汽车运用技术毕业设计汽车发动机冷却系统分析

1、汽车发动机冷却系统分析汽车发动机冷却系统分析 【摘要摘要】 汽车在现代社会生活中起着不可缺少的作用，越来越多的汽车进入了普通 家庭，每个人的汽车梦不再是梦。要使汽车能更好的为我们服务，就得从技术、 质量等方面来改变汽车的质量,从而把汽车全面打造成人类必不可少生活工具。 作为汽车专业的学生，对汽车的基本结构和工作原理要有所认识和了解，尤其 是汽车发动机,在现代汽车发动机中,冷却系统起着给发动机进行冷却的作用,从 而保证发动机的正常运行,不仅如此,有些先进的汽车发动机上的冷却系统是要 求冷却的作用要达到精确冷却、智能化冷却等作用及功能。这些都是冷却系统 比较新鲜的技术，更应该对其深入了解，才能掌握

2、对汽车简单故障的诊断和排 除方法。本文从介绍发动机冷却系的研究目的和意义、作用和结构组成、到对 冷却系统的故障再到冷却系统新技术的展望等进行分析介绍，并进行具体讲解， 使汽车人员对汽车发动机冷却系有更深的了解，从而能对汽车发动机冷却系合 理地使用、出现故障时能够得心应手的进行诊断和排除。 关键词： 汽车发动机 冷却系统分析 诊断和排除 Abstract:Abstract: Car in modern society life plays an indispensable role, more and more vehicles into the ordinary families, each

3、persons car is no longer a dream dreams. To make the car to better serve us, from technology, quality and so on to change the quality of the car, so as to give the car to fight a comprehensive human essential tool life. As a motor major, for car the basic structure and working principle of to know a

4、nd understand, especially the car engine, in the modern automobile engine, cooling system plays to engine for cooling, so as to ensure the normal operation of the engine, not only that, some advanced automobile engine cooling system is to require the cooling to achieve precise cooling, cooling effec

5、t such as intelligent and function. These are cooling system is fresh technology, and more thorough understanding of its should, to master car simple of fault diagnosis and elimination method. This paper introduces the engine cooling of the department of research purpose and meaning, function and st

6、ructure, to the cooling system fault to cooling system of the new technology outlook analysis is introduced, and explained, to make the car personnel of automobile engine cooling is a deeper understanding of, and that can of automobile engine cooling is reasonable to use, failure can handy for diagn

7、osis and ruled out. KeyKey words:words: Automobile engine; Cooling system analysis; Diagnosis and exclusion 目目 录录 【摘要摘要】.1 1 1.1.研究背景研究背景.1 1 2.2.课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义.2 2 2.1 控制好发动机冷却液温度有利于改善发动机的动力性和燃油经济性 .2 2.2 控制好发动机冷却液温度有利于改善发动机的冷启动性能 .2 2.3 控制好冷却液温度能够提高发动机使用寿命减低排气污染 .2 3.3.本论文的国内外研究现状本论文的国内外研究现状

8、.4 4 4.4.汽车发动机冷却系统的功用、组成与分类汽车发动机冷却系统的功用、组成与分类.5 5 4.1 冷却系统的功用 .5 4.2 冷却系统的分类.5 4.3 冷却系统的组成 .5 5.5.上海通用汽车冷却系统常见故障上海通用汽车冷却系统常见故障.1414 5.1 熔断丝和线束引起的故障 .14 5.2 线束插反引起的故障 .14 6.6.冷却系统的新技术的概述冷却系统的新技术的概述.1616 6.1 影响发动机冷却系统的因素以及目前存在的问题 .16 6.2 现代发动机冷却系统研究现状及发展方向 .16 6.2.1 冷却系统的智能化和可控化 .16 6.2.2 发动机冷却介质流动的合理

9、组织.17 6.2.3 水腔内冷却水流动的组织.17 6.2.4 冷却液流动的研究 .18 6.2.5 空气侧冷却空气流动的组织 .19 6.2.6 发动机热管理技术研究 .19 6.3 新技术总结 .21 7.7.汽车发动机冷却系统智能控制汽车发动机冷却系统智能控制.2222 7.1 冷却系统的智能控制.22 7.2 单片机智能控制系统电路.22 7.3 智能控制总结.24 7.4 现有汽车发动机冷却系统存在以下不足 .24 7.5 课题成果主要有.24 结结 束束 语语.2525 谢谢 辞辞.2626 参考文献参考文献.2727 1.1.研究背景研究背景 当今社会人们对汽车的依赖性越来越强

10、，汽车已是最重要的现代化交通工 具。汽车工业的发展，促进了其他各行业的发展，带来了社会经济和繁荣，当 今世界各个发达国家几乎无一例外的把汽车工业作为国明经济的支柱产业。但 是随着汽车的发展，汽车也给社会带来一些不一解决的难题；交通安全问题、 能源危机和环境污染。全世界6亿多辆汽车，每年需要10多亿吨燃油，超过了世 界石油年产量的1/3，这些燃油燃烧后约产生0.6亿吨有害气体，严重污染环境。 为了节能减排，必须不断改进现代的汽车以提高性能。 由于人们生活水平的提高，汽车已逐渐进入家庭，人们对汽车的要求越来 越高，他们不仅要求这些新车有时尚的外形、良好的舒适性、良好的动力性、 经济性和可靠性，同时

