汽车冷却系统基本原理

2023-08-29 理论教育版权反馈

【摘要】：在采用水冷却系统的发动机中，冷却液的工作温度一般为80 ℃～105 ℃。目前汽车发动机上广泛采用的是水冷却系统。图4－1风冷却系统示意图4－2大众ATK 发动机水冷却系统2.冷却系统循环水路为了保证发动机在不同负荷、转速和气候条件下保持正常的工作温度，冷却液的循环路线是不同的。图4－3大众ATK 发动机冷却系统布置示意图4－4冷却系统循环水路大循环；小循环3.水冷却系统主要部件的结构及基本原理1）水泵水泵的作用。

在发动机工作的过程中，气缸内气体温度可高达2 000 ℃～2 500 ℃，直接与高温气体接触的机件（如气缸体、气缸盖、气门等）若不及时加以冷却，则其中的运动机件可能因受热膨胀而破坏正常间隙，或因润滑油在高温下失效而卡死；各机件也可能因为高温而机械强度降低甚至损坏。所以，为保证发动机正常工作，必须冷却这些在高温条件下工作的机件。

1.冷却系统的作用及分类

1）冷却系统的作用

冷却系统的作用就是使工作中的发动机得到适度的冷却，从而保持发动机在最适宜的温度范围内工作。在采用水冷却系统的发动机中，冷却液的工作温度一般为80 ℃～105 ℃。

2）冷却系统的分类

根据冷却介质的不同，汽车发动机的冷却方式有水冷却和风冷却两种。现代汽车发动机普遍采用水冷却系统。

（1）风冷却系统。将发动机中高温零件的热量直接散发到大气，使发动机的温度降低而进行冷却的一系列装置称为风冷却系统。采用风冷却系统的发动机，为了增大散热面积，在气缸体和气缸盖上制有许多散热片，发动机利用车辆在前进中的空气流，或特设的风扇鼓动空气，吹过散热片，将热量带走。

图4－1 所示是发动机风冷却系统示意，气缸和气缸盖的表面均布散热片，它与气缸体或气缸盖铸成一体。

（2）水冷却系统。将发动机中高温零件的热量先传给水，再散发到大气中去，使发动机的温度降低而进行冷却的一系列装置，称为水冷却系统。目前汽车发动机上广泛采用的是水冷却系统。

水冷却系统一般由散热器、水泵、水管、水套、节温器、百叶窗、膨胀水箱、冷却液温度表和风扇等组成。大众ATK 发动机水冷却系统如图4－2 所示。

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图4－1　风冷却系统示意

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图4－2　大众ATK 发动机水冷却系统

2.冷却系统循环水路

为了保证发动机在不同负荷、转速和气候条件下保持正常的工作温度，冷却液的循环路线是不同的。大众ATK 发动机冷却系统布置示意如图4－3 所示，冷却液轴向进入水泵后，经水泵叶轮径向直接流进发动机机体水套，吸收机体热量。

此后，冷却液分两路循环，一路为大循环，另一路为小循环。当冷却液温度较高时，冷却液进行大循环，如图4－4（a）所示，即冷却液流经散热器冷却后，进入装在机体水泵进口处的节温器，此时节温器主阀门打开，副阀门关闭，冷却液流向水泵进水口，以求迅速降低冷却液温度，增强冷却效果；当冷却液温度较低时，冷却液进行小循环，如图4－4（b）所示，此时节温器主阀门关闭，副阀门打开，冷却液直接进入节温器后的水泵进水口，不经散热器冷却，以使发动机冷却液温度迅速升高到正常工作温度。大众ATK发动机冷却液温度低于85 ℃时，进行小循环；当冷却液温度高于85 ℃时，部分冷却液进行大循环；当冷却液温度达到105 ℃时，全部冷却液参加大循环。

除了节温器可通过改变流经散热器中冷却液的流量来调节冷却强度以外，冷却强度还可通过改变流经散热器的空气流量得到调节，如采用电动风扇、百叶窗、自动风扇离合器等。

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图4－3　大众ATK 发动机冷却系统布置示意

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图4－4　冷却系统循环水路

（a）大循环；（b）小循环

3.水冷却系统主要部件的结构及基本原理

1）水泵

（1）水泵的作用。水泵的作用是对冷却液加压，强制冷却液在冷却系中循环流动。常见的水泵安装在发动机前端，由发动机曲轴通过皮带驱动，现代汽车发动机均采用离心式水泵，这种水泵结构简单、体积小、出水量大、维修方便，获得广泛应用。

