发动机冷却系统基础知识

◆文/吉林 庄开明

发动机冷却系统基础知识

◆文/吉林 庄开明

庄开明 (本刊编委会委员)

自1997年开始从事汽车机电维修工作，先后做过维修技师、技术总监和技术厂长。主修过奔驰、宝马、劳斯莱斯、凯迪拉克、丰田、大众等车型。擅长发动机电控系统、汽车车身电气、底盘电控系统的诊断。从2006年开始，从事汽车专业的理论课教学工作。

汽车发动机冷却系统，一般采用水冷却方式。通过冷却液循环方式，将发动机燃烧生成的热进行热交换实现散热，达到热平衡状态，保证发动机正常工作。本文，笔者将自己对冷却系统知识的体会，与读者进行分享。

一、冷却系统基础知识

1.发动机冷却系统存在的原因

简单地说，发动机冷却系统是由材料热胀冷缩的物理性质及发动机工作时会燃烧生成的热所决定的。当外界环境温度改变，以及发动机燃烧产生的热造成发动机温度的改变，由于材料的热胀冷缩性质，一方面必然改变发动机运动部件之间的配合间隙，例如，发动机活塞与汽缸之间配合间隙，间隙或过大或过小，甚至产生过盈而破坏油膜，造成相互运动部件损坏，另一方面，必然造成部件或零件结构尺寸和形状改变，影响它们的使用性能，例如，燃油雾化变差，冷启动困难。密封性差，造成漏油或漏气等。而发动机燃烧产生的热，如果不进行冷却，会由于过热造成材料机械性能变坏，产生弯曲变形和扭曲变形，以及材料烧熔烧损，失去应有的机械性能。

2.发动机的工作温度

为什么发动机的工作温度，一般选择在80～110℃之间呢？物理学告诉我们，高温物质向低温物质放热，而且温差越大，热交换效果越好。这是自然规律。我们知道，外部环境温度一般在-40～60℃以上。那么，只有发动机的工作温度高于环境温度，才能可靠地实现散热，而为了保持良好的热交换效果，发动机工作温度与外部环境温度有一定的温差范围，所以，发动机的工作温度，一般在80～110℃之间。如果把发动机工作温度设计得过高，不仅选择更好的材料和制造设备和工艺，从而增加发动机的制造成本，也影响发动机的进气效率，因为发动机温度越高，进入发动机的空气温度也越高，空气密度必然下降。进气量就会减少。

在过去，由于发动机材料，制造工艺和冷却液性能的影响，以及考虑经济因素，采用非加压开式的冷却系统，利用水做冷却媒介，而水在常压下100℃即产生沸腾，造成发动机汽缸垫损坏，所以以前发动机工作温度偏低，且低于100℃防止沸腾。而现在，采用加压封闭式冷却系统，提高了沸点，并且不再采用水做冷却媒介，而采用冷却液，而冷却液的沸点也提高了，所以，现在发动机工作温度基本在90～110℃以上。很多维修技师往往认为发动机冷却液温度过高，就会造成汽缸垫损坏，其实，只要冷却液不产生沸腾，汽缸垫就不会损坏的。而汽缸垫损坏，往往是冷却液产生沸腾造成的，只要冷却系统不缺失冷却液，冷却液品质符合标准，冷却系统加压正常，而不是降低，一般不会产生沸腾现象。

3.发动机设定工作温度的原因

为什么发动机必须工作在正常工作温度范围内呢？以活塞与汽缸配合为例，来说明每个零件的尺寸和形状的设计原理，我们知道，发动机受环境温度影响，工作时的温度可能是零下40℃，随着发动机燃烧生成热，发动机温度逐渐增加达到工作温度范围。发动机的温度变化范围很大，那么，汽缸与活塞的配合间隙，就会随温度的变化，间隙大小而有所改变，或造成配合间隙过紧，或配合间隙过大，都影响机油油膜的建立和形成，所以，在设计活塞与汽缸配合间隙时，是按发动机正常工作温度范围，活塞与汽缸之间的配合间隙能形成良好的油膜达到最佳工作状态进行设计。而发动机的零件制造与组装，基本是在常温下进行的，所以，常温下组装的活塞与汽缸之间的配合间隙，并不是正常工作温度下最佳的配合间隙，只是符合装配维修时的检验标准。当符合装配维修时的检验标准，发动机工作达到正常工作温度时，活塞与汽缸之间的配合间隙才恰到好处。同样，活塞在常温下，活塞环部和裙部并非是圆形，而是椭圆形。当达到工作温度范围，通过热胀冷缩变形而形成圆形，与圆形汽缸形成良好形状配合。