11、也要求具有良好的清洁性。因吃着给汽车生产企业带来 了前所未有的竞争，汽车生产企业在竞争中要处于不败之地，汽车研究、设计、 制造者和商家们必须不断应用高新技术、改善汽车性能，并推出各式各样的新 型车。 骑车经过一百多年的发展，现已是集机械、电子一体化的高科技产品。但 是，现在的汽车仍存在很多不完善的地方，其各总成和部件还存在结构不合理 的地方，其个系统设计和控制还存在不完善、不理想之处。汽车发动机冷却系 统就是其中之一。 本论文就是对现有发动机冷却系统控制存在不够完善之处而进行改进，用 现代的智能控制技术解决发动机冷却系统中存在的具体问题，以达到控制效果 良好，提高汽车动力性和经济性，减少汽车的

12、排量，从而实现节约能源和保护 环境的目的，同时提高汽车的使用寿命。 2.2.课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 本论文设计的任务是根据发动机各工作状态的要求，控制好发动机的冷却 液温度，是汽车处于最佳工作状态，以提高发动机功率，改善燃油经济性，降 低排放污染。阴齿具有非常重要的应用价值和意义。 2.12.1 控制好冷发动机却液温度有利于改善发动机的动力性和燃控制好冷发动机却液温度有利于改善发动机的动力性和燃 油经济性油经济性 发动机的工作温度是否正常，直接影响混合气的形成的质量及润滑效果， 因此，对燃油消耗也有很大的影响。一般发动机的正常工作温度在8095， 如果冷却液温度过低，则影响燃

13、油蒸发，有大量燃油位于空气充分混合而燃烧， 存在燃烧不完全，浪费燃油，使燃油经济性降低。如果发动机冷却水过度冷却， 均会使发动机散热损失真增加，零件磨损加剧，排放恶化，发动机工作粗暴， 使发动机功率下降及燃油消耗率增加。 当发动机冷却液温度偏高，发动机将过热，工作过程恶化，机油变质，零 件磨损加剧，最总导致发动机动力性、经济性、可靠性及耐久性全面下降。发 动机水温升高则容易产生早燃和爆燃，而且充气效率下降、动力下降。实验证 明：发动机在冷却液沸腾状态下行驶，会使燃油消耗猛增，发动机磨损加剧。 所以我们要使发动机动力性和燃油经济性得以改善，应该设计好发动机冷 却系统的控制系统，这是非常有必要和有

14、意义的举动。 2.22.2 控制好发动机冷却液温度有利于改善发动机的冷启动性能控制好发动机冷却液温度有利于改善发动机的冷启动性能 发动机在低温启动时，曲轴转动阻力大。由于温度的降低，发动机润滑油 的年度增大，从而增加了曲轴的选旋转阻力，使发动机启动转速下降，不易启 动。 随着发动机温度降低，汽油的黏度和比重都增大，这样汽油的流动性变差 雾化不良，不易形成规定浓度的混合气体，因此发动机不好启动。 在发动机启动时，采取措施适当提高启动温度，则发动机曲轴转动阻力将 减小，理想混合气容易形成，发动机启动容易，并且缩短暖机时间，节省燃油， 减少排放污染。 2.32.3 控制好冷却液温度能够提高发动机使用

15、寿命减低排气污染控制好冷却液温度能够提高发动机使用寿命减低排气污染 发动机在低温条件下使用时，各主要总成磨损都比较大，研究表明：在发 动机使用周期内，百分之五十的汽缸磨损发生在启动过程，而冬季占启动磨损 的百分之六十到百分之七十。 发动机磨损不仅仅在启动过程中严重，而且在启动后未达到正常温度之前， 磨损强度一直很大。 低温启动时，润滑油年度大，流动性能差，机油泵不能即时将润滑油压入 到各润滑表面，使气缸壁和轴承等磨擦表面润滑条件变差。 冷启动时，燃油汽化不良，大部分油分子以液态进入气缸，冲刷了气缸表 面的油膜，稀释了润滑油，使其润滑作用减退。 由于温度低，燃烧过程中的水蒸气凝结在汽缸壁上，并与

16、硫的氧化物生成 酸，引起腐蚀磨损。低温时，由于轴瓦的合金、瓦背与轴颈的膨胀系数不同， 使配合间隙变小，而且还不均匀，是之磨损增大。此外，机油泵不能及时的将 润滑油压入曲轴轴颈工作表面，是润滑条件恶化，加剧轴颈的磨损。 因此，如在发动机冷却启动前，采用计算机控制技术将冷却液加热到适当 的温度，那么将改善发动机的冷启动性能，改善燃油的经济性，提高发动机的 使用寿命。 3.3.本论文的国内外研究现状本论文的国内外研究现状 纵观国内外汽车发动机冷却系统的发展，目前发动机冷却系统主要采用传 统的机械控制。在最新款的轿车上，其冷却系统有所改进，性能有所提高，但 其改进也主要限于结构部件的改进，主要表现在以

17、下几个方面： （1）改进了节温器的性能，以改善流过散热器的冷却液量，达到控制冷却 液温度。 （2）在散热器前面采用保温帘（百叶窗），保温帘由水温开关或机械转至 直接控制，以调节外界流过散热器的风量。 （3）改善了风扇的性能，提高风扇风量。 （4）改善了双金片式的温度开关的性能，以提高风扇运转与否或高低速运 转的准确性，但仍采用两个档位的风扇。 （5）改变散热器的尺寸以使冷却系统的冷却强度与发动机匹配。 （6）采用高压散热器盖，使冷却液沸点提高，加大散热器内冷却液和空气 的温差，以增加统一尺寸散热器的散热量。 （7）使冷却液沸腾，以同温度下的液态向气态转换而吸收的形式进行冷却， 整个系统用计算机

