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    發動機冷卻系統的構成與原理
    作者: 本站 來源: 本站 時間:2014年07月31日 字體:[] 留言

    冷卻系統的構成

    冷卻系統由冷卻液、散熱器、儲水箱、冷卻風扇、冷卻風扇電子控制裝置、冷卻水泵、節溫器、水溫傳感器、水套、管路、百葉窗等部件以及其他附屬裝置構成。見圖1。

    各部件的用途與工作原理

    1)  冷卻液

    常用的冷卻液有水、添加了可提高沸點并降低冰點成分的防凍液等兩種。

    水的成本低,易于獲取。但沸點低、易蒸發,需要經常添加。一些貨車經常在夏天采用水作為冷卻液。未經處理的河水、井水含有較多礦物質,在高溫下產生水垢,以致堵塞水道,影響循環速度,甚至阻礙某些部件的正常工作,所以不宜采用,而應采用經過處理的軟水(已濾除雜質、礦物質的水)。另外,在寒冷地區的冬季,水會結冰,可能脹裂機體、氣缸蓋,引起發動機損毀事故。

    常用的防凍液添加了乙二醇,例如,某種車型的防凍液構成為:乙二醇的質量占45.6%,水的質量占54.4%,其冰點在-25℃以下,沸點在106℃以上。不同發動機配用的防凍液的冰點和沸點有所不同。有的防凍液還添加了防銹劑、泡沫抑制劑,有利于減輕冷卻系統中的金屬銹蝕和冷卻液的泡沫產生。

    顯然,采用防凍液更有利于保護發動機,并提高燃油效率。

    注:由于早期汽車的冷卻液是水,因此,冷卻液習慣成為冷卻水,冷卻液的溫度稱為水溫,用于給冷卻液散熱的散熱器稱為水箱。

    2)  散熱器

    散熱器,又稱為水箱,由上水室、散熱器芯和下水室組成。見圖2。

    散熱器用來增大散熱面積,加速冷卻液的冷卻。冷卻液經過散熱器后,溫度可降低10℃~15℃。

        一些車型的散熱器上裝有散熱器蓋,其作用是密封冷卻系統并調節冷卻系統壓力。散熱器蓋設有自動閥門(包括蒸汽閥和真空閥),水溫正常時,閥門關閉,將冷卻液與大氣隔開,防止冷卻液蒸發;當水溫升高,蒸汽壓力升到某一上限值時,蒸汽閥打開,讓蒸汽逸出,防止散熱器脹裂;當水溫降低,導致散熱器內部壓力下降至某一下限值時,真空閥打開,讓外部空氣進入散熱器,防止散熱器內產生真空而引起變形。


    3)  儲水箱

    儲水箱又稱補償水箱、膨脹水箱,用于對散熱器的冷卻液進行自動補償和水汽分離,其樣式見圖3。儲水箱用透明塑料制成,安裝位置稍高于散熱器頂面。儲水箱上部通過水套出氣管和散熱器出氣管,分別于缸蓋水套和散熱器上水室相通;儲水箱下部通過補償水管與旁通管相通。發動機工作時,在散熱器及發動機的水套內產生的蒸汽通過出氣管進入儲水箱內冷凝成液體,起到水汽分離的作用,當水溫降低時,散熱器內產生真空,儲水箱中的冷卻液通過補償水管被吸入散熱器或缸體水套中,對散熱器的冷夜起自動補償作用。儲水箱不能加滿,其上部必須留有一定的空間,以便給冷卻液膨脹及蒸汽冷凝提供容積。

    4)  冷卻風扇

    冷卻風扇分傳動帶驅動式風扇和電動風扇兩種,傳動帶驅動式風扇由發動機提供動力,經皮帶拖動,其轉速與發動機轉速成正比,故轉速變化范圍大,但散熱能力較大,主要用于中型以上汽車,其結構參見圖4;電動風扇由電能(蓄電池與發電機)驅動,轉速相對恒定,便于控制,但散熱能力較小,主要用于小型車,包括轎車和微型車,樣式參見圖2。

    對于傳動帶驅動式風扇而言,如果不采取措施控制轉速,其散熱能力常常不能與發動機冷卻需求相匹配,例如,發動機低轉速、大負荷運行時,需要散發的熱量很大,而此時水泵和風扇的轉速卻不高;相反,發動機在高轉速、中等負荷運行時,需要散發的熱量較低,而此時水泵和風扇的轉速卻很高。為此,需要在傳動帶驅動式風扇中配置風扇離合器。常見的離合器有硅油風扇離合器、電磁式離合器。硅油風扇離合器通過感溫器等零件改變工作腔的硅油量,由于硅油黏度很高,可以作為傳遞動力的介質,高溫時硅油從儲油腔進入工作腔,離合器閉合,風扇被帶動,進入工作腔的硅油越多,風扇的轉速越高;低溫時硅油從工作腔進入儲油腔,離合器分離,風扇維持靜止。電磁離合器通過控制電磁線圈的電流通斷,來控制離合器的閉合與分離的,冷卻液溫度達到節溫器開啟溫度后,控制電磁離合器電磁線圈的開關導通,電磁線圈通電,產生磁力,離合器閉合,風扇運轉;當溫度降到節溫器關閉的溫度時,控制電磁離合器電磁線圈的開關斷開,電磁線圈斷電,磁力消失,離合器分離,風扇停轉。

