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汽车发动机冷却系统的构造与维修教案

发动机冷却系统

任务一系统的作用及组成

学习目标

(1) 冷却系统的功用和冷却方式

(2) 冷却系统的基本组成

一、认识冷却系统

1. 冷却系统的作用

发动机冷却系统的任务是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去,使发动机得到适度的冷却,从而保证发动机在最适宜的温度状态下工作。如图5-1所示,发动机的正常工作温度在90℃左右。正确的发动机工作温度不仅对发动机的动力输出、燃油经济性影响较大;同时,也有利于降低有害物质排放。

Pe :输出功率

Be :燃油经济性

T :发动机温度

发动机温度与性能的关系图

发动机过热会降低气缸充气效率,使发动机功率下降;早燃和爆燃的倾向加大,使零件因承受额外冲击性负荷而造成早期损坏;运动件的正常间隙被破坏,运动阻滞,磨损加剧,甚至损坏;润滑情况恶化,加剧了零件的摩擦磨损;零件的机械性能降低,导致变形或损坏。

发动机过冷会使进入气缸的混合气(或空气)温度太低,可燃混合气品质差,使点火困

难或燃烧迟缓,导致发动机功率下降,燃料消耗量增加;燃烧生成物中的水蒸汽易凝结成水而与酸性气体形成酸类,加重了对机体和零件的侵蚀作用;未汽化的燃料冲刷和稀释零件表面(气缸壁、活塞、活塞环等)上的油膜,使零件磨损加剧。

2. 冷却系统的分类

有液冷式和风冷式两种。液冷式主要用在汽车用发动机上,风冷式在摩托车上面应该非常广泛。

1). 风冷发动机冷却系统

冷却介质是空气,通过气流利用散热片直接向周围空气散热,摩托车采用的风冷发动机。

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风冷发动机冷却

风冷发动具有特点:

(1)结构简单、质量较小、升温较快、经济性好。

(2)难以调节,消耗功率大、工作燥声大。

2). 水冷发动机冷却系统

液冷的原理是通过冷却液的不断循环,从发动机水套中吸收多余的热量,并利用循环液将热量带走,通过散热器将热量散发到大气中。液冷需要冷却液作为导热媒介,根据导热媒介的不同又可分为水冷和油冷两类,现代轿车多采用水冷为主、油冷为辅的散热方式帮助汽车提高冷却能力。水冷的媒介为防冻液,水冷发动机的冷却系统。

水冷却系统

油冷是指利用润滑系统中的润滑油来散热,起到了辅助的散热作用。

3. 水冷却系统组成

发动机冷却系统由散热器、水泵、风扇、冷却介质、温度调节装置和连接管路等组成。

冷却系统的组成

1). 散热器

散热器又称为水箱,由上水室、散热器芯和下水室等组成。安装在发动机前的车架横梁上。其作用是将冷却水在水套中所吸收的热量散发至外界大气,使水温下降。

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散热器总成

2). 水泵

水泵的作用是对冷却液加压,使之在冷却系中循环流动。它相当冷却系统的心脏。

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大众车系水泵结构图

3). 散热风扇

冷却风扇置于散热器后面。如图5-7所示,当发动机在车架上纵向布置时,风扇一般安装在水泵轴上,并由驱动水泵和发电机的同一根V带传动。风扇的功用是当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。

散热风扇

4). 冷却液

冷却液是发动机冷却系统中最重要的工作介质,汽车常用的冷却液有水或加入防冻剂的防冻液。

(1)冷却水

汽车发动机中使用的冷却水应是清洁的软水,如雨水,自来水等;而井水、河水等硬水中含有矿物质,在高温下易生成水垢,不能作为发动机冷却水。

(2)防冻液

冷却液是水与防冻剂的混合物。为了适应冬季行车的需要,在水中加入防冻剂制成冷却液以防止循环冷却水的冻结。最常用的防冻剂是乙二醇。冷却液中水与乙二醇的比例不同,其冰点也不同。50%的水与50%的乙二醇混合而成的冷却液,其冰点约为-35.5℃。