18、控制。 （8）国内外已进行汽车发动机冷却系统先进控制研究，但还没有实用。从 发展看，冷却系统的零部件结构得到了不断改进，发动机冷却效果得到了改善。 但是从整个系统来看，控制装置的控制效果很不准确，相互协调差，股发动机 为在最佳工作温度下工作；且当发动机冷却液温度变化时，控制装置的执行动 作很慢，未能根据发动机的工况所需的最适宜温度要求进行控制；当外界温度 比较低时，发动机不易启动，且启动后暖机时间很长，诸如此类情况已不适应 现代汽车技术的发展。 因此对发动机冷却系统采用理想的控制方法进行控制，以提高发动机功率， 减少燃油浪费、降低排放污染势在必行。 4.4.汽车发动机冷却系统的功用、组成与分类

19、汽车发动机冷却系统的功用、组成与分类 冷却系的主要功用是把受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动 机在最适宜的温度状态下工作。冷却系按照冷却介质不同可以分为风冷和水冷， 如果把发动机中高温零件的热量直接散入大气而进行冷却的装置称为风冷系。 而把这些热量先传给冷却水，然后再散入大气而进行冷却的装置称为水冷系。 由于水冷系冷却均匀，效果好，而且发动机运转噪音小，目前汽车发动机上广 泛采用的是水冷系。 4.14.1 冷却系统的功用冷却系统的功用 冷却系统的功用是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。冷 却系统既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷。在发动机冷起动之后， 冷却系统还要

20、保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。 4.24.2 冷却系统的分类冷却系统的分类 汽车发动机常见的冷却方式有两种，即水冷和风冷。 水冷式以冷却为介质，热量由机件传给冷却液，靠冷却液的流动把热量带 走，再散发到大气中，使发动机的温度降低，散热后的冷却液在重新流回到受 热机件处。适当的调节冷却液流通线路和冷却的强度，就能保证发动机的正常 工作温度。目前，汽车发动机上广泛采用水冷却系统。 风冷系统是利用高速流动的空气直接吹过汽缸盖和汽缸体表面，把热量散 发到大气中，保证发动机在最有利的温度范围工作。 采用水冷系是英式气缸盖内的冷却水温度在8090之间；采用风冷系 时，铝气缸壁的允许温度为15

21、0180，铝气缸盖则为160200 4.34.3 冷却系统的组成冷却系统的组成 发动机的冷却系统有风冷与水冷之分，以空气为冷却介质的冷却系统称风 冷系统；以冷却液为冷却介质的为水冷系统。汽车发动机，尤其是轿车发动机 大都采用水冷系统，只有少数汽车发动机采用风冷系统。 汽车发动机的水冷系统均为强制循环水冷系统，即利用水泵提高冷却液的 压力，强制冷却液在发动机中循环流动。这种系统包括水泵、散热器、冷却风 扇、节温器、补偿水桶、发动机机体和气缸盖中的水套以及其他附加装置等。 冷却液在冷却系统中的循环路径。冷却液在水泵中增压后，经分水管进入 发动机的机体水套。冷却液从水套壁周围流过并从水套壁吸热而升温

22、。然后向 上流入气缸盖水套，从气缸盖水套壁吸热之后经节温器及散热器进水软管流入 散热器。在散热器中冷却液向流过散热器周围的空气散热而降温，最后冷却液 经散热器出水软管返回水泵，如此循环不止。在汽车行驶或冷却风扇工作时， 空气从散热器周围高速流过以增强对冷却液的冷却。铜制或不锈钢制的分水管 或直接铸在机体上的分水道，沿其纵向开有出水孔，并与机体水套相通，离水 泵越远出水孔越大，其数目通常与气缸数相同。分水管或分水道的作用是使多 缸发动机各气缸的冷却强度均匀一致。 有些发动机的水冷系，其冷却液的循环流动方向与上述相反，可称其为逆 流式水冷系。在这种水冷系中，温度较低的冷却液首先被引入气缸盖水套，然

23、 后才流过机体水套。由于它改善了燃烧室的冷却而允许发动机有较高的压缩比， 从而可以提高发动机的热效率和功率。大多数汽车装有暖风系统。暖风机是一 个热交换器，也可称作第二散热器。在装有暖风机的水冷系中，热的冷却液从 气缸盖或机体水套经暖风机进水软管流入暖风机芯，然后经暖风机出水软管流 回水泵。吹过暖风机芯的空气被冷却液加热之后，一部分送到挡风玻璃除霜器， 一部分送入驾驶室或车厢。 水冷却系统具有冷却可靠、布置紧凑、噪声小、使用方便等优点。在汽车 发动机上应用较为广泛，目前，汽车发电机上采用的水冷系大都是强制循环式 水冷系，利用水泵强制冷却液在系统中进行循环流动。水冷却系统主要由水箱、 冷却风扇、

24、水泵、水管、水套、节温器和水温监测、控制装置等。 （1）散热器 散热器及散热器芯的结构形式 发动机水冷系统中的散热器由进水室、出水室及散热器芯等三部分构成。 如图4-1所示。冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过。热的冷却液 由于向空气散热而变冷，冷空气则因为吸收冷却液散出的热量而升温，所以散 热器是一个热交换器。 按照散热器中冷却液流动的方向可将散热器分为纵流式和横流式两种。如 图4-2所示。纵流式散热器芯竖直布置，上接进水室，下连出水室，冷却液由进 水室自上而下地流过散热器芯进入出水室。横流式散热器芯横向布置，左右两 端分别为进、出水室，冷却液自进水室经散热器芯到出水室横向流过散热器

