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汽车发动机构造知识-第五章 冷却系

第五章 冷却系

 

第一节概述

一、 冷却系的功用

功用:使工作中的发动机得到适度的冷却,并保持发动机在最适宜的温度状态下工作。

发动机在工作中为什么要适度冷却?(为什么不能过热?)

燃气在燃烧过程中,气缸内气体温度高达2000°,发动机零部件与高温气体接触,将会造成气缸和进气管温度过高,使进入气缸的可燃混合气因受热而膨胀,充气量↓,使得:

充气效率↓,发动机功率↓;

机油因温度过高,粘度↓,严重时,机油变质,影响润滑效果,机件磨损加剧;

各机件因高温而膨胀,破坏了正常的啮合间隙,产生卡死现象;

因此发动机应及时冷却。

冷却方式分风冷、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。发动机气缸和气缸盖采用传热较好的铝合金铸成,为了增大散热面积各缸一般都分开制造,在气缸和气缸盖表面分布许多均匀排列的散热片,以增大散热面积,利用车辆行驶时的高速空气流,把热量吹散到大气中去。

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。虽然风冷却系与水冷却系比较,具有结构简单、重量轻、故障少,无需特殊保养等优点,但是由于材料质量要求高,冷却不够均匀,工作噪音大等缺点,目前在汽车上很少使用。

 

所谓适宜的工作温度,对于水冷发动机,要求气缸盖内冷却水温度在80°~90°之间。

那么是不是冷却温度越低越好?

也不是,过度冷却(过冷):

热量散失过多,转变为有用功的热量↓,功率↓;

温度低,机油粘度大,摩擦阻力↑,消耗功率大,起动困难。

燃油不易气化,燃烧不充分,燃油消耗率↑,功率↓;

燃气易凝结(在气缸壁上),流入曲轴箱,不仅燃油消耗率↑,功率↓,而且机油粘度↓,润滑效果变差,机件磨损加剧。

二、水冷系的组成

水冷却系是以水作为冷却介质,把发动机受热零件吸收的热量散发到大气中去。目前汽车发动机上采用的水冷系大都是强制循环式水冷系,利用水泵强制水在冷却系中进行循环流动。它由散热器、水泵、风扇、冷却水套和温度调节装置等组成。

 

散热器内的冷却水加压后通过气缸体进水孔压送到气缸体水套和气缸盖水套内,冷却水在吸收了机体的大量热量后经气缸盖出水孔流回散热器。由于有风扇的强力抽吸,空气流由前向后高速通过散热器。因此,受热后的冷却水在流过散热器芯的过程中,热量不断地散发到大气中去,冷却后的水流到散热器的底部,又被水泵抽出,再次压送到发动机的水套中,如此不断循环,把热量不断地送到大气中去,使发动机不断地得到冷却。

 

关于分水管:插在气缸体水套当中频谋夤埽菹蛴腥舾沙鏊祝胨迷皆叮鏊自酱螅庋垢鞲桌淙此拷咏嗟龋苟喔追⒍母鞲桌淙淳取?/P>

通常,冷却水在冷却系内的循环流动路线有两条,一条为大循环,另一条为小循环。所谓大循环是水温高时,水经过散热器而进行的循环流动;而小循环就是水温低时,水不经过 散热器而进行的循环流动,从而使水温升高。

关于冷却液:冷却水+防冻剂(乙二醇),可以使冰点↓,沸点↑。加颜料,蓝绿色。

 

第二节 水冷系的主要零部件

一、 散热器

功用: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。

散热器又称为水箱,由上水室、散热器芯和下水室等组成。

 

散热器上水室顶部有加水口,冷却水由此注入整个冷却系并用散热器盖盖住。在上水室和下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,既便于安装,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,防止散热器受振动损坏。在散热器下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。

1、散热器芯

散热器芯由许多冷却管和散热片组成,对于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,常用的有管片式和带式两种。

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,一般多为轿车发动机采用,近年来在一些中型车辆上也开始采用。

 

对散热器的要求是,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。

2、散热器盖

散热器上的加水口,平时用散热器盖严密盖住,以防止冷却液溢出。

如果冷却系中水蒸气过多,压力过大,可能导致散热器破裂,因而需要排出多余的水蒸气;如果冷却系中的水蒸气温度低时发生凝结,压力降低,散热器中形成一定真空,外界大气压力比较高,有可能把散热器压坏,因此要从外界引入空气。

目前汽车发动机多采用闭式水冷系,这种冷却系的散热器盖具有自动阀门,发动机热态工作正常时,阀门关闭,将冷却系与大气隔开。防止水蒸汽逸出,使冷却系内的压力稍高于大气压力,从而可增高冷却水的沸点。

如图,当散热器压力增加到一定值后,蒸气阀门打开,蒸气由排出管排出;

当散热器压力低到一定程度,空气阀门开启,空气进入。如箭头所示。

 

3、补偿水桶

加注防锈,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,采用散热器+补偿水桶(贮水箱)结构。补偿水桶的上方用一根软管通大气,另一根软管与散热器的溢流管相连。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,冷却液通过压力阀通过溢流管进入贮水箱;当温度下降时,冷却液又从通过补偿水桶真空阀流回到散热器内部。这样可以防止冷却水损失。补偿水桶内部印有两条液面高度标记线,补偿水桶内的液面高度应位于这两种刻线之间。

 

