第八章冷却系.docx

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第八章冷却系

第8章冷却系

第一节概述

一、作用

冷却系（coolingsystem）的主要功用是把受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。

二、分类

冷却系按照冷却介质不同可以分为风冷和水冷（图11-1），如果把发动机中高温零件的热量直接散入大气而进行冷却的装置称为风冷系。

而把这些热量先传给冷却水，然后再散入大气而进行冷却的装置称为水冷系。

由于水冷系冷却均匀，效果好，而且发动机运转噪音小，目前汽车发动机上广泛采用的是水冷系。

图11-1

第二节水冷系的组成和水路

一、组成

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，利用水泵强制水在冷却系中进行循环流动。

它由散热器（radiator）、水泵（waterpump）、风扇（fan）、冷却水套（waterjaket）和温度调节装置等组成（图11-2）。

图11-2

二、水路

散热器内的冷却水经水泵加压后通过分水管压送到气缸体水套和气缸盖水套内，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（图11-3）。

图11-3

第三节水冷系主要部件的构造

一、散热器（radiator）（图11-4）

图11-4

功用：

增大散热面积，加速水的冷却。

冷却水经过散热器后，其温度可降低10～15℃，为了将散热器传出的热量尽快带走，在散热器后面装有风扇与散热器配合工作。

结构:

散热器又称为水箱，由上贮水室、散热器芯和下贮水室等组成。

散热器上水贮室顶部有加水口，冷却水由此注入整个冷却系并用散热器盖盖住。

在上贮水室和下贮水室分别装有进水管和出水管，进水管和出水管分别用橡胶软管和气缸盖的出水管和水泵的进水管相连，这样，既便于安装，而且当发动机和散热器之间产生少量位移时不会漏水。

在散热器下面一般装有减震垫，防止散热器受振动损坏。

在散热器下贮水室的出水管上还有放水开关，必要时可将散热器内的冷却水放掉。

散热器芯由许多冷却水管和散热片组成，对于散热器芯应该有尽可能大的散热面积，采用散热片是为了增加散热器芯的散热面积。

散热器芯的构造形式有多样，常用的有管片式（图11-5）和管带式（图11-6）两种。

图11-5图11-6

管片式散热器芯冷却管的断面大多为扁圆形，它连通上、下贮水室，是冷却水的通道。

和圆形断面的冷却管相比，不但散热面积大，而且万一管内的冷却水结冰膨胀，扁管可以借其横断面变形而避免破裂。

采用散热片不但可以增加散热面积，还可增大散热器的刚度和强度。

这种散热器芯强度和刚度都好，耐高压，但制造工艺较复杂，成本高。

管带式散热器芯采用冷却管和散热带沿纵向间隔排列的方式，散热带上的小孔是为了破坏空气流在散热带上形成的附面层，使散热能力提高。

这种散热器芯散热能力强，制造工艺简单，成本低，但结构刚度不如管片式大，一般多为轿车发动机采用，近年来在一些中型车辆上也开始采用。

对散热器的要求是，必须有足够的散热面积，而且所有材料导热性能要好，因此，散热器一般用铜或铝制成。

目前汽车发动机多采用闭式水冷系，这种冷却系的散热器盖具有自动阀门，发动机热态工作正常时，阀门关闭，将冷却系与大气隔开。

防止水蒸汽逸出，使冷却系内的压力稍高于大气压力，从而可增高冷却水的沸点。

在冷却水系内压力过高或过低时，自动阀门则开启以使冷却系与大气相通。

目前闭式水冷系广泛采用具有空气-蒸汽阀的散热器盖，如图11-7。

一般情况下，两阀借弹簧关闭。

当散热器中压力升高到一定值（约为0.026～0.037Mpa）时，蒸汽阀开启；水温下降，当冷却系中产生的真空度达一定值（约为0.01时～0.02Mpa）时，空气阀开启。