25、。 大多数新型轿车均采用横流式散热器，这可以使发动机罩的外廓较低，有利于 改善车身前端的空气动力性。 图 4-1 散热器 图 4-2 冷却液流向 散热器芯有多种结构形式。 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。 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

26、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。 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。 散热器盖 现代的汽车发动机强制循环水冷系都用散热器盖严密地盖在散热器加冷却 液口上，使水冷系成为封闭系统，通常称这种水冷系为闭式水冷系。其优点有 二：闭式水冷系可使系统内的压力提高98196kPa，冷却液的沸点相应地提 高到120左右，从而扩大了散热器与周围空气的温差，提高了散热器的换热效 率。由于散热器散热能力的增强，可以相应地减小

27、散热器尺寸。闭式水冷系 可减少冷却液外溢及蒸发损失。 散热器盖的作用是密封水冷系并调节系统的工作压力。当发动机工作时， 冷却液的温度逐渐升高。由于冷却液容积膨胀使冷却系统内的压力增高。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入补偿水桶，以防止 冷却液胀裂散热器。当发动机停机后，冷却液的温度下降，冷却系内的压力也 随之降低。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。 补偿水桶 补偿水桶由塑料制造并用软管与散热器加冷却液口上的溢流管连接。其作 用已如上述，即当冷却液受热膨胀时，部分冷却液流入补偿水桶；而当冷却液

28、 降温时，部分冷却液又被吸回散热器，所以冷却液不会溢失。补偿水桶内的液 面有时升高，有时降低，而散热器却总是为冷却液所充满。在补偿水桶的外表 面上刻有两条标记线：低线和高线，补偿水桶内的液面应位于两条标记线 之间。若液面低于低线时，应向桶内补充冷却液。在向桶内添加冷却液时， 液面不应超过高线。补偿水桶还可消除水冷系中的所有气泡。 散热器百叶窗 有些货车和大客车发动机在散热器前面装有百叶窗，其作用是通过改变吹 过散热器的空气流量来调节发动机的冷却强度，以保证发动机经常在适当的温 度范围内工作。在发动机冷起动或暖车期间，冷却液的温度较低，这时将百叶 窗部分或完全关闭，以减少吹过散热器的空气流量，使

29、冷却液的温度迅速升高。 百叶窗可由驾驶人通过驾驶室内的手柄来操纵其开闭，也可用感温器自动控制。 如图4-3所示。 （2）冷却风扇 风扇的功用及结构 冷却风扇置于散热器后面。当发动机在车架上纵向布置时，风扇一般安装 在水泵轴上，并由驱动水泵和发电机的同一根V带传动。风扇的功用是当风扇旋 转时吸进空气使其通过散热器，以增强散热器的散热能力，加快冷却液的冷却 速度。汽车发动机水冷系多采用低压头、大风量、高效率的轴流式风扇，即风 扇旋转时，空气沿着风扇旋转轴的轴线方向流动。如图4-4所示。 图 4-3 百叶窗自动控制系统 图 4-4 流动方向示意图 风扇的扇风量主要与风扇直径、转速、叶片形状、叶片安装

30、角及叶片数有 关。叶片的断面形状有圆弧形和翼形两种，前者由薄钢板冲压而成，后者用塑 料或铝合金铸制。翼形风扇效率高、消耗功率少，在轿车和轻型汽车上得到了 广泛的应用。一般叶片与风扇旋转平面成3045角（叶片安装角）。叶片 数为4、5、6或7片。叶片之间的间隔角或相等，或不相等。间隔角不等的叶片 可以减小叶片旋转时的振动和噪声。如图4-5是常见的风扇外型。 图 4-5 风扇 硅油风扇离合器 硅油风扇离合器如图4-6所示。汽车在行驶过程中，由于环境条件和运行工 况的变化，发动机的热状况也在改变。因此，必须随时调节发动机的冷却强度。 例如，在炎热的夏季发动机在低速大负荷下工作冷却液的温度很高时，风扇

31、应 该高速旋转以增加冷却风量，增强散热器的散热能力。而在寒冷的冬天冷却液 的温度较低时，或在汽车高速行驶有强劲的迎面风吹过散热器时，风扇继续工 作就变得毫无意义了，不仅白白消耗发动机功率而且还产生很大的噪声。试验 证明，水冷系只有25的时间需要风扇工作，而在冬季需要风扇工作的时间就 更短了。因此，根据发动机的热状况随时对其冷却强度加以调节就显得十分有 必要了。在风扇带轮与冷却风扇之间装置硅油风扇离合器是实现这种调节的方 法之一。 图 4-6 硅油风扇离合器 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。如图4-7所示。电动风扇由风扇电动机驱动并由蓄电池供电，所以风

32、 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。 电动风扇的优点是结构简单，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。 图 4-7 电动风扇结构示意图 （3）节温器 节温器的功用 节温器是控制冷却液流动路径的阀门。如图4-8所示。当发动机冷起动时， 冷却液的温度较低，这时节温器将冷却液流向散热器的通道关闭，使冷却液经 水泵入口直接流入机体或气缸盖

33、水套，以便使冷却液能够迅速升温。如果不装 节温器，让温度较低的冷却液经过散热器冷却后返回发动机，则冷却液的温度 将长时间不能升高，发动机也将长时间在低温下运转。同时，车厢内的暖风系 统以及用冷却液加热的进气管、化油器预热系统都在长时间内不能发挥作用。 图 4-8 节温器 节温器结构及工作原理 当冷却液温度低于规定值时，节温器感温体内的石蜡呈固态，节温器阀在 弹簧的作用下关闭发动机与散热器间的通道，冷却液经水泵返回发动机，进行 小循环。当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始熔化逐渐变成液体，体积随之 增大并压迫橡胶管使其收缩。在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向上的推力。 由于推杆上端固定，因此，推杆对

