汽车发动机水冷却系统的主要部件

一、水泵

1.作用：对冷却水加压，使之在冷却系中循环流动。

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。

2.结构

组成：水泵由壳体、叶轮、泵盖、水泵轴、支承轴承、水封等组成，见图7-2所示。

3.离心式水泵的工作原理

（1）压水：如图7-3所示。当叶轮旋转时，水泵中的水被叶轮2带动一起旋转，由于离心力的作用，水被甩向叶轮边缘，在蜗形壳体内将动能转变为压能，经外壳上与叶轮成切线方向的出水管1被压送到发动机水套内。

（2）吸水：与压水同时，叶轮中心处压力降低，散热器中的水便经进水管3被吸进叶轮中心部分。

图7-2　AJR发动机水泵

图7-3　水泵工作原理示意图

二、散热器

1.散热器的作用

散热器用于增大散热面积，加速水的冷却。冷却水经过散热器后，其温度可降低10—15 ℃，为了将散热器传出的热量尽快带走，在散热器后面装有风扇与散热器配合工作。

2.散热器的要求

散热器必须有足够的散热面积，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。

3.散热器的组成

散热器由上储水室、散热器芯和下储水室等组成，如图7-4所示。散热器上储水室顶部有加水口，冷却水由此注入整个冷却系并用散热器盖盖住。在上储水室和下储水室分别装有进水管和出水管，进水管和出水管分别用橡胶软管和气缸盖的出水管和水泵的进水管相连，这样便于安装，而且当发动机和散热器之间产生少量位移时不会漏水。在散热器下面一般装有减震垫，防止散热器受震动损坏。有的发动机的散热器下储水室的出水管上还有放水开关，必要时可将散热器内的冷却水放掉。

图7-4　散热器的结构

散热器芯由许多冷却管和散热片组成，散热器芯应该有尽可能大的散热面积，采用散热片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（图7-5）和管带式（图7-6）两种。

图7-5　管片式散热器芯

图7-6　管带式散热器芯

管片式散热器芯冷却管的断面大多为扁圆形，它连通上、下水室，是冷却水的通道。和圆形断面的冷却管相比，不但散热面积大，而且万一管内的冷却水结冰膨胀，扁管可以借其横断面变形而避免破裂。采用散热片不但可以增加散热面积，还可增大散热器的刚度和强度。这种散热器芯强度和刚度都好，耐高压，但制造工艺较复杂，成本高。

管带式散热器芯采用冷却管和散热带沿纵向间隔排列的方式，散热带上的小孔是为了破坏空气流在散热带上形成的附面层，使散热能力提高。这种散热器芯散热能力强，制造工艺简单，成本低，但结构刚度不如管片式大。

4.散热器盖

（1）散热器盖的作用

冷却系散热器上的加水口平时用散热器盖严密盖住，以防冷却水溅出。

（2）散热器盖的要求

如果冷却系中水蒸气过多，压力过大，可能导致散热器破裂；因此当发动机热状态正常时，散热器盖应将冷却系水路与大气隔开，防止水蒸气逸出，并使冷却系统内的压力稍高于大气压力，从而提高冷却水的沸点。当冷却系中的水蒸气凝结时，又会使系统内的压力低于外界压力，致使散热芯冷却管被大气压坏。因此冷却系统内的压力过高或过低时，一散热器盖应使冷却系水路与大气相通。

（3）散热器盖的结构

现代轿车发动机的散热器上广泛采用具有空气-蒸汽阀的散热器盖，其结构如图7-7所示。这种散热器盖主要由加水口盖3、蒸汽阀5、空气阀6以及蒸汽阀弹簧4和空气阀弹簧7组成。

图7-7　散热器盖的结构及原理

（4）散热器盖的工作原理

当发动机热状态正常时，蒸汽阀和空气阀各自在弹簧压力的作用下处于关闭状态，这时冷却系水路与大气隔开；当冷却系水温升高，散热器中压力达到一定值（一般为26—37 kPa，在此压力下冷却系内水的沸点可达108 ℃）时，蒸汽阀开启，水蒸气从蒸汽阀经通气口排入大气或副贮水箱，使散热器内的压力下降到规定值。目前轿车散热器盖的蒸汽阀开启压力设计得更高，可达98 kPa，其冷却水的沸点可高到120 ℃。当冷却水温度下降，冷却系内的真空度达10—20 kPa时，空气阀被大气压力推开，空气从通气口进入冷却系，以防止散热器芯被大气压坏。

