汽車發動機冷卻系統的構造與維修教案

發動機冷卻系統

任務一 系統的作用及組成

學習目標

(1) 冷卻系統的功用和冷卻方式

(2) 冷卻系統的基本組成

一、認識冷卻系統

1. 冷卻系統的作用

發動機冷卻系統的任務是將受熱零件吸收的部分熱量及時散發出去，使發動機得到適度

的冷卻，從而保證發動機在最適宜的溫度狀態下工作。如圖5-1所示，發動機的正常工作溫

度在90℃左右。正確的發動機工作溫度不僅對發動機的動力輸出、燃油經濟性影響較大；

同時，也有利于降低有害物質排放。

Pe :輸出功率

Be :燃油經濟性

T :發動機溫度

發動機溫度與性能的關系圖

發動機過熱會降低氣缸充氣效率，使發動機功率下降；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；運動件的正常間隙被破壞，運動阻滯，磨損加劇，

甚至損壞；潤滑情況惡化，加劇了零件的摩擦磨損；零件的機械性能降低，導致變形或損壞。

發動機過冷會使進入氣缸的混合氣（或空氣）溫度太低，可燃混合氣品質差，使點火困

難或燃燒遲緩，導致發動機功率下降，燃料消耗量增加；燃燒生成物中的水蒸汽易凝結成水

而與酸性氣體形成酸類，加重了對機體和零件的侵蝕作用；未汽化的燃料沖刷和稀釋零件表

面（氣缸壁、活塞、活塞環等）上的油膜，使零件磨損加劇。

2. 冷卻系統的分類

有液冷式和風冷式兩種。液冷式主要用在汽車用發動機上，風冷式在摩托車上面應該非

常廣泛。

1）. 風冷發動機冷卻系統

冷卻介質是空氣，通過氣流利用散熱片直接向周圍空氣散熱，摩托車采用的風冷發動機。

風冷發動機冷卻

風冷發動具有特點：

（1） 結構簡單、質量較小、升溫較快、經濟性好。

（2） 難以調節，消耗功率大、工作燥聲大。

2）. 水冷發動機冷卻系統

液冷的原理是通過冷卻液的不斷循環，從發動機水套中吸收多余的熱量，并利用循環液

將熱量帶走，通過散熱器將熱量散發到大氣中。液冷需要冷卻液作為導熱媒介，根據導熱媒

介的不同又可分為水冷和油冷兩類，現代轎車多采用水冷為主、油冷為輔的散熱方式幫助汽

車提高冷卻能力。水冷的媒介為防凍液，水冷發動機的冷卻系統。

油冷是指利用潤滑系統中的潤滑油來散熱，起到了輔助的散熱作用。

3. 水冷卻系統組成

發動機冷卻系統由散熱器、水泵、風扇、冷卻介質、溫度調節裝置和連接管路等組成。

冷卻系統的組成

1）. 散熱器

散熱器又稱為水箱，由上水室、散熱器芯和下水室等組成。安裝在發動機前的車架橫梁

上。其作用是將冷卻水在水套中所吸收的熱量散發至外界大氣，使水溫下降。

大眾車系水泵結構圖

3）. 散熱風扇

冷卻風扇置于散熱器后面。如圖5-7所示，當發動機在車架上縱向布置時，風扇一般安

裝在水泵軸上，并由驅動水泵和發電機的同一根V帶傳動。風扇的功用是當風扇旋轉時吸進

空氣使其通過散熱器，以增強散熱器的散熱能力，加快冷卻液的冷卻速度。汽車發動機水冷

系多采用低壓頭、大風量、高效率的軸流式風扇，即風扇旋轉時，空氣沿著風扇旋轉軸的軸

線方向流動。

散熱風扇

4）. 冷卻液

冷卻液是發動機冷卻系統中最重要的工作介質，汽車常用的冷卻液有水或加入防凍劑的

防凍液。

（1） 冷卻水

汽車發動機中使用的冷卻水應是清潔的軟水，如雨水，自來水等；而井水、河水等硬水

中含有礦物質，在高溫下易生成水垢，不能作為發動機冷卻水。

（2） 防凍液

