汽油機(jī) 柴油機(jī) 冷卻系統(tǒng).doc

第06章 冷卻系統(tǒng)教案1.授課時(shí)間2.授課方式 多媒體3.授課題目 冷卻系統(tǒng)4.教學(xué)內(nèi)容 要求掌握冷卻系統(tǒng)基本構(gòu)造與工作原理5.教學(xué)重點(diǎn) 節(jié)溫器 風(fēng)扇離合器6.思考題l 水冷卻系統(tǒng)中為什么要裝節(jié)溫器？ l 發(fā)動(dòng)機(jī)為什么要冷卻？最佳水溫范圍一般是多少？ l 冷卻系統(tǒng)中水溫過高或水溫過低有哪些原因？7.參考資料汽車構(gòu)造 陳家瑞 主編 機(jī)械工業(yè)出版社汽車構(gòu)造 關(guān)文達(dá) 主編 清華大學(xué)出版社內(nèi)燃機(jī)學(xué) 周龍保 主編 機(jī)械工業(yè)出版社8.課后小節(jié)第06章 冷卻系統(tǒng)講稿第一節(jié) 概述1.作用冷卻系統(tǒng)(cooling system)的主要功用是把受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。 2.分類冷卻系統(tǒng)按照冷卻介質(zhì)不同可以分為風(fēng)冷和水冷，如果把發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫零件的熱量直接散入大氣而進(jìn)行冷卻的裝置稱為風(fēng)冷系。而把這些熱量先傳給冷卻水，然后再散入大氣而進(jìn)行冷卻的裝置稱為水冷系。由于水冷系冷卻均勻，效果好，而且發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音小，目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛采用的是水冷系。第二節(jié) 水冷系的組成和水路1.組成水冷卻系統(tǒng)是以水作為冷卻介質(zhì)，把發(fā)動(dòng)機(jī)受熱零件吸收的熱量散發(fā)到大氣中去。目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的水冷系大都是強(qiáng)制循環(huán)式水冷系，利用水泵強(qiáng)制水在冷卻系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。它由散熱器(radiator)、水泵(water pump)、風(fēng)扇(fan)、冷卻水套(water jacket)和溫度調(diào)節(jié)裝置等組成。2.水路散熱器內(nèi)的冷卻水經(jīng)水泵加壓后通過分水管壓送到氣缸體水套和氣缸蓋水套內(nèi)，冷卻水在吸收了機(jī)體的大量熱量后經(jīng)氣缸蓋出水孔流回散熱器。由于有風(fēng)扇的強(qiáng)力抽吸，空氣流由前向后高速通過散熱器。因此，受熱后的冷卻水在流過散熱器芯的過程中，熱量不斷地散發(fā)到大氣中去，冷卻后的水流到散熱器的底部，又被水泵抽出，再次壓送到發(fā)動(dòng)機(jī)的水套中，如此不斷循環(huán)，把熱量不斷地送到大氣中去，使發(fā)動(dòng)機(jī)不斷地得到冷卻。第三節(jié) 水冷系主要部件的構(gòu)造散熱器(radiator)功用：增大散熱面積，加速水的冷卻。冷卻水經(jīng)過散熱器后，其溫度可降低10-15，為了將散熱器傳出的熱量盡快帶走，在散熱器后面裝有風(fēng)扇與散熱器配合工作。 結(jié)構(gòu):散熱器又稱為水箱，由上貯水室、散熱器芯和下貯水室等組成。散熱器上水貯室頂部有加水口，冷卻水由此注入整個(gè)冷卻系統(tǒng)并用散熱器蓋蓋住。在上貯水室和下貯水室分別裝有進(jìn)水管和出水管，進(jìn)水管和出水管分別用橡膠軟管和氣缸蓋的出水管和水泵的進(jìn)水管相連，這樣，既便于安裝，而且當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器之間產(chǎn)生少量位移時(shí)不會(huì)漏水。在散熱器下面一般裝有減震墊，防止散熱器受振動(dòng)損壞。在散熱器下貯水室的出水管上還有放水開關(guān)，必要時(shí)可將散熱器內(nèi)的冷卻水放掉。 散熱器芯由許多冷卻水管和散熱片組成，對(duì)于散熱器芯應(yīng)該有盡可能大的散熱面積，采用散熱片是為了增加散熱器芯的散熱面積。散熱器芯的構(gòu)造形式有多樣，常用的有管片式和管帶式兩種。管片式散熱器芯冷卻管的斷面大多為扁圓形，它連通上、下貯水室，是冷卻水的通道。和圓形斷面的冷卻管相比，不但散熱面積大，而且萬一管內(nèi)的冷卻水結(jié)冰膨脹，扁管可以借其橫斷面變形而避免破裂。采用散熱片不但可以增加散熱面積，還可增大散熱器的剛度和強(qiáng)度。這種散熱器芯強(qiáng)度和剛度都好，耐高壓，但制造工藝較復(fù)雜，成本高。 