汽车发动机冷却系统故障诊断及维修关键技术研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

汽车发动机冷却系统故障诊断及维修关键技术研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

在研究汽车发动机冷却系统设计原理、结构功用及主要工作特点的前提下，通过系统分析冷却系统故障影响因素及主要表现形式，提出了相应的冷却系统故障诊断及维修关键技术措施，可保证发动机在最适宜的温度下工作，充分发挥性能更好地保护发动机，能大幅提升发动机功率和工效，降低系统故障率，提高车辆可开动率，安全节能省油，延长发动机寿命。

汽车发动机冷却系统；故障诊断及维修；关键技术保证

0 引言

现代车用发动机设计更紧凑、比功率更大、功能更强大，既要满足不断提高输出功率的需求，又要合理调节与控制发动机工作温度，保证其各部件在最适宜的温度下工作，以获得理想的动力输出及良好的燃油经济性。而汽车故障多半来源于发动机，且冷却系统故障约占发动机故障的50%，对车辆的安全可靠性、燃油经济性、完好率、可开动率及寿命影响极大。随着汽车排放控制技术的不断提高，排放标准日趋严苛，保障发动机冷却系统安全、高效、可靠、经济，已成为进一步提升发动机功率、工作效率及燃油经济性必须突破的关键技术问题。

发动机过热时，会降低充气系数，使燃烧不正常，导致发动机功率下降，早燃和爆燃的倾向加大，也会使润滑油黏度变小、油膜破裂，零件磨损和损坏加剧，工作效率低下，严重影响发动机的动力性、可靠性及经济性。发动机过冷时，进入气缸的混合气或空气温度太低，会使混合气的形成和燃烧恶化，导致发动机功率下降，油耗增加，且润滑油过冷黏度太大，会使零件磨损剧增。而随着发动机的老化，发动机故障和问题凸显，若发现和处理不及时，则安全隐患极大。因而针对汽车发动机冷却系统故障诊断及维修技术进行深入的研究，十分必要。

1 汽车发动机冷却系统设计原理

1.1 主要设计原理

传统汽车发动机冷却系统设计仅是可靠地保护发动机、降低排放及改善燃料经济性。而先进的汽车发动机冷却系统则采用系统化、模块化的设计方法，其综合考量的影响主因是发动机内部的摩擦损失，冷却系统水泵的功率，燃烧室温度、充量密度、充量温度等燃烧边界条件等，既能可靠地保护发动机、降低排放及改善燃料经济性，又可保证发动机在最适宜的温度下工作，有效地提高发动机工作效率。现代汽车发动机常见冷却方式可分为水冷却和风冷却。目前以采用封闭式强制循环水冷系统居多，仅有少数发动机采用风冷系统；一些高速跑车则同时采用水冷系统和风冷系统来提高冷却系统的冷却性能。水冷却系统主要设计原理是当发动机缸体达到一定的温度时，节温器打开，作为传热介质的冷却液不断地循环流动，从发动机水套中吸收多余的热量，并在水泵的驱动下流经散热器，将热量散发至大气中，冷却降温后再返回发动机，达到冷却缸体的目的。

汽车发动机水冷系统冷却液的循环方式、路线会随着发动机工作温度的改变而改变，冷却液不经散热器散热，仅在引擎内循环，可使发动机温度迅速升高的循环方式称为“小”循环。发动机冷却液温度大于80 ℃时，节温器将关闭直接通往水泵的“小”循环通路，从缸盖水套流出的冷却液全部流入散热器，散热后的冷却液在水泵抽吸下，重新回至缸体水套进行循环。在引擎和散热器(水箱)之间循环散热，使冷却液迅速降温，可避免发动机过热的循环方式称为“大”循环。而冷却液的“大”、“小”循环由节温器根据冷却液的温度来控制；冷却液的流量由发动机转速来控制；散热风扇则根据冷却液的温度和负荷来控制。