冷卻液是水與防凍劑的混合物。為了適應冬季行車的需要，在水中加入防凍劑制成冷卻

液以防止循環冷卻水的凍結。最常用的防凍劑是乙二醇。冷卻液中水與乙二醇的比例不同，

其冰點也不同。50％的水與50％的乙二醇混合而成的冷卻液，其冰點約為－35.5℃。

在水中加入防凍劑還同時提高了冷卻液的沸點。例如，含50％乙二醇的冷卻液在大氣

壓力下的沸點是130℃。因此，防凍劑有防止冷卻液過早沸騰的附加作用。

防凍劑中通常含有防銹劑和泡沫抑制劑。防銹劑可延緩或阻止發動機水套壁及散熱器的

銹蝕或腐蝕。冷卻液中的空氣在水泵葉輪的攪動下會產生很多泡沫，這些泡沫將妨礙水套壁

的散熱。泡沫抑制劑能有效地抑制泡沫的產生。在使用過程中，防銹劑和泡沫劑會逐漸消耗

殆盡，因此，定期更換冷卻液是十分必要的。在防凍劑中一般還要加入著色劑，不同品牌車

型的所使用的冷卻液的顏色不同。顏色上的差異也會很醒目地區分出不同的產品，典型日系

車型常用的綠色防凍液。在冷卻液發生泄漏時，可以更為醒目的被人所察覺。

冷卻液

任務二 系統構造及原理

學習目標

(1) 掌握小循環的原理

(2) 掌握大循環的原理

(3) 掌握節溫器的工作原理

一、系統構造

水冷卻系是以水作為冷卻介質，把發動機受熱零件吸收的熱量散發到大氣中去。目前汽

車發動機上采用的水冷系大都是強制循環式水冷系統，利用水泵強制水在冷卻系中進行循環

流動。它主要由散熱器、水泵、風扇、冷卻水套和溫度調節裝置等組成。

發動機水套

冷卻水在吸收了機體的大量熱量后經氣缸蓋出水孔流回散熱器，由于有風扇的強力抽吸，

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，再次壓送到發動機的

水套中，如此不斷循環，把熱量不斷地送到大氣中去，使發動機不斷地得到冷卻，如圖5-12

所示。

a） 大循環 b） 小循環

不同的循環方式

三、系統元件構造

1. 散熱器

1） 散熱器的構成：

發動機水冷系統中的散熱器由進水室、出水室及散熱器芯等三部分構成。冷卻液在散熱

器芯內流動，空氣在散熱器芯外通過。熱的冷卻液由于向空氣散熱而變冷，冷空氣則因為吸

收冷卻液散出的熱量而升溫，所以散熱器是一個熱交換器。

散熱器的實際外形

散熱器實物圖

2） 散熱器的分類：

（1）按照散熱器中冷卻液流動的方向分：可將散熱器分為縱流式和橫流式兩種。縱流

式散熱器芯豎直布置，上接進水室，下連出水室，冷卻液由進水室自上而下地流過散熱器芯

進入出水室。橫流式散熱器芯橫向布置，左右兩端分別為進、出水室，冷卻液自進水室經散

熱器芯到出水室橫向流過散熱器。大多數新型轎車均采用橫流式散熱器，這可以使發動機罩

的外廓較低，有利于改善車身前端的空氣動力性。

散熱器流動方向的區別

（2） 按照散熱管的排列分：散熱器芯有多種結構形式，一般可分為管片式、管帶式、

板式三種。

① 管片式散熱器芯由散熱管和散熱片組成，如圖5-17所示。散熱管是焊在進、出

水室之間的直管，作為冷卻液的通道。散熱管有扁管也有圓管。扁管與圓管相比，在容

積相同的情況下有較大的散熱表面。鋁散熱器芯多為圓管。在散熱管的外表面焊有散熱

片以增加散熱面積，增強散熱能力，同時還增大了散熱器的剛度和強度。管片式散熱器

的優點是散熱面積大、氣流阻力小、結構剛度好及承壓能力強等。

板式

2.散熱器蓋

現代的汽車發動機強制循環水冷系都用散熱器蓋嚴密地蓋在散熱器加冷卻液口上，使水冷系

