《汽车拖拉机学 第2版》(中文电子课件)第八章 发动机冷却系统

汽车拖拉机学2024/7/2《汽车拖拉机学》课件第八章发动机冷却系统第八章发动机冷却系统第一节冷却方式与冷却液第二节水冷却方式第三节风冷却方式《汽车拖拉机学》课件2024/7/21第八章的教学内容水冷却系统组成水冷却系统原理第八章的重点、难点掌握发动机冷却循环掌握冷却强度控制第八章的教学要求1.发动机冷却循环与实践2.冷却强度控制与实践第八章的课程思政融入点环保意识工匠精神创新思维科技发展第八章的课程思政的育人目标第八章的“耕读教育”思政点映射表课程耕读教育要点耕读教育映射与融入点教育方法与载体途径耕读育人预期成效发动机冷却循环与实践1.为何冷却液取代了冷却水？2.冷却小循环是如何实现的？3.冷却大循环是如何实现的？信息化载体、参观体验、课堂讨论；制作讲义或教材、制作PPT环保意识工匠精神创新思维冷却强度控制与实践1.冷却风扇硅油离合器是如何实现冷却强度控制的？2.冷却风扇电控系统是如何实现冷却强度控制的？信息化载体、参观体验、课堂讨论；制作讲义或教材、制作PPT工匠精神科学精神科技发展创新思维7

2024/7/2第一节冷却方式与冷却液8一、冷却系统的功用

1.作用

发动机在工作时，由于燃料的燃烧以及运动零件之间摩擦产生大量的热，气缸内气体温度可达2000℃左右的高温。直接与高温气体接触的气缸体、气缸盖、活塞、气门等机件若不及时加以冷却，则其中的运动机件将可能因受热膨胀而破坏正常间隙，或因润滑在高温下失效而卡死；各机件也可能因为高温而导致其机械强度降低甚至损坏。因此，为保证发动机正常工作，必须对这些在高温条件下工作的机件加以冷却。

冷却系统的功用是使发动机在所有工况下都保持在最适宜的温度范围内工作。2024/7/2第一节冷却方式与冷却液9

按冷却介质的不同发动机冷却系统可分为水冷系统、风冷系统两类。1.水冷系统

把发动机受热零件吸收的热量，通过冷却液散入大气中，而进行冷却的一系列装置，称为水冷系统。水冷系统因冷却强度大，易调节，便于冬季启动而广泛用于汽车发动机上。2.风冷系统

以空气为冷却介质的冷却系统称为风冷系统。风冷系统因冷却效果差，噪声大，功耗大，仅用于部分越野汽车发动机。2024/7/210三、冷却液

目前发动机冷却液多是乙二醇与水的混合物，乙二醇是一种无色黏稠液体，能与水以一定比例混合。其沸点为197.4℃，相对密度为1.113，冰点为－11.5℃。与水混合后，其冰点可显著降低，最低可达－68℃。冷却液中的水与乙二醇的比例不同，其冰点也不同（见表）。

发动机冷却液通常由乙二醇、防腐蚀添加剂、抗泡沫添加剂和适量的水组成。防腐蚀添加剂（硼酸盐、磷酸盐、硅酸盐等）可延缓或阻止发动机水套壁及散热器的锈蚀和腐蚀。

冷却液中的空气在水泵叶轮的搅动下会产生很多泡沫，这些泡沫将妨碍水套壁的散热，影响发动机的冷却效果，加入抗泡沫添加剂（硅油等）能有效地抑制泡沫的产生。在使用过程中，防腐蚀添加剂和抗泡沫添加剂会逐渐消耗殆尽，因此，应定期更换冷却液。2024/7/2第一节冷却方式与冷却液11