在水中加入防冻剂还同时提高了冷却液的沸点。例如,含50%乙二醇的冷却液在大气压力下的沸点是130℃。因此,防冻剂有防止冷却液过早沸腾的附加作用。

防冻剂中通常含有防锈剂和泡沫抑制剂。防锈剂可延缓或阻止发动机水套壁及散热器的锈蚀或腐蚀。冷却液中的空气在水泵叶轮的搅动下会产生很多泡沫,这些泡沫将妨碍水套壁的散热。泡沫抑制剂能有效地抑制泡沫的产生。在使用过程中,防锈剂和泡沫剂会逐渐消耗殆尽,因此,定期更换冷却液是十分必要的。在防冻剂中一般还要加入着色剂,不同品牌车型的所使用的冷却液的颜色不同。颜色上的差异也会很醒目地区分出不同的产品,典型日系车型常用的绿色防冻液。在冷却液发生泄漏时,可以更为醒目的被人所察觉。

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冷却液

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防冻液泄漏

专用冷却液使用注意事项

①专用冷却液一般呈深绿色或深红色,有一定的毒性,使用时应注意。

②发现冷却液泄漏时,应及时检查添加。

③不同的防冻液添加剂比例不同、不能勾兑使用。

④更换不同品牌或型号的防冻液时应该对系统进行彻底清洗。

任务二系统构造及原理

学习目标

(1) 掌握小循环的原理

(2) 掌握大循环的原理

(3) 掌握节温器的工作原理

一、系统构造

水冷却系是以水作为冷却介质,把发动机受热零件吸收的热量散发到大气中去。目前汽车发动机上采用的水冷系大都是强制循环式水冷系统,利用水泵强制水在冷却系中进行循环流动。它主要由散热器、水泵、风扇、冷却水套和温度调节装置等组成。

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系统构造

二、系统循环原理

散热器内的冷却水经水泵加压后通过气缸体进水孔压送到气缸体水套和气缸盖水套内。

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发动机水套

冷却水在吸收了机体的大量热量后经气缸盖出水孔流回散热器,由于有风扇的强力抽吸,空气流由前向后高速通过散热器。因此,受热后的冷却水在流过散热器芯的过程中,热量不断地散发到大气中去,冷却后的水流到散热器的底部,又被水泵抽出,再次压送到发动机的水套中,如此不断循环,把热量不断地送到大气中去,使发动机不断地得到冷却,如图5-12所示。

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发动冷却液冷却液流向散热器

发动机工作的环境一直在变化中,负荷大时产生的热量也大。这时需要冷却系统加大散热量,防止发动机温度过高。负荷小时发动机产生的热量相对较少,这时冷却系统需要适当减少散热量,这样才能维持发动机的的正常工作温度。现代轿车强制循环式水冷系统都有调节散热量的装置,便于来适时地改变散热量。

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a)大循环 b)小循环

不同的循环方式

三、系统元件构造

1. 散热器

1)散热器的构成:

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。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。

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散热器

散热器的实际外形

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散热器实物图

2)散热器的分类:

(1)按照散热器中冷却液流动的方向分:可将散热器分为纵流式和横流式两种。纵流式散热器芯竖直布置,上接进水室,下连出水室,冷却液由进水室自上而下地流过散热器芯进入出水室。横流式散热器芯横向布置,左右两端分别为进、出水室,冷却液自进水室经散热器芯到出水室横向流过散热器。大多数新型轿车均采用横流式散热器,这可以使发动机罩的外廓较低,有利于改善车身前端的空气动力性。

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散热器流动方向的区别

(2)按照散热管的排列分:散热器芯有多种结构形式,一般可分为管片式、管带式、板式三种。

①管片式散热器芯由散热管和散热片组成,如图5-17所示。散热管是焊在进、出

水室之间的直管,作为冷却液的通道。散热管有扁管也有圆管。扁管与圆管相比,在容积相同的情况下有较大的散热表面。铝散热器芯多为圆管。在散热管的外表面焊有散热片以增加散热面积,增强散热能力,同时还增大了散热器的刚度和强度。管片式散热器的优点是散热面积大、气流阻力小、结构刚度好及承压能力强等。

