纯水设备

发动机的冷却系包括什么？

  冷却系的功用是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内.。冷却系既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷。在冷发动机起动之后，冷却系还要保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。

  在发动机工作期间，最高燃烧温度可能高达2500℃，即使在怠速或中等转速下，燃烧室的平均温度也在1000℃以上。因此，与高温燃气接触的发动机零件受到强烈的加热。在这种情况下，若不进行适当的冷却，发动机将会过热，工作过程恶化，零件强度降低，机油变质，零件磨损加剧，最后导致发动机动力性、经济性、可靠性及耐久性的全面下降。但是，冷却过度也是有害的。不论是过度冷却还是发动机长时间在低温下工作，均会使散热损失及摩擦损失增加，零件磨损加剧，发动机工作粗暴，发动机功率下降及燃油消耗率增加。

  发动机的冷却系有风冷和水冷之分。以空气为冷却介质的冷却系称风冷系；以冷却液为冷却介质的称水冷系。汽车发动机，尤其是轿车发动机大都采用水冷系，只有少数汽车发动机采用风冷系。因此，本章只介绍水冷系。

  汽车发动机的冷却系为强制循环水冷系，即利用水泵提高冷却液的压力，强制冷却液在发动机中循环流动。强制循环水冷系由水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水桶、发动机机体和气缸盖中的水套以及其他附属装置等组成（图8-1）。

  冷却液在冷却系中的循环路径如图8-2所示。冷却液在水泵5中增压后，经分水管10进入发动机的机体水套9。冷却液从水套壁周围流过并从水套壁吸热而升温；然后向上流入气缸盖水套7，从气缸盖水套壁吸热之后经节温器6及散热器进水软管流入散热器2；在散热器中，冷却液向流过散热器周围的空气散热而降温；最后冷却液经散热器出水软管返回水泵，如此循环不已。在汽车行驶时或冷却风扇工作时，空气从散热器周围高速流过，以增强对冷却液的冷却。不论是铜制或不锈钢制的分水管，还是直接铸在机体上的分水道，都沿纵向开有出水孔，并与机体水套相通，离水泵越远出水孔越大，其数目通常与气缸数相同。分水管或分水道的作用是使多缸发动机各气缸的冷却强度均匀一致。

  有些发动机的水冷系，其冷却液的循环流动方向与上述相反，可称其为逆流式水冷系。在这种水冷系中，温度较低的冷却液首先被引入气缸盖水套，然后才流过机体水套。由于它改善了燃烧室的冷却而允许发动机由较高的压缩比，从而能够提高发动机的热效率和功率。

  大多数汽车装有暖风系统。暖风机是一个热交换器，也可称作第二散热器。在装有暖风机的水冷系中，热的冷却液从气缸盖或机体水套经暖风机进水软管流入暖风机芯，然后经暖风机出水软管流回水泵（图8-1）。吹过暖风机芯的空气被冷却液加热之后，一部分送到挡风玻璃除霜器，一部分送入驾驶室或车箱。

  冷却液使水与防冻剂的混合物。冷却液用水最好是软水，否则将在发动机水套中产生水垢，使传热受阻，易造成发动机过热。

  纯净水在0℃时结冰。如果发动机冷却系中的水结冰，将使冷却水终止循环而引起发动机过热。尤其严重的是水结冰时体积膨胀，可能将机体、气缸盖和散热器胀裂。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（表8-1）。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103℃。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。泡沫抑制剂能有效的抑制泡沫的产生。在使用的过程中，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。

  发动机水冷系中的散热器由进水室、出水室及散热器芯等三部分构成（图8-3）。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。

  按照散热器中冷却液流动的方向，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（图8-3a）。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横向流过散热器（图8-3b）。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。

  散热器芯有多种结构及形式（图8-4）。管片式散热器芯有散热管和散热片组成。散热管是焊在进、出水室之间的直管，作为冷却液的通道。散热管有扁管也由圆管（图8-4a、b）。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。在散热管的外表面含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。

  管带式散热器芯(图8-4c)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的焊在一起。为增强散热能力，在波形散热带上加工有鳍片。与片管式散热器芯相比，管带式的散热能力强，制造简单，质量轻，成本低，结构刚度差。

  板式散热器芯（图8-4d）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。

  管片式及管带式散热器芯由单列、双列（图8-4b、c）及三列散热管（图8-4a）之分。实践证明，双列散热管散热器能在有限的空间内获得最好的散热效果，因此在轿车上获得了广泛的应用。

  传统的散热器芯有黄铜制造，但近年来更多的是用铝制造，而且有些散热器的进、出水又复合塑料制造，使散热器重量大为减轻。

  现代汽车发动机强制循环水冷系，都用散热器盖严密的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。其优点是：①闭式水冷系可使系统内的压力提高98～196Mpa，冷却液的沸点相应的提高到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，可以相应的减小散热器尺寸。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所承受的压力。当把散热器盖盖在散热器加冷却液口上并锁紧时，散热气盖的上密封衬垫在压力阀弹簧的作用下与加冷却液口的上密封面贴紧，散热气盖的下密封衬垫与加冷却液口的下密封面贴紧，这时水冷系被封闭。散热器盖的结构及工作原理如图8-5所示。

