汽車發(fā)動機冷卻系介紹

1、汽車發(fā)動機冷卻系1什么叫冷卻系？ 內(nèi)燃機是將燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的裝置，在內(nèi)燃機不斷地工作中，其燃料燃燒的溫度達2000 以上，為保證機械連續(xù)有效地工作，必須對相應(yīng)部件采取冷卻措施，尤其是其氣缸周圍更為重要。對發(fā)動機進行冷卻必須由一系列零、部件協(xié)調(diào)工作來完成，其通常稱為冷卻系。冷卻系的作用保證機件的正常溫度，機械強度及合理間隙保證燃燒室正常溫度，避免異常燃燒，優(yōu)化性能2冷卻系的作用保持發(fā)動機在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作。 發(fā)動機工作時，由于燃料的燃燒，氣缸內(nèi)氣體溫度高達2200K2800K(19272527)，大約1/3做功轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，其余大部分隨 廢氣排出，其余則被發(fā)動機零件吸收，使發(fā)動機

2、零部件溫度升高，特別是直接與高溫氣體接觸的零件，若不及時冷卻，則難以保證發(fā)動機正常工作。保證發(fā)動機在所有工況下在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作。既要防止發(fā)動機夏天過熱，又要防止發(fā)動機冬季過冷。在冷啟動時還要保證發(fā)動機能迅速升溫，盡快達到正常的工作溫度。 3發(fā)動機的熱平衡燃料放出的熱量活塞動力的熱量輸出功的熱量30%廢氣排出熱量35氣缸壁傳出熱量30其它熱量54發(fā)動機過熱或過冷的危害1.發(fā)動機過熱的危害 1)降低充氣效率，使發(fā)動機功率下降； 2)早燃和爆燃的傾向加大，使零件因承受額外沖擊性負荷而造成早期損壞； 3)運動件的正常間隙（熱脹冷縮）被破壞，運動阻滯，磨損加劇，甚至損壞； 4)潤滑情況惡化，加劇

3、了零件的摩擦磨損； 5)零件的機械性能降低，導(dǎo)致變形或損壞。充氣效率：是指每一個進氣行程所吸入的空氣質(zhì)量與標準狀態(tài)下（1個大氣壓、20、密度為）占有氣缸活塞行程容積的干燥空氣質(zhì)量的比值。5發(fā)動機過熱或過冷的危害2.發(fā)動機過冷的危害 1)進入氣缸的混合氣(或空氣)溫度太低，可燃混合氣品質(zhì)差（霧化差），使點火困難或燃燒遲緩，導(dǎo)致發(fā)動機功率下降，燃料消耗量增加（熱量流失過多，燃油凝結(jié)流進曲軸箱）。 2)燃燒生成物中的水蒸汽易凝結(jié)成水而與酸性氣體形成酸類，加重了對機體和零件的侵蝕作用； 3)未汽化的燃料沖刷和稀釋零件表面(氣缸壁、活塞、活塞環(huán)等)上的油膜，使零件磨損加劇。 4)潤滑油黏度增大，流動性差

4、，造成潤滑不良，加劇機件磨損，增大功率消耗 。6發(fā)動機的冷卻方式根據(jù)所用冷卻介質(zhì)不同，可分為水冷式和風(fēng)冷式。 1.水冷式以水為冷卻介質(zhì)，熱量先由機件傳給水，靠水的流動把熱量帶走而后散入大氣中。散熱后的水再重新流回到受熱機件處。適當調(diào)節(jié)水路和冷卻強度，就能保持發(fā)動機的正常工作溫度。同時，還可用熱水預(yù)熱發(fā)動機，便于冬季起動。 2.風(fēng)冷式高溫零件的熱量直接散入大氣。 7水冷發(fā)動機的正常工作溫度 水冷式發(fā)動機保持正常工作，其冷卻水的溫度應(yīng)在353K363K(8090)之間。此時，氣缸壁溫度不超過473K573K(200300)；氣缸蓋、活塞頂部的溫度不超過573K673K(300400)；潤滑油的溫度

