汽车发动机冷却系统的构造与维修教案

发动机冷却系统

任务一 系统的作用及组成

学习目标

(1) 冷却系统的功用和冷却方式

(2) 冷却系统的基本组成

一、认识冷却系统

1. 冷却系统的作用

发动机冷却系统的任务是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，使发动机得到适度

的冷却，从而保证发动机在最适宜的温度状态下工作。如图5-1所示，发动机的正常工作温

度在90℃左右。正确的发动机工作温度不仅对发动机的动力输出、燃油经济性影响较大；

同时，也有利于降低有害物质排放。

Pe :输出功率

Be :燃油经济性

T :发动机温度

发动机温度与性能的关系图

发动机过热会降低气缸充气效率，使发动机功率下降；早燃和爆燃的倾向加大，使零件

因承受额外冲击性负荷而造成早期损坏；运动件的正常间隙被破坏，运动阻滞，磨损加剧，

甚至损坏；润滑情况恶化，加剧了零件的摩擦磨损；零件的机械性能降低，导致变形或损坏。

发动机过冷会使进入气缸的混合气（或空气）温度太低，可燃混合气品质差，使点火困

难或燃烧迟缓，导致发动机功率下降，燃料消耗量增加；燃烧生成物中的水蒸汽易凝结成水

而与酸性气体形成酸类，加重了对机体和零件的侵蚀作用；未汽化的燃料冲刷和稀释零件表

面（气缸壁、活塞、活塞环等）上的油膜，使零件磨损加剧。

2. 冷却系统的分类

有液冷式和风冷式两种。液冷式主要用在汽车用发动机上，风冷式在摩托车上面应该非

常广泛。

1）. 风冷发动机冷却系统

冷却介质是空气，通过气流利用散热片直接向周围空气散热，摩托车采用的风冷发动机。

风冷发动机冷却

风冷发动具有特点：

（1） 结构简单、质量较小、升温较快、经济性好。

（2） 难以调节，消耗功率大、工作燥声大。

2）. 水冷发动机冷却系统

液冷的原理是通过冷却液的不断循环，从发动机水套中吸收多余的热量，并利用循环液

将热量带走，通过散热器将热量散发到大气中。液冷需要冷却液作为导热媒介，根据导热媒

介的不同又可分为水冷和油冷两类，现代轿车多采用水冷为主、油冷为辅的散热方式帮助汽

车提高冷却能力。水冷的媒介为防冻液，水冷发动机的冷却系统。

油冷是指利用润滑系统中的润滑油来散热，起到了辅助的散热作用。

3. 水冷却系统组成

发动机冷却系统由散热器、水泵、风扇、冷却介质、温度调节装置和连接管路等组成。

冷却系统的组成

1）. 散热器

散热器又称为水箱，由上水室、散热器芯和下水室等组成。安装在发动机前的车架横梁

上。其作用是将冷却水在水套中所吸收的热量散发至外界大气，使水温下降。

大众车系水泵结构图

3）. 散热风扇

冷却风扇置于散热器后面。如图5-7所示，当发动机在车架上纵向布置时，风扇一般安

装在水泵轴上，并由驱动水泵和发电机的同一根V带传动。风扇的功用是当风扇旋转时吸进

空气使其通过散热器，以增强散热器的散热能力，加快冷却液的冷却速度。汽车发动机水冷

系多采用低压头、大风量、高效率的轴流式风扇，即风扇旋转时，空气沿着风扇旋转轴的轴

线方向流动。

散热风扇

4）. 冷却液

冷却液是发动机冷却系统中最重要的工作介质，汽车常用的冷却液有水或加入防冻剂的

防冻液。

（1） 冷却水

汽车发动机中使用的冷却水应是清洁的软水，如雨水，自来水等；而井水、河水等硬水

中含有矿物质，在高温下易生成水垢，不能作为发动机冷却水。

（2） 防冻液

冷却液是水与防冻剂的混合物。为了适应冬季行车的需要，在水中加入防冻剂制成冷却

液以防止循环冷却水的冻结。最常用的防冻剂是乙二醇。冷却液中水与乙二醇的比例不同，