同时，发动机工作温度过低，必然影响发动机热效率，会浪费大量的燃油，燃油经济性变差。同样，发动机工作温度过高，容易造成进气效率下降，也影响发动机的动力性和经济性。

二、冷却系统的组成以及各元件的功能

冷却系统一般由水套、水泵、节温器、小循环管、散热器、上水管、下水管、加压阀以及冷却液等组成。

1.水套

水套即发动机缸体和缸盖内部的水道，它分布在发动机燃烧室和汽缸周围，发动机燃烧室内的可燃混合汽燃烧生成的热，通过缸体和缸盖传递给水套内的冷却液，形成冷却系统的热源。

2.水泵

水泵一般采用离心式水泵。在离心力作用下，吸入冷却液并排出泵外，实现冷却液在冷却系统内部循环流动。水泵在额定转速下，提供一定的排水量。转速越快，排水量越多。

3.节温器

节温器即调节冷却系统水套温度的水阀，利用冷却液温度的变化，控制水阀的开度，完成冷却系统由小循环向大小共同循环转换。实现冷却系统由升温过程过渡到保温过程。一般节温器采用冷却液温度感应，通过热胀冷缩实现调节；或利用冷却液温度传感器，实现电子调节的电子节温器两种结构。

4.小循环管

小循环管即完成升温过程所需要的循环管路。其目的是为了发动机汽缸和缸盖均匀受热。在升温过程中，把水套里热的冷却液，通过水泵和小循环管实现循环，使水套内的冷却液热量分布均匀，保证发动机汽缸和缸盖均匀受热。

5.散热器

散热器即我们俗称的水箱，它与电风扇构成散热交换器。通过电风扇把外界的冷空气经过散热器的散热片转换为热空气带入大气中，同时把流进散热器热的冷却液进行热交换，转换为冷的冷却液从散热器的流出。带有大量热量的冷却液经过热交换传递给外部空气，降低了冷却液的温度，实现了散热的目的。

6.上水管和下水管

上水管和下水管即连接散热器的进水口和出水口的上下两个橡胶软管。是冷却系统大循环的管路。用于实现冷却系统的保温过程和散热过程。

7.加压阀

加压阀由于冷却系统采用封闭式，冷却液就不会随温度增加而表面蒸发造成压力增大，或由温度增加造成的冷却液的热胀冷缩现象而加大冷却液的容积，产生溢出冷却系统产生丢失现象，从而不需要经常补充冷却液带来的麻烦。而采用封闭式冷却系统，由于冷却液的温度变化范围是非常大的，温度升高时，不仅会造成冷却液容积发生改变，而容积增加，同时也造成冷却系统压力增高，容易造成冷却系统因压力过高损坏管路和部件。因此，采用加压阀控制冷却系统的压力，使冷却系统压力略高于一个大气压，这样不仅提高冷却液的沸点，更能使发动机设计的工作温度提高些，提高发动机热效率。同时，使冷却系统不会因为冷却液少量缺失或过多，以及冷却液的温度改变，产生的热胀冷缩现象，造成冷却系统管路的干瘪或鼓胀。当冷却系统压力过高时，打开加压阀，溢出冷却液产生压力平衡，保护冷却系统。所以，加压阀实质是限制冷却系统压力，并起保护冷却系统安全作用的阀。一般散热器的盖起加压阀的作用，或单独采用一个加压阀。

