【教学任务书】

（续）

【项目实施建议】

（续）

【项目实施】

一、概述

发动机工作时，可燃混合气在气缸内燃烧，其工作温度高达2000℃，瞬时温度可达3000℃左右。如果不加以适当冷却，不仅会使发动机过热，导致充气效率下降，燃烧不正常，润滑油变质，零件摩擦和磨损加剧，有时甚至造成机件卡死或烧毁等事故性损伤。但如果冷却过度，又会由于气缸温度过低使润滑油粘度增大，摩擦损失增加，燃油雾化不良动力下降，散热损失增加及润滑性能变差。因此，必须保证发动机始终处在最适宜的温度状态下工作。

1.功用

冷却系统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。

冷却系统按照冷却介质的不同可以分为风冷系统和液冷系统，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统；而把这些热量先传给冷却液，然后散入大气而进行冷却的装置称为液冷系统。由于液冷系冷却均匀、效果好，而且相应的发动机运转噪声小，目前汽车发动机上广泛采用的是液冷系统。图5-1所示为发动机冷却方式。

图5-1 发动机冷却方式

液冷系统是以冷却液作为冷却介质，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液冷系统大都是强制循环式液冷系统，利用水泵强制冷却液在冷却系统中进行循环流动。它由散热器、水泵、冷却风扇、水套和温度调节装置等组成。如图5-2所示。

散热器内的冷却液加压后通过气缸体进液孔压送到气缸体水套和气缸盖水套内，冷却液在吸收了机体的大量热量后经气缸盖出液孔流回散热器。由于有冷却风扇的强力抽吸，空气流由前向后高速通过散热器。因此，受热后的冷却液在流过散热器芯的过程中，热量不断地散发到大气中去，冷却后的液流流到散热器的底部，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5-2 强制循环式液冷系统的组成与冷却液路

通常，冷却液在冷却系统内的循环流动路线有两条，一条为大循环，另一条为小循环。所谓大循环是指冷却液温度高时，冷却液经过散热器而进行的循环流动；而小循环就是指冷却液温度低时，冷却液不经过散热器而进行的循环流动，从而使冷却液温度升高。

2.发动机冷却强度调节

发动机由于使用条件（负荷、转速和环境温度）经常改变，其冷却强度也必须不断地改变，否则会出现发动机过热或过冷现象而影响正常使用。发动机的冷却强度通过两种方式进行调节，一种是改变通过散热器的空气量，另一种是改变通过散热器的冷却液量。第一种方式靠百叶窗和风扇离合器来完成，第二种是靠节温器来实现。

（1）散热器空气流量的控制

1）风扇安装在散热器后面，部分发动机风扇与水泵同轴，风扇旋转时，会产生轴向吸力，增加流过散热器芯的空气量，可加速对流经散热器芯的冷却液的冷却，从而加强了对发动机的冷却作用。

风扇的扇风量主要与风扇的直径、转速、叶片形状、叶片安装角和叶片数目有关。为了提高风扇的效率，在风扇外围通常装设一个护风罩。

2）轿车发动机由于大多采用电动风扇，电动风扇由电动机驱动，受冷却液温度控制的温控开关控制风扇的转动，因此不受发动机转速的影响。这样，既能保证发动机在汽车低速时的冷却，又可减少消耗发动机的功率。

3）有些汽车发动机采用各种自动风扇离合器控制风扇的扇风量以改变冷却强度。这种方法是根据发动机的温度自动控制风扇的转速，以达到改变通过散热器的空气流量的目的。这不仅能减少发动机的功率损失（普通风扇约消耗发动机功率的5%～10%，而在汽车行驶中需要风扇工作的时间不到10%），节省燃油，而且还能延长发动机的使用寿命，降低噪声。

（2）风扇离合器的结构形式 风扇离合器主要有硅油式、电磁式和机械式三种类型，其中硅油式应用最多。当发动机在小负荷下工作时，冷却液和通过散热器的气流温度不高，进油孔被阀片关闭，硅油不能从储油腔流入工作腔。工作腔内无油，离合器处于分离状态。这时主动轴与水泵轴一起转动，风扇随离合器壳体在主动轴上空转。此时，风扇的转动仅仅由于密封毛毡圈和轴承的微弱的摩擦而引起，转速很低。

当发动机负荷增加、散热器中冷却液温度升高时，通过散热器的气流温度随之升高。双金属片感温器受热变形而带动阀片轴和阀片转过一定角度。当吹向感温器的气流温度超过338K（65℃）时，阀片转至进油孔A打开的位置，于是硅油从储油腔进入工作腔。由于主动板与从动板、壳体之间的缝隙进入了粘度很大的硅油，主动板利用硅油的黏度即可带动壳体和风扇转动。此时，风扇离合器处于接合状态，风扇转速迅速提高。因为主动板驱动壳体和风扇转动是以油为介质的，并非刚性传动，所以风扇转速总是低于主动轴的转速，并伴随着功率损失。