成為封閉系統，通常稱這種水冷系為閉式水冷系。

其優點有兩個：

①閉式水冷系可使系統內的壓力提高98～196kPa，冷卻液的沸點相應地提高到120℃

左右，從而擴大了散熱器與周圍空氣的溫差，提高了散熱器的換熱效率。由于散熱器散

熱能力的增強，可以相應地減小散熱器尺寸。

②閉式水冷系可減少冷卻液外溢及蒸發損失。

散熱器蓋的作用是密封水冷系并調節系統的工作壓力。當發動機工作時，冷卻液的溫度

逐漸升高。由于冷卻液容積膨脹使冷卻系統內的壓力增高。當壓力超過預定值時，壓力閥開

啟，一部分冷卻液經溢流管流入補償水桶，以防止冷卻液脹裂散熱器。當發動機停機后，冷

卻液的溫度下降，冷卻系內的壓力也隨之降低。當壓力降到大氣壓力以下出現真空時，真空

閥開啟，補償水桶內的冷卻液部分地流回散熱器，可以避免散熱器被大氣壓力壓壞。

3.補償水箱

發動機冷卻系統可分為開式和閉式兩種，開式冷卻系統中補償水箱只有儲水功能，閉式

冷卻系統中的補償水箱不但有儲水功能，還有儲壓功能，所以也稱為“膨脹箱”。補償水箱

別稱有很多：“副水箱”、“膨脹罐”等等。

補償水箱由塑料制造并用軟管與散熱器加冷卻液口上的溢流管連接。

冷卻液流回系統中

補償水箱內的液面有時升高，有時降低，而散熱器卻總是為冷卻液所充滿。在補償水箱

的外表面上刻有兩條標記線："低"線和"高"線，補償水箱內的液面應位于兩條標記線之間。

若液面低于"低"線時，應向箱內補充冷卻液。在向箱內添加冷卻液時，液面不應超過"高"線。

補償水箱還可消除水冷系中的所有氣泡。

4.散熱器百葉窗

有些貨車和大客車發動機在散熱器前面裝有百葉窗，其作用是通過改變吹過散熱器的空

氣流量來調節發動機的冷卻強度，以保證發動機經常在適當的溫度范圍內工作。在發動機冷

起動或暖車期間，冷卻液的溫度較低，這時將百葉窗部分或完全關閉，以減少吹過散熱器的

空氣流量，使冷卻液的溫度迅速升高。百葉窗可由駕駛人通過駕駛室內的手柄來操縱其開閉，

也可用感溫器自動控制。

5. 冷卻風扇

1）.風扇的功用及結構

冷卻風扇置于散熱器后面，當發動機在車架上縱向布置時，風扇一般安裝在水泵軸上，

并由驅動水泵和發電機的同一根V帶傳動。風扇的功用是當風扇旋轉時吸進空氣使其通過

散熱器，以增強散熱器的散熱能力，加快冷卻液的冷卻速度。汽車發動機水冷系多采用低壓

頭、大風量、高效率的軸流式風扇，即風扇旋轉時，空氣沿著風扇旋轉軸的軸線方向流動。

扇熱風扇的作用

早期的車輛所采用的風扇大部分由發動機通過皮帶驅動，而現在很多轎車發動機的水冷

系統采用電動風扇，尤其橫置發動機前輪驅動的汽車更是如此。由發動機皮帶驅動的冷卻風

扇越來越少，幾近淘汰。

電動風扇由風扇電動機驅動并由蓄電池供電，所以風扇轉速與發動機轉速無關。在有些

電控系統中，電動風扇由電腦控制。冷卻液溫度傳感器向電腦傳輸與冷卻液溫度相關的信號。

當冷卻液溫度達到規定值時，電腦使風扇繼電器搭鐵，繼電器觸點閉合并向風扇電動機供電，

風扇進入工作。電動風扇的優點是結構簡單，布置方便，不消耗發動機功率使燃油經濟性得

到改善。此外，采用電動風扇不需要檢查、調整或更換風扇傳動帶，因而減少了維修的工作

量。

6、節溫器

1）.節溫器的作用

節溫器是控制冷卻液流動路徑的閥門。當發動機冷起動時，冷卻液的溫度較低，這時節

溫器將冷卻液流向散熱器的通道關閉，使冷卻液經水泵入口直接流入機體或氣缸蓋水套，以

