發動機冷卻系統基礎知識

◆文/吉林 莊開明

發動機冷卻系統基礎知識

◆文/吉林 莊開明

莊開明 (本刊編委會委員)

自1997年開始從事汽車機電維修工作，先后做過維修技師、技術總監和技術廠長。主修過奔馳、寶馬、勞斯萊斯、凱迪拉克、豐田、大眾等車型。擅長發動機電控系統、汽車車身電氣、底盤電控系統的診斷。從2006年開始，從事汽車專業的理論課教學工作。

汽車發動機冷卻系統，一般采用水冷卻方式。通過冷卻液循環方式，將發動機燃燒生成的熱進行熱交換實現散熱，達到熱平衡狀態，保證發動機正常工作。本文，筆者將自己對冷卻系統知識的體會，與讀者進行分享。

一、冷卻系統基礎知識

1.發動機冷卻系統存在的原因

簡單地說，發動機冷卻系統是由材料熱脹冷縮的物理性質及發動機工作時會燃燒生成的熱所決定的。當外界環境溫度改變，以及發動機燃燒產生的熱造成發動機溫度的改變，由于材料的熱脹冷縮性質，一方面必然改變發動機運動部件之間的配合間隙，例如，發動機活塞與汽缸之間配合間隙，間隙或過大或過小，甚至產生過盈而破壞油膜，造成相互運動部件損壞，另一方面，必然造成部件或零件結構尺寸和形狀改變，影響它們的使用性能，例如，燃油霧化變差，冷啟動困難。密封性差，造成漏油或漏氣等。而發動機燃燒產生的熱，如果不進行冷卻，會由于過熱造成材料機械性能變壞，產生彎曲變形和扭曲變形，以及材料燒熔燒損，失去應有的機械性能。

2.發動機的工作溫度

為什么發動機的工作溫度，一般選擇在80～110℃之間呢？物理學告訴我們，高溫物質向低溫物質放熱，而且溫差越大，熱交換效果越好。這是自然規律。我們知道，外部環境溫度一般在-40～60℃以上。那么，只有發動機的工作溫度高于環境溫度，才能可靠地實現散熱，而為了保持良好的熱交換效果，發動機工作溫度與外部環境溫度有一定的溫差范圍，所以，發動機的工作溫度，一般在80～110℃之間。如果把發動機工作溫度設計得過高，不僅選擇更好的材料和制造設備和工藝，從而增加發動機的制造成本，也影響發動機的進氣效率，因為發動機溫度越高，進入發動機的空氣溫度也越高，空氣密度必然下降。進氣量就會減少。

在過去，由于發動機材料，制造工藝和冷卻液性能的影響，以及考慮經濟因素，采用非加壓開式的冷卻系統，利用水做冷卻媒介，而水在常壓下100℃即產生沸騰，造成發動機汽缸墊損壞，所以以前發動機工作溫度偏低，且低于100℃防止沸騰。而現在，采用加壓封閉式冷卻系統，提高了沸點，并且不再采用水做冷卻媒介，而采用冷卻液，而冷卻液的沸點也提高了，所以，現在發動機工作溫度基本在90～110℃以上。很多維修技師往往認為發動機冷卻液溫度過高，就會造成汽缸墊損壞，其實，只要冷卻液不產生沸騰，汽缸墊就不會損壞的。而汽缸墊損壞，往往是冷卻液產生沸騰造成的，只要冷卻系統不缺失冷卻液，冷卻液品質符合標準，冷卻系統加壓正常，而不是降低，一般不會產生沸騰現象。

3.發動機設定工作溫度的原因

為什么發動機必須工作在正常工作溫度范圍內呢？以活塞與汽缸配合為例，來說明每個零件的尺寸和形狀的設計原理，我們知道，發動機受環境溫度影響，工作時的溫度可能是零下40℃，隨著發動機燃燒生成熱，發動機溫度逐漸增加達到工作溫度范圍。發動機的溫度變化范圍很大，那么，汽缸與活塞的配合間隙，就會隨溫度的變化，間隙大小而有所改變，或造成配合間隙過緊，或配合間隙過大，都影響機油油膜的建立和形成，所以，在設計活塞與汽缸配合間隙時，是按發動機正常工作溫度范圍，活塞與汽缸之間的配合間隙能形成良好的油膜達到最佳工作狀態進行設計。而發動機的零件制造與組裝，基本是在常溫下進行的，所以，常溫下組裝的活塞與汽缸之間的配合間隙，并不是正常工作溫度下最佳的配合間隙，只是符合裝配維修時的檢驗標準。當符合裝配維修時的檢驗標準，發動機工作達到正常工作溫度時，活塞與汽缸之間的配合間隙才恰到好處。同樣，活塞在常溫下，活塞環部和裙部并非是圓形，而是橢圓形。當達到工作溫度范圍，通過熱脹冷縮變形而形成圓形，與圓形汽缸形成良好形狀配合。