5、在343K363K(7090)，保證發(fā)動機具有較好的動力性、經(jīng)濟性和凈化性，使零件的運動和磨損正常。 8發(fā)動機水冷系的組成如今發(fā)動機多采用風(fēng)扇離合器結(jié)構(gòu)如：硅油風(fēng)扇離合器、電子風(fēng)扇離合器、電磁風(fēng)扇離合器等。空氣流9冷卻水和防凍液1. 冷卻水的選擇：使用軟水，即含礦物質(zhì)少的水。2. 防凍液(1). 作用：冬季，可在冷卻水中加入適量防凍液可以降低冰點。(2). 配成防凍液的材料：乙二醇或酒精(3). 使用乙二醇配制的注意點： 1）切勿用口吸 ； 2）乙二醇對橡膠有腐蝕作用； 3）乙二醇吸水性強，表面張力小； 4）切勿混入石油產(chǎn)品。10冷卻介質(zhì)循環(huán)路線大循環(huán)小循環(huán)水箱水泵分水管氣缸套節(jié)溫器水溫高于8

6、0走大循環(huán)水溫低于80走小循環(huán)空氣流大氣冷卻水11冷卻介質(zhì)循環(huán)路線12水泵結(jié)構(gòu)法蘭盤水泵殼體水泵軸連軸承水密封葉輪134JB1水泵零部件水封座泵體型腔144JB1水泵零部件水泵軸連軸承水泵軸連軸承密封端蓋154JB1水泵零部件水泵葉輪水泵法蘭盤164JB1水泵零部件水密封動環(huán)，多為陶瓷；碳化硅水密封靜環(huán)，多為石墨、碳化硅彈簧水封座，密封膠17水泵工作原理1.作用：對冷卻水加壓，使之在冷卻系中循環(huán)流動。 由于離心式水泵具有尺寸小，出水量大，結(jié)構(gòu)簡單，損壞后不妨礙水在冷卻系中自然循環(huán)的特點，故為強制循環(huán)式冷卻系普遍采用。常見的水泵在機體外安裝與風(fēng)扇同軸驅(qū)動，也有裝在機體內(nèi)(內(nèi)藏式)單獨驅(qū)動的。 2

7、.離心式水泵的工作原理 (1)壓水：如圖所示。當葉輪旋轉(zhuǎn)時，水泵中的水被葉輪帶動一起旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用，水被甩向葉輪邊緣，在蝸形殼體內(nèi)將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?，?jīng)外殼上與葉輪成切線方向的出水管被壓送到發(fā)動機水套內(nèi)。 (2)吸水：與壓水同時，葉輪中心處壓力降低，散熱器中的水便經(jīng)進水管3被吸進葉輪中心部分。 18水泵溢水孔的作用作為排氣孔，由于水密封在裝配時各配合面均屬于過盈配合，如不排氣將很難實現(xiàn)裝配。即使裝入，后期也極可能被密閉加壓的氣體頂出，從而造成水泵失效。作為觀察孔，觀察水泵是否漏水。作為排水孔，排出水泵漏出的水。如果溢水孔被堵死，泄漏的水就會進入軸承內(nèi)，破壞潤滑環(huán)境，嚴重的將會損壞軸承。溢

8、水孔19水泵的氣蝕一）、產(chǎn)生原因當水泵運行時，如果葉輪葉片入口處某局部的絕對壓力等于或低于所輸送液體溫度下的汽化壓力，液體便發(fā)生汽化，產(chǎn)生許多氣泡，氣泡內(nèi)將充滿蒸汽和液體中析出的氣體。這些氣泡隨著液體帶到葉輪高壓區(qū)，在高壓的作用下迅速凝結(jié)而破裂，在此同時，周圍的流體質(zhì)點以高速沖向原來氣泡占有的空間，質(zhì)點相互撞擊而形成高頻的局部水擊，壓力可高達上千兆帕。這種水擊會對金屬表面形成持續(xù)、反復(fù)的沖擊，導(dǎo)致金屬表面疲勞而破壞，這種破壞稱為機械剝蝕。20在氣泡破裂所釋放的凝結(jié)潛熱的助長下，原氣泡內(nèi)的活潑氣體又會對金屬產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用，加劇了材料的破壞。金屬表面在機械剝蝕和化學(xué)腐蝕的長期聯(lián)合作用下，會出現(xiàn)蜂