便使冷卻液能夠迅速升溫。如果不裝節溫器，讓溫度較低的冷卻液經過散熱器冷卻后返回發

動機，則冷卻液的溫度將長時間不能升高，發動機也將長時間在低溫下運轉。同時，車廂內

的暖風系統以及用冷卻液加熱的進氣管預熱系統都在長時間內不能發揮作用，汽車上多采用

石臘式節溫器。

石臘式節溫器

2）.節溫器結構及工作原理

節溫器結構

發動機溫度低時節溫器關閉此為小循環

當冷卻液溫度達到規定值后，石蠟開始熔化逐漸變成液體，體積隨之增大并壓迫橡膠管

使其收縮。在橡膠管收縮的同時對推桿作用以向上的推力。由于推桿上端固定，因此，推桿

對膠管和感溫體產生向下的反推力使閥門開啟。這時冷卻液經由散熱器和節溫器閥，再經水

泵流回發動機，進行大循環。

散熱器內的低溫冷卻液流入機體，使冷卻液又冷了下來，節溫器閥重新關閉。等到冷卻液溫

度再度升高，節溫器閥又再次打開。直到全部冷卻液的溫度穩定之后，節溫器閥才趨于穩定

不再反復開閉。節溫器在短時間內反復開閉的現象稱作節溫器振蕩。當出現這種現象時，將

增加汽車的燃油消耗量。節溫器也可以布置在散熱器的出水管路中。這種布置方式可以減輕

或消除節溫器振蕩現象，并能精確地控制冷卻液溫度，但其結構復雜，成本較高。多用于高

性能的汽車及在冬季經常高速行駛的汽車上。

7. 水泵

1）. 水泵的作用

水泵是發動機冷卻系統的重要部件，它的作用是泵送冷卻液，使冷卻液在發動機的冷卻

水道內快速流動，以帶走發動機工作時產生的熱量，保持發動機正常工作溫度。水泵的泵水

量很大，例如一臺V8發動機的水泵，怠速時的泵水量大約是750 L/h。

2）.水泵的分類

根據驅動方式的不同，水泵一般分為機械水泵和電動水泵。目前大多數發動機采用機械

水泵，在一些新開發的技術含量較高的發動機上已經使用了電動水泵，例如寶馬6系（Ｅ

63）搭載的發動機。

典型機械水泵

電動水泵及安裝位置

2）. 機械水泵的工作原理

汽車發動機廣泛采用離心式水泵。當水泵葉輪旋轉時，水泵中的冷卻液被葉輪帶動一起

旋轉，并在離心力的作用下被甩向水泵殼體的邊緣，同時產生一定的壓力，然后從出水管流

出。在葉輪的中心處由于冷卻液被甩出而壓力下降，散熱器中的冷卻液在水泵進口與葉輪中

心的壓差作用下經進水管流入葉輪中心。

葉輪由鑄鐵或塑料制造，葉輪上通常有6～8個徑向直葉片或后彎葉片。水泵殼體由鑄

鐵或鋁鑄制，進、出水管與水泵殼體鑄成一體。殼體與轉子之間用橡膠密封圈進行密封。

5).電動水泵的結構原理

電機的圓周運動，帶動普通機械水泵泵輪旋轉。

電動水泵

8.水暖式暖風系統

在冬天，汽車暖風系統可以給車內提供暖氣，提高車內的溫度。車內外溫差較大時，車

窗玻璃上會結霜霧，從而影響駕駛員的視線，不利于行車安全。這時，開啟暖風系統可除去

車窗玻璃上的霜霧。

熱源來自發動機冷卻液，水暖式暖風系統多用于轎車和要求不高的小型貨車、客車。水

暖式暖風系統在發動機溫度較低時無法使用，發動機溫度較低時發動機冷卻系統做小循環，

當發動機達到正常的工作溫度后，節溫器打開開始大循環，這時候暖風才可以打開，鼓風機

將空氣吹過暖風水箱帶走熱量吹入駕駛室。

暖風水箱的實物圖

暖風水箱結構圖

任務三 冷卻系統的使用及維護

學習目標

5 把發動機的轉速固定在2000轉/分鐘，往水箱加滿冷卻液后蓋緊水箱蓋。同時往副水

箱加冷卻液到高低刻度線中間位置即可。

至此，冷卻液更換完畢，放下汽車路試，檢查水溫是否偏高，檢查冷卻液數量，正常后