34、胶管和感温体产生向下的反推力使阀门开启。 这时冷却液经由散热器和节温器阀，再经水泵流回发动机，进行大循环。其大 小循环路线如图4-9所示。 图 4-9 节温器改变冷却液流向示意图 节温器的布置 一般水冷系统的冷却液都是由发动机的机体流进，从气缸盖流出。因此大 多数节温器布置在气缸盖出水管路中。这种布置方式的优点是结构简单，容易 排除冷却系统中的气泡。其缺点是节温器在工作时会产生振荡现象。例如，在 冬季起动冷发动机时，由于冷却液温度低，节温器阀关闭。冷却液在进行小循 环时，温度很快升高，节温器开启。与此同时，散热器内的低温冷却液流入机 体，使冷却液又冷了下来，节温器阀重新关闭。等到冷却液温度再度

35、升高，节 温器阀又再次打开。直到全部冷却液的温度稳定之后，节温器阀才趋于稳定不 再反复开闭。节温器在短时间内反复开闭的现象称作节温器振荡。当出现这种 现象时，将增加汽车的燃油消耗量。节温器也可以布置在散热器的出水管路中。 这种布置方式可以减轻或消除节温器振荡现象，并能精确地控制冷却液温度， 但其结构复杂，成本较高。多用于高性能的汽车及在冬季经常高速行驶的汽车 上。奥迪100型轿车发动机的节温器即布置在散热器出口的管路中。 （4)水泵 水泵的功用 水泵的功用是对冷却液加压，保证其在冷却系统中循环流动。 水泵的基本结构及工作原理 汽车发动机广泛采用离心式水泵。当水泵叶轮旋转时，水泵中的冷却液被 叶

36、轮带动一起旋转，并在离心力的作用下被甩向水泵壳体的边缘，同时产生一 定的压力，然后从出水管流出。在叶轮的中心处由于冷却液被甩出而压力下降， 散热器中的冷却液在水泵进口与叶轮中心的压差作用下经进水管流入叶轮中心。 叶轮由铸铁或塑料制造，叶轮上通常有68个径向直叶片或后弯叶片。水泵壳 体由铸铁或铝铸制，进、出水管与水泵壳体铸成一体。 水泵的典型构造如图4-10所示。 水泵的驱动 水泵一般由曲轴通过V带驱动。传动带环绕在曲轴带轮和水泵带轮之间，因 此水泵转速与发动机转速成比例。奥迪100型轿车发动机的水泵即由曲轴通过V 图 4-10 水泵组成 带驱动，水泵转速为曲轴转速的1.6倍。有些发动机的水泵由

37、凸轮轴直接驱动。 5.5.上海通用汽车冷却系统常见故障上海通用汽车冷却系统常见故障 5.15.1 熔断丝和线束引起的故障熔断丝和线束引起的故障 该车是2004款别克GS轿车，已行驶了10万km，平时经常下牧区，经常水温 过高而影响使用。 根据维修经验，对于夏季出现的水温过高。故障，首先应先检查散热器和 冷凝器外观。如果散热器和冷凝器表被杂物堵塞，造成空气无法流通，发动机 水温就会过高。经仔细观察，发现散热器和冷凝器的散热片间隙已完全被尘土 和蜘蛛网状物堵塞。由于别克GS轿车车声前部的碰撞吸能去较大，加之散热器 格栅的空气导流板是横向布置的，所以杂物很容易留在散热器和冷凝器表面。 清除堵塞午后试

38、车，情况有所好转，但发现发动机水温仍然过高。 因手上没有专用检测工具，只好凭经验目视察冷却系统的技术状况经检查， 发现水温达到106时电子风扇能够正常低速运转，但水温达到110时，只有 右侧电子风扇高速运转，左侧电子风扇则不转。 检查电子风扇电源线上的熔断丝，没有损坏。用手晃动发动机舱熔断丝盒 中为左侧电子风扇提供打铁的9号继电器，左侧电子风扇能工作，因此怀疑线路 有虚接现象。检查风扇电机上的插头和发动机线束侧C105插头，未发现异常。 拆下发动机舱熔断丝盒上线束插头中的C11插头及插座烧毁。 冷凝器和散热器的两侧带有密封条，加之表面被杂物堵塞，空气流通差， 因此增加了电子风扇的工作负荷，在成

39、风扇电机启动瞬间电流过大，进而烧毁 接触不实的线束插头。比较常见的是烧毁发动机仓容断丝和后部的线束插头， 或前横梁中部的C105插头。如果插头烧毁，就会早场水温过高的故障。可见， 车辆在今日夏季之前清洗散热器是非常重要的工作。 彻底清洗散热器表面，更换熔断丝盒并修理线束，经试车故障排除。 5.25.2 线束插反引起的故障线束插反引起的故障 一辆2003款别克君威2.5L轿车，行驶里程5.4万km。该车故障指示灯点亮。 用故障诊断仪Tech2调取故障码，故障码为P0481，含义为散热器风扇继电 器2控制电路故障。用Tech2控制散热器风扇，左、右侧电子风扇低速运转，但 高速时左侧电子风扇不转。