乙二醇有毒，且有较强的吸水性。在发动机冷却液中，一般还要加入着色剂，使其呈蓝绿色或黄色，以便识别和发现冷却液的泄漏。2024/7/212

2024/7/2第二节水冷却系统13一、水冷却系统的类型

水冷却系统冷却均匀可靠，运转时噪声小，寒冷季节可以采用灌热水的方法来预热，以利于启动，因此，目前在内燃机中应用较广泛。

水冷却系统按冷却液在内燃机中循环方法的不同，可分为自然循环冷却和强制循环冷却。1.自然循环冷却系统

自然循环冷却是利用水的密度随温度变化的特性，实现水的自然对流循环。因需水量较大，要求冷却系统的容量较大，故只在小型内燃机上采用。

自然循环冷却分为蒸发式、冷凝器式和热流式3种。2024/7/2第二节水冷却系统14

（1）蒸发式水冷却系统

图为蒸发式水冷却系统示意图。缸盖水套和缸体水套与蒸发水箱相通，内燃机工作时，水套中的水流经冷却缸体、缸盖后升温，密度减小而上升到蒸发水箱，水箱中温度较低的水下沉进入水套，形成自然热流循环。当水箱中的水温上升到沸点后，液态的水在吸收大量热后成为蒸汽从加水口散到大气中去，保持了整个冷却系统的温度在水的沸点附近。2024/7/22024/7/215

蒸发式水冷却系统结构简单，常为单缸小型柴油机采用。由于散热是通过水的汽化蒸发实现的，因此工作时冷却水消耗量大，给使用带来不便。16

（2）冷凝器式水冷却系统

冷凝器式水冷却系统克服了蒸发式水冷却系统耗水量大的缺点，其构造如图所示。冷凝器式水冷却系统增加了挡板、冷凝器和风扇等。在这个系统中，冷却水吸收热量而形成的水蒸汽充满冷凝器，在风扇气流作用下散热后又冷凝成液态水，去冷却受热零件。开有大小不等圆孔的挡板用于稳定水面。与蒸发式冷却相比可以大大减少水的消耗，但零件增多，成本提高，同时风扇也消耗一部分功率。2024/7/217

（3）热流式水冷却系统

热流式水冷却系统由上水箱、下水箱、散热器芯、上水管、下水管和飞轮风扇等组成，如图所示。冷却液在冷却高温零件后温度上升、密度减小而向上流动，经上水管进入散热器，将热量散于空气后密度增加，流至下水箱，然后再冷却高温零件。水循环是靠温差引起的热对流来实现的。这种冷却系统的冷却强度较小，冷却不均匀，当水量减少到上水管以下时即不构成循环，就失去了冷却作用。目前它只在小功率柴油发动机上采用。2024/7/218

2.强制循环水冷却系统

强制循环水冷却系统如图所示。它是利用水泵来提高冷却液的压力，强迫冷却液在机内高温零件与散热器之间循环，热量由散热器散入大气中。这种冷却方式工作可靠，气缸上、下冷却较均匀（温差小），散热效果好，能保证适宜的工作温度，启动时热车较快，因此在发动机上获得广泛应用。2024/7/219

该冷却系统主要由水泵、风扇、散热器、水管以及各种冷却强度调节装置如节温器、百叶窗、硅油离合器等组成。

工作时，同轴的风扇和水泵在曲轴的驱动下旋转，水泵将冷却液吸入加压后送入分水管，并由分水孔进入各气缸间的水套中，使各缸冷却均匀，然后向上流经气缸盖水套及节温器，流入散热器内。由于风扇的强力抽吸，空气由前向后高速从散热器中通过，热水自上而下流经散热器，因而其中的热量不断地散到大气中去，使水得到冷却。流到散热器底下的冷却液又被水泵吸入，开始再次循环，因而内燃机的高温零件就不断地得到冷却。2024/7/220二、水冷却系统的主要部件

水冷却系统的主要部件有：散热器、水泵、冷却风扇、节温器等。1.散热器（1）功用

散热器俗称水箱，主要功用是将冷却液在水套中吸收的热量传给外界大气，使冷却液温度下降。2024/7/2（2）组成

散热器主要由散热器芯、散热器盖、进水室和出水室等组成。进、出水室分别用软管与发动机气缸盖上的出水管口及水泵的进水管口连接。出水室下部设有放水阀，必要时可将散热器内的冷却液放掉2024/7/22122

（3）散热器芯

散热器芯的常见结构形式有管片式、管带式、板式3种。

①管片式。散热器芯由若干扁形冷却管和散热片构成）。冷却管焊在进、出水室之间是冷却液的通道。管片式散热器散热面积大，结构钢度好，但制造工艺较复杂，成本较高。2024/7/2

②管带式。散热器芯由扁平冷却管及波形散热带组成。冷却管为扁管并与波形散热带相间地焊接在一起。与管片式散热器相比，管带式散热器制造简单，质量轻，成本低，散热能力较强，但刚度差。

