汽車拖拉機學2024/10/10《汽車拖拉機學》發動機冷卻系統發動機冷卻系統第一節冷卻方式與冷卻液第二節水冷卻方式第三節風冷卻方式《汽車拖拉機學》2024/10/101

水冷卻系統組成水冷卻系統原理重點、難點掌握發動機冷卻循環掌握冷卻強度控制教學要求1.發動機冷卻循環與實踐2.冷卻強度控制與實踐課程思政融入點環保意識工匠精神創新思維科技發展課程思政的育人目標“耕讀教育”思政點映射表課程耕讀教育要點耕讀教育映射與融入點教育方法與載體途徑耕讀育人預期成效發動機冷卻循環與實踐1.為何冷卻液取代了冷卻水？2.冷卻小循環是如何實現的？3.冷卻大循環是如何實現的？信息化載體、參觀體驗、課堂討論；制作講義或教材、制作PPT環保意識工匠精神創新思維冷卻強度控制與實踐1.冷卻風扇硅油離合器是如何實現冷卻強度控制的？2.冷卻風扇電控系統是如何實現冷卻強度控制的？信息化載體、參觀體驗、課堂討論；制作講義或教材、制作PPT工匠精神科學精神科技發展創新思維7

2024/10/10第一節冷卻方式與冷卻液8一、冷卻系統的功用

1.作用

發動機在工作時，由于燃料的燃燒以及運動零件之間摩擦產生大量的熱，氣缸內氣體溫度可達2000℃左右的高溫。直接與高溫氣體接觸的氣缸體、氣缸蓋、活塞、氣門等機件若不及時加以冷卻，則其中的運動機件將可能因受熱膨脹而破壞正常間隙，或因潤滑在高溫下失效而卡死；各機件也可能因為高溫而導致其機械強度降低甚至損壞。因此，為保證發動機正常工作，必須對這些在高溫條件下工作的機件加以冷卻。

冷卻系統的功用是使發動機在所有工況下都保持在最適宜的溫度范圍內工作。2024/10/10第一節冷卻方式與冷卻液9

按冷卻介質的不同發動機冷卻系統可分為水冷系統、風冷系統兩類。1.水冷系統

把發動機受熱零件吸收的熱量，通過冷卻液散入大氣中，而進行冷卻的一系列裝置，稱為水冷系統。水冷系統因冷卻強度大，易調節，便于冬季啟動而廣泛用于汽車發動機上。2.風冷系統

以空氣為冷卻介質的冷卻系統稱為風冷系統。風冷系統因冷卻效果差，噪聲大，功耗大，僅用于部分越野汽車發動機。2024/10/1010三、冷卻液

目前發動機冷卻液多是乙二醇與水的混合物，乙二醇是一種無色黏稠液體，能與水以一定比例混合。其沸點為197.4℃，相對密度為1.113，冰點為－11.5℃。與水混合后，其冰點可顯著降低，最低可達－68℃。冷卻液中的水與乙二醇的比例不同，其冰點也不同（見表）。

發動機冷卻液通常由乙二醇、防腐蝕添加劑、抗泡沫添加劑和適量的水組成。防腐蝕添加劑（硼酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等）可延緩或阻止發動機水套壁及散熱器的銹蝕和腐蝕。

冷卻液中的空氣在水泵葉輪的攪動下會產生很多泡沫，這些泡沫將妨礙水套壁的散熱，影響發動機的冷卻效果，加入抗泡沫添加劑（硅油等）能有效地抑制泡沫的產生。在使用過程中，防腐蝕添加劑和抗泡沫添加劑會逐漸消耗殆盡，因此，應定期更換冷卻液。2024/10/10第一節冷卻方式與冷卻液11

乙二醇有毒，且有較強的吸水性。在發動機冷卻液中，一般還要加入著色劑，使其呈藍綠色或黃色，以便識別和發現冷卻液的泄漏。2024/10/1012

2024/10/10第二節水冷卻系統13一、水冷卻系統的類型

水冷卻系統冷卻均勻可靠，運轉時噪聲小，寒冷季節可以采用灌熱水的方法來預熱，以利于啟動，因此，目前在內燃機中應用較廣泛。

水冷卻系統按冷卻液在內燃機中循環方法的不同，可分為自然循環冷卻和強制循環冷卻。1.自然循環冷卻系統

自然循環冷卻是利用水的密度隨溫度變化的特性，實現水的自然對流循環。因需水量較大，要求冷卻系統的容量較大，故只在小型內燃機上采用。

自然循環冷卻分為蒸發式、冷凝器式和熱流式3種。2024/10/10第二節水冷卻系統14

（1）蒸發式水冷卻系統

圖為蒸發式水冷卻系統示意圖。缸蓋水套和缸體水套與蒸發水箱相通，內燃機工作時，水套中的水流經冷卻缸體、缸蓋后升溫，密度減小而上升到蒸發水箱，水箱中溫度較低的水下沉進入水套，形成自然熱流循環。當水箱中的水溫上升到沸點后，液態的水在吸收大量熱后成為蒸汽從加水口散到大氣中去，保持了整個冷卻系統的溫度在水的沸點附近。2024/10/102024/10/1015

