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发动机冷却系统的构成与原理
作者: 本站 来源: 本站 时间:2014年07月31日 字体:[] 留言

冷却系统的构成

冷却系统由冷却液、散热器、储水箱、冷却风扇、冷却风扇电子控制装置、冷却水泵、节温器、水温传感器、水套、管路、百叶窗等部件以及其他附属装置构成。见图1

各部件的用途与工作原理

1)  冷却液

常用的冷却液有水、添加了可提高沸点并降低冰点成分的防冻液等两种。

水的成本低,易于获取。但沸点低、易蒸发,需要经常添加。一些货车经常在夏天采用水作为冷却液。未经处理的河水、井水含有较多矿物质,在高温下产生水垢,以致堵塞水道,影响循环速度,甚至阻碍某些部件的正常工作,所以不宜采用,而应采用经过处理的软水(已滤除杂质、矿物质的水)。另外,在寒冷地区的冬季,水会结冰,可能胀裂机体、气缸盖,引起发动机损毁事故。

常用的防冻液添加了乙二醇,例如,某种车型的防冻液构成为:乙二醇的质量占45.6%,水的质量占54.4%,其冰点在-25℃以下,沸点在106℃以上。不同发动机配用的防冻液的冰点和沸点有所不同。有的防冻液还添加了防锈剂、泡沫抑制剂,有利于减轻冷却系统中的金属锈蚀和冷却液的泡沫产生。

显然,采用防冻液更有利于保护发动机,并提高燃油效率。

注:由于早期汽车的冷却液是水,因此,冷却液习惯成为冷却水,冷却液的温度称为水温,用于给冷却液散热的散热器称为水箱。

2)  散热器

散热器,又称为水箱,由上水室、散热器芯和下水室组成。见图2

散热器用来增大散热面积,加速冷却液的冷却。冷却液经过散热器后,温度可降低10℃~15℃。

    一些车型的散热器上装有散热器盖,其作用是密封冷却系统并调节冷却系统压力。散热器盖设有自动阀门(包括蒸汽阀和真空阀),水温正常时,阀门关闭,将冷却液与大气隔开,防止冷却液蒸发;当水温升高,蒸汽压力升到某一上限值时,蒸汽阀打开,让蒸汽逸出,防止散热器胀裂;当水温降低,导致散热器内部压力下降至某一下限值时,真空阀打开,让外部空气进入散热器,防止散热器内产生真空而引起变形。


3)  储水箱

储水箱又称补偿水箱、膨胀水箱,用于对散热器的冷却液进行自动补偿和水汽分离,其样式见图3。储水箱用透明塑料制成,安装位置稍高于散热器顶面。储水箱上部通过水套出气管和散热器出气管,分别于缸盖水套和散热器上水室相通;储水箱下部通过补偿水管与旁通管相通。发动机工作时,在散热器及发动机的水套内产生的蒸汽通过出气管进入储水箱内冷凝成液体,起到水汽分离的作用,当水温降低时,散热器内产生真空,储水箱中的冷却液通过补偿水管被吸入散热器或缸体水套中,对散热器的冷夜起自动补偿作用。储水箱不能加满,其上部必须留有一定的空间,以便给冷却液膨胀及蒸汽冷凝提供容积。

4)  冷却风扇

冷却风扇分传动带驱动式风扇和电动风扇两种,传动带驱动式风扇由发动机提供动力,经皮带拖动,其转速与发动机转速成正比,故转速变化范围大,但散热能力较大,主要用于中型以上汽车,其结构参见图4;电动风扇由电能(蓄电池与发电机)驱动,转速相对恒定,便于控制,但散热能力较小,主要用于小型车,包括轿车和微型车,样式参见图2

对于传动带驱动式风扇而言,如果不采取措施控制转速,其散热能力常常不能与发动机冷却需求相匹配,例如,发动机低转速、大负荷运行时,需要散发的热量很大,而此时水泵和风扇的转速却不高;相反,发动机在高转速、中等负荷运行时,需要散发的热量较低,而此时水泵和风扇的转速却很高。为此,需要在传动带驱动式风扇中配置风扇离合器。常见的离合器有硅油风扇离合器、电磁式离合器。硅油风扇离合器通过感温器等零件改变工作腔的硅油量,由于硅油黏度很高,可以作为传递动力的介质,高温时硅油从储油腔进入工作腔,离合器闭合,风扇被带动,进入工作腔的硅油越多,风扇的转速越高;低温时硅油从工作腔进入储油腔,离合器分离,风扇维持静止。电磁离合器通过控制电磁线圈的电流通断,来控制离合器的闭合与分离的,冷却液温度达到节温器开启温度后,控制电磁离合器电磁线圈的开关导通,电磁线圈通电,产生磁力,离合器闭合,风扇运转;当温度降到节温器关闭的温度时,控制电磁离合器电磁线圈的开关断开,电磁线圈断电,磁力消失,离合器分离,风扇停转。