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管片式

②管带式散热器芯由散热管及波形散热带组成。散热管为扁管并与波形散热带相间地焊在一起。为增强散热能力,在波形散热带上加工有鳍片。与管片式散热器芯相比,管带式的散热能力强,制造简单,质量轻,成本低,但结构刚度差。

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管带式

③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。

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板式

2.散热器盖

现代的汽车发动机强制循环水冷系都用散热器盖严密地盖在散热器加冷却液口上,使水冷系成为封闭系统,通常称这种水冷系为闭式水冷系。

其优点有两个:

①闭式水冷系可使系统内的压力提高98~196kPa,冷却液的沸点相应地提高到120℃

左右,从而扩大了散热器与周围空气的温差,提高了散热器的换热效率。由于散热器散热能力的增强,可以相应地减小散热器尺寸。

②闭式水冷系可减少冷却液外溢及蒸发损失。

散热器盖的作用是密封水冷系并调节系统的工作压力。当发动机工作时,冷却液的温度逐渐升高。由于冷却液容积膨胀使冷却系统内的压力增高。当压力超过预定值时,压力阀开启,一部分冷却液经溢流管流入补偿水桶,以防止冷却液胀裂散热器。当发动机停机后,冷却液的温度下降,冷却系内的压力也随之降低。当压力降到大气压力以下出现真空时,真空阀开启,补偿水桶内的冷却液部分地流回散热器,可以避免散热器被大气压力压坏。

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散热器盖的作用

3.补偿水箱

发动机冷却系统可分为开式和闭式两种,开式冷却系统中补偿水箱只有储水功能,闭式冷却系统中的补偿水箱不但有储水功能,还有储压功能,所以也称为“膨胀箱”。补偿水箱别称有很多:“副水箱”、“膨胀罐”等等。

补偿水箱由塑料制造并用软管与散热器加冷却液口上的溢流管连接。

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补偿水桶

其作用当冷却液受热膨胀时,部分冷却液流入补偿水桶。

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冷却液流入补偿水桶

而当冷却液降温时,部分冷却液又被吸回散热器,所以冷却液不会溢失。

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补偿水箱内的液面有时升高,有时降低,而散热器却总是为冷却液所充满。在补偿水箱的外表面上刻有两条标记线:"低"线和"高"线,补偿水箱内的液面应位于两条标记线之间。若液面低于"低"线时,应向箱内补充冷却液。在向箱内添加冷却液时,液面不应超过"高"线。补偿水箱还可消除水冷系中的所有气泡。

4.散热器百叶窗

有些货车和大客车发动机在散热器前面装有百叶窗,其作用是通过改变吹过散热器的空气流量来调节发动机的冷却强度,以保证发动机经常在适当的温度范围内工作。在发动机冷起动或暖车期间,冷却液的温度较低,这时将百叶窗部分或完全关闭,以减少吹过散热器的空气流量,使冷却液的温度迅速升高。百叶窗可由驾驶人通过驾驶室内的手柄来操纵其开闭,也可用感温器自动控制。

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百叶窗

1).风扇的功用及结构

冷却风扇置于散热器后面,当发动机在车架上纵向布置时,风扇一般安装在水泵轴上,并由驱动水泵和发电机的同一根V带传动。风扇的功用是当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。

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扇热风扇的作用

早期的车辆所采用的风扇大部分由发动机通过皮带驱动,而现在很多轿车发动机的水冷系统采用电动风扇,尤其横置发动机前轮驱动的汽车更是如此。由发动机皮带驱动的冷却风扇越来越少,几近淘汰。

