冷却系的结构与工作原理

二、冷却系的结构与工作原理

1.冷却系的功能和分类

发动机工作时，由于燃料的燃烧，汽缸内气体温度可高达2200～2800K，使发动机的零件温度升高。高温气体接触的零件，如不及时冷却则难以保证发动机正常工作，发动机过热或过冷都会给发动机带来危害。冷却系的功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。

按采用的冷却介质的不同，冷却系统分为液体（水）冷却系和空气（风）冷却系两种类型；按冷却介质向外界散热的方式的不同，冷却系统分为闭式冷却系和开式冷却系两种类型。

液体冷却系统以冷却液为介质，热量由机件传给冷却液，靠冷却液的流动把热量带走，再散发到大气中去，使发动机的温度降低，散热后的冷却液再流回受热机件处。适当地调节水路和冷却的强度，就能保证发动机的正常工作温度。水冷系统目前在汽车上得到了广泛的应用。

空气冷却系统利用高速流动的空气直接吹过汽缸盖和汽缸体表面，把热量散发到大气中去，保证发动机在最有利的温度范围内工作。

2.水冷系统的组成

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。

水冷系由散热器、水泵、风扇、冷却水套和温度调节装置等组成，如图3.1所示。

图3.1　水冷系统组成

冷却水在冷却系内的循环流动路线有两条，一条为大循环，另一条为小循环。大循环就是指水温高时，水经过散热器而进行的循环流动；而小循环就是水温低时，水不经过散热器而进行的循环流动，从而使水温升高。如图3.2所示为大小循环示意图。

图3.2　大小循环示意图

通常利用节温器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（一般装在汽缸盖的出水口），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。当发动机在正常热状态下工作，即水温高于80℃时，节温器阀门打开通往散热器的通道，同时关闭通往水泵的旁通管，冷却水全部流经散热器，形成大循环；当冷却水温低于70℃时，节温器阀门关闭通往散热器的通道，同时打开通往水泵的旁通管，水套内的水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；当发动机的冷却水温在70～80℃范围内，通往散热器的通道和通往水泵的旁通管均处于半开闭状态，此时一部分水进行大循环，而另一部分水进行小循环。

3.水冷系统的主要零部件

（1）膨胀水箱

膨胀水箱的主要功能是给冷却液提供一个膨胀空间。在冷却系统中，当冷却液热膨胀后的体积超过冷却系统容积时，就会压缩原积滞在系统内的空气，这部分空气随着热负荷的增加会进一步膨胀，使系统压力升高。另外，系统内还将产生一定量的水蒸气，这些蒸气的压力也会增加系统的压力。整个系统的压力越高，系统的密封就越困难。而膨胀水箱内提供的膨胀空间，气水混和物在系统压力的作用下将不断地输进膨胀水箱，在箱内膨胀、释压，稳定了整个系统内的压力。

当冷却液温度低时，膨胀水箱内的水又流回水箱，因此可保持任何时候水都是满的，并可避免不必要的冷却液流失。同时，检查膨胀水箱的水位，可以确认是否需要添加冷却液。膨胀水箱示意图如图3.3所示。

图3.3　膨胀水箱示意图

1-散热器；2-水泵进水管；3-水泵；4-节温器；5-水套出气管；6-水套出水管；7-膨胀水箱；8-散热器出气管；9-补充水管；10-旁通管

（2）散热器

散热器的功用是将来自内燃机水套的水加以冷却，再把热量传到大气中去。要求散热器有足够的散热面积，并用导热性能好的材料制造。

如图3.4所示，散热器由上水室、下水室及散热器芯等组成。上水室的进气管和下水室的出水管均用橡胶软管分别与水套出水口或进水口的短管相接。下水室用螺钉固定在机架上，为了减小振动，二者之间加有橡皮垫或弹簧。

图3.4　散热器

1-溢水管；2-上水室；3-水箱盖；4-进气管；5-散热器芯；6-出水管；7-下水室

散热器芯由散热管和散热片组成，一般分为圆管式、管片式和管带式三种，如图3.5所示。

图3.5　散热器芯的类型

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积。散热管的外表面还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。铝散热器芯多为圆管，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。