    電動風扇有低速、高速和雙速等三個品種。通常,轎車裝有一個低速風扇、一個高速風扇;而微型車則安裝一個雙速風扇,通過改變正極引線,來改變風扇轉速。

    5)  冷卻風扇電子控制裝置

    冷卻風扇控制裝置是用于電動風扇控制的電子裝置,由水溫傳感器、發動機電子控制單元(ECU)、繼電器及相關線路構成,其中水溫傳感器安裝在氣缸蓋水套中,用來采集發動機水溫信號,ECU根據水溫信號、空調工作狀態等參數,給繼電器發出控制信號,繼電器根據ECU的控制信號,接通或斷開風扇電源,或者控制雙速風扇的低速擋、高速擋運轉。

    近年來,一些車型為了提高燃油效率,采用半導體功率器件代替繼電器,對電動風扇進行控制,這種控制方式的控制精度較高,因而水溫的波動范圍較小。

    6)  冷卻水泵

    水泵用于給冷卻液加壓,以加速冷卻液的循環,提高散熱能力。水泵安裝在發動機前端。發動機水泵一般為離心式,其原理圖見圖5,這種水泵的結構簡單、尺寸小、排水量大;水泵因故停止工作時,冷卻液仍然可以從葉輪之間流過,進行自然循環,不至于使水溫上升過快。

    7)  節溫器

    節溫器用來控制流過散熱器的冷卻液流量。節溫器一般安裝在氣缸蓋的出水口處。其結構見圖6。

    發動機水溫達到某一設定值后,節溫器主閥開始開啟,但這時并未達到完全開啟的程度,當溫度繼續上升,達到另一溫度后,主閥完全打開,副閥完全關閉。不同車型的節溫器主閥開啟溫度不同,通常貨車節溫器主閥的開啟溫度要低一些,而轎車的節溫器主閥的開啟溫度要高一些。例如解放CA6102發動機節溫器主閥開始開啟溫度為76℃,完全開啟溫度為86℃;桑塔納JV型發動機節溫器主閥開始開啟溫度為85℃,完全開啟溫度為105℃。節溫器的開啟狀態參見圖7。圖7a)為主閥關閉、副閥打開的情形;圖7b)為主閥打開、副閥關閉的情形。

    水溫在節溫器主閥開啟溫度以下時,冷卻液不能進入散熱器,從發動機氣缸蓋出水口流出的冷卻液被水泵重新壓入發動機水套中,避免了熱量損失,以確保潤滑油的流動性和燃油的霧化性符合發動機正常工作的要求。這種冷卻液的循環路線稱為小循環,見圖8a)。小循環出現在發動機起動初期以及氣溫較低的工作環境下。

    水溫上升至節溫器主閥開啟溫度后,節溫器主閥開始開啟,溫度再上升時,主閥完全打開,而副閥則徹底關閉,來自氣缸蓋出水口的高溫冷卻液經節溫器主閥,進入散熱器進行冷卻,之后再由水泵壓入發動機的水套中,以確保發動機機體處于安全適宜的溫度。這種冷卻液的循環路線稱為大循環,見圖 8b)。大循環出現在發動機起動一段時間后。

    當發動機水溫處于小循環與大循環的溫度范圍之間時,主閥和副閥都部分開啟,冷卻液的小循環與大循環同時進行。

    8)  發動機水套

    水套是氣缸體和氣缸蓋中用于冷卻液流動以帶走熱量的空間。水套的結構見圖9。

    9)  連接管路

    連接管路采用耐高溫的橡膠制成,用于連接水套、節溫器、散熱器、水泵、儲水箱等部件。

    10)  百葉窗

    有的車型(主要是大型車)冷卻系統還包括百葉窗,用于減少流經散熱器的空氣量,緩解冷卻液的溫度下降速度。百葉窗裝在散熱器前面,一般利用手動操縱裝置調整開度,也有采用自動調節裝置的。由于減少百葉窗開度會增大空氣的阻力,不利于散熱器散熱,因此嚴冬時才調小其開度,夏季則需維持其最大開度。

     

    申明:本文僅供對發動機冷卻系統感興趣的瀏覽者參考,如有謬誤,懇請批評。

     

    郴州市金通電器有限公司技術部  2014-7-31

     

    本文由本公司技術部編寫,主要內容(包括文字和圖片),摘錄自以下文獻:

    1)《汽車發動機構造及原理》,尉慶國、蘇鐵熊、董小瑞主編,國防工業出版社 ,20126月第1版。

    2)《車用內燃機》,孫業保主編,北京理工大學出版社,199710月第1版。

    3)《汽車發動機機械系統檢修》,楊連福、劉毅主編,人民郵電出版社,20141月第1版。

    4)《柴油發動機構造與原理》,黃瑋編,科學出版社,200910月第1版。







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