  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的流回散热器，能够尽可能的防止散热器被大气压力压坏。

  补偿水桶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（图8-1）。其作用已如上述，即当冷却液受热膨胀时，部分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。补偿水桶内的液面有时升高，有是降低，而散热器却总是被冷却液所充满。在补偿水桶的外表面上刻有两条标记线：“低”线和“高”线，补偿水桶内的液面应位于两条标记线之间。若液面低于“低”线时，应向桶内补充冷却液。在向桶内添加冷却液时，液面不应超过“高”线。

  补偿水桶还可消除水冷系中的所有气泡。不论水冷系中有空气泡或蒸汽泡，都会降低传热效果。当水冷系中有空气时，还会增加金属的腐蚀。

  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。

  百叶窗可有驾驶员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。图8-6所示为货车上使用的散热器百叶窗的自动控制管理系统。控制系统中的感温器安装在散热器进水管上，用来感受来自发动机的冷却液温度。在发动机冷起动及暖车期间，百叶窗关闭。当发动机达到正常工作时候的温度后，感温器打开空气阀，使制动空气压缩机产生的压缩空气进入气缸，并推动空气杆内的活塞连同调整杆一起下移，带动杠杆使百叶窗开启。

  冷却风扇置于散热器后面（图8-7）。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，加速冷却液的冷却。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。在风扇外围装设导风罩3，使风扇4吸进的空气全部通过散热器1，以提高风扇效率。

  风扇的扇风量主要与风扇直径、转速、叶片形状、叶片安装角及叶片数有关。叶片的断面形状有圆弧形和翼形两种（图8-8），前者由薄钢板冲压而成，后者用塑料或铝合金铸造。翼形风扇效率高、消耗功率少，在轿车和轻型汽车上得到了广泛的应用。一般叶片与风扇旋转平面成30°~45°角（叶片安装角）。叶片数为4、5、6或7片。叶片之间的间隔角或相等，或不相等。间隔角不等的叶片能减小叶片旋转时的振动和噪声。

  汽车在行使过程中，由于环境条件和运行工况的变化，发动机的热状况也在改变。因此，必须随时调节发动机的冷却强度。例如，在炎热的夏季，发动机在低速、大负荷下工作，冷却液的温度很高时，风扇应该非常快速地旋转以增加冷却风量，增强散热器的散热能力。而在寒冷的冬天，冷却液的温度较低时，或在汽车高速行驶有强劲的迎面风吹过散热器时，风扇继续工作就变得毫无意义了，不仅白白消耗发动机功率，而且还产生很大的噪声。试验证明，水冷系只有25%的时间需要风扇工作，而在冬季需要风扇工作的时间就更短了。因此，根据发动机的热状况随时对其冷却强度加以调节就显得十分必要了。在风扇带轮与冷却风扇之间装置硅油风扇离合器，是实现这种调节的方法之一。

  如图8-9所示，主动轴11固定在风扇带轮上由曲轴驱动。主动板7禁固在主动轴的左端随主动轴一起旋转。从动板8、前盖2和壳体9用螺钉连成一体。风扇15固定在壳体上，壳体则通过轴承10支承在主动轴上。在前盖山庄有螺旋形双金属感温器4。感温器的一段固定在前盖上，另一端嵌在阀片传动销5中。前盖与从动板之间的空腔为贮油腔，其中贮有高粘度硅油。壳体与从动板之间有进油孔A、回油孔B泄油孔C。

  当发动机温度较低时,流过散热器的空气温度也较低，从动板8上的进油孔A被阀片6封闭。这时贮油腔内的硅油不能进入工作腔，因此工作腔内没有硅油。主动板7的旋转运动不能传给从动板，风扇离合器处于分离状态。这时风扇不转或在毛毡密封圈3及轴承10的摩擦力作用下转的很慢。当流过散热器的空气温度超过65℃时，热空气吹在感温器4使螺旋形双金属片发生变形，并带动阀片传动销5使阀片6转过一定角度，从动板上的进油孔被打开，硅油从贮油腔通过进油孔进入工作腔，并流进从动板与主动板以及主动板与壳体之间的间隙内。由于硅油粘度很大，因此主动板能够最终靠硅油带动从动板、壳体以及风扇一起非常快速地旋转，这时离合器处于接合状态。进入工作腔的硅油在离心力的作用下被甩向外缘，经回油孔B流回贮油腔，在经进油孔流回工作腔，如此循环不已。当吹过散热器的空气温度降低到35℃以下时，感温器操纵阀片将进油孔封闭。这时硅油不再流入工作腔，先前流入工作前的硅油在离心力作用下返回贮油腔，直到甩空为止，离合器又处于分离状态。

  很多轿车发动机的水冷系采用电动风扇，尤其横置发动机前轮驱动的汽车更是如此。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。