同時，發動機工作溫度過低，必然影響發動機熱效率，會浪費大量的燃油，燃油經濟性變差。同樣，發動機工作溫度過高，容易造成進氣效率下降，也影響發動機的動力性和經濟性。

二、冷卻系統的組成以及各元件的功能

冷卻系統一般由水套、水泵、節溫器、小循環管、散熱器、上水管、下水管、加壓閥以及冷卻液等組成。

1.水套

水套即發動機缸體和缸蓋內部的水道，它分布在發動機燃燒室和汽缸周圍，發動機燃燒室內的可燃混合汽燃燒生成的熱，通過缸體和缸蓋傳遞給水套內的冷卻液，形成冷卻系統的熱源。

2.水泵

水泵一般采用離心式水泵。在離心力作用下，吸入冷卻液并排出泵外，實現冷卻液在冷卻系統內部循環流動。水泵在額定轉速下，提供一定的排水量。轉速越快，排水量越多。

3.節溫器

節溫器即調節冷卻系統水套溫度的水閥，利用冷卻液溫度的變化，控制水閥的開度，完成冷卻系統由小循環向大小共同循環轉換。實現冷卻系統由升溫過程過渡到保溫過程。一般節溫器采用冷卻液溫度感應，通過熱脹冷縮實現調節；或利用冷卻液溫度傳感器，實現電子調節的電子節溫器兩種結構。

4.小循環管

小循環管即完成升溫過程所需要的循環管路。其目的是為了發動機汽缸和缸蓋均勻受熱。在升溫過程中，把水套里熱的冷卻液，通過水泵和小循環管實現循環，使水套內的冷卻液熱量分布均勻，保證發動機汽缸和缸蓋均勻受熱。

5.散熱器

散熱器即我們俗稱的水箱，它與電風扇構成散熱交換器。通過電風扇把外界的冷空氣經過散熱器的散熱片轉換為熱空氣帶入大氣中，同時把流進散熱器熱的冷卻液進行熱交換，轉換為冷的冷卻液從散熱器的流出。帶有大量熱量的冷卻液經過熱交換傳遞給外部空氣，降低了冷卻液的溫度，實現了散熱的目的。

6.上水管和下水管

上水管和下水管即連接散熱器的進水口和出水口的上下兩個橡膠軟管。是冷卻系統大循環的管路。用于實現冷卻系統的保溫過程和散熱過程。

7.加壓閥

加壓閥由于冷卻系統采用封閉式，冷卻液就不會隨溫度增加而表面蒸發造成壓力增大，或由溫度增加造成的冷卻液的熱脹冷縮現象而加大冷卻液的容積，產生溢出冷卻系統產生丟失現象，從而不需要經常補充冷卻液帶來的麻煩。而采用封閉式冷卻系統，由于冷卻液的溫度變化范圍是非常大的，溫度升高時，不僅會造成冷卻液容積發生改變，而容積增加，同時也造成冷卻系統壓力增高，容易造成冷卻系統因壓力過高損壞管路和部件。因此，采用加壓閥控制冷卻系統的壓力，使冷卻系統壓力略高于一個大氣壓，這樣不僅提高冷卻液的沸點，更能使發動機設計的工作溫度提高些，提高發動機熱效率。同時，使冷卻系統不會因為冷卻液少量缺失或過多，以及冷卻液的溫度改變，產生的熱脹冷縮現象，造成冷卻系統管路的干癟或鼓脹。當冷卻系統壓力過高時，打開加壓閥，溢出冷卻液產生壓力平衡，保護冷卻系統。所以，加壓閥實質是限制冷卻系統壓力，并起保護冷卻系統安全作用的閥。一般散熱器的蓋起加壓閥的作用，或單獨采用一個加壓閥。