汽车发动机风冷系统可分为强制风冷式和自然风冷式两种。强制风冷式是发动机自身带动风扇，提高流经散热片处的气流速度和流量，经过导风扇的合理分配，对缸体、缸盖及缸套等进行可靠的冷却，对保证发动机的工作温度最为有利；而自然风冷式则是利用机械运动中迎面吹进的气流来直接冷却缸体、缸盖及缸套等，其气缸体和气缸盖通常由传热性能较好的铝合金铸成，各缸皆分开制造，气缸体和气缸盖表面均设有很多散热片，且与气缸体和气缸盖铸成一体，可扩大散热面积，有利于提高冷却效果。

1.2 主要结构功用

发动机水冷系统主要由散热器、副水箱、节温器、冷却液泵、风扇、冷却水套、冷却液、管路接头等部分组成。其中散热器即水箱由上水室、散热器芯、下水室等组成，它装在发动机前的车架横梁上，利用风扇的强大抽吸，使散热器的空气流量和流速增大，加速水的冷却，可降温10～15 ℃；副水箱用于承接、补充散热器内的冷却液；节温器装在缸盖出水管出口处，可根据发动机负荷大小和冷却液温度高低自动改变冷却液的循环流动路线、流量及范围，调节冷却强度。

车用发动机多采用离心式水泵，主要由壳体、叶轮、皮带轮、泵轴、轴承及水封装置等构成，可对冷却水加压，加速冷却水的循环流动，保证冷却系统的稳定可靠；冷却风扇设于散热器后且与水泵同轴，可与散热器配合工作，增加散热效果，它利用强大抽吸使空气流沿轴向由前向后流动，加速冷却流经散热器芯的冷却水；水套是发动机内部的冷却液通道；冷却强度调节装置可根据发动机不同的工况及使用条件，通过改变散热器的空气流量或冷却液的循环流量、范围两种调节方式，改变冷却强度即散热能力，可保证发动机常在最有利的温度状态下工作；常用典型冷却液由水、乙二醇及各种添加剂组成，要求防冻、防沸、防锈、长效、环保，为防止气缸体、气缸盖或散热器等机件在严寒季节胀裂，可适量加入甘醇、甘油、酒精等配制成防冻液，以降低冷却液的冰点。

水冷却系统主要功用是使发动机在所有工况下皆保持在最适宜的温度范围内，以提高发动机功率、减小发动机的磨损及燃油消耗。该系统可冷却高温工况下运转的发动机零件，强制将发动机吸收的过多热量及时散走，防止发动机过热和冬季发动机过冷；发动机冷起动后，该系统还能保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。

1.3 主要工作特点

冷却系统主要通过热传导、热对流、热辐射等方式传热，故循环冷却液量、冷却空气流量、冷却液道结构及散热效率是影响燃烧、提高发动机效率的主因。水冷系统的主要优点是：布置紧凑、工作可靠、冷却效果好、不受环境影响、噪声小、使用便利；主要缺点是：结构复杂、故障率高、功率损耗大、维修复杂、制造成本高。而风冷系统的主要优点是：结构简单、零件少、质量轻，环境适应性好，故障率低，无须特殊保养，使用维修便利、功率利用率高、制造成本低，冷起动后暖机时间短，无结垢、漏水、冰冻故障等；主要缺点是：对材质要求高、热负荷高、冷却不够均匀、可靠性差及工作噪声大等。

2 发动机冷却系统故障诊断及维修关键技术

2.1 冷却液渗漏或消耗异常

2.1.1 冷却液渗漏

该故障主要表现为冷却液消耗量过大，需常加注冷却液。冷却液渗漏主要有外渗和内渗两种形式。冷却液外渗易滴落在地上，便于及时查找排除，危害不大；而内渗难以发现，后果严重，甚至造成因缺水而导致发动机过热的危险。正常工况下，由于冷却系统密封良好，无须经常添加冷却液，否则判断为冷却液消耗异常故障，其故障主因是冷却液泄漏。判断该故障可从外表观察入手，检查冷却系统各部分是否有明显的水迹或渗漏，正常工况下，若年加注冷却液超过4次，说明系统也存在渗漏或其他故障，必须到特约售后服务中心检查。

