发布于 10-16 10:58:31
1.冷却系统的功用
发动机工作时，由于燃油的燃烧，气缸内气体温度可高达1927～2527℃，使发动机的零件温度升高，如不及时冷却将影响发动机的正常工作。发动机过热或过冷都会给发动机带来危害，冷却系统的作用就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。
2.冷却系统的形式
冷却系统按照冷却介质不同可以分为风冷和水冷。风冷却系统是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；水冷却系统是把这些热量先传给冷却液，然后再散入大气而进行冷却的装置。由于水冷却系统冷却均匀，效果好，而且发动机运转噪声小，目前在汽车发动机上被广泛采用。发动机正常工作时，水冷却系统中的冷却液温度应保持在80～90℃范围内。
1.风冷却系统
风冷却系统中冷却介质是空气，利用气流使散热片的热量散到大气中。其主要由风扇、导流罩、散热片、气缸导流罩和分流板组成，如图3-232所示。
图3-232 风冷却系统的组成示意
风冷式发动机的气缸体、气缸盖均布置了散热片，气缸体、气缸盖都是单独铸造的，然后组装到一起。气缸盖最热，采用铝合金铸造，且散热片比较长；为了加强冷却，保证冷却均匀，还装有导流罩、分流板。当采用一个风扇时，装在发动机前方中间位置；采用两个风扇时，分别装在左右两列气缸前端。
风冷却系统的特点是结构简单、工作可靠、重量较轻、升温较快、经济性好，特别适用于沙漠等高温地区和极地等严寒地区。缺点是冷却效果难以调节、消耗功率大、工作噪声大等，仅用于部分小排量及军用汽车发动机。
2.水冷却系统
水冷却系统是以冷却液（或水）为冷却介质，通过冷却液的不断循环，从发动机水套中吸收多余热量并散发到大气中，根据冷却液循环方式不同，水冷却系统又可分为蒸发式（利用水的温度差使冷却液在发动机中循环流动）、自然循环（冷却液在管道中自然流动）、强制循环（水泵强制冷却液在发动机中循环流动）三种方式，目前汽车上普通采用的是强制循环水冷却系统。
（1）水冷却系统的组成 水冷却系统一般是由膨胀水箱、散热器、水泵、风扇、水套和温度调节装置等组成，如图3-233所示。
图3-233 水冷却系统的组成示意
水冷发动机的气缸盖和气缸体中都铸造有储存冷却液的、连通的水套，其作用是让冷却液接近受热的高温零件，并在其中循环流动。水泵将冷却液由散热器吸入，使之经分水管流入发动机水套，冷却液在水套内吸收热量后，沿水管进入散热器，经风扇的强力抽吸，空气流由前向后通过散热器，将冷却液热量带走。冷却后的冷却液又在水泵的加压下，经水管再压入水套，如此不断循环，从而使发动机在高温条件下工作的零件不断地得到冷却，以保证发动机的正常工作。
冷却系统中设有温度调节装置，其作用是保证发动机在不同负荷和转速的条件下均在最适宜的温度范围内工作，如百叶窗和节温器等。通常冷却液在冷却系统中的循环流动路线有两条：当冷却液温度低时，冷却液不经过散热器而只在水泵和水套内进行循环，防止发动机过冷，这称为小循环；当冷却液温度高时，冷却液经过散热器进行循环流动，防止发动机过热，这称为大循环。
（2）水冷却系统的主要部件
①散热器 散热器大多安装在发动机及风扇的前方。其功用是增大散热面积，加速冷却液的冷却。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，其结构如图3-234所示。
图3-234 散热器的结构
散热器由上储水室、散热器芯和下储水室等组成。散热器上储水室顶部有加液口，平时用散热器盖盖住，冷却液即由此注入整个冷却系统中。在上、下储水室分别装有进水管和出水管，分别用橡胶软管与气缸盖的出水管和水泵的进水管相连。由发动机气缸盖上出水管流出的温度较高的热冷却液经过进水管进入上储水室，经冷却水管冷却后流入下储水室，由出水管流出，被吸入水泵。在散热器下储水室的出水管上还装有一个放水阀。
散热器芯由许多冷却水管和散热片组成，采用散热片是为了增加散热器芯的散热面积。散热器芯的结构形式有多种，常用的有管片式和管带式两种，如图3-235所示。