当发动机负荷下降，吹向感温器的气流温度低于308K（35℃）时，阀片将进油孔关闭，工作腔内的油液继续从回油孔甩向储油腔，直至甩空为止，致使风扇离合器又回复到分离状态。

当硅油风扇离合器失灵时，可旋松圆柱头内六角螺栓，将锁止板从假象线所示位置径向移动至实线所示位置，使锁止板端部的指销插入主动轴的孔中，再旋紧螺栓，使风扇离合器的壳体、风扇与主动轴连成一个整体。

（3）散热器冷却液流量的控制 节温器的作用是根据发动机冷却液的温度自动控制流经散热器的冷却液流量。目前，大多数发动机采用蜡式节温器，安装在气缸盖出水口处，控制冷却液通往散热器的流量。

冷却系统的工作过程如下：

1）小循环。发动机冷却液温度较低时，节温器阀门将大循通道关闭，将小循通道打开，为发动机暧机过程。

2）小循环、大循环同时存在。发动机冷却液温度升高，节温器阀门将大循通道部分开启，小循通道部分关闭，为发动机暧机过程。

3）大循环。发动机冷却液温度较高，节温器阀门将大循通道开启，小循通道关闭，为发动机散热过程。

二、冷却系统主要机件

1.散热器

散热器由上水室、散热器芯和下水室等组成，它安装在发动机前的车架横梁上，其作用是将冷却液在水套中所吸收的热量散发至外界大气，使冷却液温度下降，如图5-3所示。

散热器芯由许多冷却管和散热片组成，对于散热器芯，应该有尽可能大的散热面积，而采用散热片就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，常用的有管片式和管带式两种，如图5-4所示。

图5-3 散热器结构

1）管片式。管片式由若干扁形或圆形冷却管组成。空气吹过扁形冷却管和散热片，使管内流动的水得到冷却。管片式散热器因结构刚度较好而广为汽车发动机所使用。

2）管带式。管带式由若干扁平冷却管组成水管与散热器相间排列，在散热器带上常开有形似百叶窗的孔，以破坏气流在散热器表面上的附面层，提高散热能力。

对散热器的要求是必须具有足够的散热面积，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。

2.散热器盖

散热器盖内装有压力阀、真空阀和溢流管，如图5-5所示。

图5-4 散热芯结构

散热器盖对冷却系统起密封加压作用。发动机热态正常时，两阀门关闭，将冷却系统与大气隔开。因水蒸气的产生使冷却系统内的压力稍高于大气压力，提高了冷却液的沸点，改善了冷却效能。当散热器内部压力达到126～137kPa时，真空阀开启而使水蒸气从通气孔排出，如图5-6所示，当冷却液温度下降，冷却系统内部的真空度低于10～20kPa时，压力阀打开，空气从通气孔进入冷却系统，以防散热器及芯管被大气压瘪，如图5-7所示。

图5-5 散热器盖

图5-6 压力阀开(www.daowen.com)

图5-7 真空开

3.水泵

（1）功用 水泵的功用是对冷却液加压，加速冷却液的循环流动，保证冷却可靠。车用发动机上多采用离心式水泵，因为离心式水泵具有结构简单、尺寸小、排水量大及维修方便等优点。

（2）离心式水泵的结构 离心式水泵主要由泵体、叶轮和水泵轴组成，叶轮一般是径向或向后弯曲的，其数目一般为6～9片，如图5-8所示。

（3）离心式水泵的工作原理 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。如此连续地作用，使冷却液在水路中不断地循环。如果水泵因故停止工作时，冷却液仍然能从叶轮叶片之间流过，进行热流循环，不至于很快出现过热。

图5-8 离心式水泵

4.风扇

（1）功用 风扇通常安排在散热器后面并与水泵同轴，它用来提高流经散热器的空气流速和风量，增强散热器的散热能力，同时对发动机其他附件也具有一定的冷却作用。

（2）类型 车用发动机的风扇有轴流式和离心式两种。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。

（3）轴流式风扇的结构特点 叶片多用薄钢板压制而成，为4～6片，叶片间夹角一般不相等。叶片与其旋转平面成30°～45°的安装斜角。整体式风扇在轿车和轻型载货汽车上应用较多。近年来轿车上还采用了电动风扇。