图7-8　散热器盖与副储水箱的连接

加注防冻液的汽车发动机，为了减少冷却液的损失，保证冷却系的正常工作，散热器的溢流管与副贮水箱相连。当散热器内蒸汽压力升高到某一值时，其盖上的压力阀打开，冷却液通过压力阀经过溢流管进入副贮水箱；当温度下降时，冷却液又从副贮水箱通过真空阀流回到散热器内部。这样可以防止冷却液损失。副贮水箱内部印有两条液面高度标记线，副贮水箱内的液面高度应位于这两条刻线之间，如图7-8所示。

三、冷却强度调节装置

1.冷却强度调节目的

强制式水冷却系统的冷却强度，一般受汽车的行驶速度，曲轴、水泵和风扇的转速及外界气温的影响。当使用条件变化时，如外界气温高，发动机在低速大负荷情况下工作，要求冷却强度要强，否则发动机易于过热。而当外界气温低，发动机负荷又不大时，其冷却强度应弱些，不然就会使发动机过冷。因此，要保证发动机在最佳的温度下工作，不出现过热过冷现象，就必须能根据使用条件的变化自动调节发动机冷却强度。

2.冷却强度的调整方法：

（1）改变流经散热器的空气流量和流速；

（2）改变冷却液的流量和循环路线。

3.冷却强度调节装置组成

冷却强度调节装置主要包括节温器、冷却风扇和百叶窗等。

（1）节温器

① 作用

随发动机水温自动改变冷却液的流量和循环路线，保证发动机在适宜的温度下工作，减少燃料消耗和机件的磨损。

② 蜡式节温器的结构

蜡式节温器由上支架、下支架、主阀门、副阀门、感应体、中心杆、橡胶管和弹簧等组成蜡式节温器如图7-9所示。节温器的上支架和下支架与阀座铆成一体。中心杆上端固定在上支架的中心，其下部插入橡胶管的中心孔内，中心杆下端呈锥形。橡胶管与感应体外壳之间的空腔里装有石蜡。为了提高导热性，石蜡中常掺有铜粉和铝粉。感应体外壳上下部有联动的主阀门和旁通阀门。主阀门上有通气孔，它的作用是在加水时使水套内的空气经小孔排出，保证能加满水。为了防止通气孔阻塞，有的加装一个摆锤。

③ 蜡式节温器的工作原理

a.当水温低于349 K（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。(www.xing528.com)

图7-9　蜡式节温器

b.当冷却水温度在349 K—359 K（76 ℃—86 ℃）之间时，大小循环同时进行（如图7-10、7-11所示）。当发动机水温达349 K（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。

c.当发动机内水温升高到359 K（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。

图7-10　冷却水大循环

图7-11　冷却水小循环

（2）风扇

① 风扇的作用

风扇通常安装在散热器和发动机之间，其作用是利用风扇旋转时对空气产生吸力，并使之沿轴向流动，空气流由前向后穿过散热器芯并吹向发动机表面，使流经散热器芯的冷却水加速冷却，吸收并带走发动机表面的热量，加强冷却系对发动机的冷却作用。

② 风扇的要求

风扇的外径略小于散热器的宽度。风扇的扇风量、噪声及其所消耗的功率与风扇的直径、转速及叶片的数目、形状、安装角度等有关。轿车发动机基本上都是采用轴流式冷却风扇，其叶片断面多为弧形，叶片数目通常为4—6片，为减少叶片旋转时产生的噪声，叶片间的夹角一般不相等。叶片与风扇旋转平面的安装倾角一般为30°—45°。

③ 风扇的类型

车用发动机风扇的型式很多。按驱动的动力发动机风扇可分为机械风扇和电动风扇，机械风扇装在水泵轴上，直接或间接地由水泵轴驱动，如图7-12所示，这种风扇不需另外的驱动装置。电动风扇用蓄电池作电源，由直流低压电动机驱动，采用传感器和电路系统来控制风扇的运转，如图7-13所示。目前有些高级轿车上采用了双电动风扇冷却系统。采用双电动风扇冷却，风扇噪声小，功率低，冷却效果好，但结构复杂，成本高。

图7-12　机械风扇示意图

图7-13　电动风扇

按制造材料发动机风扇又可分为金属叶片风扇和工业塑料风扇。传统风扇叶片一般用钢板冲压制成。现代发动机风扇通常采用塑料风扇，塑料风扇一般用合成树脂材料制成，以减少噪声。

（4）风扇控制装置

① 风扇控制装置的作用

风扇控制装置用以控制风扇的运转与转速，改变流经散热器芯部的空气流量，从而调节冷却系的冷却强度，保证发动机经常在最有利的温度范围内工作，提高发动机的使用寿命。

试验表明，无控制装置的普通机械风扇所消耗的功率占发动机总功率的5%-10%。而汽车行驶中需要风扇工作的时间不到10%。所以，采用风扇控制装置控制风扇的运转与转速，不仅可以调节冷却系的冷却强度，还可以减少风扇的功率消耗，降低发动机噪声。