散热器或汽缸垫损坏渗漏时，应及时修复损坏的散热器或汽缸垫，无法修复者应予以更换；散热器盖故障时，需测定其限压阀压力，修复故障散热器盖或更换新件；散热器软管损坏、卡箍松旷或渗漏时，应更换损坏的软管，紧固软管卡箍；气缸盖螺栓松动时，需按规定力矩拧紧气缸盖螺栓；进气歧管、爆震传感器衬垫、加热器芯渗漏时，应更换损坏的衬垫，按规定力矩拧紧螺纹；要定期检查冷却液胶管表面是否有老化变形、砂眼或裂痕等现象，管路或接头渗漏时，需修复或更换损坏的胶管，更换接头密封圈和损坏接头，按规定力矩拧紧接头。

发动机本体密封不良时，也会引起渗漏，如衬垫损坏或连续松旷，水泵水封严重磨损、胀大变形，弹簧压力不足、折断，湿式缸套气蚀小孔、缸体裂纹、缸套水封破损等，后三者既能引起发动机高温，又会因冷却液漏进油底壳，使润滑油变质，且与机油混合形成油淤，引起润滑失效，粘结活塞环和气门，导致烧瓦、抱轴等严重事故。必须更换损坏的衬垫、水封，按规定力矩拧紧螺栓；应拔出机油尺，若未添加机油，但油底壳油面会自行升高，且润滑油呈白色，则表明冷却液已漏进曲轴箱，需排查漏油部位且予以修复，再更换新的机油。

2.1.2 冷却液消耗异常

该故障主要表现为发动机漏水，冷却液液面下降过快，需频繁添加冷却液。冷却系统外渗故障主因是散热器损坏、冷却液泵密封不良、管路接头松动或损坏等；冷却系统内渗故障主因是气缸垫损坏、气缸盖翘曲、缸体缸盖水套破裂或缸盖螺栓松动等。自动液位报警器报警时，应排除冷却液泄漏原因，按规定牌号加足冷却液；冷却系统溢水时，需排查节温器的技术状况；冷却系统渗漏时，应先排查机体、水泵、散热器及各水管连接处是否渗出冷却液，再利用荧光检漏仪检测，必要时加压检查并维修；应拔出机油尺，若冷却液泄漏进机油时，需检修发动机；发动机行驶无力、排白烟，散热器有气泡，机油液面升高且呈乳白色时，说明冷却系存在内渗，必须拆检缸盖、缸体及缸垫[1]。

2.2 冷却液温度过高或陡升

2.2.1 冷却液温度过高

该故障主要表现为冷却液温度报警灯闪烁，冷却液温度大于100 ℃，散热器加水口排出大量水蒸气，且伴有散热器“开锅”、机体温度过高、行车无力、突爆、早燃或熄火困难等。节温器堵塞、卡死或失效时，需修复或更换节温器；发动机刚起动时，若水温上升速度较快，说明节温器损坏，使发动机过热，应更换新件；散热器外部沾有泥污或碰撞变形时，皆会影响风量流通，使冷却液温度过高，必要时清洗或修复[2]；散热器或气缸体水套积垢严重堵塞时，需清除水垢，并选用经软化处理的冷却液；散热器风扇或双温热敏开关故障时，应修复或更换新件；风扇皮带过紧易损坏轴承，过松影响水循环、加剧磨损，需适当调整；冷却系统压力过高时，应将冷却系统压力降至正常范围；冷却液泵严重堵塞或损坏时，需修复或更换新泵；而非冷却系统故障引起发动机过热时，要先排查故障原因，再予以排除。

若以上检查均正常，说明冷却液过热是因燃烧室内积碳过多而引起，需解体查明，并清除积碳；发动机常在工作粗暴的条件下作业，必须查明工作粗暴的原因，进行有针对性的排除；寒冬季节，发动机工作时水温突然升高时，多半是由于散热器下水室的冷却水冰冻所致，要及时加热解决。