电动风扇有低速、高速和双速等三个品种。通常,轿车装有一个低速风扇、一个高速风扇;而微型车则安装一个双速风扇,通过改变正极引线,来改变风扇转速。

5)  冷却风扇电子控制装置

冷却风扇控制装置是用于电动风扇控制的电子装置,由水温传感器、发动机电子控制单元(ECU)、继电器及相关线路构成,其中水温传感器安装在气缸盖水套中,用来采集发动机水温信号,ECU根据水温信号、空调工作状态等参数,给继电器发出控制信号,继电器根据ECU的控制信号,接通或断开风扇电源,或者控制双速风扇的低速挡、高速挡运转。

近年来,一些车型为了提高燃油效率,采用半导体功率器件代替继电器,对电动风扇进行控制,这种控制方式的控制精度较高,因而水温的波动范围较小。

6)  冷却水泵

水泵用于给冷却液加压,以加速冷却液的循环,提高散热能力。水泵安装在发动机前端。发动机水泵一般为离心式,其原理图见图5,这种水泵的结构简单、尺寸小、排水量大;水泵因故停止工作时,冷却液仍然可以从叶轮之间流过,进行自然循环,不至于使水温上升过快。

7)  节温器

节温器用来控制流过散热器的冷却液流量。节温器一般安装在气缸盖的出水口处。其结构见图6

发动机水温达到某一设定值后,节温器主阀开始开启,但这时并未达到完全开启的程度,当温度继续上升,达到另一温度后,主阀完全打开,副阀完全关闭。不同车型的节温器主阀开启温度不同,通常货车节温器主阀的开启温度要低一些,而轿车的节温器主阀的开启温度要高一些。例如解放CA6102发动机节温器主阀开始开启温度为76℃,完全开启温度为86℃;桑塔纳JV型发动机节温器主阀开始开启温度为85℃,完全开启温度为105℃。节温器的开启状态参见图7。图7a)为主阀关闭、副阀打开的情形;图7b)为主阀打开、副阀关闭的情形。

水温在节温器主阀开启温度以下时,冷却液不能进入散热器,从发动机气缸盖出水口流出的冷却液被水泵重新压入发动机水套中,避免了热量损失,以确保润滑油的流动性和燃油的雾化性符合发动机正常工作的要求。这种冷却液的循环路线称为小循环,见图8a)。小循环出现在发动机起动初期以及气温较低的工作环境下。

水温上升至节温器主阀开启温度后,节温器主阀开始开启,温度再上升时,主阀完全打开,而副阀则彻底关闭,来自气缸盖出水口的高温冷却液经节温器主阀,进入散热器进行冷却,之后再由水泵压入发动机的水套中,以确保发动机机体处于安全适宜的温度。这种冷却液的循环路线称为大循环,见图 8b)。大循环出现在发动机起动一段时间后。

当发动机水温处于小循环与大循环的温度范围之间时,主阀和副阀都部分开启,冷却液的小循环与大循环同时进行。

8)  发动机水套

水套是气缸体和气缸盖中用于冷却液流动以带走热量的空间。水套的结构见图9

9)  连接管路

连接管路采用耐高温的橡胶制成,用于连接水套、节温器、散热器、水泵、储水箱等部件。

10)  百叶窗

有的车型(主要是大型车)冷却系统还包括百叶窗,用于减少流经散热器的空气量,缓解冷却液的温度下降速度。百叶窗装在散热器前面,一般利用手动操纵装置调整开度,也有采用自动调节装置的。由于减少百叶窗开度会增大空气的阻力,不利于散热器散热,因此严冬时才调小其开度,夏季则需维持其最大开度。

 

申明:本文仅供对发动机冷却系统感兴趣的浏览者参考,如有谬误,恳请批评。

 

郴州市金通电器有限公司技术部  2014-7-31

 

本文由本公司技术部编写,主要内容(包括文字和图片),摘录自以下文献:

1)《汽车发动机构造及原理》,尉庆国、苏铁熊、董小瑞主编,国防工业出版社 ,20126月第1版。

2)《车用内燃机》,孙业保主编,北京理工大学出版社,199710月第1版。

3)《汽车发动机机械系统检修》,杨连福、刘毅主编,人民邮电出版社,20141月第1版。

4)《柴油发动机构造与原理》,黄玮编,科学出版社,200910月第1版。







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