管带式散热器芯由散热管及波形散热带组成。其散热管为扁管，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。

（3）风扇

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。

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，前者由薄钢板冲压而成，后者用塑料或铝合金铸制。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）。叶片数可为4～7片。叶片之间的间隔角或相等，或不相等。间隔角不等的叶片可以减小叶片旋转时的振动和噪声。几种常见的风扇形式如图3.6所示。

图3.6　风扇形式示意图

（4）水泵

水泵的功用是对冷却液加压，保证其在冷却系统中循环流动。

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。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。水泵一般由曲轴通过V带驱动。传动带环绕在曲轴带轮和水泵带轮之间，因此，水泵转速与发动机转速成比例。奥迪100型轿车发动机的水泵即由曲轴通过V带驱动，水泵转速为曲轴转速的1.6倍。有些发动机的水泵由凸轮轴直接驱动。

离心式水泵示意图如图3.7所示。

图3.7　离心式水泵示意图

4.水冷却强度的调节装置

汽车在行驶过程中，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条件下，工作冷却液的温度很高时，风扇应该高速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有必要了。

（1）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，如图3.8所示。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。在发动机冷启动或暖车期间，冷却液的温度较低，这时可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。

图3.8　车用百叶窗

（2）硅油风扇离合器

硅油风扇离合器是一种以硅油为转矩传递介质，利用散热器后面的气流温度来进行控制的液力传动离合器。硅油风扇离合器的结构如图3.9所示。主动轴10由发动机带动，在轴的左端装有主动板8，它随主动轴一起旋转。从动板7固定在离合器壳体6上，从动板与离合器壳体之间的空间为工作腔9。前盖与从动板之间的空间为储油腔，在储油腔内装有高黏度的硅油。从动板上的进油孔4在常温时被铍青铜的控制阀片5所遮闭，储油腔的硅油此时不能流入工作腔内。工作腔内没有硅油，主动板上的转矩不能传到从动板上，离合器处于分离状态。主动轴旋转时，装有风扇叶片的离合器壳体在主动轴的轴承上打滑，在密封毛毡圈和轴承摩擦力作用下，以很低的转速旋转。在前盖上，装有螺旋形的双金属片感温器3。当发动机负荷增大，冷却液温度升高时，通过散热器芯部气流的温度也随之升高。当气流温度超过65℃时，高温气流吹在双金属片感温器上，使双金属片受热变形，带动控制阀片5转过一定角度。从动板上的进油孔4被打开，储油腔中的硅油通过此孔进入工作腔中。主动板利用硅油的黏性带动从动板，使离合器壳体和风扇转动，离合器此时处于接合状态。进入工作腔的硅油在离心力的作用下甩向外缘，顶开钢球弹簧阀2并通过从动板上的回油孔1流回储油腔，然后再进入工作腔，形成循环。硅油在循环时将热量传给铸有散热片的前盖和离合器外壳而得到冷却，使硅油在工作时的温度不致过高。当发动机因负荷下降等原因，吹向双金属片感温器的气流温度低于35℃时，控制阀片将进油孔4关闭，硅油不再进入工作腔，而原来在工作腔中的硅油仍不断地在离心力作用下返回储油腔，直至排空为止。离合器此时又处于分离状态。钢球弹簧阀2可防止硅油在发动机不工作时从储油腔流入工作腔中。

图3.9　硅油风扇离合器

1-回油孔；2-钢球弹簧阀；3-双金属感温器；4-进油孔；5-阀片；6-离合器壳体；7-从动板；8-主动板；9-工作腔；10-主动轴；11-储油腔；12-风扇

（3）节温器

节温器是控制冷却液流动路径的阀门。当发动机冷启动时，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汽缸盖水套，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、化油器预热系统都在长时间内不能发挥作用。