2.2.2 冷却液温度陡升

该故障主要表现为发动机突然过热，动力明显下降。节温器损坏，冷却液无法进行大循环，导致水温迅速攀升或散热器“开锅”时，必须更换节温器；汽缸垫被冲坏、缸体或缸盖有裂纹，使高压气体窜入冷却系统，引起冷却液产生沸腾假象时，应更换汽缸垫，修复、更换气缸体或气缸盖；发动机停止工作时，用手拨动风扇叶片，若能拨动风扇滑转，说明风扇皮带过松引起散热不良，应重新调整张紧轮，更换断裂的皮带；自动调速的风扇离合器失灵或损坏，无法调速时，需修复或更换新件；水泵不工作或冷却系统严重泄漏，使散热器水温低而发动机温度高或两者温差不大时，应拆检、修复或更换水泵，排查并修复冷却系统泄漏处等。

2.3 冷却液温度过低

该故障主要表现为冷却液温度小于75 ℃，发动机动力不足，油耗增加。其故障主因是节温器失效、卡在全开位置，冷却液在低温状态下也进行大循环；散热器风扇电机故障或低挡运转；冷却液温度表或温度传感器失效；环境温度低且逆风行驶等。冷车起动后，应打开水箱盖，使发动机加速，若水流速度很快且流量大，说明漏装节温器或阀门粘结不能闭合，需加装或更换节温器；冷却液温度偏低，触摸散热器感觉烫手，测量水温正常时，说明冷却液温度表或温度传感器故障，指示有误，应修复或更换新件；严寒季节，要检查百叶窗是否关闭自如或未装保温罩，节温器主阀是否常开，且采取车身保暖措施；风扇离合器接合太早或温控开关闭合太早时，应检修、更换风扇离合器或温控开关；冷车起动发动机，若电动风扇运转，说明温控开关失灵，必须更换。

2.4 冷却液升温缓慢

该故障主要表现为发动机起动后，机体温度上升过慢，冷却液温度长时间达不到80～90 ℃正常位置。特别是严寒季节，发动机易处于低温状态工作，零部件磨损加剧。发动机运转一段时间后，机体温度超过80 ℃，用手触摸烫手，若温度难以上升，则可判断发动机升温缓慢。冷却液温度表或冷却液温度感应塞损坏时，应修复或更换新件；节温器阀门粘结无法闭合，导致冷却液进行低温大循环，发动机温度难以升高时，必须修复节温器阀门或更换备件。

2.5 散热器渗漏、淤塞

该故障主要表现为散热器渗水或漏水明显；冷却液消耗异常；发动机过热，散热器易“开锅”。用密封试验器直观检查散热器渗漏时，先加满冷却液，封闭散热器盖、进出水阀口，用试验器皮管连接散热器放水口，打开放气阀，手捏橡皮球加压，若压力表读数下降，说明散热器渗漏，应标记好以便维修；用压缩空气法检查散热器渗漏时，先用膨胀式橡皮塞密封散热器进、出水管口，再将散热器放至水池中，在橡皮塞上的软管中通入压缩空气，若散热器在水中多处冒气泡，表明散热器严重腐蚀；若仅某处冒气泡，说明该处损坏，可标记好以便焊补。

散热器外表裂纹或渗漏，上下水室腐蚀较轻时，宜采用镀锡法修理；散热器芯底板、冷却管焊缝脱离而渗漏时，应清除干净损坏或脱焊之处，加热焊处周围，采用焊烙铁烙补法修理，即用电或火烙铁直接焊接或焊补；少数散热器冷却管损坏时，除补焊法外，还可采用接管法修理；散热器软管凹痕或破裂时，应及时更换；因水箱储水量有限，散热器芯管损坏漏水时，发动机因缺冷却水而过热，当散热管堵塞时则更严重，冷却水不能循环流动，发动机易过热，应检查散热器内水垢厚度或堵塞情况，必要时疏通；散热器内外及芯管皆损坏时，必须换管。

