第七章冷却系
第一节概述
一、冷却系的作用：保持发动机在最适宜的温度范围内工作。
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℃)，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，若不及时冷却，则难以保证发动机正常工作。
二、发动机过热或过冷的危害
发动机冷却必须适度，过热或过冷都会给发动机带来危害。
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.发动机过冷的危害
1)进入气缸的混合气(或空气)温度太低，可燃混合气品质差，使点火困难或燃烧迟缓，导致发动机功率下降，燃料消耗量增加。
2)燃烧生成物中的水蒸汽易凝结成水而与酸性气体形成酸类，加重了对机体和零件的侵蚀作用；
3)未汽化的燃料冲刷和稀释零件表面(气缸壁、活塞、活塞环等)上的油膜，使零件磨损加剧。
可见，发动机正常的工作温度是保证发动机良好的工作性能及其使用寿命的一个重要条件。
三、发动机的冷却方式
根据所用冷却介质不同，可分为风冷式和水冷式。
1.水冷式——以水为冷却介质，热量先由机件传给水，靠水的流动把热量带走而后散入大气中。散热后的水再重新流回到受热机件处。适当调节水路和冷却强度，就能保持发动机的正常工作温度。同时，还可用热水预热发动机，便于冬季起动。
2.风冷式——高温零件的热量直接散入大气。
四、发动机的正常温度
水冷式发动机保持正常工作，其冷却水的温度应在353K~363K(80℃~90℃)之间。此时，气缸壁温度不超过473K~573K(200℃~300℃)；气缸盖、活塞顶部的温度不超过
573K~673K(300℃~400℃)；润滑油的温度在343K~363K(70℃~90℃)，保证发动机具有较好的动力性、经济性和净化性，使零件的运动和磨损正常。
风冷发动机铝气缸壁的温度允许为423K~453K(150℃~180℃)，铝气缸盖则为
433K~473K(160℃~200℃)。
五、冷却系的组成
目前汽车发动机上采用强制循环式水冷却系，如图所示。
发动机预热
2.工作情况：强制循环式水冷却系是用水泵把该系统的冷却液体加压，使之在水套中流动，冷却水从气缸壁吸收热量，温度升高，热水向上流入气缸盖，继而从缸盖流出并进入散热器。由于风扇的强力抽吸，空气从前向后高速流过散热器，不断地将流经散热器的水的热量带走。冷却了的水由水泵从散热器底部重新泵入水套。水在冷却系中不断循环。为了控制冷却水温度，冷却系中设有冷却强度调节装置，如百叶窗、节温器和风扇离合器等。
图7-1 强制循环式水冷却系示意图
1-百叶窗；2-散热器；3-散热器盖；4-风扇；7-小循环水管；6-水泵；7-节温器； 8-出水管；9-水套；10-水温表和传感器；
11-水套放水开关；12-散热器放水开关
3.水冷却系的大、小循环
(1)水冷却系的大循环：冷却水经水泵—水套—节温器—散热器，又经水泵压入水套的循环，其水流路线长，散热强度大，称水冷却系的大循环。
(2)水冷却系的小循环：冷却水经水泵—水套—节温器后不经散热器，而直接由水泵压入水套的循环，其水流路线短，散热强度小，称水冷却系的小循环。
第二节水冷却系主要机件的构
造与工作原理
一、冷却装置
(一)散热器
1.作用：将水套出来的热水自上
而下或横向的分成许多小股并将其
热量散给周围的空气。
2.结构：
散热器由上水室、下水室、散热
器芯等组成。如图所示。
图7-2 横流式散热器
1-上水室；2-进水管；3-散热器芯；4-散热器盖；7-下水室；6-出水管
散热器上水室(左)装有散热器的入水管，通过橡胶管与气缸盖出水管连接；上水室上部有加
水管，加水管口一般装泄汽管。当冷却水沸腾时，水
蒸汽可以从此管排出。加装防冻液的冷却系，此管接
膨胀水箱。下(右)水室有出水管，用软管与水泵进水
口连接，两水室之间焊接散热器芯管。
芯管的结构型式很多，常用的为管片式，其芯管
多为扁圆形直管(防冻裂性好)，周围制有散热片。芯
管可竖置或横置。
散热器盖安装在加水口上。对于闭式冷却系来说，