③板式。其冷却液通道由成对的金属薄板焊接而成。该种散热器芯散热效果好，结构简单，刚度较差，不易维修。2024/7/22324

（4）散热器盖

汽车上广泛采用闭式水冷系统，即在散热器盖上装有蒸汽阀及真空阀，可自动调节冷却系统内的压力，提高了冷却效果。

当把散热器盖拧在散热器冷却液加注口上时，上密封衬垫在蒸汽阀弹簧的作用下与冷却液加注口上密封面贴紧，散热器下密封衬垫与冷却液加注口下密封面贴紧，此时，冷却系统被封闭。2024/7/2

发动机运转后，冷却液的温度逐渐升高，容积膨胀，使散热器内压力升高。当压力升高到超过预定值时，蒸汽阀开启，使一部分冷却液蒸汽从溢流管溢出，流入补偿水箱，冷却系统压力下降，防止散热器胀裂；发动机停机后，冷却液温度下降，当冷却系统内的压力降到大气压力以下出现真空时；真空阀开启，补偿水箱的冷却液部分地流回散热器，以防止散热器被大气压力压瘪。25

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2.水泵（1）功用

冷却水泵的功用是对冷却液加压，使冷却液在冷却系统内循环流动。（2）结构原理

汽车发动机广泛采用离心式水泵，主要由叶轮和水泵壳体等组成。叶轮由铸铁或塑料制成，通常有6～8个径向直叶片或后弯叶片；水泵壳体用铸铁或铸铝制造；进、出水管均与水泵壳体铸成一体。

近年来有的发动机冷却系统装用电动水泵。电动水泵由发动机电控单元控制，根据实际需要调整水泵转速，借以调节冷却液流量。

电动水泵由电动机驱动，不受发动机转速影响。因此装用电动水泵，既改善了发动机的冷却效果，有效地改善了发动机的燃油经济性。2024/7/227

2.水泵（2）结构原理

当叶轮旋转时，水泵内的冷却液被叶片带动一起旋转，并在离心力的作用下甩向水泵壳体边缘，在轮廓线为对数螺旋线的水泵壳体内，将动能转变为水的压力能，经与叶轮成切线方向的出水口及出水管压入发动机的冷却水套。与此同时，叶轮中心处因具有负压而使散热器中的水经进水管被吸入水泵叶轮中心。2024/7/228

3.冷却风扇（1）功用

冷却风扇安装在水泵轴上，并由驱动水泵和发电机的同一根传动带传动。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，加速冷却液的冷却，达到散热的目的。（2）构造

汽车发动机水冷系统多采用低压头、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。在风扇外围设有导风罩，使风扇吸进的空气全部通过散热器，以提高风扇效率。2024/7/229

3.冷却风扇

风扇和发电机一般同时由曲轴带轮通过V带驱动，汽车风扇传动带张紧装置、发动机的支架做成可移动式，以调解传动带的张紧度。传动带过松，将引起传动带相对于带轮打滑，使风扇的扇风量减少，导致发动机过热和发电机发电量下降；传动带过紧，将增加发电机轴承的磨损，因此要求传动带必须保持合适的松紧度，一般用大拇指以30～50N的力，按下传动带产生10～15mm的挠度为宜。（3）风扇转速控制

控制冷却风扇转速的方法主要有硅油离合器、电动风扇、液力驱动风扇等。电动风扇无动力损失，结构简单，布置方便，因此电动风扇在轿车上的应用越来越多。2024/7/230

4.节温器（1）功用

它是控制冷却液流动路径的阀门，能根据发动机冷却液温度的高低，打开或关闭冷却液通向散热器的通道，使冷却液在散热器和水套之间进行大循环或小循环，调节冷却强度，保证发动机在最适宜的温度下工作。（2）节温器的结构

汽车发动机装的节温器均采用蜡式节温器，推杆的一端固定在支架上，另一端插入胶管的中心孔内。石蜡装在胶管与节温器壳体之间的腔体内。2024/7/231

4.节温器（3）节温器的工作原理

如图所示，温度较低时，石蜡呈固态，主阀门被弹簧推向上方与阀座压紧，处于关闭状态，此时，副阀门开启，冷却液进行小循环，来自发动机水套的冷却液经副阀门、小循环水直接进入水泵，被泵回到发动机水套内。

温度升高时，石蜡逐渐熔化成液态，体积膨胀，迫使胶管收缩，对推杆端部产生向上的推力，由于推杆固定在支架上，推杆对胶管、节温器壳体产生向下的反推力。2024/7/232