2.6 节温器损坏

该故障主要表现为节温器开启不灵活或无法开启。节温器损坏时，冷却水则不能通过大循环流经散热器散热，造成冷却水温高[3]；节温器损坏在关闭状态无法打开，或节温器装反导致节温器阀门不能打开，冷却液只能进行小循环；节温器堵塞、卡死或失效时，应修复或更换新件；节温器漏装或阀门粘结不能闭合时，需加装或更换节温器。节温器损坏可采用简易判断法，即将节温器浸入70 ℃左右的热水中，阀门若开始开启，再放进80 ℃的热水中能完全开启，说明节温器正常，否则为失灵，应及时更换[4]。

2.7 冷却风扇故障

该故障主要表现为发动机过热或升温慢。其故障主因是风扇因油污打滑或皮带松弛，叶片变形，风扇离合器、温控开关或电动机损坏等。风扇转速慢故障主因是驱动电机故障、控制电路产生附加电阻，应更换电机、检修电路；风扇不转故障主因是驱动电机故障、控制电路断路，需更换电机、检修电路；风扇运转时机不准故障主因是风扇控制电路故障，应检修风扇控制电路。风扇离合器故障简易检测方法是高温时熄火，用手拨动风扇，感觉不费力，需检修。

2.8 气缸体裂纹或气缸垫泄漏

气缸体裂纹故障主要表现为发动机过热、冷却水进入润滑系统。其故障主因是材料腐蚀、修理时不规范操作，必须更换发动机缸体；气缸垫泄漏故障主要表现为发动机过热、冷却水进入润滑系统，其故障原因是气缸体或气缸盖翘曲、气缸垫老化、气缸垫装配错误等，应酌情进行修理或更换发动机缸体及缸盖、更换气缸垫。

2.9 水泵故障

水泵泵水能力下降故障主要表现为发动机过热，故障主因是水泵叶片腐蚀、结构性堵塞等，应疏通或更换水泵；水泵泄漏故障主要表现为冷却液减少、发动机过热，故障主因是密封件老化、壳体腐蚀等，应更换水泵。轴颈严重磨损或轴端螺纹损坏时，需更换；叶轮叶片破碎、水封和胶木垫圈磨损超过极限值时，应更换新件；水封磨损起槽时，可用砂布磨平，磨损过甚时，需更换；水封座有毛糙刮痕时，可用平面铰刀或在车床上修理，大修时应更换新的水封组件；泵体、皮带轮严重磨损或损伤时，必须更换；水泵轴弯曲大于0.05 mm时，必须更换新件；水泵轴承转动不灵活、松旷、有异响或轴承磨损间隙大于0.10 mm时，要更换新轴承；轴孔严重磨损时，应镶套修复或更换。

拆卸冷却液泵后，需按顺序分解、清洗零件，逐一排查磨损、裂纹及损坏等缺陷，泵体损伤如油封座孔损伤、与气缸盖接合的突缘破缺、裂纹长度小于30 m且未伸展至轴承座孔时，皆允许进行缺陷焊修。用手转动装配好的水泵，叶轮与泵壳应无磕碰，泵轴应无卡滞现象，皮带松紧度应适当，再就车检测泵水能力，手握缸盖与散热器连接的出水管，使发动机由怠速逐渐加至高速，若觉得冷却液的流量也在加大，说明泵工作正常；若手对冷却液量并无感觉，说明泵已损坏，应拆卸泵检修，查明原因并排除故障。

2.10 水垢堵塞严重

该故障主要表现为散热不良而导致发动机过热，约占系统故障的6%。其故障主因是水垢会腐蚀金属部件，一旦水垢沉积过多、散热不畅，易导致发动机抱死，对车辆危害极大，且极易忽视。汽车发动机冷却系统中的水垢与日常生活中的水壶水垢不尽相同，可分为钙镁离子水垢、硅胶垢、腐蚀产物形成的金属垢，常形成于缸体衬里、缸盖水道及水套内壁，且极难消除。

