冷却系统的各组成部件及工作原理

知识点：冷却工作原理

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双阀蜡式节温器

节温器是控制冷却液流动路径的阀门。当发动机冷启动时，冷却液的温受较低，这时节温器将冷却液流向散热器的通道关闭，使冷却液经水泵入口直接流入机体或气缸盖水套，以便使冷却液能够迅速升温。如果不装节温器，让温度较低的冷却液经过散热器冷却后返回发动机，则冷却液的温度将长时间不能升高，发动机也将长时间在低温下运转。双阀蜡式节温器的结构如下图所示。推杆的一端紧固在带状上支架上，而另一端则插入感温体内的胶管当中。感温体支承在带状下支架及节温器阀之间，在感温体外壳与胶管中间充满精制石蜡。

▲  双蜡式节温器的结构

双阀蜡式节温器工作原理：阀座与下支架铆接在一起，紧固在阀座上的中心杆的锥形下端插在橡胶管内；橡胶管与感温器体之间的空腔内充满特制的石蜡，常温下石蜡呈固态，当温度升高时，逐渐熔化，体积也随之增大，感温器体上部套装在主阀门上，下端则与副阀门铆接在一起；节温器安装在水泵下端，进水口的前部，用来控制水泵的进水。

当冷却液温度低于85℃时，节温器体内的石蜡体积膨胀量尚小，故主阀门受大弹簧作用紧压在阀座上，来自散热器的水道被关闭，而副阀门则离开来自发动机的旁通水道，所以冷却液便不经过散热器，只在水泵与发动机水套之间进行小循环流动。这样，冷发动机开始工作时，冷却液快速升温，能很快暖机，在短时间内达到发动机正常工作温度。

当冷却水温度高于85℃时，石蜡体积膨胀，使橡胶管受挤压变形，但由于中心杆是固定不动的，于是橡胶管收缩则对中心杆锥形端部产生一个轴向推力，迫使感温器体压缩大弹簧，使主阀门逐渐开启，副阀门逐渐关闭，因而部分来自散热器的冷却水进行大循环流动。随着温度升高，主阀门开大，进行大循环冷却水量增多。

当水温达到105℃时，主阀全开，开足升程至少7mm，副阀门则完全关闭，全部冷却水流经散热器进行大循环流动。注：溢流阀或称溢流孔有排空气作用。下图中锥面是在出水侧，而进水侧是扁的，这样就不能封热水而是封冷水防逆流。在节温器没开启之有热水进入散热器水套，防止水温差过大。

▲ 节温器溢流阀

常见故障：节温器损坏造成水温过高或过低。例如：用手触摸散热器上水管，发现上方的进液管烫手，而下方的出液口不热，说明冷却系统无大循环，可能原因是节温器损坏，造成发动机冷却液循环不良。如果打开空调会出现偶尔不制冷，打开暖风会不热等。

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双节温器结构、控制原理

01  双节温器结构：

为了实现发动机缸体的温度迅速升高，同时缸体的温度比缸盖温度稍微高一些，系统中设有两个节温器，两个节温器装在一个支架上。两个节温器采用的是“expansionelements”（膨胀元件安装在节温器内，里面填充石蜡，受热膨胀会顶起升程销，升程销带动节温器盘来打开大循环）原理。为了监控冷却液温度，冷却液温度传感器（G62）装在节温器2上，其结构与安装位置如下图所示，测量的是缸盖出水口的温度。

▲ 节温器结构

▲ 安装位置

▲ 新款奥迪节温器安装位置

采用双节温器的优点如下：

① 气缸体的温度可以升高得更快，因为冷却液在温度达到105℃之前会一直在气缸体内循环。

② 由于气缸体温度较高，降低了曲柄连杆机构的摩擦，使机油的黏度降低。

③ 由于缸盖的温度稍低一些，燃烧室的温度也就低一些，好处是增加充气效率，同时减小爆震倾向。

02  双节温器控制原理：

为了控制冷却系统内的温度，冷却液流量的1/3用于冷却缸体，2/3用于参与冷却缸盖，主要用来冷却燃烧室。流速和温度，是通过节温器的横截面积来控制的。由于两个循环系统的温度不同，所以开启的温度也就不同。在这种情况下，需要两个分开的节温器。由于缸体循环的压力高，所以使用的是双行程节温器，来实现精准的温控开启。如果使用的是单行程节温器，就需要一个更大尺寸的节温器盘保证压力高时开启。但由弹簧力的作用，节温器将只在高温的时候打开。如果采用双行程节温器，在达到开启温度的初期，只需要一个小尺寸的节温器盘就能打开。由于受力面积小，反向作用力也就小，所以节温器在精确的温度控制过程中可以精确打开。在节温器盘移动一段距离后，小节温器盘驱动一个大节温器盘来打开节温器的整个横截面，如下图所示。

▲ 节温器控制原理

① 冷却液温度低于87℃，两个节温器都处于关闭状态，发动机升温快，如下图所示。冷却液流经下面这些元件：冷却液泵→气缸盖→节温器支架→小冷却液箱→机油冷却器→冷却液罐。