蒸發式水冷卻系統結構簡單，常為單缸小型柴油機采用。由于散熱是通過水的汽化蒸發實現的，因此工作時冷卻水消耗量大，給使用帶來不便。16

（2）冷凝器式水冷卻系統

冷凝器式水冷卻系統克服了蒸發式水冷卻系統耗水量大的缺點，其構造如圖所示。冷凝器式水冷卻系統增加了擋板、冷凝器和風扇等。在這個系統中，冷卻水吸收熱量而形成的水蒸汽充滿冷凝器，在風扇氣流作用下散熱后又冷凝成液態水，去冷卻受熱零件。開有大小不等圓孔的擋板用于穩定水面。與蒸發式冷卻相比可以大大減少水的消耗，但零件增多，成本提高，同時風扇也消耗一部分功率。2024/10/1017

（3）熱流式水冷卻系統

熱流式水冷卻系統由上水箱、下水箱、散熱器芯、上水管、下水管和飛輪風扇等組成，如圖所示。冷卻液在冷卻高溫零件后溫度上升、密度減小而向上流動，經上水管進入散熱器，將熱量散于空氣后密度增加，流至下水箱，然后再冷卻高溫零件。水循環是靠溫差引起的熱對流來實現的。這種冷卻系統的冷卻強度較小，冷卻不均勻，當水量減少到上水管以下時即不構成循環，就失去了冷卻作用。目前它只在小功率柴油發動機上采用。2024/10/1018

2.強制循環水冷卻系統

強制循環水冷卻系統如圖所示。它是利用水泵來提高冷卻液的壓力，強迫冷卻液在機內高溫零件與散熱器之間循環，熱量由散熱器散入大氣中。這種冷卻方式工作可靠，氣缸上、下冷卻較均勻（溫差小），散熱效果好，能保證適宜的工作溫度，啟動時熱車較快，因此在發動機上獲得廣泛應用。2024/10/1019

該冷卻系統主要由水泵、風扇、散熱器、水管以及各種冷卻強度調節裝置如節溫器、百葉窗、硅油離合器等組成。

工作時，同軸的風扇和水泵在曲軸的驅動下旋轉，水泵將冷卻液吸入加壓后送入分水管，并由分水孔進入各氣缸間的水套中，使各缸冷卻均勻，然后向上流經氣缸蓋水套及節溫器，流入散熱器內。由于風扇的強力抽吸，空氣由前向后高速從散熱器中通過，熱水自上而下流經散熱器，因而其中的熱量不斷地散到大氣中去，使水得到冷卻。流到散熱器底下的冷卻液又被水泵吸入，開始再次循環，因而內燃機的高溫零件就不斷地得到冷卻。2024/10/1020二、水冷卻系統的主要部件

水冷卻系統的主要部件有：散熱器、水泵、冷卻風扇、節溫器等。1.散熱器（1）功用

散熱器俗稱水箱，主要功用是將冷卻液在水套中吸收的熱量傳給外界大氣，使冷卻液溫度下降。2024/10/10（2）組成

散熱器主要由散熱器芯、散熱器蓋、進水室和出水室等組成。進、出水室分別用軟管與發動機氣缸蓋上的出水管口及水泵的進水管口連接。出水室下部設有放水閥，必要時可將散熱器內的冷卻液放掉2024/10/102122

（3）散熱器芯

散熱器芯的常見結構形式有管片式、管帶式、板式3種。

①管片式。散熱器芯由若干扁形冷卻管和散熱片構成）。冷卻管焊在進、出水室之間是冷卻液的通道。管片式散熱器散熱面積大，結構鋼度好，但制造工藝較復雜，成本較高。2024/10/10

②管帶式。散熱器芯由扁平冷卻管及波形散熱帶組成。冷卻管為扁管并與波形散熱帶相間地焊接在一起。與管片式散熱器相比，管帶式散熱器制造簡單，質量輕，成本低，散熱能力較強，但剛度差。

③板式。其冷卻液通道由成對的金屬薄板焊接而成。該種散熱器芯散熱效果好，結構簡單，剛度較差，不易維修。2024/10/102324

（4）散熱器蓋

汽車上廣泛采用閉式水冷系統，即在散熱器蓋上裝有蒸汽閥及真空閥，可自動調節冷卻系統內的壓力，提高了冷卻效果。

當把散熱器蓋擰在散熱器冷卻液加注口上時，上密封襯墊在蒸汽閥彈簧的作用下與冷卻液加注口上密封面貼緊，散熱器下密封襯墊與冷卻液加注口下密封面貼緊，此時，冷卻系統被封閉。2024/10/10