水垢导热系数极低，分别为黄铜、铸铁的1/50、1/25，它与添加的水质、冷却液中腐蚀抑制剂密切相关。如直接添加硬水而非冷却液或蒸馏水，硬水中的钙镁离子与冷却液中的无机盐成分形成水垢，易出现局部高温区，恶化了润滑条件，使发动机磨损加剧，严重时导致缸盖开裂。硅胶垢主要来源于无机型冷却液中的硅酸盐。作为铝合金的特效腐蚀抑制剂，硅酸盐已广泛应用于普通无机型冷却液中，但添加硬水硅胶易析出，硅胶垢堵塞散热管且清除难，使传热效率骤降，导致发动机过热。腐蚀金属垢主要来源于缸体上的铁与普通无机型冷却液中的无机盐反应生成的保护膜，且腐蚀脱落的产物以铁垢、焊锡垢居多，或无机盐腐蚀抑制剂因具有强氧化性易加剧腐蚀，使焊锡“开花”形成蓬松沉淀物。该腐蚀金属垢形成于冷却系统的焊缝位置，易堵塞水道，导致焊缝过热，因强度下降而引起泄漏。

传统的人工清理法利用刮、铲、锤等清除水垢，再冲洗排净，除垢效率低，难以清除干净，易造成二次损害，劳动强度大；若采用一般的水垢清洗剂，难以彻底清除水道内的水垢和酸性物质，有时泡下来的水垢呈大片脱落，易堵塞水道，需人工清除顽固水垢，虽清除彻底，但效率较低、劳动强度较大。目前以微循环法清除水垢效果最佳，先用酸性溶液清洗，再用碱性溶液冲洗中和，清洗时除垢剂以0.1 MPa的压力在水箱内循环，仅5 min 即可清洗完毕，清除水垢彻底、效率高、劳动强度低。

3 结束语

随着汽车工业的日益发展和不断壮大，现代汽车发动机朝“大功率、省燃料、结构紧凑”的方向发展，对发动机冷却系统的要求将更加苛刻。但汽车行驶里程的增加，会使冷却系统的工作效率逐步降低，对发动机整体工作能力影响较大。因而在冷却系统故障诊断及维修过程中，必须遵循“由简到繁、由易到难、由外到内”的原则，针对具体故障征兆进行缜密分析和研究，对疑似故障点进行排查、锁定和信息筛选，实现故障车辆及时维修，提升车辆的完好率和可开动率。

【1】张伟旗.大型矿山电动轮发动机异常排烟机制及故障控制研究[J].汽车零部件,2015(12)：77-80. ZHANG W Q.Exhaust Smoke Abnormal Mechanism and Fault Control Research for Large Mine Electric Wheel Engine[J].Automobile Parts,2015(12)：77-80.

【2】朱海明.浅谈发动机冷却系统故障诊断与排除[OL].http://www.docin.com/p-395539800.html.

【3】张伟旗.矿用汽车发动机故障诊断与维修关键技术研究[J].重型汽车,2015(12)：42-44.

【4】梁建玲，吴志敏，梁伟登.发动机冷却系统常见故障原因分析与排除[J].机电产品开发与创新,2009,22(5)：71-72.

Key Techniques Research of Fault Diagnosis and Maintenance for Vehicle Engine Cooling System

ZHANG Weiqi

(Copper Co.,Ltd., of Jiangxi Copper Corporation, Guixi Jiangxi 335424,China)

On the premise of research for vehicle engine cooling system design principle, structure, functions and main characteristics，through systematic analysis of cooling system failure factors and main forms，corresponding cooling system fault diagnosis and maintenance key technical measures were put forward. They can be used to ensure that the engine works under optimum temperature，to give full play to performance to protect engine better，to significantly improve engine power and the work efficiency，to reduce the system failure rate，to improve actuating rate of the vehicle，to ensure security and energy saving and fuel-efficient，to prolong the service life of the engine.

Vehicle engine cooling system；Diagnosis and maintenance; Key technology

2016-11-19

张伟旗(1965—)，男，工学学士，高级工程师，中国机械工程学会高级会员，主要研究方向为矿山机械、铜加工、有色冶金、机电设备工程、教育教学研究。E-mail:Zhangwq678@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.019

U464

B

1674-1986(2017)03-074-04