管帶式散熱器芯采用冷卻管和散熱帶沿縱向間隔排列的方式，散熱帶上的小孔是為了破壞空氣流在散熱帶上形成的附面層，使散熱能力提高。這種散熱器芯散熱能力強(qiáng)，制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，但結(jié)構(gòu)剛度不如管片式大，一般多為轎車發(fā)動(dòng)機(jī)采用，近年來在一些中型車輛上也開始采用。對(duì)散熱器的要求是，必須有足夠的散熱面積，而且所有材料導(dǎo)熱性能要好，因此，散熱器一般用銅或鋁制成。 目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)多采用閉式水冷系，這種冷卻系統(tǒng)的散熱器蓋具有自動(dòng)閥門，發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)工作正常時(shí)，閥門關(guān)閉，將冷卻系統(tǒng)與大氣隔開。防止水蒸汽逸出，使冷卻系統(tǒng)內(nèi)的壓力稍高于大氣壓力，從而可增高冷卻水的沸點(diǎn)。在冷卻水系內(nèi)壓力過高或過低時(shí)，自動(dòng)閥門則開啟以使冷卻系統(tǒng)與大氣相通。目前閉式水冷系廣泛采用具有空氣-蒸汽閥的散熱器蓋，如圖6-7。一般情況下，兩閥借彈簧關(guān)閉。當(dāng)散熱器中壓力升高到一定值(約為0.026-0.037Mpa)時(shí)，蒸汽閥開啟；水溫下降，當(dāng)冷卻系統(tǒng)中產(chǎn)生的真空度達(dá)一定值(約為0.01時(shí)-0.02Mpa)時(shí)，空氣閥開啟。對(duì)于加注防銹，防凍液的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，為了減少冷卻液的損失，保證冷卻系統(tǒng)的正常工作，采用散熱器副水箱結(jié)構(gòu)。副水箱的上方用一根軟管通大氣，另一根軟管與散熱器的溢流管相連。當(dāng)散熱器內(nèi)蒸汽壓力升高到某一值時(shí)，其蓋上的壓力閥打開，冷卻液通過壓力閥通過溢流管進(jìn)入副水箱；當(dāng)溫度下降時(shí)，冷卻液又從副水箱通過真空閥流回到散熱器內(nèi)部。這樣可以防止冷卻水損失。副水箱內(nèi)部印有兩條液面高度標(biāo)記線，副水箱內(nèi)的液面高度應(yīng)位于這兩種刻線之間。風(fēng)扇(fan)功用：提高通過散熱器芯的空氣流速，增加散熱效果，加速水的冷卻。風(fēng)扇通常安排在散熱器后面，并與水泵同軸。當(dāng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)空氣產(chǎn)生抽吸作用，使之沿軸向流動(dòng)。空氣流由前向后通過散熱器芯，使流經(jīng)散熱器芯的冷卻水加速冷卻。 車用發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇有兩種形式，軸流式和離心式。軸流式風(fēng)扇所產(chǎn)生的風(fēng)，其流向與風(fēng)扇軸平行；離心式風(fēng)扇所產(chǎn)生的風(fēng)，其流向?yàn)閺较?。軸流式風(fēng)扇效率高，風(fēng)量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布置方便。因而在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。水泵(water pump)功用：對(duì)冷卻水加壓，加速冷卻水的循環(huán)流動(dòng)，保證冷卻可靠。車用發(fā)動(dòng)機(jī)上多采用離心式水泵，離心式水泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、排水量大、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。離心式水泵主要由泵體、葉輪和水泵軸組成，輪葉一般是徑向或向后彎曲的，其數(shù)目一般為69片。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，水泵中的水被葉輪帶動(dòng)一起旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，水被甩向葉輪邊緣，然后經(jīng)外殼上與葉輪成切線方向的出水管壓送到發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)。與此同時(shí)，葉輪中心處的壓力降低，散熱器中的水便經(jīng)進(jìn)水管被吸進(jìn)葉輪中心部分。如此連續(xù)的作用，使冷卻水在水路中不斷地循環(huán)。如果水泵因故停止工作時(shí)，冷卻水仍然能從葉輪葉片之間流過，進(jìn)行熱流循環(huán)，不致于很快產(chǎn)生過熱。4.