發動機運轉后，冷卻液的溫度逐漸升高，容積膨脹，使散熱器內壓力升高。當壓力升高到超過預定值時，蒸汽閥開啟，使一部分冷卻液蒸汽從溢流管溢出，流入補償水箱，冷卻系統壓力下降，防止散熱器脹裂；發動機停機后，冷卻液溫度下降，當冷卻系統內的壓力降到大氣壓力以下出現真空時；真空閥開啟，補償水箱的冷卻液部分地流回散熱器，以防止散熱器被大氣壓力壓癟。25

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2.水泵（1）功用

冷卻水泵的功用是對冷卻液加壓，使冷卻液在冷卻系統內循環流動。（2）結構原理

汽車發動機廣泛采用離心式水泵，主要由葉輪和水泵殼體等組成。葉輪由鑄鐵或塑料制成，通常有6～8個徑向直葉片或后彎葉片；水泵殼體用鑄鐵或鑄鋁制造；進、出水管均與水泵殼體鑄成一體。

近年來有的發動機冷卻系統裝用電動水泵。電動水泵由發動機電控單元控制，根據實際需要調整水泵轉速，借以調節冷卻液流量。

電動水泵由電動機驅動，不受發動機轉速影響。因此裝用電動水泵，既改善了發動機的冷卻效果，有效地改善了發動機的燃油經濟性。2024/10/1027

2.水泵（2）結構原理

當葉輪旋轉時，水泵內的冷卻液被葉片帶動一起旋轉，并在離心力的作用下甩向水泵殼體邊緣，在輪廓線為對數螺旋線的水泵殼體內，將動能轉變為水的壓力能，經與葉輪成切線方向的出水口及出水管壓入發動機的冷卻水套。與此同時，葉輪中心處因具有負壓而使散熱器中的水經進水管被吸入水泵葉輪中心。2024/10/1028

3.冷卻風扇（1）功用

冷卻風扇安裝在水泵軸上，并由驅動水泵和發電機的同一根傳動帶傳動。當風扇旋轉時吸進空氣，使其通過散熱器，以增強散熱器的散熱能力，加速冷卻液的冷卻，達到散熱的目的。（2）構造

汽車發動機水冷系統多采用低壓頭、大風量、高效率的軸流式風扇，即風扇旋轉時，空氣沿著風扇旋轉軸的軸線方向流動。在風扇外圍設有導風罩，使風扇吸進的空氣全部通過散熱器，以提高風扇效率。2024/10/1029

3.冷卻風扇

風扇和發電機一般同時由曲軸帶輪通過V帶驅動，汽車風扇傳動帶張緊裝置、發動機的支架做成可移動式，以調解傳動帶的張緊度。傳動帶過松，將引起傳動帶相對于帶輪打滑，使風扇的扇風量減少，導致發動機過熱和發電機發電量下降；傳動帶過緊，將增加發電機軸承的磨損，因此要求傳動帶必須保持合適的松緊度，一般用大拇指以30～50N的力，按下傳動帶產生10～15mm的撓度為宜。（3）風扇轉速控制

控制冷卻風扇轉速的方法主要有硅油離合器、電動風扇、液力驅動風扇等。電動風扇無動力損失，結構簡單，布置方便，因此電動風扇在轎車上的應用越來越多。2024/10/1030

4.節溫器（1）功用

它是控制冷卻液流動路徑的閥門，能根據發動機冷卻液溫度的高低，打開或關閉冷卻液通向散熱器的通道，使冷卻液在散熱器和水套之間進行大循環或小循環，調節冷卻強度，保證發動機在最適宜的溫度下工作。（2）節溫器的結構

汽車發動機裝的節溫器均采用蠟式節溫器，推桿的一端固定在支架上，另一端插入膠管的中心孔內。石蠟裝在膠管與節溫器殼體之間的腔體內。2024/10/1031

4.節溫器（3）節溫器的工作原理

如圖所示，溫度較低時，石蠟呈固態，主閥門被彈簧推向上方與閥座壓緊，處于關閉狀態，此時，副閥門開啟，冷卻液進行小循環，來自發動機水套的冷卻液經副閥門、小循環水直接進入水泵，被泵回到發動機水套內。

溫度升高時，石蠟逐漸熔化成液態，體積膨脹，迫使膠管收縮，對推桿端部產生向上的推力，由于推桿固定在支架上，推桿對膠管、節溫器殼體產生向下的反推力。2024/10/1032