② 机械风扇控制装置

机械风扇控制装置的形式很多，目前采用的主要有硅油风扇离合器和电磁风扇离合器两种风扇控制装置。

a.硅油风扇离合器

硅油风扇离合器是一种以硅油为介质，利用通过散热器芯、吹向风扇的气流的温度高低改变风扇转速的风扇控制装置。

b.电磁风扇离合器

电磁风扇离合器是一种根据冷却水温度，通过水温感应开关和电路控制风扇运转的装置。

图7-14为电磁风扇离合器的一种结构形式。该电磁风扇离合器由主动和被动两部分组成，主动部分由带V带槽的电磁壳体3、线圈2、滑环1和摩擦片4组成。线圈2用环氧树脂固定在电磁壳体3内，摩擦片4和滑环1分别固定在电磁壳体上，电磁壳体用螺母固定在水泵轴上。从动部分包括风扇毅7、风扇10、导销6和衔铁12等零件。风扇10用螺栓固定在风扇毂7上，风扇毅通过球面轴承装配在电磁壳体上。衔铁通过导销6、弹簧5以及开口销等装配在风扇毂上，并可随导销做轴向移动。引线壳体巧装在防护罩上，其中心孔内的炭刷16在弹簧14的作用下与滑环保持常接触状态，从水温感应开关引来的导线接在接线柱13上。

图7-14　电磁风扇离合器示意图

发动机工作时，电磁壳体由V带带动运转，当冷却水温度低于某一规定值（一般为92 ℃）时，水温感应开关电路断开，线圈不通，衔铁在弹簧的作用下由导销拉向左方，离合器处于分离状态。当发动机水温超过某一规定值（一般为92 ℃）时，水温开关电路自动接通，线圈通电，电磁壳体吸住衔铁将摩擦片压紧，离合器处于接合状态，风扇毅随电磁壳体一起转动。

③ 电动风扇控制装置

电动风扇的控制装置一般由继电器和水温感应器等元件组成，控制风扇的工作。当冷却水温度达到某一规定值（一般为92 ℃）时，感应器接通继电器控制电路，将电动风扇电源接通，风扇转动；当冷却水温降到某一规定值（一般为87 ℃）时，感应器切断继电器控制电路，将风扇电源断开，风扇停止运转。

四、冷却水和防冻液

1.冷却水

直接用水做冷却液。要求添加雨水、雪水或离子交换水，不宜添加河水、井水等含矿物质的水，以免产生水垢，影响冷却系散热效果。更应注意的是水在严寒冬季会结冰，需放水过夜，否则会胀坏机体、汽缸盖。

2.防冻液

（1）作用：冬季，可在冷却水中加入适量防冻液可以降低冰点。

（2）配成防冻液的材料：乙二醇或酒精。

（3）使用乙二醇配制的注意点：

① 切勿用口吸；

② 乙二醇对橡胶有腐蚀作用；

③ 乙二醇吸水性强，表面张力小；

④ 切勿混入石油产品。

3.冷却液的选择

冷却液最好选用软水，即含盐分少的水，如雨水、雪水、自来水等，否则在水套中易产生水垢，使气缸体、气缸盖传热效果变差，发动机容易过热。如果只有硬水，则需要经过软化后，方可注入冷却系中使用。硬水软化的常用方法是：在1 L水中加入0.5—1.5 g碳酸钠或0.5—0.8 g氢氧化钠。

4.防冻液

冬季气温下降到冰点以下，会发生汽车发动机因冷却系内冷却水冻结、体积膨胀而使缸体或缸盖胀裂的现象。为了防止发动机冻裂，必须采取防冻措施。较理想的方法是向冷却系加注防冻液，以降低水的冰点。

常用的防冻液一般采用在冷却水中加入适量的可降低水的冰点、提高沸点的乙二醇或酒精配制而成，随着加入冷却水的乙二醇或酒精比例的增加，冷却水的冰点随之降低。当加入的乙二醇的比例为54.7%时，冷却水的冰点可达－40 ℃，同时由于乙二醇本身沸点较高，所以还可以提高冷却水的沸点。用酒精配制成的防冻液，配制方法简单、价格便宜，但沸点低、易挥发、冰点易升高。

在一般情况下酒精含量以不超过4%为宜。采用乙二醇配制的防冻液使用时蒸发损失的是水，因此在使用时应及时补充水，以调节其浓度。乙二醇有毒，在配制或使用时防止吸入体内。

同时乙二醇还容易氧化生成酸性物质，腐蚀金属，所以一般在配制时每升防冻液中加入2.5—3.5 g磷酸氢二钠，以防冷却系统腐蚀。乙二醇吸水性强，易渗漏，要求系统密封性好。