9、窩狀破壞，這種現(xiàn)象稱為汽蝕現(xiàn)象。二）、汽蝕對水泵產(chǎn)生的危害1、縮短泵的使用壽命：由于機械剝蝕和化學(xué)腐蝕使葉輪和蝸殼多處變得粗糙多孔，產(chǎn)生顯微裂紋，嚴重時出現(xiàn)蜂窩狀侵蝕，甚至產(chǎn)生空洞。水泵的氣蝕212、影響泵的性能：汽蝕發(fā)生時液體的汽化以及液體中氣體的析出，形成了大量氣泡，使液流的過流斷面面積減小，局部區(qū)域流速加大，并產(chǎn)生渦流，以致流動損失增大，嚴重還有可能出現(xiàn)斷流，因此汽蝕會導(dǎo)致泵的揚程和效率降低。3、產(chǎn)生振動和噪聲：汽蝕發(fā)生時，局部水擊會產(chǎn)生許多不同頻率范圍內(nèi)的噪聲，如果水擊的頻率和機組的固有頻率接近將會引起機組振動。機組的振由又會促使更多氣泡的產(chǎn)生和破滅。這種相互激勵，最后可能導(dǎo)致機組的強

10、烈振動，稱之為汽蝕共振。如果機組發(fā)生汽蝕共振必須緊急停止水泵運行水泵的氣蝕22水泵氣蝕的原因及處理方法氣蝕原因處理方法吸水管路堵塞清除雜物，保持吸水流道暢通原設(shè)計不合理優(yōu)化設(shè)計吸水管路水溫過高，超過吸入口壓力對應(yīng)的飽和溫度降低進水溫度泵的流道不光整，導(dǎo)致泵壓衰減修整泵的流道23氣蝕的計算氣蝕系數(shù)：氣蝕壓力：PQ 1 n PQ ；為水泵的體積流量m3/SH為水泵揚程 mn為水泵轉(zhuǎn)速r/min 1； 2為實驗確定的常數(shù) 1=1.1555 103 ； 2=-103當PQ 40KPa時，系統(tǒng)可穩(wěn)定工作24硅油風(fēng)扇離合器結(jié)構(gòu)25硅油風(fēng)扇離合器結(jié)構(gòu)110342567811121314159主動軸密封圈殼體

11、軸承主動盤十字螺釘雙頭螺栓蓋體分壓板出油口感溫圈閥銷軸密封圈閥片分壓板回油口儲油腔工作腔161726硅油風(fēng)扇離合器的作用及工作原理 風(fēng)扇是發(fā)動機功率的消耗者，最大時約為發(fā)動機功率的10%。為了降低風(fēng)扇功率消耗，減少噪聲和磨損，防止發(fā)動機過冷，降低污染，節(jié)約燃料，多采用風(fēng)扇離合器。 硅油風(fēng)扇離合器的使用條件：1、發(fā)動機前置2、發(fā)動機縱置3、發(fā)動機直接驅(qū)動 電磁風(fēng)扇離合器的使用條件：1、發(fā)動機直接驅(qū)動 電子風(fēng)扇離合器的使用條件： 電機驅(qū)動27硅油風(fēng)扇離合器的作用及工作原理當發(fā)動機冷起動或小負荷下工作時，冷卻水及通過散熱器的氣流溫度不高，出油孔（9）被閥片（13）關(guān)閉，工作腔內(nèi)殘存硅油，離合器處于分

12、離狀態(tài)。主動軸（1）轉(zhuǎn)動時，僅僅由于軸承（4）的摩擦和殘留硅油的粘性，使風(fēng)扇隨同殼體（3）在主動軸上空轉(zhuǎn)打滑，轉(zhuǎn)速極低。 (A)當發(fā)動機負荷增加時，冷卻水及通過散熱器的氣流溫度隨之升高，感溫器（10）受熱變形而帶動閥片軸（11）轉(zhuǎn)動。當流經(jīng)感溫器的氣流溫度超過 (65)時，出油孔（）被完全打開，于是硅油從儲油腔（16）進入工作腔（17）。主動盤（5）即利用硅油的粘性帶動殼體和風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。風(fēng)扇離合器處于嚙合狀態(tài)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速迅速提高。28硅油風(fēng)扇離合器的作用及工作原理(B)為了不使工作腔中硅油溫度過高而粘度下降，使硅油在殼體內(nèi)不斷循環(huán)。由于主動板轉(zhuǎn)速高于從動板（殼體），因此受離心力作用從主動板甩向工作