▲ 两个节温器全关闭

② 冷却液温度介于87~105℃时，节温器1打开，节温器2关闭，从而将气缸盖的温度设定在87℃，气缸体进一步升温，如下图所示。冷却液流经下面这些元件：冷却液泵→气缸盖→节温器支架→小冷却液箱→机油冷却器→冷却液罐→散热器。

▲ 节温器1打开、节温器2关闭

③ 气缸盖温度设定在87℃，气缸体温度达到105℃，两个节温器都打开，如下图所示。冷却液流经下面这些元件：冷却液泵→气缸盖→节温器支架→小冷却液箱→机油冷却器→废气再循环阀→冷却液罐→散热器→缸体→节温器。

▲ 两个节温器全打开

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冷却液循环泵

01  冷却液循环泵安装位置

冷却液循环泵通过螺栓固定在缸体上，安装在进气歧管下面，它是增压空气冷却系统的一部分。

▲ 冷却液循环泵安装位置

02  冷却液循环泵的功用

它根据负荷来控制，将冷却液从附加散热器中吸出，泵入进气歧管内的冷却器和涡轮增压器。

03  开始工作条件

每次发动机启动后的短时间内，，冷却液循环泵工作；输出转矩持续在100N·m以上的时候，冷却液循环泵工作；进气歧管内增压空气温度持续超过50℃，冷却液循环泵工作；两个温度传感器之间的温差小于8℃，冷却液循环泵工作；发动机每工作120s，冷却液循环泵工作10s，为了避免涡轮增压器产生热量积聚；关闭发动机后，根据电控单元存储的迈普图决定从0~480s之间的工作时间，避免涡轮增压器过热而产生气阻，冷却液循环泵工作。

04  冷却液循环泵继电器安装位置

冷却液循环泵继电器（J496）安装位置如下图所示。如果这个泵失效，很可能会产生过热现象。这个泵本身并不带诊断功能，通过对比两个进气温度传感器的信号来识别冷却系统故障，OBD警报灯会点亮。

▲ 冷却液循环泵继电器(J496)安装位置

大众冷却系统随动泵：控制单元根据特性曲线激活随动泵（V51），避免涡轮增压器涡轮轴上机油焦化结炭。发动机热机关闭后工作1~15min，该泵将较凉的冷却液逆着其流动方向传送，于是辅助水泵吸入的冷却液就从散热器经涡轮增压器流到发动机缸体，然后流回到散热器，消除停滞的热量。

冷却液续动泵（V51），辅助水泵：

发动机横置的车上才装备该泵，其结构与纵置发动机的车上的泵（V50）是相同的，如下图所示。V51由发动机控制单元借助于PWM信号来操控。

▲ 冷却液续动泵（V51）工作循环

冷却液续动泵（V51）由发动机控制单元根据操控单元（暖风控制单元J65）的请求或者自动空调控制单元（J255）的信号来工作。

该泵在发动机一定的转速时，还会辅助发动机水泵，以便增大流经暖风热交换器冷却液液流（加大暖风发热量）。

另外，还可以快速降低废气涡轮增压器内的温度，这样可以延长发动机机油的使用寿命。

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冷却液散热器

冷却液散热器几乎都使用铝合金散热器芯。设计冷却液散热器时，必须确保在所有可能的运行和环境条件下，冷却液散热器可将发动机内产生的余热有效释放到环境中去。

例如，宝马E65的冷却液散热器包括两个部分：一个主要负责发动机冷却的高温区，一个确保自动变速箱油冷却的低温区。其实现方式是，通过集成在冷却液箱内分流器使高温区附近的部分冷却液转变流向。

与以前车型上使用的铝合金/塑料冷却液散热器相比，加满冷却时质量减轻了400g，部件厚度减少了21mm。质量总计减少了大约5%。散热器芯与水箱之间的钎焊接头取代了以前常用的带凸起管板的机械接头。因此，与传统冷却液散热器相比，全铝冷却液散热器不仅部件厚度较小，而且更可靠、使用寿命更长。这种全铝结构还首次采用了用于快速接头的VDA连接管。

通过在两个水箱中安装调节套管可在变速箱油/冷却液热交换器内隔出一个用于变速箱油冷却的低温区域，如下图所示。

▲ 散热器

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特性曲线式节温器

冷却液温度会影响耗油量、功率、混合气形成质量、污染物排放量以及部件的机械负荷。

优化这些参数时不允许在不同转速和负荷条件下温度值固定不变，而是要求针对不同运行情况达到相应的温度范围。

通过采用特性曲线式节温器有助于达到最佳温度。

▲ 特性曲线式节温器

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冷却液停流切换阀

创新温度管理系统（ITM）使用的是一个球阀，如果这个球阀关闭，冷却液流动就被中断。这时冷却液就停滞在整个发动机内，发动机机油急速变热，这就缩短了摩擦损失很大所持续的时间。在每次启动发动机后，如果冷却液温度低于80℃，就会让冷却液停流。

