1.1 汽车冷却水系统

内燃机冷却的目的是防止零件过热，以保证内燃机在各种运转情况下，内燃机的各个受热零部件的温度值在正常的范围内，并使各个摩擦副如连杆轴瓦与曲柄销、主轴瓦与主轴颈及气缸内壁与活塞组等处能够保持正常的润滑。经过冷却系统散走的热量，大约占燃料总热量的1/4~1/3左右，对所用冷却介质的不同，内燃机的冷却系统分为水冷却和空气冷却两种。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空气冷却。把这些热量先传给冷却水，然后再散入大气进行冷却的装置称为水冷。由于水冷冷却均匀，效果好，而且运转噪音小，目前，汽车上广泛采用的是水冷。水冷系统中主要包括水泵、散热器、冷却风扇、节温器、膨胀水箱、发动机缸体和缸盖中的水套以及其他附加装置等。水泵的作用是使冷却水在系统中进行循环，故又称这种冷却系统为强制循环式水冷系统 ，如图1.1-1所示。

内燃机需要冷却，工作时，高温的摩擦热会使活塞、活塞环、气缸、气缸盖、气门等零件的温度升高并使这些零件的强度下降，内燃机零件的过热与过冷均会使内燃机性能变差，冷却系统的作用是使内燃机零部件保持适宜的工作温度，保证其工作的可靠性及良好的性能。水冷系统要求在大气状态和内燃机工况变化时，能保证内燃机在最适宜的温度下运转，既要防止内燃机过热，也要防止冬季内燃机过冷。水冷系统本身应具备良好的密封性以防止冷却液泄漏及外界气体窜入冷却系统。内燃机起动后，冷却液应能迅速升温至适宜值，冷却系统所属的水泵，散热器，风扇等部件应有高的效率，以降低冷却系统的功耗，水冷系统应有良好的工作可靠性及便于维修。

水冷系统因用途不同，其冷却形式有3种 ：

1.发动机 2.散热器 3.散热器盖 4.膨胀水箱 5.冷却风扇

（1）闭式强制循环冷却

闭式强制循环冷却冷却液不与外界大气直接相通，系统内压力高于大气压，因而可提高冷却液的出口温度，这对提高内燃机热效率有利。而且，由于冷却液温度高，散热器散热效率得到提高，从而减小散热器散热面积或降低风扇功能。闭式强制循环冷却广泛用于汽车、拖拉机、工程机械等内燃机上，所以这是现代内燃机最主要的冷却方式，它的散热器通过外界空气实现热交换。

（2）表面蒸发冷却

表面蒸发冷却利用蒸发水箱内的水蒸发进行机械散热，冷却系统无水泵、冷却风扇和散热器，因而结构简单，功耗少，表面蒸发冷却广泛用于单缸柴油机，它的缺点是耗水量大，水套内易结垢而影响气缸散热。

（3）流通冷却

流通冷却这种冷却方式是将外界的水引入内燃机后再排出，它用于小型船舶及固定式柴油机上，通常因进水温度较低，而容易发生气缸套的硫酸凝液腐蚀。

汽车常采用闭式强制循环冷却，其冷却液循环路径是发动机水泵增压后，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。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。在汽车行驶时或冷却风扇工作时，空气从散热器周围高速流过以增强对冷却液的冷却效果。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，并与缸体水套相通，离水泵越远，出水孔越大。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。

冷却液一般为水与防冻剂（LLC）的混合物。冷却液用的水最好是软水，否则将在发动机水套中产生水垢，使传热受阻，易造成发动机过热。纯净水在0℃时会结冰。如果发动机冷却系统中的水结冰，将使冷却水终止循环，引起发动机过热。更严重的后果是水结冰时体积膨胀，可能将缸体、缸盖和散热器胀裂。为了适应冬季行车的需要，在水中加入防冻剂，制成冷却液以防止循环冷却水的冻结。最常用的防冻剂是乙二醇。冷却液中水与乙二醇的比例不同，其冰点也不同。50％的水与50％的乙二醇混合而成的冷却液，其冰点约为-35.5℃。在水中加入防冻剂还同时提高了冷却液的沸点。例如，含50％乙二醇的冷却液在大气压力下的沸点是130℃。因此，防冻剂有防止冷却液过早沸腾的附加作用。

防冻剂中通常含有防锈剂和泡沫抑制剂。防锈剂可延缓或阻止发动机水套壁及散热器的锈蚀或腐蚀。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。泡沫抑制剂能有效地抑制泡沫的产生。在使用过程中，防锈剂和泡沫剂会逐渐消耗殆尽，因此，定期更换冷却液是十分必要的。在防冻剂中一般还要加入着色剂，使冷却液呈蓝绿色或黄色以便识别。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。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。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。如图1.1-2所示。