8.冷却液

冷却液是热交换的媒介。冷却液在冷却系统中循环流动，并把发动机燃烧的一部分多余热量传递给大气，保证发动机能以正常工作温度运行。冷却液由水、防冻剂、添加剂三部分组成。在这里，笔者主要介绍冷却液的物理方面的性质，随着冷却液里的防冻剂数量的增加，冷却液的密度也增加。不仅降低了冷却液的冰点，还提高了冷却液的沸点。同时，冷却液的密度增加，使冷却液吸收相同的热量而温升相对减小。也就是说，相同容积的冷却液，含有防冻剂的比例不同，使其温度增加相同，吸收的热量却不相同，含有防冻剂的比例越多，吸收的热量越多。

三、冷却系统的工作原理

冷却系统工作包括三个过程，分别是升温过程、保温过程和散热过程。

1.升温过程

升温过程即冷却系统吸收热量大于冷却系统散发热量的过程，也是冷却系统进行小循环的过程。发动机工作时，燃烧室的热量通过机体传导，把热量传递给发动机水套内的冷却液，水套里的冷却液温度逐渐增加，同时，由于节温器关闭大循环管路，冷却系统的水泵把水套内被加热的冷却液泵入小循环管路内，并通过小循环管路又流回到发动机水套内实现小循环。它不仅可以通过升温保证发动机逐渐达到正常工作温度，而且通过循环，保证发动机各个零部件以及机体受热均匀。升温过程的长短，取决于发动机单位时间内产生的热量，外界的温度，水泵的排水量，节温器的开度，以及冷却液的密度。

2.保温过程

保温过程即冷却系统吸收热量与冷却系统散发热量达到平衡的过程，也是冷却系统小循环和大循环共同参与循环的过程。随着冷却系统升温过程，控制冷却系统大循环的节温器逐渐打开，当达到发动机正常工作温度时，即节温器所调节的温度时，节温器处于全开状态。冷却系统不仅进行小循环，而且进行大循环。发动机水套内的带有大量热量的冷却液，通过散热器上水管进入散热器，然后从散热器的下水管再流进发动机水套。保证冷却系统吸收发动机燃烧的热量与冷却系统自然散热的热量达到动态平衡。使发动机水温基本保持不变。保证了发动机正常工作温度时，发动机每个零部件之间的配合和形状达到最佳状态。

3.散热过程

散热过程即冷却系统散发热量大于冷却系统吸收热量的过程，也是冷却系统小循环和大循环共同参与循环的过程。更是冷却系统的散热器，通过电子扇的旋转进行强制热交换的过程。当发动机产生的热量，并传给水套内的冷却液更多的热量，超出了冷却系统自然散热而散发的热量，或冷却系统的散热器有外来的热负荷(例如，汽车空调压缩机工作产生的额外热负荷)，或冷却系统的自然散热效果变差时，都会造成发动机冷却系统的水温过高，冷却系统通过水温信号或温控开关，控制电风扇动作，产生不同(或挡位)转速，把散热器内的过热的冷却液，进行强制热交换，降低冷却系统冷却液的温度，冷却系统恢复到保温状态，使发动机处于正常工作温度范围。

四、冷却系统的热交换故障的诊断

冷却系统的故障，大体分为两类，一类是与热交换有关的故障，一类是与冷却泄漏有关的故障。

冷却系统表现与热交换有关的故障，无外乎表现为冷却系统的温度过高或过低。冷却系统的温度过高或过低，不仅取决于冷却系统本身，也取决于冷却系统吸收发动机产生的热量和散热器所散发的热量。假若冷却系统正常，如果发动机产生的热量，超出了散热器正常所散发热量的能力，或是如果发动机产生的热量属于正常范围内，而散热器散发热量的能力不足(例如，散热器的电子扇工作异常)，都会造成冷却系统过热，并且使发动机工作温度过高。如果发动机产生的热量属于正常范围内，而散热器散发热量的能力过度(例如，车辆处于北方的冬季，并且散热器前的百叶窗没有安装或百叶窗没有效的关闭，或冷却风扇异常旋转，而造成自然散热或强制散热过量。注：冷却系统采用电子节温器可以获得良好的改善，防止冷却系统产生过冷)，则会造成冷却系统温度过低。所以，要先确定冷却系统本身是否产生故障，必须考虑发动机燃烧过程以及散热器散热能力是否异正常。