图3-235 散热器芯的结构
常见水冷却系统散热器盖具有自动阀门，发动机热状态正常时，阀门关闭，将冷却系统与大气隔开，防止水蒸气溢出，使冷却系统内的压力稍高于大气压力，从而可增高冷却液的沸点，防止冷却系统发生“开锅”现象。但如果冷却系统中水蒸气过多，将使冷却系统压力过大，可能导致发动机散热器破裂。因此必须在加水口处设置排出水蒸气的通道，当冷却系统内压力过高或者过低时，自动阀门即开启以使冷却系统与大气相通。
压力式散热器盖的结构如图3-236所示。装有空气阀和蒸气阀的散热器盖，紧盖在加水口上。当发动机热状态正常时两阀在弹簧力作用下都处于关闭状态。当冷却系统内蒸气压力低于大气压力0.01～0.012MPa时，空气阀便开启，如图3-236（a）所示。空气从蒸气排出管进入散热器，以防止散热器被大气压瘪。当冷却系统内蒸气压力超过大气压力0.026～0.037MPa时，蒸气阀便开启，如图3-236（b）所示。此时将从蒸气排出管中放出一部分冷却液到补偿水桶，使冷却液内的压力下降。提高冷却系统的蒸气压力，可以提高冷却液的沸点，从而扩大散热器与大气的温差以增强散热能力。
图3-236 压力式散热器盖的结构
轿车的散热器盖的蒸气阀开启压力可达0.1MPa，而水的沸点可升高至120℃。显然，这种散热器与环境空气温差大，故散热能力较强。
②风扇 风扇通常安装在散热器后面，并与水泵同轴，与水泵一起转动。其功用是提高通过散热器芯的空气流速，增强散热效果，加速冷却液的冷却。
车用发动机的风扇有两种形式，即轴流式和离心式。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（图3-237）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。
图3-237 轴流式风扇
近年来，有的桥车开始采用以蓄电池为动力的电动风扇，如图3-238所示。其转速与发动机转速无关，电动机的开关由位于散热器上的温度传感器控制，需要风扇工作时即自行启动。这种风扇无动力损失，结构简单，布置方便，非常适合轿车使用。
图3-238 电动风扇
风扇常用的材料是钢板，经冲压成形。近年来轿车上开始使用整体压铸成的尼龙风扇，也有用铝合金板制作的。如图3-239（a）、（b）所示的轴流式风扇由叶片和连接板铆接而成，叶片多由薄钢板冲压而成。如图3-239（c）所示为整体铝合金铸造或用尼龙、聚丙烯等合成树脂注塑的轴流式风扇。
图3-239 风扇形式
③水泵 水泵用螺栓固定在发动机前端面上，通过传动带与曲轴带轮相连。其功用是对冷却液加压，使冷却液循环流动。车用发动机多采用离心式水泵（图3-240）。
图3-240 离心式水泵
水泵主要由泵壳、泵盖、叶轮、水泵轴、轴承、油封等组成。水泵的工作过程是，当叶轮旋转时，水泵中的冷却液被叶轮带动一起旋转，在离心力作用下，冷却液被甩向叶轮边缘，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，散热器中的冷却液便经进水管被吸进叶轮中心部分。如此连续的作用，使冷却液在水管中不断地循环。
④补偿水桶 现代轿车发动机冷却系统都采用了自动补偿封闭式散热器，它的特点是在散热器的右侧增设了一个补偿水桶，也可以称作储液罐或者副水箱，用软管连接到散热器的蒸气导出口，如图3-241所示。
图3-241 补偿水桶与闭式散热器
补偿水桶的作用是减少冷却液的损失，当冷却液温度升高，体积膨胀时，散热器中多余的冷却液流入补偿水桶中；而当冷却液温度降低时，体积收缩，散热器产生一定真空，补偿水桶中的冷却液又被吸回到散热器中。同时散热器上水箱也可以做得小些，这样冷却液损失很少，驾驶人也不必经常检查冷却液量。
补偿水桶上一般印有两条液面高度标记线：“DI”（低）与“GAO”（高），或者“FULL”（满）与“ADD”（添加）。冷却液温度在50%以下时，液面高度应不低于“DI”或者“ADD”线，否则应该补充冷却液，同时注意补充冷却液时不应该超过“GAO”或“FULL”线，以避免冷却液溢出现象。