8.冷卻液

冷卻液是熱交換的媒介。冷卻液在冷卻系統中循環流動，并把發動機燃燒的一部分多余熱量傳遞給大氣，保證發動機能以正常工作溫度運行。冷卻液由水、防凍劑、添加劑三部分組成。在這里，筆者主要介紹冷卻液的物理方面的性質，隨著冷卻液里的防凍劑數量的增加，冷卻液的密度也增加。不僅降低了冷卻液的冰點，還提高了冷卻液的沸點。同時，冷卻液的密度增加，使冷卻液吸收相同的熱量而溫升相對減小。也就是說，相同容積的冷卻液，含有防凍劑的比例不同，使其溫度增加相同，吸收的熱量卻不相同，含有防凍劑的比例越多，吸收的熱量越多。

三、冷卻系統的工作原理

冷卻系統工作包括三個過程，分別是升溫過程、保溫過程和散熱過程。

1.升溫過程

升溫過程即冷卻系統吸收熱量大于冷卻系統散發熱量的過程，也是冷卻系統進行小循環的過程。發動機工作時，燃燒室的熱量通過機體傳導，把熱量傳遞給發動機水套內的冷卻液，水套里的冷卻液溫度逐漸增加，同時，由于節溫器關閉大循環管路，冷卻系統的水泵把水套內被加熱的冷卻液泵入小循環管路內，并通過小循環管路又流回到發動機水套內實現小循環。它不僅可以通過升溫保證發動機逐漸達到正常工作溫度，而且通過循環，保證發動機各個零部件以及機體受熱均勻。升溫過程的長短，取決于發動機單位時間內產生的熱量，外界的溫度，水泵的排水量，節溫器的開度，以及冷卻液的密度。

2.保溫過程

保溫過程即冷卻系統吸收熱量與冷卻系統散發熱量達到平衡的過程，也是冷卻系統小循環和大循環共同參與循環的過程。隨著冷卻系統升溫過程，控制冷卻系統大循環的節溫器逐漸打開，當達到發動機正常工作溫度時，即節溫器所調節的溫度時，節溫器處于全開狀態。冷卻系統不僅進行小循環，而且進行大循環。發動機水套內的帶有大量熱量的冷卻液，通過散熱器上水管進入散熱器，然后從散熱器的下水管再流進發動機水套。保證冷卻系統吸收發動機燃燒的熱量與冷卻系統自然散熱的熱量達到動態平衡。使發動機水溫基本保持不變。保證了發動機正常工作溫度時，發動機每個零部件之間的配合和形狀達到最佳狀態。

3.散熱過程

散熱過程即冷卻系統散發熱量大于冷卻系統吸收熱量的過程，也是冷卻系統小循環和大循環共同參與循環的過程。更是冷卻系統的散熱器，通過電子扇的旋轉進行強制熱交換的過程。當發動機產生的熱量，并傳給水套內的冷卻液更多的熱量，超出了冷卻系統自然散熱而散發的熱量，或冷卻系統的散熱器有外來的熱負荷(例如，汽車空調壓縮機工作產生的額外熱負荷)，或冷卻系統的自然散熱效果變差時，都會造成發動機冷卻系統的水溫過高，冷卻系統通過水溫信號或溫控開關，控制電風扇動作，產生不同(或擋位)轉速，把散熱器內的過熱的冷卻液，進行強制熱交換，降低冷卻系統冷卻液的溫度，冷卻系統恢復到保溫狀態，使發動機處于正常工作溫度范圍。

四、冷卻系統的熱交換故障的診斷

冷卻系統的故障，大體分為兩類，一類是與熱交換有關的故障，一類是與冷卻泄漏有關的故障。

冷卻系統表現與熱交換有關的故障，無外乎表現為冷卻系統的溫度過高或過低。冷卻系統的溫度過高或過低，不僅取決于冷卻系統本身，也取決于冷卻系統吸收發動機產生的熱量和散熱器所散發的熱量。假若冷卻系統正常，如果發動機產生的熱量，超出了散熱器正常所散發熱量的能力，或是如果發動機產生的熱量屬于正常范圍內，而散熱器散發熱量的能力不足(例如，散熱器的電子扇工作異常)，都會造成冷卻系統過熱，并且使發動機工作溫度過高。如果發動機產生的熱量屬于正常范圍內，而散熱器散發熱量的能力過度(例如，車輛處于北方的冬季，并且散熱器前的百葉窗沒有安裝或百葉窗沒有效的關閉，或冷卻風扇異常旋轉，而造成自然散熱或強制散熱過量。注：冷卻系統采用電子節溫器可以獲得良好的改善，防止冷卻系統產生過冷)，則會造成冷卻系統溫度過低。所以，要先確定冷卻系統本身是否產生故障，必須考慮發動機燃燒過程以及散熱器散熱能力是否異正常。