4.节温器（3）节温器的工作原理当冷却液温度升高到一定值时,反推力克服弹簧的弹力使胶管、节温器壳体向下运动,主阀门开始开启,同时副阀门开始关闭。当冷却液温度进一步升高到一定值时,主阀门完全开启,而副阀门也正好关闭小循环水路(图8-11b),此时来自发动机水套的冷却液全部经过散热器进行大循环。当冷却液温度在主阀门开始开启温度与完全开启温度之间时,主阀门和副阀门均部分开启,在整个冷却系统内,一部分冷却液进行大循环,另一部分冷却液进行小循环。2024/7/233

4.节温器（4）电控节温器

传统的节温器控制冷却液大小循环的路线，节流损失大，工作不可靠，工作效率低，不能根据发动机的散热要求准确地调节冷却系统的散热能力，而电控节温器利用电加热引起双金属片变形，由双金属片变形带动节温阀旋转运动，来改变大小循环，可用于对发动机冷却能力的智能控制。2024/7/234

2024/7/2第三节风冷却系统35一、风冷却系统的特点

风冷却系统与水冷却系统比较具有以下特点：①零件少，结构简单，整机质量较小。③不用冷却水，因而无漏水、冰冻、结垢等故障，使用维修比较方便。③对地区环境变化的适应性好，适于缺水地区使用。对于涡轮增压、中冷风冷柴油机，更适于高温、严寒、沙漠、森林、高原等地区使用。④启动时，暖机快，气缸套磨损小。2024/7/2⑤由于没有水套吸音，再加上散热片和导风罩的振动及风扇的圆周速度高，风冷内燃机运转时噪声较大。⑥由于金属与空气的传热系数大大低于金属与水的传热系数，所以风冷内燃机的热负荷较高，内燃机工作的可靠性差。⑦风扇消耗功率较大，充气系数较低，因此在其他条件相同时，风冷内燃机输出的有效功率要比水冷内燃机低。2024/7/23637

风冷却是采用空气作为冷却介质。高速流动的空气直接将高温零件的热量带走，使内燃机在最适宜的温度下工作。风冷却系统主要由散热片、风扇、导风罩和分流板等组成，如图8-12所示。

风冷却系统常采用风量较大、风压较低的轴流式风扇，它通过三角皮带由曲轴驱动，高速旋转产生强烈气流，经风机导流罩将气流集中导向内燃机，分流板使气流均匀地分流到各缸，经气缸导风罩排出。气缸体和气缸盖的表面均布满散热片，加大了散热面积，增强了冷却效果。2024/7/2二、风冷却系统的组成38

V形风冷内燃机上，轴流式风扇一般布置在内燃机前端两排气缸夹角中间，如图所示。

在单缸或双缸小型风冷内燃机上，为简化结构，降低制造成本，常采用离心式风扇，安装在飞轮上或与飞轮铸成一体，称为飞轮风扇。如图8-14所示，空气由进风口轴向吸入，从风扇蜗壳流出的气流，由导风罩引向气缸和气缸盖进行冷却。2024/7/239三、风冷却系统的布置

风冷却系统按引风方式的不同，有吹风冷却和吸风冷却两种形式。风扇安装在气缸进风侧（即吹进冷却空气的一侧）为吹风冷却。风扇安装在气缸出风侧为吸风冷却。前者气缸的温度较低，所需风扇压力也较低（低12％～20％），且驱动风扇的功率较小（低1.12％～20％），因此除少数特殊要求（少数坦克用风冷式内燃机因总体布置关系）采用吸风冷却外，通常采用吹风冷却。2024/7/2第三节风冷却系统40四、风冷却系统的风量调节

1.改变风扇转速法

风扇转速提高，风量增加，冷却加强。反之冷却减弱。在热负荷较低时，降低风扇转速，既节省了风扇消耗的功率，又降低了风扇运转时的噪声，因而是一种较好的调节冷却强度的方法。

改变风扇转速的方法主要有两种：①对于机械式传动的风扇，可通过变换风扇皮带轮直径或传动齿轮齿数来改变风扇传动比。该方法简单，但不易实现自动无级变速。主要用于地区性或季节性调节。②对于液力式传动的风扇，一般采用液力偶合器传动来实现风扇的无级调速。它是利用装在排气管或排风口处的感温元件（温度阀），控制进入液力偶合器中的充油量，控制风扇转速调节。2024/7/2第三节风冷却系统41

2.冷却风扇的风量节流控制