第7章-发动机冷却系统.

第7章发动机冷却系统第一节概述第二节水冷系统的主要零部件一、冷却系统的功用第一节概述维持发动机在各种工况下均在最适宜的温度内工作，既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷，以使发动机工作可靠，并得到良好的动力性和经济性。发动机工作时，由于燃料的燃烧，气缸内气体温度高达2200K~2800K(1927℃~2527℃)，大约1/3做功转变为机械能，其余大部分随废气排出，剩余则被发动机零件吸收，使发动机零部件温度升高，特别是直接与高温气体接触的零件。一、冷却系统的功用水冷式发动机保持正常工作：冷却水的温度：353K~363K(80℃~90℃)气缸壁温度：473K~573K(200℃~300℃)气缸盖、活塞顶部的温度：573K~673K(300℃~400℃)；润滑油的温度：343K~363K(70℃~90℃)风冷式发动机:铝气缸壁的温度:423K~453K(150℃~180℃)铝气缸盖的温度:433K~473K(160℃~200℃)二、不正常冷却对发动机工作的影响1、过热燃气在燃烧过程中，气缸内气体温度高2000℃左右，发动机零部件与高温气体接触，将会造成气缸和进气管温度过高，使进入气缸的可燃混合气因受热而膨胀，充气量↓，并造成如下影响：二、不正常冷却对发动机工作的影响1.发动机过热的危害①降低充气效率，使发动机功率下降；②早燃和爆燃的倾向加大，使零件因承受额外冲击性负荷而造成早期损坏；③运动件的正常间隙被破坏，运动阻滞，磨损加剧，甚至损坏；④润滑情况恶化，加剧了零件的摩擦磨损；⑤零件的机械性能降低，导致变形或损坏。2、过冷①热量散失过多，转变为有用功的热量↓，功率↓；②温度低，机油粘度大，摩擦阻力↑，消耗功率大，起动困难；③燃油不易气化，燃烧不充分，燃油消耗率↑，功率↓；④燃气易凝结（在气缸壁上），流入曲轴箱，不仅燃油消耗率↑，功率↓，而且机油粘度↓，润滑效果变差，机件磨损加剧。三、冷却系统的分类{水冷风冷1、汽车发动机水冷系统1-散热器2-散热器盖3-散热器进水软管4-补偿水桶5-电动风扇6-散热器出水软管7-暖风机进水软管8-水阀9-节温器10-旁通阀11-暖风机12-暖风机出水软管13-旁通管14-热气排气口15-冷却水泵16-机油冷凝器17-连接管2、汽车发动机风冷系统1-火花塞2-气缸盖散热片3-缸体散热片4-活塞5-气缸导流罩6-风扇及皮带轮水冷系与风冷系的优缺点及适用范围结构复杂，成本高冷却效果差，不易控制，噪音大系统水冷系风冷系缺点优点冷却均匀，冷却效果好，易控制结构简单，成本低，不存在“冻水箱”，“开锅”问题四、水冷系统的组成水冷却系统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统，即利用水泵提高冷却液的压力，强制水在冷却系中进行循环流动。水冷系统由散热器、水泵、风扇、冷却水套、节温器和补偿水桶等组成。制作：霍志毅Email：[e-mail]桑塔纳发动机冷却系示意图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。所谓大循环是水温高时，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。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。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。冷却系统的大、小循环实质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（一般装在气缸盖的出水口），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时，即水温高于90℃，节温器阀门打开了通往散热器的通道，同时关闭了通往水泵的旁通管，冷却水全部流经散热器，形成大循环；当冷却水温低于80℃时，节温器阀门关闭了通往散热器的通道，同时打开了通往水泵的旁通管，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80～90℃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。五、冷却液冷却液：水+防冻剂（乙二醇）(CH2OH)2沸点197.3℃熔点-12.9℃汽车发动机中使用的冷却水应是清洁的软水，如雨水，自来水等；而井水、河水等硬水中矿物质含量高，在高温下易生成水垢，不应作为发动机冷却水。为防止在冬季寒冷地区，因冷却水结冰而发生散热器、气缸体、气缸盖变形或胀裂的现象，在冷却水中加入一定量的防冻液以达到降低冰点、提高沸点的目的。体积分数，%冰点，℃体积分数，%冰点，℃体积分数，%冰点，℃1.8-0.626-13.051.9-41.03.6-1.328-15.053.9-44.05.4-2.029.9-17.056.0-48.07.2-2.731.9-18.078.9-47.09.1-3.533.8-20.081.0-43.010.9-4.435.8-22.083.1-40.012.8-5.337.8-24.085.2-36.014.6-6.339.8-26.087.3-33.016.5-7.341.8-28.089.4-29.018.4-8.043.8-31.091.5-26.020.3-9.045.8-33.093.6-23.022.2-11.047.8-36.095.8-19.0乙二醇水溶液数据表第二节水冷系统的主要零部件一、散热器功用：增大散热面积，加速冷却液的冷却。