在這里僅表述冷卻系統的熱交換故障的診斷，發動機部分不再贅述。下面分別對冷卻系統各個功能元件進行診斷。

1.水泵的泵排量故障診斷

水泵一個重要功能或指標，即是泵排量。它決定冷卻系統的循環率，循環率越高，熱交換效果越好。所謂的泵排量，也就是大家常說的排水量。冷卻系統的水泵一般采用定量泵，即一定轉速下的排水量保持不變。而轉速越高，其排水量也越多。當轉速不變，而排水量下降，則水泵的泵能力下降。經驗和實驗證明，當泵的排水量減少三分之一時，和泵的排水量為零，而造成的不良效果等價。

水泵的泵排量的診斷，斷開汽車空調暖風的加熱器的回水軟管，且堵塞加熱器側的管路，啟動發動機，觀察回水軟管現象，回水軟管的冷卻液全部在怠速時都被泵吸入，并且讓回水軟管開口朝下，冷卻液并不往回倒流。如果踏節氣門并急加速，快速收油，回水軟管并不產生反水現象，證明水泵的泵能力正常。

2.節溫器的故障診斷

簡單地說節溫器就是溫度控制的水閥。應用于在冷卻系統中，根據冷卻系統的冷卻液的溫度，精確地控制大循環的開度，從而精確地控制冷卻系統的升溫過程和保溫過程。節溫器異常的功能表現，無外乎一直處于一定的開度或關閉或全開(無節溫器也屬于全開)，或開的過早或過晚。

節溫器的故障診斷，我們通過發動機的水溫表，即可以精確地確定節溫器是否產生故障。啟動發動機，觀察水溫表指針變化，水溫表指針逐漸上升，即冷卻系統的升溫過程。然后停止上升，即冷卻系統的保溫過程。如果停止點過早，說明節溫器早開，如果停止點過晚，說明節溫器晚開。如果水溫表指針一直上升，超過正常工作溫度，沒有保溫過程，說明節溫器調節失效，開度過小(包括一直關閉)，且基本不變。如果升溫很慢，指針也偏低工作溫度，一般是節溫器大開或沒有安裝節溫器。

3.散熱器內部管路部分堵塞的故障診斷

如果散熱器內部管路部分堵塞，必然造成節流效應，循環率越高，即當提高水泵轉速時，散熱器入口和散熱器出口的冷卻液產生的壓差越大。而堵塞越嚴重，產生的壓差更大。如果散熱器內部管路不堵塞，不產生節流效應，則無論是否改變水泵轉速，散熱器入口和散熱器出口的冷卻液的壓力基本相同。

那么，診斷散熱器內部管路是否產生部分堵塞的方法，啟動發動機，并且冷卻系統處于保溫狀態。用手分別握住并感知散熱器上下水管的壓力大小(當然也可以采用鉗式壓力表)，同時緩慢加油門，提高發動機轉速，當上下水管壓力差加大時，說明散熱器內部產生堵塞。并且壓力差越大，堵塞越嚴重。

4.散熱器外部散熱片部分堵塞故障診斷

對于散熱器外部散熱片部分堵塞，而造成有效散熱面積減小，可以用檢查方法，觀察外部散熱片情況，或利用水槍用水進行清洗，并觀察清洗下來的水是否臟污，即可確定散熱器外部散熱片部分堵塞?；蛴檬指兄?或感應溫度計)散熱器上下水管的溫度差，如果溫度差很小，說明散熱器外部散熱片部分堵塞造成散熱效果不良。對于冷卻系統的泄漏的故障診斷，由于篇幅限制，不再本篇講解。

總之，對于冷卻系統的故障診斷，一般先檢查冷卻液液面和冷卻液密度是否正常，再觀察水溫表的變化狀態和數值，然后根據具體故障現象，對散熱器的外部清洗，通過熱交換效率，檢查發動機怠速時，上下水管的壓力情況，以及節氣門增加時壓力的變化狀態，從而確定故障的具體部位或發生原因。