在这里仅表述冷却系统的热交换故障的诊断，发动机部分不再赘述。下面分别对冷却系统各个功能元件进行诊断。

1.水泵的泵排量故障诊断

水泵一个重要功能或指标，即是泵排量。它决定冷却系统的循环率，循环率越高，热交换效果越好。所谓的泵排量，也就是大家常说的排水量。冷却系统的水泵一般采用定量泵，即一定转速下的排水量保持不变。而转速越高，其排水量也越多。当转速不变，而排水量下降，则水泵的泵能力下降。经验和实验证明，当泵的排水量减少三分之一时，和泵的排水量为零，而造成的不良效果等价。

水泵的泵排量的诊断，断开汽车空调暖风的加热器的回水软管，且堵塞加热器侧的管路，启动发动机，观察回水软管现象，回水软管的冷却液全部在怠速时都被泵吸入，并且让回水软管开口朝下，冷却液并不往回倒流。如果踏节气门并急加速，快速收油，回水软管并不产生反水现象，证明水泵的泵能力正常。

2.节温器的故障诊断

简单地说节温器就是温度控制的水阀。应用于在冷却系统中，根据冷却系统的冷却液的温度，精确地控制大循环的开度，从而精确地控制冷却系统的升温过程和保温过程。节温器异常的功能表现，无外乎一直处于一定的开度或关闭或全开(无节温器也属于全开)，或开的过早或过晚。

节温器的故障诊断，我们通过发动机的水温表，即可以精确地确定节温器是否产生故障。启动发动机，观察水温表指针变化，水温表指针逐渐上升，即冷却系统的升温过程。然后停止上升，即冷却系统的保温过程。如果停止点过早，说明节温器早开，如果停止点过晚，说明节温器晚开。如果水温表指针一直上升，超过正常工作温度，没有保温过程，说明节温器调节失效，开度过小(包括一直关闭)，且基本不变。如果升温很慢，指针也偏低工作温度，一般是节温器大开或没有安装节温器。

3.散热器内部管路部分堵塞的故障诊断

如果散热器内部管路部分堵塞，必然造成节流效应，循环率越高，即当提高水泵转速时，散热器入口和散热器出口的冷却液产生的压差越大。而堵塞越严重，产生的压差更大。如果散热器内部管路不堵塞，不产生节流效应，则无论是否改变水泵转速，散热器入口和散热器出口的冷却液的压力基本相同。

那么，诊断散热器内部管路是否产生部分堵塞的方法，启动发动机，并且冷却系统处于保温状态。用手分别握住并感知散热器上下水管的压力大小(当然也可以采用钳式压力表)，同时缓慢加油门，提高发动机转速，当上下水管压力差加大时，说明散热器内部产生堵塞。并且压力差越大，堵塞越严重。

4.散热器外部散热片部分堵塞故障诊断

对于散热器外部散热片部分堵塞，而造成有效散热面积减小，可以用检查方法，观察外部散热片情况，或利用水枪用水进行清洗，并观察清洗下来的水是否脏污，即可确定散热器外部散热片部分堵塞。或用手感知(或感应温度计)散热器上下水管的温度差，如果温度差很小，说明散热器外部散热片部分堵塞造成散热效果不良。对于冷却系统的泄漏的故障诊断，由于篇幅限制，不再本篇讲解。

总之，对于冷却系统的故障诊断，一般先检查冷却液液面和冷却液密度是否正常，再观察水温表的变化状态和数值，然后根据具体故障现象，对散热器的外部清洗，通过热交换效率，检查发动机怠速时，上下水管的压力情况，以及节气门增加时压力的变化状态，从而确定故障的具体部位或发生原因。