4.節溫器（3）節溫器的工作原理當冷卻液溫度升高到一定值時,反推力克服彈簧的彈力使膠管、節溫器殼體向下運動,主閥門開始開啟,同時副閥門開始關閉。當冷卻液溫度進一步升高到一定值時,主閥門完全開啟,而副閥門也正好關閉小循環水路(圖8-11b),此時來自發動機水套的冷卻液全部經過散熱器進行大循環。當冷卻液溫度在主閥門開始開啟溫度與完全開啟溫度之間時,主閥門和副閥門均部分開啟,在整個冷卻系統內,一部分冷卻液進行大循環,另一部分冷卻液進行小循環。2024/10/1033

4.節溫器（4）電控節溫器

傳統的節溫器控制冷卻液大小循環的路線，節流損失大，工作不可靠，工作效率低，不能根據發動機的散熱要求準確地調節冷卻系統的散熱能力，而電控節溫器利用電加熱引起雙金屬片變形，由雙金屬片變形帶動節溫閥旋轉運動，來改變大小循環，可用于對發動機冷卻能力的智能控制。2024/10/1034

2024/10/10第三節風冷卻系統35一、風冷卻系統的特點

風冷卻系統與水冷卻系統比較具有以下特點：①零件少，結構簡單，整機質量較小。③不用冷卻水，因而無漏水、冰凍、結垢等故障，使用維修比較方便。③對地區環境變化的適應性好，適于缺水地區使用。對于渦輪增壓、中冷風冷柴油機，更適于高溫、嚴寒、沙漠、森林、高原等地區使用。④啟動時，暖機快，氣缸套磨損小。2024/10/10⑤由于沒有水套吸音，再加上散熱片和導風罩的振動及風扇的圓周速度高，風冷內燃機運轉時噪聲較大。⑥由于金屬與空氣的傳熱系數大大低于金屬與水的傳熱系數，所以風冷內燃機的熱負荷較高，內燃機工作的可靠性差。⑦風扇消耗功率較大，充氣系數較低，因此在其他條件相同時，風冷內燃機輸出的有效功率要比水冷內燃機低。2024/10/103637

風冷卻是采用空氣作為冷卻介質。高速流動的空氣直接將高溫零件的熱量帶走，使內燃機在最適宜的溫度下工作。風冷卻系統主要由散熱片、風扇、導風罩和分流板等組成，如圖8-12所示。

風冷卻系統常采用風量較大、風壓較低的軸流式風扇，它通過三角皮帶由曲軸驅動，高速旋轉產生強烈氣流，經風機導流罩將氣流集中導向內燃機，分流板使氣流均勻地分流到各缸，經氣缸導風罩排出。氣缸體和氣缸蓋的表面均布滿散熱片，加大了散熱面積，增強了冷卻效果。2024/10/10二、風冷卻系統的組成38

V形風冷內燃機上，軸流式風扇一般布置在內燃機前端兩排氣缸夾角中間，如圖所示。

在單缸或雙缸小型風冷內燃機上，為簡化結構，降低制造成本，常采用離心式風扇，安裝在飛輪上或與飛輪鑄成一體，稱為飛輪風扇。如圖8-14所示，空氣由進風口軸向吸入，從風扇蝸殼流出的氣流，由導風罩引向氣缸和氣缸蓋進行冷卻。2024/10/1039三、風冷卻系統的布置

風冷卻系統按引風方式的不同，有吹風冷卻和吸風冷卻兩種形式。風扇安裝在氣缸進風側（即吹進冷卻空氣的一側）為吹風冷卻。風扇安裝在氣缸出風側為吸風冷卻。前者氣缸的溫度較低，所需風扇壓力也較低（低12％～20％），且驅動風扇的功率較小（低1.12％～20％），因此除少數特殊要求（少數坦克用風冷式內燃機因總體布置關系）采用吸風冷卻外，通常采用吹風冷卻。2024/10/10第三節風冷卻系統40四、風冷卻系統的風量調節

1.改變風扇轉速法

風扇轉速提高，風量增加，冷卻加強。反之冷卻減弱。在熱負荷較低時，降低風扇轉速，既節省了風扇消耗的功率，又降低了風扇運轉時的噪聲，因而是一種較好的調節冷卻強度的方法。

改變風扇轉速的方法主要有兩種：①對于機械式傳動的風扇，可通過變換風扇皮帶輪直徑或傳動齒輪齒數來改變風扇傳動比。該方法簡單，但不易實現自動無級變速。主要用于地區性或季節性調節。②對于液力式傳動的風扇，一般采用液力偶合器傳動來實現風扇的無級調速。它是利用裝在排氣管或排風口處的感溫元件（溫度閥），控制進入液力偶合器中的充油量，控制風扇轉速調節。2024/10/10第三節風冷卻系統41

2.冷卻風扇的風量節流控制法