（2）水泵的结构。离心式水泵主要由外壳、叶轮、水泵轴、轴承、水封皮碗和挡水圈等组成，如图4－5 所示。

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图4－5　水泵的结构

大众车系水泵如图4－6 所示，其一半壳体铸在缸体壁上，采用闭式叶轮。水泵的叶轮用工程塑料压注成形，它装在双连轴承的一端，另一端泵轴轴头安装带轮，发动机通过V形带传动水泵叶轮旋转。

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图4－6　大众车系水泵

叶轮的前端为水封装置，它包括带有两凸缘的夹布胶木密封垫圈卡于水泵外壳的两槽内，以防止转动。弹簧通过水封环将水封皮碗的一端压在水封座圈上，而另一端压向夹布胶木密封垫圈上；为了防止水泵内腔的水沿水泵轴向前渗漏，夹布胶木密封垫圈又压在水泵叶轮毂的端面上。当有少量的水滴由水封处渗出时，为避免破坏轴承的润滑，渗漏的水滴可从泄水孔泄出。

（3）水泵的工作原理。离心式水泵的工作原理示意如图4－7 所示。发动机工作时带动水泵叶轮旋转，水泵中的水被叶轮带动一起旋转，在离心力的作用下向叶轮边缘甩出，经与叶轮呈切线方向的出水管压送到发动机水套内。与此同时，叶轮中心处形成一定的负压，将水从进水管吸入，如此连续地作用，使冷却液在水路中不断地循环。

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图4－7　离心式水泵的工作原理示意

2）散热器

（1）散热器的作用。散热器也称为水箱，其作用是将冷却液吸收的热量散发到大气中。散热器必须有足够的散热面积。其通常使用导热性能、结构刚度和防冻性能较好的铜、铝和铝锰合金等材料制造。

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图4－8　散热器的结构示意

（2）散热器的结构。散热器主要由上、下储水室，散热器芯，散热器盖等组成，如图4－8 所示。散热器上储水室为薄钢板制成的容器，用橡胶皮管同发动机出水管连接，并设有散热器盖。下储水室也是用薄钢板制成的容器，用橡胶软管同发动机进水管或水泵连接，并装有放水开关。

3）节温器

（1）节温器的作用。节温器安装在冷却液循环的通路中，它的作用是根据发动机负荷及冷却液温度来改变冷却液的流动路线及流量，自动调节冷却系统的冷却强度，使冷却液的温度保持在最适宜的范围内。

（2）节温器的结构。目前汽车发动机上广泛采用的是蜡式节温器，因为它具有对水压影响不敏感、工作性能稳定、水流阻力小、结构坚固和使用寿命长等优点。

大众发动机采用的是蜡式双阀型节温器，如图4－9 所示。长方形的阀座与下支架铆接在一起，紧固在阀座上的中心杆的锥形端下部插在橡胶管内。橡胶管与感应体之间的空腔内充满特制的石蜡。常温下石蜡呈固态，当温度升高时逐渐熔化，体积也随之增大，感应体上端套装在主阀门上，下端则与副阀门铆接在一起。节温器安装在水泵下端，进水口的前部，用来控制水泵的进水。

（3）节温器的工作原理。当冷却液温度低于85 ℃时，节温器体内的石蜡体积膨胀量尚小，故主阀门受大弹簧作用紧压在阀座上，来自散热器的水道被关闭，而副阀门则离开来自发动机的旁通水道，所以冷却液便不经过散热器，只在水泵与发动机水套之间作小循环流动。这样，冷发动机开始工作时，冷却液快速升温，能很快暖机，在短时间内达到发动机正常工作温度。当冷却液的温度高于85 ℃时，石蜡体积膨胀，使橡胶管受挤压变形，但由于中心杆是固定不动的，于是橡胶管收缩，对中心杆锥形端产生一轴向推力，迫使感应体压缩大弹簧，使主阀门逐渐开启，副阀门逐渐关闭，因而部分来自散热器的冷却液作大循环流动。随着温度升高，主阀门开大，作大循环流动的冷却水的水量增多。当冷却液的温度达到105 ℃时，主阀全开，开足升程至少7 mm，副阀门则完全关闭，全部冷却液流经散热器作大循环流动。

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