冷卻強(qiáng)度調(diào)節(jié)裝置 冷卻強(qiáng)度調(diào)節(jié)裝置是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況和不同使用條件，改變冷卻系統(tǒng)的散熱能力，即改變冷卻強(qiáng)度，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在最有利的溫度狀態(tài)下工作。改變冷卻強(qiáng)度通常有兩種調(diào)節(jié)方式，一種是改變通過散熱器的空氣流量；另一種是改變冷卻液的循環(huán)流量和循環(huán)范圍。 (1)改變通過散熱器的空氣流量 通常利用百葉窗(fan blind)和各種自動(dòng)風(fēng)扇離合器(fan clutch)來實(shí)現(xiàn)改變通過散熱器的空氣流量。百葉窗是調(diào)節(jié)空氣流量并防止冬季凍壞水箱，多用人工調(diào)節(jié)，也有采用自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的。風(fēng)扇離合器是置于風(fēng)扇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的離合機(jī)構(gòu),可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度自動(dòng)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)扇風(fēng)量以達(dá)到改變通過散熱器的空氣流量，它不僅能減少發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失，節(jié)省燃油，而且還能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲。常見的風(fēng)扇離合器形式有硅油風(fēng)扇離合器、機(jī)械式風(fēng)扇離合器、電磁風(fēng)扇離合器及液力偶合器等。硅油風(fēng)扇離合器應(yīng)用的比較廣泛。硅油風(fēng)扇離合器硅油風(fēng)扇離合器由主動(dòng)板、從動(dòng)板、雙金屬感溫器及殼體等構(gòu)成。風(fēng)扇裝于殼體上。從動(dòng)板與殼體之間的空間為工作腔，從動(dòng)板與前蓋之間為貯油腔，硅油存于其中。從動(dòng)板上有進(jìn)油孔，由感溫閥片和雙金屬感溫器控制。從動(dòng)板外緣有一個(gè)由球閥控制的回油孔。冷卻水溫較低時(shí)，通過散熱器的空氣溫度不高，進(jìn)油孔關(guān)閉，貯油腔的硅油不能進(jìn)入工作腔，離合器分離。冷卻水溫較高時(shí)，雙金屬感溫器受熱變形，從而帶動(dòng)閥片軸和閥片轉(zhuǎn)過一定角度，將進(jìn)油孔打開，硅油進(jìn)入工作腔，由于硅油粘度大，主動(dòng)板通過硅油帶動(dòng)殼體和風(fēng)扇一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速迅速升高。 (2)改變通過散熱器的冷卻水的流量 通常利用節(jié)溫器(thermostat)來控制通過散熱器冷卻水的流量。節(jié)溫器裝在冷卻水循環(huán)的通路中(一般裝在氣缸蓋的出水口)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大小和水溫的高低自動(dòng)改變水的循環(huán)流動(dòng)路線，以達(dá)到調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度。節(jié)溫器有蠟式和乙醚膨脹筒式兩種，目前多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)采用蠟式節(jié)溫器。蠟式節(jié)溫器蠟式節(jié)溫器在橡膠管和感應(yīng)體之間的空間里裝有石蠟，為提高導(dǎo)熱性，石蠟中常摻有銅粉或鋁粉。常溫時(shí)，石蠟呈固態(tài)，閥門壓在閥座上。這時(shí)閥門關(guān)閉通往散熱器的水路，來自發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋出水口的冷卻水，經(jīng)水泵又流回氣缸體水套中，進(jìn)行小循環(huán)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫升高時(shí)，石蠟逐漸變成液態(tài)，體積隨之增大，迫使橡膠管收縮，從而對(duì)反推桿上端頭產(chǎn)生向上的推力。由于反推桿上端固定，故反推桿對(duì)橡膠管、感應(yīng)體產(chǎn)生向下反推力，閥門開啟，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫達(dá)到80以上時(shí)，閥門全開，來自氣缸蓋出水口的冷卻水流向散熱器，而進(jìn)行大循環(huán)。 