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。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。管片式散热器芯由散热管和散热片组成。散热管是焊在进水室和出水室之间的直管，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一起。为增强散热能力，在波形散热带上加有鳍片。与管片式散热器芯相比，管带式散热器芯的散热能力强，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。

汽车发动机强制循环水冷系统都用散热器盖严密地盖在散热器加冷却液口上，使水冷系统成为封闭系统，通常称这种水冷系统为闭式水冷系。其优点有两点：①闭式水冷系可使系统内的压力提高到98kPa~196kPa，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，可以相应地减小散热器的尺寸；②闭式水冷系统可减少冷却液外溢及蒸发损失。

散热器盖（如图1.1-3所示）的作用是密封水冷系统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膨胀水箱，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，膨胀水箱内的冷却液部分流回散热器，可以避免散热器被大气压力压坏。

1.散热器盖 2.衬垫 3.压力阀弹簧 4.衬垫 5.真空阀 6.压力阀

膨胀水箱由塑料材质制造并用软管与散热器加冷却液口上的溢流管连接。当冷却液受热膨胀时，部分冷却液流入膨胀水箱；而当冷却液降温时，部分冷却液又被吸回散热器，所以冷却液不会溢失。膨胀水箱内的液面有时升高，有时降低，而散热器却总是被冷却液所充满。在膨胀水箱的外表面上刻有两条标记线：“低”线和“高”线，膨胀水箱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。膨胀水箱还可消除水冷系统中的所有气泡。

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。在发动机冷启动或暖车期间，冷却液的温度较低，这时将百叶窗部分或完全关闭，以减少经过散热器的空气流量，使冷却液的温度迅速升高。驾驶人通过驾驶室内的手柄开闭百叶窗，也可用感温器自动控制。

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型皮带传动。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。风扇的扇风量主要与风扇直径、转速、叶片形状、叶片安装角及叶片数有关。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30°~45°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产生的振动和噪声。

节温器又叫恒温器，它的作用是快速预热发动机并调节冷却液温度的部件。它位于散热器与发动机之间的通路中。当冷却液温度变高时，连接散热器的阀打开，以便冷却发动机。有两种类型的恒温器：

①“带旁通阀”类型用于底部旁通类型的冷却系统。

②“无旁通阀”类型用于直列式旁通类型的冷却系统。

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。如图1.1-4所示：

在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。水冷系统的冷却液都是由发动机的缸体流进，从缸盖流出。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的温度，但其结构复杂，成本较高。多用于高性能的汽车及经常在冬季高速行驶的汽车上。

水泵普遍使用带传动，常见传动带有V带，带齿V带及多楔带等。传动带在工作中承受冲击负荷与频繁的交变应力，传动带张紧后工作不久就容易出现松弛甚至撕裂、分层或断裂，从而造成内燃机过热甚至损坏，因此，转动带承拉元件的抗拉强度及橡胶质量对传动带的使用寿命及工作可靠性的影响很大。合成纤维的胶带有很高的抗拉强度和很小的伸长率，且能承受较高的温度，用这种材料做传动带的承拉元件能显著提高传动带工作的可靠性。国产V带尺寸已经系列化，带齿V带比无齿V带有更好的绕曲性及散热性，因而截面尺寸相同的带齿V带比无齿V带的可靠性更好。选用国产V带需要注意的是，必须选用汽车用胶带，而不是普通胶带，因为水泵传动带是在空气温度较高的环境中工作，需要有一定的耐温能力，否则极易老化，影响整机可靠性。多楔带柔性较好，其正面（多楔面）与背面均能带动水泵带轮传递功率，楔形工作面与V带工作方式相仿，而其背面工作方式与平带相仿。现代汽车上使用多楔带能十分紧凑地传动较复杂的轮系，如果各个带轮的包容角都够大，则能用一根多楔带同时驱动水泵、发动机、空调压缩机等零件。如图1.1-5，施加在带轮两边的传动带静拉力 F _s ，可用专用测力器测定，也可用测试力 F 施加于传动带中间，测定传动带垂度t，测定皮带接触轮距 L ，并用下面公式计算：

具体可见第2章节皮带张力校核的详细说明。

水泵在水冷系统的功用是对冷却液加压，保证其在冷却系统中循环流动。本书后续章节重点介绍。 167D2E4g3/gNjGeOQaUVF322i2wPwlxrU5plic8nYMzAkpa6in/hU3lagrJDe+Mi