交車。

二、冷卻系統的清洗

冷卻系經過長時間的使用，加用生水或質量不高的防凍液，會在冷卻系（散熱器、缸體

的水套）中產生大量的水垢、鐵銹和泥沙，使冷卻效率降低。因此，使用普通水的冷卻系，

每六個月應清洗一次。其他使用防凍液的冷卻系的發動機，應在更換防凍液或大修發動機時，

徹底清洗一次冷卻系。

1. 簡單清洗。

洗滌時，應放凈舊冷卻液，將發動機冷卻系加滿清潔水（自來水），起動發動機運轉5min

后放出。

2. 徹底清洗。

當發動機散熱性能不好、發動機冷卻系水垢過多時，可使用專用的散熱器清洗劑進行清

洗。冷卻系洗滌步驟如下：

起動發動機，使其溫度達到正常的工作溫度后，停止發動機轉動并放凈冷卻液，將混有

清洗劑的清洗液加入到冷卻系中。起動發動機，使發動機溫度達到正常工作溫度并怠速運轉

2O-30min，然后使發動機停止轉動，放出清洗液。

用清潔的水沖洗冷卻系5min后將發動機內注滿清潔的水，再起動發動機使其運轉10min

后放出即可。如果排出的液體較臟，應繼續用清水反復清洗直到放出清水為止。

清洗冷卻系時，如果發動機溫度低于正常溫度（85℃），則節溫器閥不能打開，清洗液

只做小循環，并不在散熱器和缸體水套中循環。所以，必須保持在正常溫度。

注意事項：

① 在一低端車上，也可以先把節溫器拆下再進行清洗。但有些高檔車不能如此。

② 放出的冷卻液不宜再使用，應嚴格按有關法規處理廢棄的冷卻液；

③ 凡更換缸蓋、缸墊、散熱器時，必須更換冷卻液；

④ 發動機熱態時，冷卻系內仍處于高溫高壓狀態。因此，此時切勿打開散熱器蓋以防

燙傷；

⑤ 發現冷卻液大量損耗，則必須待發動機處于冷態時，方可添加冷卻液，以免損壞發

動機；

⑥ 緊急情況下，若全部加入純水，在低溫地區則須盡快按規定添加冷卻液添加劑，使

冷卻液濃度恢復正常狀態以防止結冰造成零件損壞；

⑦ 冬季來臨前應檢查一下冷卻液濃度，并按規定使用合適濃度的防凍液，保證冷卻液

具有足夠的防凍能力。

三、冷卻系統的常見故障

冷卻系統是發動機的重要組成部分，無論是在炎熱的夏季還是寒冷的冬季，冷卻系統都

是發動機中故障率最高的系統。據有關資料介紹，汽車50％的故障來自于發動機，而發動

機的故障50％來自冷卻系統，可見冷卻系統對發動機是否可靠工作的重要影響。

要是發動機工作可靠、耐久，冷卻系統必須在發動機的任何工況、和任何可能的外部環

境下，都使發動機保持在最合適的溫度范圍內工作。當冷卻系統不能夠完成此項工作時，我

們就要對系統進行檢測，排除隱患。

發動機的常見故障有：

1. 發動機過熱

1）.現象：

水溫表指示在100℃以上，散熱器開鍋，發動機熄火困難，發動機易爆燃和早燃。

2）.原因：

①由于芯管大量折斷、散熱片大量倒伏、散熱片過臟等原因造成的散熱器散熱面積不足。

②水泵泄漏嚴重或者葉輪脫落等造成的水泵工作能力下降，或者不工作。

③水泵皮帶調整不當使皮帶過松。

④節溫器失效造成冷卻液只能進行小循環。

⑤由于各種原因造成的冷卻系統容量不足，使冷卻液過少等。

3）.檢測步驟：

① 冷卻液數量、質量及泄漏的檢查，液面的檢查。

檢查冷卻液液面

發動機處于高溫時，冷卻液的液面會大大的提高。檢查冷卻液的液面，應在發動機冷卻

的情況下進行。

必要時應補充冷卻液，補充冷卻液時，應將冷卻液慢慢地灌入散熱器或膨脹箱。如果液

面很低，而發動機溫度很高時，不要補充冷卻液，應等到發動機溫度冷卻后再進行。