40、检查电子风扇熔丝，发现21号告诉电子风扇熔丝（15A）损坏。检查线路， 没有发现短路的地方。测量左侧电子风扇的电阻为0.6，右侧为0.3，均符 合标准。用手转动电子风扇没有卡滞现象。目视检查电子风扇叶片，没有发现 异物。 笔者经仔细思考后认为，左右侧电子风扇电阻不一样，他们的启动电流也 不相同，测量他们的工作电流或许能够找到故障所在。用感应式电流表测量正 常车辆电子风扇的电流高速运转时左侧风扇的启动电流为33A，右侧为7.5A。检 测故障车电子风扇的电流仅为9A，这么小的电流熔丝就被熔断，说明电子风扇 电机与熔丝不匹配。观察电子风扇线束，发现娴熟及颜色都不正常，娴熟的布 置也很不合理，笔者认为

41、可能是左右侧电子风扇的线束插头插反了。 将右侧电子风扇线束插头对调后试车，故障排除。事后询问客户，得知该 车曾发生过碰撞事故，在其他修理厂进行过钣金和喷漆作业，看来是修理时留 下了故障隐患。 6.6.冷却系统的新技术的概述冷却系统的新技术的概述 6.16.1 影响发动机冷却系统的因素以及目前存在的问题影响发动机冷却系统的因素以及目前存在的问题 水冷式发动机通常采用闭式强制循环冷却系统,主要由冷却水套、水泵、风 扇、散热器、节温器、循环管路等组成。由于组成冷却系统部件众多且结构复 杂,加上发动机运行工况的多样性,其影响因素也是多方面且错综复杂的。总体 来说,影响冷却系统的主要因素主要有循环冷却水

42、量、冷却空气流量、冷却水道 结构和散热效率。 循环冷却水量和冷却空气流量主要由散热量决定。对于诸如发动机燃烧室 等严重受热的零部件以及一些关键的区域,循环水量的控制就显得尤为重要,这 不仅与水泵的特性、冷却水套结构密切相关,同时还与冷却水水温有关,因为冷 却水高温沸腾产生的气泡阻力对循环水量有着显著的影响。空气流量主要与风 扇直径、转速、叶片形状、流阻特性、水箱与风扇叶片相对位置以及机舱背压 等因素有关。合理而有效的冷却水道结构能减少流动过程的涡流、节流等损失, 提高关键区域流速的同时避免非关键区域的过度冷却,从而大大提高冷却效率。 散热效率则主要与散热器、中冷器等主要散热部件有关,要求散热器

43、具有足够的 散热面积。以上几个因素并非孤立的,而是相互影响和相互制约的,需要综合考 虑。目前,高功率密度的增压柴油机由于热负荷和热应力过高,依然存在关键区 域冷却不足、零件热疲劳失效、过热产生裂纹等问题。发动机冷却系统冷却过 度和冷却不足都会造成发动机可靠性下降,零部件磨损加剧,热量不平衡等问题, 影响发动机的动力性和经济性。因此,现代发动机的冷却系统要求能满足各种工 况下运转时的散热需要,保证关键区域具有足够的冷却,又要降低整机的散热量, 减小对冷却系统的散热要求,提高能量利用率,使发动机具有良好的经济性。 6.26.2 现代发动机冷却系统研究现状及发展方向现代发动机冷却系统研究现状及发展方

44、向 由于冷却系统对发动机性能的影响日益显著,通过对冷却系统的不断改进来 提高发动机性能已成为一种有效的手段。对柴油机冷却系统的研究有两个方面: 一方面是以提高冷却效率为目的的系统本身的研究,包括系统各缸水流分布、各 部件结构设计、冷却散热系统合理匹配、系统控制等,称为外冷却研究;另一方 面是研究冷却系统关键零部件的热负荷及其可靠性,它更注重研究固液耦合问 题,称为内冷却研究。目前,发动机冷却系统的发展趋势主要有以下几个方面。 6.2.16.2.1 冷却系统的智能化和可控化冷却系统的智能化和可控化 目前,大部分发动机冷却系统仍属于传统的被动系统,只能有限地调节发动 机和汽车的热分布状态。但随着电

45、子技术和计算机技术的飞速发展,电控零部件 技术成熟,冷却系统的智能化和自动化成为可能。 传统的冷却系统中采用机械驱动的冷却水泵和冷却风扇,冷却介质流量取决 于发动机转速,而非发动机实际运行时冷却量需求,显然无法实现对发动机水温 在全运行工况内的合理控制。此外,这些部件耗功严重,比如风扇消耗的功率可 以达到发动机总功率输出的10%。采用电子驱动及控制的冷却水泵、风扇、节温 器等部件,可以通过传感器和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行,提供 最佳的冷却介质流量,实现冷却系统部件的智能化和可控化,同时降低能耗,提高 效率。 ElenaCortona等人开发出的电动冷却系统中,除了用电动冷却水泵取

46、代传统 机械冷却水泵,同时还用电控智能节温器取代传统的节温器,并开发出与这些电 动部件相应的优化控制策略。通过台架试验对比研究发现,在冷机起动的情况下,新 的冷却系统能够显著缩短暖机时间,大大提高暖机温度。另外,智能节温器对冷 却液的良好控制允许冷却系统有较高的出水温度。在相同的配置和冷却要求下, 电动水泵的能量消耗仅为机械水泵的16%,即使考虑到电能的转换效率只有机械 能效率的一半,整个冷却系统的能量消耗仍可降低2/3左右,优势十分明显。 HoonCho等人用电控冷却水泵取代传统机械水泵,利用试验和模拟对比分析发现, 通过控制水泵转速并提高电控水泵效率,功率消耗降低量超过87%,若将水泵转速