膨脹筒式節(jié)溫器膨脹筒式節(jié)溫器是由具有彈性的、折疊式的密閉圓筒(用黃銅制成)，內(nèi)裝有易于揮發(fā)的乙醚。主閥門和側(cè)閥門隨膨脹筒上端一起上下移動(dòng)。膨脹筒內(nèi)液體的蒸氣壓力隨著周圍溫度的變化而變化，故圓筒高度也隨溫度而變化。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在正常熱狀態(tài)下工作時(shí)，即水溫高于80，冷卻水應(yīng)全部流經(jīng)散熱器，形成大循環(huán)。此時(shí)節(jié)溫器的主閥門完全開啟，而側(cè)閥門將旁通孔完全關(guān)閉；當(dāng)冷卻水溫低于70時(shí)，膨脹筒內(nèi)的蒸汽壓力很小，使圓筒收縮到最小高度。主閥門壓在閥座上，即主閥門關(guān)閉，同時(shí)側(cè)閥門打開，此時(shí)切斷了由發(fā)動(dòng)機(jī)水套通向散熱器的水路，水套內(nèi)的水只能由旁通孔(bypass hole)流出經(jīng)旁通管進(jìn)入水泵，又被水泵壓入發(fā)動(dòng)機(jī)水套，此時(shí)冷卻水并不流經(jīng)散熱器，只在水套與水泵之間進(jìn)行小循環(huán)，從而防止發(fā)動(dòng)機(jī)過冷，并使發(fā)動(dòng)機(jī)迅速而均勻地?zé)崞饋?；?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫在70-80范圍內(nèi)，主閥門和側(cè)閥門處于半開閉狀態(tài)，此時(shí)一部分水進(jìn)行大循環(huán)，而另一部分水進(jìn)行小循環(huán)。風(fēng)冷卻系統(tǒng)風(fēng)冷卻系統(tǒng)是利用高速空氣流直接吹過氣缸蓋和氣缸體的外表面，把從氣缸內(nèi)部傳出的熱量散發(fā)到大氣中去，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的溫度范圍內(nèi)工作。 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸和氣缸蓋采用傳熱較好的鋁合金鑄成，為了增大散熱面積各缸一般都分開制造，在氣缸和氣缸蓋表面分布許多均勻排列的散熱片，以增大散熱面積，利用車輛行駛時(shí)的高速空氣流，把熱量吹散到大氣中去。 由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率較大，需要冷卻的熱量較多，多采用功率、流量較大的軸流式風(fēng)扇以加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻。為了有效地利用空氣流和保證各缸冷卻均勻，在發(fā)動(dòng)機(jī)上裝有導(dǎo)流罩和分流板和氣缸導(dǎo)流罩。 雖然風(fēng)冷卻系統(tǒng)與水冷卻系統(tǒng)比較，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、故障少，無需特殊保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是由于材料質(zhì)量要求高，冷卻不夠均勻，工作噪音大等缺點(diǎn)，目前在汽車上很少使用。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器。在可燃混合氣的燃燒過程中，氣缸內(nèi)氣體溫度高達(dá)2073-2375K，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，必須對(duì)這些在高溫條件下工作的機(jī)件加以適度地冷卻。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)包括了水泵、冷卻風(fēng)扇散熱器及相關(guān)組件。其中冷卻風(fēng)扇將消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率的5-8左右，最大時(shí)約占發(fā)動(dòng)機(jī)功率的10。為了降低風(fēng)扇功率消耗，減少噪聲和磨損，防止發(fā)動(dòng)機(jī)過冷，降低污染，節(jié)約燃料，目前的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上多采用風(fēng)扇離合器來驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。自博格華納于上世紀(jì)發(fā)明世界上第一臺(tái)硅油風(fēng)扇離合器以來，冷卻風(fēng)扇的節(jié)能技術(shù)逐漸被提上議程并被各大OEM廠商所關(guān)注。