⑤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，改变冷却系统的散热能力，即改变冷却强度，从而保证发动机在最有利温度的状态下工作。通常有两种调节方式：一种是改变通过散热器的空气流量；另一种是改变通过散热器的冷却液循环流量和循环范围。
a.改变通过散热器的空气流量 通常利用百叶窗和自动风扇离合器来实现。
（a）百叶窗 安装在散热器前方，驾驶员可以通过驾驶室里的拉杆来操纵百叶窗的开度。当环境温度较低或冷却液温度较低时，可以减小百叶窗开度；当环境温度较高或冷却液温度较高时，可以增大百叶窗开度。
（b）自动风扇离合器 有硅油式、机械式和电磁式三种。应用较多的是硅油式风扇离合器。硅油式风扇离合器是以硅油作为传递力矩的介质，利用散热器后面气流温度控制双金属感温器的一种液力传动离合器，其结构如图3-242所示。
图3-242 硅油风扇的结构
ⓐ 工作原理 当冷却液温度不高时，风扇随离合器壳体一起空转打滑；当流经散热器的空气温度升高时，即冷却液温度升高时，双金属感温器受热变形，迫使感温阀片相对于从动板转动，打开进油口，于是硅油进入主动板和从动板之间的工作室，主动板利用硅油的黏性即可带动从动板和风扇转动，此时风扇离合器处于接合状态。当冷却液温度下降时，双金属感温器恢复原状，感温阀片关闭进油口，在离心力作用下，硅油经回油口从工作室返回到储油室，离合器又回到分离状态，风扇转速逐渐下降。
ⓑ 电动冷却风扇 目前有一些发动机的冷却风扇直接由直流电动机驱动，而不是由曲轴驱动。这种风扇只有在冷却液温度达到一定值时才会转动，其系统组成包括风扇电动机、风扇继电器和冷却液温度开关。低温时，冷却液温度开关闭合，继电器触点断开，风扇电动机不转；高温时，冷却液温度开关断开，继电器触点闭合，电动机带动风扇转动。
b.改变通过散热器的冷却液循环流量 一般由节温器控制通过散热器的冷却液循环流量。
（a）节温器的功用 改变冷却液的循环路线及流量，自动调节冷却强度，使冷却液温度经常保持在80～90℃。
（b）安装位置 装在冷却液循环的通路中，一般装在气缸盖的出水口。
（c）形式 分为蜡式和折叠式。
ⓐ 蜡式节温器（图3-243） 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，主阀门压在阀座上，这时副阀门关闭通往散热器的通路，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。当发动机冷却液温度升高时，石蜡逐渐变成液态，体积随之增大，迫使橡胶管收缩，从而对推杆下端产生向上的推力。由于推杆上端固定，故推杆对橡胶管、感应体产生向下反推力，主阀门开启；当发动机冷却液温度达到80℃以上时，主阀门全开，来自气缸盖出水口的冷却液流向散热器，而进行大循环。一汽奥迪100型轿车和CA1091型货车均采用蜡式节温器。
图3-243 蜡式节温器的结构
ⓑ 折叠式节温器（图3-244） 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制成。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，即冷却液温度高于80℃，冷却液应全部流经散热器，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；当冷却液温度低于70℃时，膨胀筒内的蒸气压力很小，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通路，水套内的冷却液只能由旁通孔流出，经旁通管进入水泵，又被水泵压入发动机水套，此时冷却液并不流经散热器，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；当发动机的冷却液温度在70～80℃范围内，主阀门和侧阀门处于半开闭状态，此时一部分冷却液进行大循环，而另一部分冷却液进行小循环。
图3-244 折叠式节温器的结构