1）折叠式节温器

如图3.10所示为折叠式双阀节温器。上阀门5与发动机出水口连接，侧阀门2通过节温器外壳8上的窗孔与冷却系统旁通水路连接。折叠式圆筒1的下端焊在固定于外壳8的支架9上，上端连接着两个阀门，侧阀门焊在上端面上，而上阀门焊于圆筒上端杆的顶部。折叠式圆筒由黄铜片制成，具有弹性，其内封装少许易于挥发的乙醚。当水温升高时，筒内液体逐步蒸发，蒸汽压力增高，圆筒的高度便提高，使上阀门逐渐开启而侧阀门逐步关小，迫使冷却水流入散热器以加强发动机的冷却。水温下降时则情况相反。当发动机在正常热状态情况下时（温度高于80℃），冷却液应全部流经散热器，形成大循环。此时，节温器的上阀门完全开启，而侧阀门将旁通孔10完全关闭。当冷却水温度低于70℃时，折叠式圆筒1内的蒸汽压力很低，使圆筒收缩到最小高度，上阀门压在阀座4上，即上阀门关闭，侧阀门打开。此时切断了由发动机水套通向散热器的水路，水套内的冷却液只能由旁通孔10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，只是在水套与水泵间进行小循环，使冷发动机迅速而均匀地热起。当水温在70～80℃范围内时，上阀门与侧阀门处于与温度相适应的中间位置。此时，冷却液同时进行大、小循环。上阀门上的小气孔6是用来保证加冷却液时，发动机水套内的空气可以通过孔6排出，使冷却液能充满水套。

图3.10　折叠式双阀节温器

1-折叠式圆筒；2-侧阀门；3-杆；4-阀座；5-上阀门；6-通气孔；7-导向支架；8-外壳；9-支架；10-旁通孔；11-节温器

2）蜡式节温器

单阀蜡式节温器的结构如图3.11所示。推杆3的一端固定在支架1上，而另一端插入胶管5内。胶管与节温器外壳间装有精制石蜡4，当冷却液温度低于规定值时，石蜡呈固态，在弹簧8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，进行小循环。当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始熔化而逐渐变成液体，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，进行大循环。

图3.11　蜡式节温器

1-支架；2-主阀门；3-推杆；4-石蜡；5-胶管；6-副阀门；7-节温器外壳；8-弹簧

国产轿车捷达、桑塔纳及奥迪100型等，均采用蜡式节温器。

5.风冷系统

风冷系统的作用是利用空气流过汽缸盖和汽缸体的外表面，将热量直接散到大气中去，以保证发动机在最有利的温度范围内工作。风冷系统主要由散热片、风扇、导风罩和导流板等组成。如图3.12所示是一台四缸发动机风冷系统示意图。为保证有足够的散热面积，在汽缸体和汽缸盖表面上均布散热片3，它与汽缸体或汽缸盖铸成一体。为便于铸造，风冷发动机的汽缸和汽缸盖都是单个铸出，然后装到整体的曲轴箱上。

图3.12　四缸发动机风冷系统示意图

风冷发动机的主要特点：

①对地理环境和气候环境的适应性强。风冷发动机特别适于在沙漠或高原等缺水的地区工作。另外，在酷热的气候条件下，风冷发动机工作不会过热，在严寒季节也不易过冷。因为其散热片的温度很高，散热片与环境空气间的温差远比水冷系统中冷却液与环境空气间的温差大，所以气温的变化对散热片与环境空气间温差的影响相对较小，即风冷发动机对气温的变化不敏感。

②热负荷高风冷发动机的汽缸盖、汽缸体等受热零件的温度高。这是因为空气的传热系数只有水的传热系数的1/20～1/30，空气的比热容只有水的1/4。这表明风冷发动机要得到足够的冷却，不仅要合理地布置散热片，而且需要较大的空气流量。

③冷起动后，暖机时间短。由于风冷发动机在冷启动后汽缸温度上升快，在短时间内即可进入大负荷工作状态。

④维护简便。风冷发动机由于省去了散热器和许多管道，而减少了维护点，并由于通用化、系列化的程度高，其主要零件均可互换，因此拆装容易，维修简便。