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的發(fā)展主要經(jīng)歷了固定風(fēng)扇硅油離合器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電子控制型硅油離合器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的歷程。電子控制型離合器不同于傳統(tǒng)的雙金屬感溫控制模式直接讀取發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊ECU信號(hào)，由離合器內(nèi)部電磁閥根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各部位溫度傳感器所提供的信息控制冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。從而達(dá)到更為精確、迅速的反應(yīng)。在降低系統(tǒng)噪音節(jié)約能耗方面比同類感溫產(chǎn)品有著顯著的提高。電子硅油離合器主要應(yīng)用在歐3排放及以上的高檔大型客車、卡車及部分工程機(jī)械車輛。圖1左側(cè)為雙金屬感溫式離合器的熱信號(hào)傳遞過程。冷卻液經(jīng)過散熱器，并與流經(jīng)散熱器的冷氣流進(jìn)行熱交換。感溫式離合器前端的雙金屬片在感受到氣流溫度后開始產(chǎn)生形變，并驅(qū)動(dòng)離合器內(nèi)部的閥片打開或關(guān)閉離合器，從而達(dá)到控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的目的。圖1右側(cè)則為電子控制型硅油離合器的控制信號(hào)線路。安裝在散熱器內(nèi)的溫度傳感器直接感受冷卻液的溫度，并傳送至發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU，ECU經(jīng)邏輯模塊判斷后，發(fā)出相應(yīng)的PWM信號(hào)，PWM控制電子硅油離合器內(nèi)的螺線管開關(guān)，驅(qū)動(dòng)離合器內(nèi)部的閥片打開或關(guān)閉離合器。據(jù)博格華納熱能系統(tǒng)歐洲技術(shù)中心測(cè)試，采用電子控制硅油風(fēng)扇離合器技術(shù)的冷卻系統(tǒng)，與固定風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)相比，可減少消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率4.2，與采用傳統(tǒng)雙金屬感溫硅油離合器技術(shù)的冷卻系統(tǒng)相比，可減少消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率1.2。更快的反映速度，更精確的控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，更低的功率，更高效的燃油經(jīng)濟(jì)性，更具挑戰(zhàn)的系統(tǒng)布局適應(yīng)性，這一切將開啟汽車?yán)鋮s系統(tǒng)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)技術(shù)新的篇章。簡(jiǎn)介：1.采用風(fēng)扇離合器的目的:風(fēng)扇是發(fā)動(dòng)機(jī)功率的消耗者，最大時(shí)約為發(fā)動(dòng)機(jī)功率的10。為了降低風(fēng)扇功率消耗，減少噪聲和磨損，防止發(fā)動(dòng)機(jī)過冷，降低污染，節(jié)約燃料，多采用風(fēng)扇離合器。2.硅油風(fēng)扇離合器的結(jié)構(gòu)硅油風(fēng)扇離合器由前蓋、殼體、主動(dòng)板、從動(dòng)板、閥片、主動(dòng)軸、雙金屬感溫器、閥片軸、軸承、風(fēng)扇等組成。如下圖所示。前蓋、殼體和從動(dòng)板用螺釘組成一體，通過軸承裝在主動(dòng)軸上。風(fēng)扇裝在殼體上。從動(dòng)板與前蓋之間的空腔為貯油腔，其內(nèi)裝有硅油(油面低于軸中心線)，從動(dòng)板與殼體之間的空腔為工作腔。主動(dòng)板與主動(dòng)軸固定連接，主動(dòng)軸與水泵軸連接。從動(dòng)板上有進(jìn)油孔A，平時(shí)由閥片關(guān)閉，若偏轉(zhuǎn)閥片，則進(jìn)油孔即可打開。閥片的偏轉(zhuǎn)螺旋雙金屬感溫器控制，從動(dòng)板上有凸臺(tái)限制閥片最大偏轉(zhuǎn)角。雙金屬感溫器的外端固定在前蓋上，內(nèi)端卡在閥片軸的槽內(nèi)。從動(dòng)板外緣有回油孔B，中心有漏油孔C，以防靜態(tài)時(shí)從閥片軸周圍泄漏硅油。3.硅油風(fēng)扇離合器的工作原