电动风扇由风扇电动机驱动并由蓄电池供电,所以风扇转速与发动机转速无关。在有些电控系统中,电动风扇由电脑控制。冷却液温度传感器向电脑传输与冷却液温度相关的信号。当冷却液温度达到规定值时,电脑使风扇继电器搭铁,继电器触点闭合并向风扇电动机供电,风扇进入工作。电动风扇的优点是结构简单,布置方便,不消耗发动机功率使燃油经济性得到改善。此外,采用电动风扇不需要检查、调整或更换风扇传动带,因而减少了维修的工作量。

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电动风扇总成

1).节温器的作用

节温器是控制冷却液流动路径的阀门。当发动机冷起动时,冷却液的温度较低,这时节温器将冷却液流向散热器的通道关闭,使冷却液经水泵入口直接流入机体或气缸盖水套,以便使冷却液能够迅速升温。如果不装节温器,让温度较低的冷却液经过散热器冷却后返回发动机,则冷却液的温度将长时间不能升高,发动机也将长时间在低温下运转。同时,车厢内的暖风系统以及用冷却液加热的进气管预热系统都在长时间内不能发挥作用,汽车上多采用石腊式节温器。

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石腊式节温器

2).节温器结构及工作原理

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节温器的结构

当冷却液温度低于规定值时,节温器感温体内的石蜡呈固态,节温器阀在弹簧的作用下关闭发动机与散热器间的通道,冷却液经水泵返回发动机,进行小循环。

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发动机温度低时节温器关闭此为小循环

当冷却液温度达到规定值后,石蜡开始熔化逐渐变成液体,体积随之增大并压迫橡胶管使其收缩。在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向上的推力。由于推杆上端固定,因此,推杆对胶管和感温体产生向下的反推力使阀门开启。这时冷却液经由散热器和节温器阀,再经水泵流回发动机,进行大循环。

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节温器全开此为大循环

3.节温器的布置

一般水冷系统的冷却液都是由发动机的下侧机体流进,从上侧气缸盖流出。因此大多数节温器布置在气缸盖出水管路中。这种布置方式的优点是结构简单,容易排除冷却系统中的气泡。其缺点是节温器在工作时会产生振荡现象。例如,在冬季起动冷发动机时,由于冷却液温度低,节温器阀关闭。冷却液在进行小循环时,温度很快升高,节温器开启。与此同时,

散热器内的低温冷却液流入机体,使冷却液又冷了下来,节温器阀重新关闭。等到冷却液温度再度升高,节温器阀又再次打开。直到全部冷却液的温度稳定之后,节温器阀才趋于稳定不再反复开闭。节温器在短时间内反复开闭的现象称作节温器振荡。当出现这种现象时,将增加汽车的燃油消耗量。节温器也可以布置在散热器的出水管路中。这种布置方式可以减轻或消除节温器振荡现象,并能精确地控制冷却液温度,但其结构复杂,成本较高。多用于高性能的汽车及在冬季经常高速行驶的汽车上。

7. 水泵

1). 水泵的作用

水泵是发动机冷却系统的重要部件,它的作用是泵送冷却液,使冷却液在发动机的冷却水道内快速流动,以带走发动机工作时产生的热量,保持发动机正常工作温度。水泵的泵水量很大,例如一台V8发动机的水泵,怠速时的泵水量大约是750 L/h。

2).水泵的分类

根据驱动方式的不同,水泵一般分为机械水泵和电动水泵。目前大多数发动机采用机械水泵,在一些新开发的技术含量较高的发动机上已经使用了电动水泵,例如宝马6系(E63)搭载的发动机。

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典型机械水泵

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电动水泵及安装位置

2). 机械水泵的工作原理

汽车发动机广泛采用离心式水泵。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。

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水泵的工作原理

3). 机械水泵的典型构造

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。壳体与转子之间用橡胶密封圈进行密封。

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水泵的构造

4). 机械水泵的驱动

早期的车辆水泵一般由曲轴通过V带驱动。现代汽车也有很多由正时皮带带动。因此水泵转速与发动机转速成比例。

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水泵的驱动