47、 提高至最大值时,可降低散热器尺寸超过27%,对提升发动机性能和燃料经济性潜 力很大。 ValeoEngineCooling公司较早开发出了一种可变速冷却风扇发动机,其风扇 速度能根据冷却液温度和空气调节循环参数来调整,从而能够降低噪声和燃料消 耗。国内郭新民等人对汽车智能化声明,这对于提高发动机的热效率等很有帮助。 6.2.26.2.2 发动机冷却介质流动的合理组织发动机冷却介质流动的合理组织 发动机的冷却介质主要包括水腔内冷却液和空气侧冷却空气。 6.2.36.2.3 水腔内冷却水流动的组织水腔内冷却水流动的组织 闭式强制循环冷却方式中,水腔内冷却水流动的组织是直接影响冷却效果的 主要因素

48、。改进发动机冷却水套结构,寻求适当的冷却水流量、压力以及合理的 流场分布成为高强化发动机研究开发中不可缺少的重要环节。CloughM.J早在 1992年提出了“精确冷却”的概念，即利用最少的冷却以达最佳的温度分配。 精确冷却系统的设计关键在于确定冷却水套的尺寸，选择匹配的冷却水泵，保 证系统的散热能力能够满足发动机低速大负荷是关键区域工作温度的需求。研 究表明，采用精确冷却冷却系统，在发动机整个工作转速范围，冷却液流量可 下降40。尤其适用于机体内纵向流动的精确冷却，体现在冷却水套的结构设 计与冷却液流速的设计中。精确冷却的现在优势在于加快暖机速度，减少热应 力和热量的损，降低摩擦系数和冷却水

49、泵功率消耗，提高平均有效压力和抗爆 性。由于抗暴性的改进和履职气缸盖的广泛应用，因此，相比柴油机而言，精 确冷却更适合与汽油机。 CouetouseH等人提出分流是冷却系统的设计，即汽缸盖和汽缸体有不同的 冷却回路，使汽缸盖和汽缸体具有不同的温度。发动机理想的工作状态式气缸 盖温度第二气缸体温度高，这是由于较低的气缸盖温度有利于进气和改善排放， 而较高的气缸盖温度则有利于降低摩擦损失，改善燃油经济性。分流是冷却系 统的优势在于使发动机各部分在最优的温度设定点工作，达到较高的冷却效率。 研究表明，该系统可以使两者温度相差约100，气缸体温度可高达150，而 汽缸盖温度可降低约50，减少摩擦损失，

50、降低油耗。较高的汽缸盖温度使油 耗降低46，在部分负荷时HC排放降低2035。节气门全开时，汽缸 盖和汽缸体温度设定值最大可调50和90，从整体改善燃油消耗、功率输出 和排放。 无论是精确冷却系统还是分流式冷却系统，都要求对发动机冷却水套进行 必要的改进以优化冷却液流动。从设计和使用角度看，分流是冷却和精确冷却 相结合具有很好的发展前景，有利于形成理想的发动机温度分布，满足发动机 对未来冷却系统的要求。 6.2.46.2.4 冷却液流动的研究冷却液流动的研究 目前，对冷却液流动的研究手段主要为实验研究和计算机数值模拟研究。 在试验研究方面，朱义伦等人采用激关多普勒测速仪（LDV）对发动机汽缸盖

51、冷 却水流动进行测量，得到冷却水在平行于气缸盖与气缸体结合面的二位流场； 王书义、屈盛官等人则利用流动显示法得到冷却水流动的二维流场，通过研究 而为流畅以改进水腔设计。由于冷却液流动复杂性以及实验研究的局限性，加 上计算机软件水平的极大发展，采用计算机数值模拟研究复杂结构水腔流动特 性逐渐成为一种重要而有效的研究手段，其中CFD分析技术和限元(FEA)偶和分 析技术被广泛应用于冷却液流动的研究。目前流行的大型CFD商业软件有 FLU2ENT,STAR-CD,FIRE等，应用其进行发动机冷却水套分析的技术已日益成熟， 也取得了不少成果。相对传统的分析技术，CFD分析技术具有研究简便、周期短、 成

52、本低、收效好等优点。 但由于模拟精度的问题，CFD模拟叶春在某些缺陷，必要的实验研究还是必 不可少的。研究表明，CFD软件对平均流速的预测效果非常好，但是对湍流强度 的预测却往往低估近30。要对产品进行更安全的分析，提高分析精度，进行 流固耦合计算机必不可少的，为了精确预测固态金属温度场还要进行更深入的 研究和改进。 6.2.56.2.5 空气侧冷却空气流动的组织空气侧冷却空气流动的组织 冷却水从发动机机体带走的热量主要通过散热器排入大气中，增压发动机 还需要利用冷却空气对增压空气进行中冷，因此，车辆迎风空气侧冷却空气流 动的组织在很大程度上制约着冷却水冷却效果，同时也影响发动机的工作性能。

53、BernhardUhl等人利用自主开发的一维模拟软件对空气侧进行一维模拟将得 到冷却液质量流量、散热器进口温度等结果作为边界条件，用自主开发的热换 器分析程序与商业三维CFD软件进行耦合迭代计算，得到空气侧整体的三维流畅 速度分布和散热器表面局部流畅速度分布情况。同时还进行了空气侧台架试验 和整车空气侧的风洞试验，在散热器两侧的表面潜入均匀分布的压力传感器， 对散热器表面局部压损进行测量，然后利用散热器本身的性能曲线换算得到其 表面局部实际的速度分布情况。在较宽广的工况范围内，通过对比和整车风洞 试验修正，模拟结果和试验结果吻合较好。研究发现，台架试验和风洞试验得 到的结果基本相似，空气侧部件