（4）轴流式风扇的三种形式 轴流式风扇分为叶尖前弯风扇、尖窄根宽风扇和尼龙压铸整体风扇三种，如图5-9所示。

图5-9 轴流式风扇的三种形式

（5）风扇的驱动 风扇常和发动机一起由曲轴带轮通过V带驱动。为调节V带的张紧程度，通常将发电机的支架做成可调节的，如图5-10所示。

5.节温器

（1）功用 根据发动机负荷大小和冷却液温度的高低自动改变冷却液的循环流动路线，从而控制通过散热器的冷却液流量。

（2）类型 节温器有蜡式和乙醚皱纹筒式两种，目前多数发动机采用蜡式节温器。

（3）蜡式节温器的结构 蜡式节温器如图5-11所示。

图5-10 风扇的驱动V带张紧装置

图5-11 蜡式节温器

（4）蜡式节温器的工作原理 常温时，石蜡呈固态，阀门压在阀座上。这时阀门关闭了通往散热器的水路，来自发动机气缸盖出液口的冷却液，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、感应体产生向下的反推力，阀门开启，当发动机冷却液温度达到80℃以上时，阀门全开，来自气缸盖出液口的冷却液流向散热器而进行大循环，如图5-12所示。

图5-12 蜡式节温器的工作原理示意图

6.风扇离合器和温控开关

风扇离合器和温控开关的功用是减小风扇噪声，改善低温起动性能，节约燃料和降低排放，自动调节发动机的冷却强度。

（1）风扇离合器 风扇离合器主要有硅油式和电磁式等。当冷却液温度不高时，风扇随离合器壳体一起空转打滑。当发动机气流温度超过338K时，离合器处于接合状态，风扇转速提高；当发动机气流温度低于338K时，风扇离合器又回到分离状态。硅油式风扇离合器如图5-13所示。

（2）风扇温控开关 在冷却液温度升高时，风扇温控开关内部的温控介质膨胀而使风扇高速运转，加速了发动机的冷却；相反，在冷却液温度降低的时，其内部的温控介质收缩而使风扇低速运转或停下来，实现了对散热器电动风扇的控制。

（3）百叶窗 百叶窗通过调节流经散热器的空气量来调节冷却系统的冷却强度，使发动机在适宜的温度下工作。

7.电动风扇

一些轿车由于发动机横置或后置，多采用电动风扇。电动机的开关由散热器的冷却液温度开关控制，并且有高、低速两个档位，低速档在沸点内使用，高速档在沸点外使用，需要冷却时自动起作用。这样，在一般行驶条件下，电动风扇几乎不转，功率消耗减少，油耗率降低；而在低速、大负荷时又能得到充分的冷却。电动风扇如图5-14所示。

图5-13 硅油式风扇离合器

图5-14 电动风扇

1—水泵 2—节温器 3—散热器 4—电动机和风扇 5—蒸汽排出和回吸管 6—膨胀罐 7—温控开关 8—发动机

8.膨胀罐

（1）结构 膨胀罐多用半透明材料（如塑料）制成，透过箱体可直接方便地观察到液面高度，无需打开散热器盖。如图所示，膨胀罐的上部用一个较细的软管与散热器的加水管相连，底部通过水管与水泵的进液侧相连接，通常位置略高于散热器。

（2）作用

1）把冷却系统变成永久性封闭系统，减少了冷却液的损失。

2）避免空气不断进入，避免了机件的氧化腐蚀。

3）减少了穴蚀。

4）使冷却系统中水、气分离，保持系统内压力稳定，提高了水泵的泵液量。

（3）膨胀罐的作用原理 一般冷却系统冷却液的流动是靠水泵的压力来实现的。水泵吸液的一侧压力低，易产生蒸汽泡，使水泵的出液量显著下降，并引起水泵叶轮和水套的穴蚀，在其表面产生麻点或凹坑，缩短了叶轮和水套的使用寿命。加装膨胀罐后，由于膨胀罐和水泵进液口之间存在补充水管，使水泵了汽泡的产生。散热器中的蒸汽泡和水套中的蒸汽泡通过导管和进入膨胀罐，从而使气、水彻底分离。由于膨胀罐温度较低，进入的气体得到冷凝，一部分变成液体，重新进入水泵。而积存在膨胀罐液面上的气体起缓冲作用，使冷却系统内的压力保持稳定状态，如图5-15所示。

9.管式膨胀罐

有的冷却系统不用膨胀罐而使用储液罐，即用一根管子把散热器和储液罐的底部或上部（管口插入液面以下）连通。但这种装置只能解决气、水分离及冷却液消耗问题，而对穴蚀没有明显的改善作用。当冷却液温度升高时，散热器中液体膨胀、汽化，使散热器盖蒸气阀开启，散热器中的蒸气或液体沿导管流入储液罐。当冷却液温度降低时，散热器内压力下降，液体沿原路径流向散热器。

10.补充冷却液

储液罐上有两条刻线，冷却液应加到上刻线（FULL），当液面降到下刻线（LOW）时，应及时补充。

图5-15 膨胀罐示意图

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—进液口处保持较高的液压膨胀罐 8—散热器出气管 9—补充水管 10—旁通管