成，在冷却管外面横向套装了很多金属薄片(散热片)来增加散热面积，同时增加了整个散热器的刚度和强度，如图1-8（a）所示。管带式波纹状的散热带与冷却管相间排列，在散热带上一般开有形似百叶窗的孔，以破坏空气流在散热带表面上的附面层，提高散热能力，如图11-8（b）所示。板式散热器芯的冷却液通道由成对的金属薄板焊合而成。这种散热器芯散热效果好，制造简单，但焊缝多不坚固，容易沉积水垢且不易维修，如图11-8（c）所示。轿车常用管片式散热器。图11-8散热器芯类型(2)散热器盖一些散热器的上面有加水口(上水室)，平时用散热器盖严密盖住，以防冷却液溅出。散热器盖具有调节散热器内压力的作用。正常状态，阀门关闭将冷却系与大气隔开，防止水蒸气逸出，使冷却系内的压力稍高于大气压力，并可增高冷却液的沸点。在冷却系内压力过高或过低时，自动阀门开启以使冷却系与大气相通(图11-9)。温度较高时，开启散热器盖，应缓慢旋开，使冷却系内压力逐渐降低，以免被喷出的热水烫伤。图11-9散热器盖结构及工作原理2.补偿水桶现代汽车特别是轿车的冷却系统中，都设有用塑料制成的补偿水桶(或膨胀箱)，如11-10所示。该水箱用橡胶软管与散热器上面的溢流管连接。补偿水桶可以减少冷却液的溢损并消除水冷系统中产生的气泡。当冷却液受热膨胀后，散热器内多余的冷却液流入补偿水桶，温度降低后散热器内产生一定的真空度，补偿水桶中的冷却液又被吸回散热器内，使散热器始终被冷却液充满。采用该方式，冷却液损失很少。驾驶员不必经常加注冷却液，补充冷却液时可从补偿水桶口加入，液面以保持在两条液面高度标记线之间为宜。图11-10膨胀水箱3.水泵水泵用来对冷却液加压，强制冷却液循环流动。汽车发动机一般采用离心式水泵(图11-11)。叶轮由铸铁或塑料制造，叶轮上通常有6～8个径向直叶片或后弯叶片。水泵壳体由铸铁或铝铸制，进、出水管与水泵壳体铸成一体。当水泵叶轮旋转时，水泵中的冷却液被叶轮带动一起旋转，并在离心力的作用下被甩向水泵壳体的边缘，同时产生一定的压力，然后从出水管流出。在叶轮的中心处由于冷却液被甩出而压力下降，散热器中的冷却液在水泵进口与叶轮中心的压差作用下经进水管流入叶轮中心。图11-11离心式水泵结构及工作原理离心式水泵结构简单，尺寸小而且排量大，并且当水泵由于故障而停止工作时，并不妨碍水在冷却系内的自然循环。4.节温器节温器是一种通过控制冷却液流动的路径，调节冷却系温度的部件，通常采用蜡式节温器(图11-12)。发动机冷启动时，关闭通往散热器的通道，使发动机在冷启动后快速升温。其推杆的一端固定在支架的中心处，另一端插入胶管的中心孔中。胶管与节温器外壳之间形成的腔体内装有精制石蜡。常温下石蜡呈固态，弹簧将主阀门推向上方，使之压在阀座上，冷却液流向散热器的通道关闭，而来自发动机缸盖出水口的冷却液，经水泵又流回气缸体水套中，进行小循环。当发动机水温升高时，石蜡逐渐变成液态，体积膨胀，迫使胶管收缩，对推杆锥状端头产生上举力。固定不动的推杆对胶管、节温器外壳产生向下的反推力。当发动机水温为76℃时，推杆对节温器外壳的反推力可以克服弹簧预压力，阀门开始打开。水温超过86℃时，阀门全开，这时来自气缸盖出水口的冷却液沿出水管全部进入散热器冷却，进行大循环。如图11-13所示。图11-12蜡式节温器结构图11-13冷却系统大小循环示意图传统发动机的冷却仅仅通过节温器的开关实现大、小循环的切换，而现代一些发动机根据发动机的工作温度，对发动机的冷却循环路线进行细分：冷机时只冷却缸盖，使气缸的油温在短时间内上升以减低摩擦损耗；暖机后经散热器冷却的冷却液流经缸体/缸盖，提高了抗爆性。5.风扇风扇安装在散热器后面，当风扇旋转时对空气产生吸力，使之沿轴向流动。风扇旋转时吸进空气使其通过散热器，以增强散热器的散热能力，加快冷却液的冷却速度。汽车发动机水冷系统多采用低压头、大风量、高效率的轴流式风扇，即风扇旋转时，空气沿着风扇旋转轴的轴线方向流动。扇风量与风扇的直径、转速、叶片形状、叶片安装角及叶片数目有关。叶片可以用薄钢板冲压成弧形经铆接制成或直接用塑料、铝合金铸成翼形，后者效率较高，功率消耗少，在轿车和轻型汽车上广泛应用。为提高风扇的效率，风扇外围装设有导风罩，使通过散热器芯的气流分布均匀，且集中穿过风扇，减少空气回流现象，如图11-14所示。不同汽车发动机冷却风扇的驱动方式也不尽相同，一些发动机的风扇和发电机一起由曲轴皮带轮通过三角皮带驱动，现代轿车发动机一般采用电动风扇。如图5-15所示。图11-14风扇的导风罩图11-15冷却风扇的几种驱动形式汽车发动机的转速、负荷和环境气温等使用条件变化时，所要求的最佳冷却强度也应变化，以保证发动机始终在最佳温度下工作。冷却强度可以通过改变通过散热器的空气流量或改变冷却液流量的方法进行调节。电动风扇由控制器或通过热敏电阻开关控制(图11-16)。现代轿车发动机多采用两个电动风扇，既可以降低风扇直径和散热器高度，又可以多级控制冷却强度(图11-17)。图11-16电动风扇的控制示意图图11-17双电动风扇机械驱动风扇多采用自动风扇离合器改变通过散热器的空气流量，硅油式风扇离合器较为常见。硅油风扇离合器由主动板、从动板、双金属感温器及壳体等组成(图11-18)。风扇装在壳体上，从动板与壳体之间的空间为工作腔，从动板与前盖之间为贮油腔，硅油存于其中。