二、风扇

功用:提高通过散热器芯的空气流速,增加散热效果,加速水的冷却。风扇通常安排在散热器后面,并与水泵同轴。当风扇旋转时,对空气产生吸力,使之沿轴向流动。空气流由前向后通过散热器芯,使流经散热器芯的冷却水加速冷却。

 

风扇有的用发动机带动,也有的用电动机带动(横置常见)。

 

三、水泵

功用:对冷却水加压,加速冷却水的循环流动,保证冷却可靠。车用发动机上多采用离心式水泵,离心式水泵具有结构简单、尺寸小、排水量大、维修方便等优点。

离心式水泵主要由泵体、叶轮和水泵轴组成,叶轮一般是径向或向后弯曲的,其数目一般为6-9片。

当叶轮旋转时,水泵中的水被叶轮带动一起旋转,在离心力作用下,水被甩向叶轮边缘,然后经外壳上与叶轮成切线方向的出水管压送到发动机水套内。与此同时,叶轮中心处的压力降低,散热器中的水便经进水管被吸进叶轮中心部分。如此连续的作用,使冷却水在水路中不断地循环。如果水泵因故停止工作时,冷却水仍然能从叶轮叶片之间流过,进行热流循环,不致于很快产生过热。

 

四、冷却强度调节装置

冷却强度调节装置是根据发动机不同工况和不同使用条件,改变冷却系的散热能力,即改变冷却强度,从而保证发动机经常在最有利的温度状态下工作。改变冷却强度通常有两种调节方式,一种是改变通过散热器的空气流量;另一种是改变冷却液的循环流量和循环范围。

1、改变通过散热器的空气流量

通常利用百叶窗和各种自动风扇离合器来实现改变通过散热器的空气流量。百叶窗是调节空气流量并防止冬季冻坏水箱,多用人工调节,也有采用自动调节装置的。自动风扇离合器是根据发动机的温度自动控制风扇的转速,调节扇风量以达到改变通过散热器的空气流量,它不仅能减少发动机的功率损失,节省燃油,而且还能提高发动机的使用寿命,降低发动机的噪声。

2、改变通过散热器的冷却水的流量

通常利用节温器来控制通过散热器冷却水的流量。节温器装在冷却水循环的通路中(一般装在气缸盖的出水口),根据发动机负荷大小和水温的高低自动改变水的循环流动路线,以达到调节冷却系的冷却强度。节温器有蜡式和乙醚折叠筒式两种,目前多数发动机采用蜡式节温器。

(1)蜡式节温器

蜡式节温器在橡胶管和感应体之间的空间里装有石蜡,为提高导热性,石蜡中常掺有铜粉或铝粉。常温时,石蜡呈固态,阀门压在阀座上。这时阀门关闭了通往散热器的水路,来自发动机缸盖出水口的冷却水,经水泵又流回气缸体水套中,进行小循环。当发动机水温升高时,石蜡逐渐变成液态,体积随之增大,迫使橡胶管收缩,从而对反推杆上端头产生向上的推力。由于反推杆上端固定,故反推杆对橡胶管、感应体产生向下反推力,阀门开启,当发动机水温达到80℃以上时,阀门全开,来自气缸盖出水口的冷却水流向散热器,而进行大循环。

(2)冷却系的大循环,小循环

当发动机在正常热状态下工作时,即水温高于80℃,冷却水应全部流经散热器,形成大循环。此时节温器的主阀门完全开启,而侧阀门将旁通孔完全关闭;当冷却水温低于70℃时,膨胀筒内的蒸汽压力很小,使圆筒收缩到最小高度。主阀门压在阀座上,即主阀门关闭,同时侧阀门打开,此时切断了由发动机水套通向散热器的水路,水套内的水只能由旁通孔流出经旁通管进入水泵,又被水泵压入发动机水套,此时冷却水并不流经散热器,只在水套与水泵之间进行小循环,从而防止发动机过冷,并使发动机迅速而均匀地热起来;当发动机的冷却水温在70~80℃范围内,主阀门和侧阀门处于半开闭状态,此时一部分水进行大循环,而另一部分水进行小循环。

节温器是冷却系中用来调节冷却温度的重要机件,它的工作是否正常,对发动机工作温度影响很大,间接地影响了发动机的动力性能和耗油量,因此,节温器不可随便拆除。

 

(2)冷却系的大循环,小循环

当发动机在正常热状态下工作时,即水温高于80℃,冷却水应全部流经散热器,形成大循环。此时节温器的主阀门完全开启,而侧阀门将旁通孔完全关闭;当冷却水温低于70℃时,膨胀筒内的蒸汽压力很小,使圆筒收缩到最小高度。主阀门压在阀座上,即主阀门关闭,同时侧阀门打开,此时切断了由发动机水套通向散热器的水路,水套内的水只能由旁通孔流出经旁通管进入水泵,又被水泵压入发动机水套,此时冷却水并不流经散热器,只在水套与水泵之间进行小循环,从而防止发动机过冷,并使发动机迅速而均匀地热起来;当发动机的冷却水温在70~80℃范围内,主阀门和侧阀门处于半开闭状态,此时一部分水进行大循环,而另一部分水进行小循环。

节温器是冷却系中用来调节冷却温度的重要机件,它的工作是否正常,对发动机工作温度影响很大,间接地影响了发动机的动力性能和耗油量,因此,节温器不可随便拆除。

来源:湖北江南江南专用特种汽车有限公司      时间:2009-3-14 20:36:49
 
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