图11-7

对于加注防锈，防冻液的汽车发动机，为了减少冷却液的损失，保证冷却系的正常工作，采用散热器＋副水箱结构（图11-8）。

副水箱的上方用一根软管通大气，另一根软管与散热器的溢流管相连。

当散热器内蒸汽压力升高到某一值时，其盖上的压力阀打开，冷却液通过压力阀通过溢流管进入副水箱；当温度下降时，冷却液又从副水箱通过真空阀流回到散热器内部。

这样可以防止冷却水损失。

副水箱内部印有两条液面高度标记线，副水箱内的液面高度应位于这两种刻线之间。

图11-8

二、风扇（fan）（图11-9）

图11-9

功用：

提高通过散热器芯的空气流速，增加散热效果，加速水的冷却。

风扇通常安排在散热器后面，并与水泵同轴。

当风扇旋转时，对空气产生抽吸作用，使之沿轴向流动。

空气流由前向后通过散热器芯（图11-10），使流经散热器芯的冷却水加速冷却。

图11-10

车用发动机的风扇有两种形式，轴流式和离心式。

轴流式风扇所产生的风，其流向与风扇轴平行；离心式风扇所产生的风，其流向为径向。

轴流式风扇效率高，风量大，结构简单，布置方便。

因而在车用发动机上得到了广泛的应用。

三、水泵（waterpump）（图11-11）

图11-11

功用：

对冷却水加压，加速冷却水的循环流动，保证冷却可靠。

车用发动机上多采用离心式水泵，离心式水泵具有结构简单、尺寸小、排水量大、维修方便等优点。

离心式水泵主要由泵体、叶轮和水泵轴组成，轮叶一般是径向或向后弯曲的，其数目一般为6－9片。

当叶轮旋转时，水泵中的水被叶轮带动一起旋转，在离心力作用下，水被甩向叶轮边缘，然后经外壳上与叶轮成切线方向的出水管压送到发动机水套内。

与此同时，叶轮中心处的压力降低，散热器中的水便经进水管被吸进叶轮中心部分。

如此连续的作用，使冷却水在水路中不断地循环。

如果水泵因故停止工作时，冷却水仍然能从叶轮叶片之间流过，进行热流循环，不致于很快产生过热。

四、冷却强度调节装置

冷却强度调节装置是根据发动机不同工况和不同使用条件，改变冷却系的散热能力，即改变冷却强度，从而保证发动机经常在最有利的温度状态下工作。

改变冷却强度通常有两种调节方式，一种是改变通过散热器的空气流量；另一种是改变冷却液的循环流量和循环范围。

1.改变通过散热器的空气流量

通常利用百叶窗（fanblind）和各种自动风扇离合器（fanclutch）来实现改变通过散热器的空气流量。

（1）百叶窗是调节空气流量并防止冬季冻坏水箱，多用人工调节，也有采用自动调节装置的。

（2）风扇离合器是置于风扇传动机构中的离合机构,可根据发动机的温度自动控制风扇的转速，调节扇风量以达到改变通过散热器的空气流量，它不仅能减少发动机的功率损失，节省燃油，而且还能提高发动机的使用寿命，降低发动机的噪声。

常见的风扇离合器形式有硅油风扇离合器、机械式风扇离合器、电磁风扇离合器及液力偶合器等。

硅油风扇离合器应用的比较广泛。

硅油风扇离合器（图11-12）

硅油风扇离合器由主动板、从动板、双金属感温器及壳体等构成。

风扇装于壳体上。

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。

从动板上有进油孔，由感温阀片和双金属感温器控制。

从动板外缘有一个由球阀控制的回油孔。

冷却水温较低时，通过散热器的空气温度不高，进油孔关闭，贮油腔的硅油不能进入工作腔，离合器分离。

冷却水温较高时，双金属感温器受热变形，从而带动阀片轴和阀片转过一定角度，将进油孔打开，硅油进入工作腔，由于硅油粘度大，主动板通过硅油带动壳体和风扇一起转动，使风扇转速迅速升高。

图11-12

2.改变通过散热器的冷却水的流量

通常利用节温器（thermostat）来控制通过散热器冷却水的流量。

节温器装在冷却水循环的通路中（一般装在气缸盖的出水口），根据发动机负荷大小和水温的高低自动改变水的循环流动路线，以达到调节冷却系的冷却强度。

节温器有蜡式和乙醚膨胀筒式两种，目前多数发动机采用蜡式节温器。

（1）蜡式节温器（图11-13）

图11-13

蜡式节温器在橡胶管和感应体之间的空间里装有石蜡，为提高导热性，石蜡中常掺有铜粉或铝粉。

常温时，石蜡呈固态，阀门压在阀座上。

这时阀门关闭通往散热器的水路，来自发动机缸盖出水口的冷却水，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，体积随之增大，迫使橡胶管收缩，从而对反推杆上端头产生向上的推力。

由于反推杆上端固定，故反推杆对橡胶管、感应体产生向下反推力，阀门开启，当发动机水温达到80℃以上时，阀门全开，来自气缸盖出水口的冷却水流向散热器，而进行大循环。

（2）膨胀筒式节温器（图11-14）

图11-14

膨胀筒式节温器是由具有弹性的、折叠式的密闭圆筒（用黄铜制成），内装有易于挥发的乙醚。

主阀门和侧阀门随膨胀筒上端一起上下移动。

膨胀筒内液体的蒸气压力随着周围温度的变化而变化，故圆筒高度也随温度而变化。

当发动机在正常热状态下工作时，即水温高于80℃，冷却水应全部流经散热器，形成大循环。

此时节温器的主阀门完全开启，而侧阀门将旁通孔完全关闭；当冷却水温低于70℃时，膨胀筒内的蒸汽压力很小，使圆筒收缩到最小高度。

主阀门压在阀座上，即主阀门关闭，同时侧阀门打开，此时切断了由发动机水套通向散热器的水路，水套内的水只能由旁通孔（bypasshole）流出经旁通管进入水泵，又被水泵压入发动机水套，此时冷却水并不流经散热器，只在水套与水泵之间进行小循环，从而防止发动机过冷，并使发动机迅速而均匀地热起来；当发动机的冷却水温在70～80℃范围内，主阀门和侧阀门处于半开闭状态，此时一部分水进行大循环，而另一部分水进行小循环。

五、风冷却系（图11-15）

风冷却系是利用高速空气流直接吹过气缸盖和气缸体的外表面，把从气缸内部传出的热量散发到大气中去，以保证发动机在最有利的温度范围内工作。

发动机气缸和气缸盖采用传热较好的铝合金铸成，为了增大散热面积各缸一般都分开制造，在气缸和气缸盖表面分布许多均匀排列的散热片，以增大散热面积，利用车辆行驶时的高速空气流，把热量吹散到大气中去。

由于汽车发动机功率较大，需要冷却的热量较多，多采用功率、流量较大的轴流式风扇以加强发动机的冷却。

为了有效地利用空气流和保证各缸冷却均匀，在发动机上装有导流罩和分流板和气缸导流罩。

图11-15

虽然风冷却系与水冷却系比较，具有结构简单、重量轻、故障少，无需特殊保养等优点，但是由于材料质量要求高，冷却不够均匀，工作噪音大等缺点，目前在汽车上很少使用。