② 檢查散熱器是否過臟，如果臟了，應進行清理。

散熱器外部過臟

③檢查節溫器

將節溫器放入水中，對水進行加熱。一邊用溫度計測量水的溫度，一邊觀察節溫器主閥

門的打開溫度。若閥門打開時的溫度不符合要求，則應更換節溫器。

節溫器的檢查

④檢查水泵

對水泵進行檢查時，觀察水泵泄水孔有無液體流出，若有液體流出，說明水泵水封損壞，

應拆卸水泵進行修理。檢查水泵皮帶有無松動，檢查水泵帶輪是否出現搖晃現象，帶輪出現

搖晃，可能是軸承松曠或者帶輪固定螺母松動等原因造成的。帶輪出現搖晃現象時，必須馬

上進行拆卸修理，避免風扇葉片因搖晃而將散熱器芯管打壞。檢查水泵是否存在異響，若水

泵出現異響，應馬上對水泵進行拆卸修理。

2. 發動機過冷

現象：

①在水溫表和水溫傳感器良好的情況下，發動機長時間行駛不能達到正常工作溫度；

②發動機動力不足；

③油耗增加。

原因：

①節溫器失效；

②風扇常轉或過早轉動。

檢測步驟：

① 檢查節溫器

② 檢查風扇是否常轉

3. 發動機冷卻液消耗過多

現象：冷卻液液面過低。

原因：

①冷卻系內部泄漏；

②冷卻系外部泄漏；

檢查步驟：

冷卻液內部泄露的檢查：

① 分析冷卻液內部泄露的方式有兩種：泄漏到缸筒內參與燃燒或者泄漏到潤滑油道中。

② 觀察膨脹箱在發動機啟動車或者著車之后有無反水現象，如有為冷卻液泄漏到氣缸

中。

③ 觀察機油蓋或者機油尺上的機油有無乳化的現象，有則說明有冷卻液泄漏到潤滑油

道中。

機油乳化

知識擴展：

1）.為什么電動汽車有風冷有水冷：

（1）.低速電動汽車基本可以實現自冷，電機的熱量可以自己散掉，控制器的熱量也可以

自己散掉，所以就不需要水箱等散熱裝置了。

（2）.稍微快速的，電機和控制器可以采用風冷，也不需要水箱等散熱裝置。

（3）.只有功率密度特別大的電動汽車，才需要水冷散熱，才需要散熱器。

2）.純電動汽車水泵主要用途及優點:

純電動汽車電機及控制系統冷卻循環。

（優點）:

直流無刷汽車水泵無電磁干擾，而且高效環保（在同等揚程和流量情況下，無刷水泵的功

耗是有刷水泵的三分之二，是機械水泵的三分之一），無級自動調速

3）.特點

（1）無需保養，體積小效率高，功耗低，抗干擾能力強，運行平穩。

（2）無碳刷，無污染，電子換向，壽命長。

（3）減震硅膠，吸收震動，降低噪音，硅膠位置可調節，方便安裝。

(4)電機的定子和電路板部分采用環氧樹脂灌封并與轉子完全隔離，解決了電機式直

流水泵長期潛水產生的滲漏問題，完全防水。

(5)解決了水泵在復雜環境中出現的卡死、水泵突然不啟動等一系列問題。

(6)水泵可選配缺水保護、空轉保護、堵轉保護、卡死保護等功能。

(7)水泵軸心采用高性能陶瓷（降低成本可選不銹鋼軸），精度高，耐磨性好，由于

采用高精密軸套與陶瓷軸的精密配合。

(8)可根據要求調制水泵參數，24V水泵可調制4米，也可11米揚程，體積不

變，可寬電壓運行。

(9)解決了水泵驅動的死亡率問題，目前市面上的水泵死亡率大概在2%~3%左

右。經過長時間科研研究將水泵的死亡率降低到了0.05%以內。

(10)可選配調速功能（PWM調速，0~5V模擬信號調速，電位器調速）

(11)如需加大水泵揚程還可將水泵串聯，則揚程可加倍。

(12)水陸兩用（外用時安裝位置低于液面）。

(13)可根據用戶要求定制設計水泵及其相關控制系統。