13、腔外緣的油壓力高，油液從工作腔經(jīng)回油孔（15）流向貯油腔，而貯油腔又經(jīng)出油孔及時向工作腔補充油液。為使硅油從工作腔流回貯油腔的速度加快，縮短風(fēng)扇脫開時間，在從動板的回油孔旁，有一個刮油突起部伸入工作腔縫隙內(nèi)，使回油一側(cè)壓力升高，回油加快。29硅油風(fēng)扇離合器的作用及工作原理(C) 當發(fā)動機負荷減小，流經(jīng)感溫器的氣流溫度低于(35)時，感溫器恢復(fù)原狀閥片將出油孔關(guān)閉，工作腔中的硅油繼續(xù)從回油孔流回貯油腔，直至甩空為止。風(fēng)扇離合器又回到分離狀態(tài)。30未來冷卻系的發(fā)展方向 隨著發(fā)動機采用更加緊湊的設(shè)計和具有更大的比功率，發(fā)動機產(chǎn)生的廢熱密度也隨之明顯增大。一些關(guān)鍵區(qū)域，如排氣門周圍散熱問題需優(yōu)先考慮，

14、冷卻系統(tǒng)即便出現(xiàn)小的故障也可能在這樣的區(qū)域造成災(zāi)難性的后果。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的散熱能力一般應(yīng)滿足發(fā)動機滿負荷時的散熱需求，因為此時發(fā)動機產(chǎn)生的熱量最大。然而，在部分負荷時，冷卻系統(tǒng)會發(fā)生功率損失，水泵所提供的冷卻液流量超過所需的流量。我們希望發(fā)動機冷啟動時間盡可能短。因為發(fā)動機怠速時排放的污染物較多，油耗也大。冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對發(fā)動機的冷啟動時間有較大的影響。31現(xiàn)代發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的特點 傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的作用是可靠地保護發(fā)動機，而還應(yīng)具有改善燃料經(jīng)濟性和降低排放的作用。為此，現(xiàn)代冷卻系統(tǒng)要綜合考慮下面的因素：發(fā)動機內(nèi)部的摩擦損失；冷卻系統(tǒng)水泵的功率；燃燒邊界條件，如燃燒室溫度、充量密度、充量溫度。

15、先進的冷卻系統(tǒng)采用系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計方法，統(tǒng)籌考慮每項影響因素，使冷卻系統(tǒng)既保證發(fā)動機正常工作，又提高發(fā)動機效率和減少排放。 未來冷卻系的發(fā)展方向32溫度設(shè)定點 發(fā)動機工作溫度的極限值取決于排氣門周圍區(qū)域最高溫度。最理想的情況是按金屬溫度而不是冷卻液溫度控制冷卻系統(tǒng)，這樣才能更好地保護發(fā)動機。由于冷卻系統(tǒng)設(shè)定的冷卻溫度是以滿負荷時最大散熱率為基礎(chǔ)，因此，發(fā)動機和冷卻系統(tǒng)在部分負荷時處于不太理想狀態(tài)，如市區(qū)行駛和低速行駛時，會產(chǎn)生高油耗和排放。通過改變冷卻液溫度設(shè)定點可改善發(fā)動機和冷卻系統(tǒng)在部分負荷時的性能。根據(jù)排氣門周圍區(qū)域溫度極限值，可升高或降低冷卻液或金屬溫度設(shè)定點。升高或降低溫度點都各有

16、特點，這取決于希望達到的目的。未來冷卻系的發(fā)展方向33提高溫度設(shè)定點 提高工作溫度設(shè)定點是一種比較受歡迎的方法。提高溫度有許多優(yōu)點，它直接影響發(fā)動機損耗和冷卻系統(tǒng)的效果以及發(fā)動機排放物的形成。提高工作溫度將提高發(fā)動機機油溫度，降低發(fā)動機摩擦磨損，降低發(fā)動機燃油消耗。 研究表明，發(fā)動機工作溫度對摩擦損失有很大影響。將冷卻液排出溫度提高到150，使氣缸溫度升高到195，油耗則下降4%-6%。將冷卻液溫度保持在90-115范圍內(nèi)，使發(fā)動機機油的最高溫度為140，則油耗在部分負荷時下降10%。 提高工作溫度也明顯影響冷卻系統(tǒng)的效能。提高冷卻液或金屬溫度會改善發(fā)動機和散熱氣熱傳遞的效果，降低冷卻液的流速