  我国生产的红旗CA7220、奥迪100、捷达和桑塔那等轿车均采用电动风扇（图8-10），且风扇转速均为两挡。风扇转速有温控热敏电阻开关控制。当冷却液流出散热器的温度为92～97℃时，热敏开关接通风扇电动机的1挡，风扇转速为2300r/min。当冷却液温度上升到99～105℃时，热敏开关接通风扇电动机的2挡，这时风扇转速为2800r/min。若冷却液温度降到92～98℃时，风扇电动机恢复1挡转速。但冷却液温度降到84～91℃时，热敏开关断电，风扇停转。

  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，电脑使风扇继电器接地，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相对比较简单，布置方便，不消耗发动机功率，使燃油经济性得到一定的改善。此外由于不需要检查、调整或更换风扇传动带而减少了维修保养工作量。

  节温器是控制冷却液流动路径的阀门。它根据冷却液温度的高低，打开或关闭冷却液通向散热器的通道。当起动冷发动机时，节温器关闭冷却液流向散热器的通道，这时冷却液经水泵入口直接流回机体及气缸盖水套，使冷却液迅速升温。如果不装节温器，那么，温度较低的冷却液经过散热器冷却后返回发动机，其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，车厢内的暖风系统和用冷却液加热的进气管、化油器、预热系统，都在长时间内不能发挥作用。

  蜡式节温器有单阀型与双阀型之分。单阀蜡式节温器的结构如图8-11所示。推杆1的一端紧固在带状上支架2上，而另一端则插入感温体5的胶管6中。感温体支承在带状下支架3及节温器阀8之间。在感温体外壳与胶管中间充满精制石蜡。

  当冷却液温度不高于规定值时，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冷却液流向散热器的通道，冷却液经旁通孔、水泵返回发动机，进行水循环。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胶管使其收缩。在胶管收缩的同时，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。这时冷却液经节温器阀进入散热器，并由散热器经水泵流回发动机，进入大循环（图8-12）。

  国产轿车捷达、桑塔那及奥迪100型等，均采用蜡式节温器。其特性为：当冷却液温度达到85℃时，节温器阀开始打开。当温度达到105℃时，节温器阀全开，其升程应超过7mm。

  一般水冷系的冷却液都是由机体流进、从气缸盖流出。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相对比较简单，容易排除水冷系的气泡。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，节温器阀开启。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。节温器在极短的时间内反复开闭的现象，称为节温器振荡。当出现这样一种现象时，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中。这种布置方式能减轻或消除节温器振荡现象，并能精确地控制冷却液温度，但其结构较为复杂。成本比较高，多用于高性能的汽车及在冬季经常高速行驶的汽车上。奥迪100型轿车发动机的节温器即布置在散热器出口的管路中。

  汽车发动机广泛采用离心式水泵（图8-13）。其基本结构由水泵壳体1、水泵轴2、叶轮3及进、出水管等组成。水泵壳体由铸铁或铝铸制。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（图8-14）。进、出水管与水泵壳体铸成一体。离心式水泵的工作原理如图8-13所示。当水泵叶轮按图示方向旋转时，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8-15所示为EQ6100-1型发动机所采用的离心式水泵结构图。水泵轴12的一端用两个球轴承11支承在水泵壳体1内，其伸出壳体以外的部分用半圆键13与安装风扇带轮的凸圆盘14连接。水泵轴的另一端安装水泵叶轮2，并用螺栓紧固。在叶轮2与球轴承11之间装有水封，用来防止水泵内的冷却液沿水泵轴渗漏。水封中的弹簧7通过水封环18将水封皮碗6的一端压在水封座圈10上，而将皮碗的另一端压在夹布密封垫圈3上。夹布胶木密封垫圈在弹簧的压力下与水泵叶轮毂的端面贴和。密封垫圈上有两个凸耳在水泵壳体上的槽孔内。因此，在水泵工作时，水封不随水泵轴旋转。

  水泵壳体上有泄水孔C，位于水封之前。一旦有冷却液漏过水封，可从泄水孔泄出，以防止冷却液进入轴承而破坏轴承的润滑。如果发动机停机后仍有冷却液泄漏，则表明水封已经损坏。

  水泵一般由曲轴通过V带传动，传动带环绕在曲轴带轮与水泵带轮之间，因此，水泵转速与发动机转速成比例。奥迪100型发动机的水泵及由曲轴通过V带传动，水泵转速为曲轴转速的1.6倍。

  装有自动变速器的汽车必须装备变速器机油冷却器，因为自动变速器中的机油可能过热。机油过热会降低变速器性能，甚至造成变速器损坏。

  变速器机油冷却器通常就是一根冷却管，置于散热器的出水室内（图8-16），由冷却液对流过冷却管的变速器机油进行冷却。在变速器和冷却管之间用金属管或橡胶软管连接。

  当汽车牵引挂车时，需要对变速器机油进行附加冷却。在这种情况下，可在变速器机油冷却器的管路中窜接一个外部变速器机油附加冷却器，并置于散热器前面。

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