系统与外界大气不直接相通，所以散热器盖上带有蒸
汽-空气阀，如图所示。使冷却系的压力高于大气压力，
冷却水的沸点有所提高。
图7-3 管片式散热器芯
图7-4 具有空气-蒸汽阀的散热器盖
a)空气阀开启；b)蒸汽阀开启 1-泄气管；2-蒸汽阀；3-空气阀；4-散热器盖
3.蒸汽-空气阀的工作情况
蒸汽阀2一般在散热器内压力达到126kPa~137kPa时，阀门开启，部分水蒸汽经泄气管排入大气，避免损坏散热器。
空气阀3在散热器内气压降到99kPa~87kPa时，空气阀打开，散热器与大气相通，防止散热器芯管被大气压坏。散热器材料多采用耐腐蚀，导热性好的铜或铝片制成。
(二)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.离心式水泵的工作原理
(1)压水：如图所示。当叶轮旋转时，水泵中的水被叶轮带动一起旋转，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7-5 离心式水泵示意图
1-水泵壳体；2-叶轮；3-进水管；4-出水管
3.结构
(1)组成：水泵由壳体、叶轮、泵盖板、水泵轴、支承轴承、水封等组成。如图所示。
(2)水泵与风扇同轴，通过三角皮带传动。
(3)泵盖上有出水孔。泵壳上有进水孔A，用橡胶管与散热器出水管相连。泵壳上面有旁通孔A，与气缸盖上的出水管相连，当冷却水温度低于349K(76℃)时，部分冷却水由此直接进入水泵。
(4)叶轮工作室的进水室B与进水孔、旁通孔相通；出水室由出水孔与水套相连。
(5)水泵轴通过两个轴承支承在壳体上，轴承间有隔套定位
(6)水泵轴上装有抛水圈，以防水封渗漏时浸湿轴承，渗出的水被抛水圈从检视孔甩出，可避免破坏轴承润滑。
(7)水封装在叶轮的前面，水封通常由密封垫圈、水封皮碗和弹簧等组成。
图7-6 离心式水泵结构
1-水泵外壳；2-叶轮；3-夹布胶木密封垫圈；4-密封垫圈；7-螺钉；6-水封皮碗；7-弹簧；8-垫圈；9-泵盖板；10-水封座圈；
11-球轴承；12-水泵轴；13-半圆键；14-凸缘盘； 17-轴承卡环；16-隔离套筒；17-滑脂嘴；18-水封环；19-管接头
(8)水泵叶轮常用铸铁或塑料制成。采用向后弯曲的半圆弧、双圆弧或多圆弧形叶片的叶轮，其叶型与水流方向一致，效率较高。
(三)风扇
1.作用：提高流经散热器的空气流速和流量，以增强散热器的散热能力并冷却发动机附件。
2.安装位置：风扇多为轴流式，装在发动机与散热器之间，与水泵同轴驱动。
3.风扇扇风量的相关因素：风扇的扇风量主要与风扇的直径、转速、叶片形状、叶片安装角及叶片数目有关。
4.结构型式：
风扇的结构型式如图所示。
(1)目前汽车水冷发动机上常用螺旋桨式风扇。
(2)风扇叶片材料有钢板、塑料和铝合金。为了减轻振动噪声，叶片间夹角不等。
(3)叶片数：4～6片。
(4)叶片与叶轮旋转平面之间有一偏扭角，偏扭角可为定值，也可制成变偏扭角。因风扇旋转时叶和叶尖的气流速度外大内小，为了提高风扇的效率，叶片从叶根到叶尖偏扭角逐渐减小。
图7-8 风扇型式
a)叶尖前弯的风扇；b)尖窄根宽的风扇；c)尼龙压铸整体风扇 1-叶片；2-连接板
5.风扇的安装与风扇皮带的调整装置
(1)安装风扇用螺钉安装在水泵轴前端的皮带轮或凸缘盘上。风扇常和发电机一起由曲轴通过三角皮带带动(图7-9)。
(2)调整目的：若皮带过松，皮带将在皮带轮上打滑，风扇和水泵等的转速下降，扇风量和泵水量减小，使发动机过热；皮带过紧，将增加轴承和皮带的磨损。
(3)措施：常将发电机支架做成可移动式的，以便调节皮带的紧度。
6. 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水温开关控制，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。
图7-9 风扇的驱动和皮带张紧力的调整1-风扇及皮带轮；2-曲轴皮带轮；3-发电机；4-移动支架
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