这个切换阀用法兰安装在减振器和空气进气装置之间的缸体上，它与冷却液泵和缸体之间的压力侧冷却液管合为一体。该阀通过一个真空单元以气动方式来操控。真空是由真空泵来提供的，由一个电动转换阀（缸盖冷却液阀N489）来控制，如下图所示。

▲ 创新温度管理系统

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创新温度管理

在对发动机进行进一步改进时，对整个冷却循环系统也做了修改。主要有这几项内容：

发动机的快速预热，通过快速且经热力学方面优化的发动机温度调节来实现降低油耗，以及在需要时给乘员舱加热。

创新温度管理（ITM）的两个最重要部件是，集成在缸盖内的排气歧管，和发动机温度调节执行元件（N493）。创新温度 管理作为一个模块与水泵一起安装在发动机较冷的一侧。

▲ 集成在缸盖内的排气歧管

▲ 水泵安装位置

▲ 工作循环

1—暖风热交换器；2—变速器机油冷却器；3—自动空调冷却液截止阀（N422）；4—冷却液循环泵（V50）；5—变速器冷却液阀（N488）；6—冷却液膨胀罐；7—冷却液温度传感器（G62）；8—带有发动机温度调节执行元件（N493旋转滑阀1和2）的冷却液泵；9—废气涡轮增压器；10—集成式排气歧管（IAGK）；11—发动机机油冷却器；12—散热器风扇1（V7）；13—散热器风扇2（V177）；14—散热器出口冷却液温度传感器（G83）；15—散热器

发动机温度调节执行元件（N493）旋转滑阀：发动机温度调节执行元件（N493）安装在1.8L和2.0L发动机上，无论纵置和横置都是一样的，采用两个机械连接的旋转滑阀来调节冷却液液流。

旋转滑阀角度位置的调节是按照发动机控制单元内的各种特性曲线来进行的。

通过旋转滑阀的相应位置，就可实现不同的切换状态。因此，就可让发动机快速预热，也就使得摩擦变小了（因此燃油消耗就小了）。另外，可让发动机温度在85~107℃之间变动，如下图所示。

▲ 发动机温度调节执行元件（N493）

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冷却风扇控制

01  冷却风扇无级控制原理

冷却风扇无级控制系统由传感器、控制单元和执行器构成，如下图所示。传感器主要包括发动机转速传感器、空气流量传感器、进气温度传感器、环境温度传感器、发动机出液口温度传感器、散热器出液口温度传感器、空调系统相关传感器、车速传感器等；控制单元包括发动机控制单元和冷却风扇控制单元，执行器主要是2个冷却风扇。

▲ 冷却风扇无级控制系统组成

2个冷却液温度传感器及2个冷却风扇在冷却管路中的安装位置如下图所示，发动机出液口温度传感器用于检测发动机的工作温度，散热器出液口温度传感器用于检测散热器的散热效果，这两个温度信号是控制冷却风扇转速的基础信息。

▲ 温度传感及冷却风扇安装位置

冷却风扇控制系统对冷却风扇转速的控制由目标冷却液温度控制和风扇转速控制两部分组成。

02  目标冷却液温度控制策略

在发动机控制单元内储存了两条目标冷却液温度的特性曲线，如下图所示。

▲ 发动机负荷与水温的关系

第一条目标冷却液温度特性曲线反映目标冷却液温度与发动机负荷（进气量）和发动机转速之间的关系，其中发动机负荷是影响目标冷却液温度的主要因素。目标冷却液温度必须与发动机负荷一致，合适的冷却液温度能提高发动机性能。部分负荷时，发动机温度高一些（95~105℃）有利于发动机提高性能，降低油耗和有害物质排放；全负荷时温度低一些（85~95℃），以减少对进气的加热作用，提高充气系数从而增加动力输出，利于功率的提高。

第二条目标冷却液特性特性曲线反映目标冷却液温度与车速和外界温度之间的关系。利用该特性曲线可以有效修正冷却液温度传感器检测到的冷却液温度与发动机液套处的冷却液温度之间的差异。在高温环境（例如热带沙漠）低速行驶与在低温环境（例如东北的冬季）高速行驶，可能冷却液温度传感器检测到的温度是一样的，但发动机液套处和发动机室的温度却是不同的，低温高速行驶时冷却液温度传感器检测到的温度要比发动机真实的工作温度低得多，而高温低速行驶时则正好相反。所以在计算目标冷却液温度时要利用检测到的车速和外界温度进行适当修正，一般来说，车速越快和外界温度越低，目标冷却液温度要适当降低2~5℃。

发动机控制单元对比两个特性曲线，取最低值来控制冷却风扇的工作。当发动机的冷却液温度超过目标温度后，冷却风扇就开始工作。一般情况下，在正常工况时该目标冷却液温度约为93℃，即冷却液温度达到93℃后冷却风扇开始工作。

END

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