散热器又称为水箱，由上水室、散热器芯和下水室等组成。安装在发动机前的车架横梁上。其作用是将冷却水在水套中所吸收的热量散发至外界大气，使水温下降。1、散热器芯（1）管片式管片式散热器芯由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。铝散热器芯多为圆管。在散热管的外表面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。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1、散热器芯（2）管带式管带式散热器芯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。1、散热器芯（2）板式板式散热器芯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。2、散热器的布置3、散热器盖汽车上广泛采用闭式水冷系，该水冷系的散热气盖具有空气——蒸汽阀门，可自动调节冷却系内部压力，提高冷却效果。压力阀真空阀压力阀弹簧真空阀弹簧盖发动机热态正常时，两阀门关闭，将冷却系与大气隔开。因水蒸气的产生使冷却系内的压力稍高于大气压力，提高了冷却水的沸点，改善了冷却效能。当散热器内部压力达到126～137Kpa时，压力阀开启而使水蒸汽从通气孔排出；当水温下降，冷却系内部的真空度低于10～20Kpa时，真空阀打开，空气从通气孔进入冷却系，以防散热器及芯管被大气压瘪。4、补偿水桶加注防冻液的汽车发动机，为了减少冷却液的损失，保证冷却系统的正常工作，采用散热器＋补偿水桶(贮水箱)结构。补偿水桶内部印有两条液面高度标记线，补偿水桶内的液面高度应位于这两种刻线之间。4、补偿水桶工作时冷却液的温度逐渐升高,容积膨胀,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人补偿水桶，以防止冷却液胀裂散热器。当发动机停机,冷却液的温度下降，压力降低。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地流回散热器，可以避免散热器被大气压力压坏。4、四、散热器百叶窗1.作用在冷却水温度较低时改变吹过散热器的空气流量，从而控制冷却强度。2.操作百叶窗安装在散热器前面，它是由许多片活动挡板组成的。挡板垂直或水平安装，由驾驶员通过装在驾驶室内的手柄操纵调节挡板的开度，也可用感温器自动控制。二、冷却风扇1、功用：风扇通常安排在散热器后面并与水泵同轴。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有一定的冷却作用。特点：车用发动机的风扇有轴流式和离心式。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。车用发动机采用轴流式风扇的三种型式结构特点：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。2、风扇离合器功用：水冷系只有25%的时间需要风扇工作，在冬季需要风扇工作的时间就更短。因此，应根据发动机的热状况随时对其冷却强度加以调节。在风扇带轮与冷却风扇之间装置硅油风扇离合器，就可实现这种调节。硅油风扇离合器电动风扇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。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，电脑使风扇继电器搭铁，继电器触点闭合并向风扇电动机供电，风扇进入工作。优点：结构简单，布置方便，不消耗发动机功率使燃油经济性得到改善。此外，采用电动风扇不需要检查、调整或更换风扇传动带，因而减少了维修的工作量。三、节温器功用：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，从而控制通过散热器冷却水的流量。蜡式节温器：由上支架、下支架、主阀门、旁通阀、感应体、中心杆、橡胶管和弹簧等组成。节温器的结构1-支架2-主阀门3-推杆4-石蜡5-胶管6-副阀门7-节温器壳体8-弹簧节温器的结构节温器实物图节温器的工作原理小循环大循环(1)当水温低于349K(76℃))时，主阀门完全关闭，旁通阀完全开启，由气缸盖出来的水经旁通管直接进入水泵，故称小循环。由于水只是在水泵和水套之间流动，不经过散热器，且流量小，所以冷却强度弱。节温器的工作原理小循环大循环(2)当冷却水温度在349K~359K(76℃~86℃)之间时，大小循环同时进行。当发动机水温达349K(76℃)左右时，石蜡逐渐变成液态，体积随之增大，迫使橡胶管收缩，从而对中心杆下部锥面产生向上的推力。由于杆的上端固定，故中心杆对橡胶管及感应体产生向下的反推力，克服弹簧张力使主阀门逐渐打开，旁通阀开度逐渐减小。节温器的工作原理(3)当发动机内水温升高到359K(86℃)，主阀门完全开启，旁通阀完全关闭，冷却水全部流经散热器，称为大循环。由于此时冷却水流动路线长，流量大，冷却强度强。小循环大循环3冷却水泵1.冷却水泵的功用与基本工作原理对冷却水加压，使冷却水在冷却系统内循环流动。3冷却水泵1.冷却水泵的功用与基本工作原理由于离心式水泵具有尺寸小，出水量大，结构简单，损坏后不妨碍水在冷却系中自然循环的特点，故为强制循环式冷却系普遍采用。常见的水泵在机体外安装与风扇同轴驱动，也有装在机体内(内藏式)单独驱动的。