54、的几何特性以及各部件之间的空间不知对空气 流速分布的影响十分显著。这种研究手段可以得到较精确的空气流动分布情况， 但是没有对局部空间热就分不和便面温度分布情况进行研究。 由于空气侧部件空间安装分布对空气流动和温度分布影响显著，故关于空 间布置的研究也较多，风扇是研究的焦点。只对传统的中冷器-散热器-风扇不 知顺序的冷却模块（CRFM）Delphi汽车公司提出了新的中冷器-风扇-散热器不 知顺序的冷却模块（CFRM）概念，即将风扇之于众冷气和散热器之间。在相同 的运行条件下，CFRM能显著改善空气侧的温度分布，CFRM的空气流量较CRFM高 16。这是因为风扇至于散热器前，较低的金风温度保证了较

55、高的空气密度， 通过山热气的空气流量增大。当然，CFRM中风扇的耗功相应的也比CRFM稍大。 但是，进一步的研究发现，在保证风扇提供相同的质量流量的前提下，CFRM所 需要的风扇转速要远远低于CRFM,风扇转速降低使得CFRM可以节约19的风扇耗 功，优势十分明显。 NgysrunAP等人甚至提出取消冷却风扇，在车厢加热处加装风机的方案。通 过对比研究发现，该方案在高车速时效果较好，因为高车速是风扇的存在对散 热器的冷却风量有干扰；在低速行驶和全负荷运动时，冷却效果不佳，但是可 以通过车厢加热器和风机将散热器多余的热量带走，冷却性能与传统带风扇的 冷却系统大致相同。车厢加热装置还安装了特殊设计

56、的风门，实现冬季车厢取 暖、夏季车厢唤气以及签署附加散热器的功能。该方案能减低成本达30，质 量减轻达30，对不带空调的车辆，尤其是对以降低成本为目标的小型车辆意 义重大。 6.2.66.2.6 发动机热管理技术研究发动机热管理技术研究 对于单独的冷却系统主要研究的是发动机冷却不见得部件散热情况，而发 动机热管理则涉及发动机全系统及整车。将冷却系统研究整合到发动机热管理 中，能充分烤炉冷却系统对整车性能的影响，将冷却系统的效率提高至最理想 值，最大限度的发挥系统的功用。 发动机热管理技术被列为美国21世纪商用车计划的关键技术之一,对提高整 车性能潜力巨大。发动机热管理系统的目标是提高燃料经济性

57、,降低排放,增加 功率输出和车辆载重能力,降低气动阻力损失和车辆维护费用,提高可靠性以及 车辆对环境的适应能力。主要从以下方面实现:采用计算机芯片控制发动机温度,应 用强迫对流和核态沸腾传热相结合的冷却机制,使用先进有效的传热介质,增加 换热量,采用更加轻巧的高导热率材料制造的换热器,对发动机机舱底部空气流 动进行管理,进行余热储存,优化散热器及风扇的设计和布置,废热循环及再利用 等。 计算模拟研究由于在时效性和成本上优势明显,已成为发动机热管理研究的 主要手段。ChadLehner等人利用VECSS程序开发出了一套用于重载柴油机的热管 理系统。该系统由一台计算机控制的可变速冷却水泵、一个位置

58、可控制的自动 调温器以及基于该模型的控制策略组成,利用可控制流动系数的反馈控制的散热 器能实现对发动机局部固态温度和冷却液温度的优化控制。在较宽广的车辆运 行工况范围内,该系统能使重载柴油机获得令人满意的和恒定的发动机温度,此 外,通过系统模拟和试验证实,该系统能有效降低水泵和风扇的功率消耗。 AlanBerry和JoeSteiber等人利用车辆性能分析软件RAPTOR和商业软件 FLOWMASTER2进行联合模拟,由RAPTOR计算出排热,并传输给FLOWMASTER2中的发 动机冷却系统,计算出冷却液的循环温度并再次反馈给RAPTRO模型,从而精确地 实现性能和燃料经济性的预测。近年来在发

59、动机热管理方面的仿真研究较多,大 部分是利用多个软件进行一维和三维耦合模拟计算分析。在三维模拟研究方面, 用三维CFD计算冷却水套的对流换热系数及缸内近壁面平均气体温度和气体的对 流换热系数,用ABAQUS/MSC,NAS2TRAN,Patran组成的有限元分析模块计算发动机 固体结构中的温度分布,气固液互为边界条件,计算数据自动在这些软件之 间进行互传直至计算达到收敛值。三维模拟既可以研究发动机动力部分的热变 化情况,同时还可以对机舱底流及乘客舒适性进行精确模拟,能够得到整个车辆 的局部温度及速度的详细信息。 实际模拟研究表明,通过耦合计算,可以得到一些关键区域的变化情况,从而 提高了边界条

60、件的利用效率,进而可以得到更加精确的计算结果。当然,在热管 理系统的模拟研究中,模型的建立和验证离不开相关的试验研究。 需要指出的是,作为发动机热管理技术重要组成部分的发动机热平衡研究, 实际上是对发动机稳态运行状态的热管理初始研究,即得到发动机热系统各部分 的热流分布情况,主要包括冷却液热流、机油热流、排气热流,从而为进一步的 冷却部件优化指明方向。目前,研究发动机热平衡的主要手段包括试验研究和模 拟研究。试验研究虽然过程繁杂,需要测量冷却液流路、油路、气路相关部件处 的温度和流量等数据,对测量仪器的要求较高,周期长、花费高,但是由于其真实 可靠,是热平衡研究必不可少的研究手段,同时对整个发