17、，減小水泵的額定功率，從而降低發(fā)動機的功率消耗。此外，可采用不同的方式，進一步減小冷卻液的流速。未來冷卻系的發(fā)展方向34降低溫度設(shè)定點 降低冷卻系統(tǒng)的工作溫度可提高發(fā)動機充氣效率，降低進氣溫度。這對燃燒過程、燃油效率及排放有利。降低溫度設(shè)定點可以節(jié)省發(fā)動機運行成本，提高部件使用壽命。 研究表明，若氣缸蓋溫度降低到50，點火提前角可提前3A而不發(fā)生爆震，充氣效率提高2%，發(fā)動機工作特性改善，有助于優(yōu)化壓縮比和參數(shù)選擇，取得更好的燃油效率和排放性能。未來冷卻系的發(fā)展方向35精確冷卻系統(tǒng) 精確冷卻系統(tǒng)主要體現(xiàn)在冷卻水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計與冷卻液流速的設(shè)計中。在精確冷卻系統(tǒng)中，熱關(guān)鍵區(qū)，如排氣門周圍，冷卻液有

18、較大的流速，熱傳遞效率高，冷卻液的溫度梯度變化小。這樣的效果來自縮小這些地方冷卻液通道的橫截面，提高流速，減少流量。 精確冷卻系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵在于確定冷卻水套的尺寸，選擇匹配的冷卻水泵，保證系統(tǒng)的散熱能力能夠滿足低速大負荷時關(guān)鍵區(qū)域工作溫度的需求。 發(fā)動機冷卻液流速的變化范圍相當大，從怠速時的1 m/s到最大功率時的5 m/s。故應(yīng)將冷卻水套和冷卻系統(tǒng)整體考慮，相互補充，發(fā)揮最大潛力。 研究表明，采用精確冷卻系統(tǒng)，在發(fā)動機整個工作轉(zhuǎn)速范圍，冷卻液流量可下降40%。對氣缸蓋上冷卻水套的精確設(shè)計，可使普通冷卻道的流速從提高到4 m/s，大大提高氣缸蓋傳熱性，將氣缸蓋的金屬溫度降低到60。未來冷卻系的

19、發(fā)展方向36分流式冷卻系統(tǒng) 分流式冷卻系統(tǒng)為另外一種冷卻系統(tǒng)。在這種冷卻系統(tǒng)中，氣缸蓋和氣缸體由各自的液流回路冷卻，氣缸蓋和氣缸體具有不同的溫度。分流式的冷卻系統(tǒng)具備特有的優(yōu)勢，可使發(fā)動機各部分在最優(yōu)的溫度設(shè)定點工作。冷卻系統(tǒng)的整體效率達到最大。每個冷卻回路將在不同冷卻溫度設(shè)定點或流速下工作，創(chuàng)造理想的發(fā)動機溫度分布。 理想的發(fā)動機熱工作狀態(tài)是氣缸蓋溫度較低而氣缸體溫度相對較高。氣缸蓋溫度較低可提高充氣效率，增大進氣量。溫度低且進氣量大可促進完全燃燒，降低CO，HC和NOx的形成，也提高輸出功率。較高氣缸體溫度會減小摩擦損失，直接改善燃油效率，間接地降低缸內(nèi)峰值壓力和溫度。分流式冷卻系統(tǒng)可使缸

20、蓋和缸體溫度相差100。氣缸溫度可高達150，而缸蓋溫度可降低50，減少缸體摩擦損失，降低油耗。較高的缸體溫度使油耗降低4%-6%，在部分負荷時HC降低20%-35%。節(jié)氣門全開時，缸蓋和缸體溫度設(shè)定值可調(diào)到50和90，從整體上改善燃油消耗、功率輸出和排放。未來冷卻系的發(fā)展方向37可控式發(fā)動機冷卻系統(tǒng) 傳統(tǒng)的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)屬于被動式的，結(jié)構(gòu)簡單或成本低?？煽厥嚼鋮s系統(tǒng)可彌補目前冷卻系統(tǒng)的不足?，F(xiàn)在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計標準是解決滿負荷時的散熱問題，因而部分負荷時過大的散熱能力將導(dǎo)致發(fā)動機功率浪費。這對輕型車輛來說尤為明顯，這些車輛大多數(shù)時間都在市區(qū)內(nèi)部分負荷下行駛，只利用部分發(fā)動機功率，引起冷卻系統(tǒng)較高損耗。為解決發(fā)動機在特殊情況下過熱的問題，現(xiàn)在的冷卻系統(tǒng)體積較大，導(dǎo)致冷卻效率降低，增大了冷卻系統(tǒng)的功率需求，延長了發(fā)動機暖機時間。可控式發(fā)動機冷卻系統(tǒng)一般包括傳感器、執(zhí)行器和電控模塊?？煽厥嚼鋮s系統(tǒng)能夠根