其冰点也不同。50％的水与50％的乙二醇混合而成的冷却液，其冰点约为－35.5℃。

在水中加入防冻剂还同时提高了冷却液的沸点。例如，含50％乙二醇的冷却液在大气

压力下的沸点是130℃。因此，防冻剂有防止冷却液过早沸腾的附加作用。

防冻剂中通常含有防锈剂和泡沫抑制剂。防锈剂可延缓或阻止发动机水套壁及散热器的

锈蚀或腐蚀。冷却液中的空气在水泵叶轮的搅动下会产生很多泡沫，这些泡沫将妨碍水套壁

的散热。泡沫抑制剂能有效地抑制泡沫的产生。在使用过程中，防锈剂和泡沫剂会逐渐消耗

殆尽，因此，定期更换冷却液是十分必要的。在防冻剂中一般还要加入着色剂，不同品牌车

型的所使用的冷却液的颜色不同。颜色上的差异也会很醒目地区分出不同的产品，典型日系

车型常用的绿色防冻液。在冷却液发生泄漏时，可以更为醒目的被人所察觉。

冷却液

任务二 系统构造及原理

学习目标

(1) 掌握小循环的原理

(2) 掌握大循环的原理

(3) 掌握节温器的工作原理

一、系统构造

水冷却系是以水作为冷却介质，把发动机受热零件吸收的热量散发到大气中去。目前汽

车发动机上采用的水冷系大都是强制循环式水冷系统，利用水泵强制水在冷却系中进行循环

流动。它主要由散热器、水泵、风扇、冷却水套和温度调节装置等组成。

发动机水套

冷却水在吸收了机体的大量热量后经气缸盖出水孔流回散热器，由于有风扇的强力抽吸，

空气流由前向后高速通过散热器。因此，受热后的冷却水在流过散热器芯的过程中，热量不

断地散发到大气中去，冷却后的水流到散热器的底部，又被水泵抽出，再次压送到发动机的

水套中，如此不断循环，把热量不断地送到大气中去，使发动机不断地得到冷却，如图5-12

所示。

a） 大循环 b） 小循环

不同的循环方式

三、系统元件构造

1. 散热器

1） 散热器的构成：

发动机水冷系统中的散热器由进水室、出水室及散热器芯等三部分构成。冷却液在散热

器芯内流动，空气在散热器芯外通过。热的冷却液由于向空气散热而变冷，冷空气则因为吸

收冷却液散出的热量而升温，所以散热器是一个热交换器。

散热器的实际外形

散热器实物图

2） 散热器的分类：

（1）按照散热器中冷却液流动的方向分：可将散热器分为纵流式和横流式两种。纵流

式散热器芯竖直布置，上接进水室，下连出水室，冷却液由进水室自上而下地流过散热器芯

进入出水室。横流式散热器芯横向布置，左右两端分别为进、出水室，冷却液自进水室经散

热器芯到出水室横向流过散热器。大多数新型轿车均采用横流式散热器，这可以使发动机罩

的外廓较低，有利于改善车身前端的空气动力性。

散热器流动方向的区别

（2） 按照散热管的排列分：散热器芯有多种结构形式，一般可分为管片式、管带式、

板式三种。

① 管片式散热器芯由散热管和散热片组成，如图5-17所示。散热管是焊在进、出

水室之间的直管，作为冷却液的通道。散热管有扁管也有圆管。扁管与圆管相比，在容

积相同的情况下有较大的散热表面。铝散热器芯多为圆管。在散热管的外表面焊有散热

片以增加散热面积，增强散热能力，同时还增大了散热器的刚度和强度。管片式散热器

的优点是散热面积大、气流阻力小、结构刚度好及承压能力强等。

板式

2.散热器盖

现代的汽车发动机强制循环水冷系都用散热器盖严密地盖在散热器加冷却液口上，使水冷系

成为封闭系统，通常称这种水冷系为闭式水冷系。

其优点有两个：

①闭式水冷系可使系统内的压力提高98～196kPa，冷却液的沸点相应地提高到120℃

左右，从而扩大了散热器与周围空气的温差，提高了散热器的换热效率。由于散热器散

热能力的增强，可以相应地减小散热器尺寸。

②闭式水冷系可减少冷却液外溢及蒸发损失。

散热器盖的作用是密封水冷系并调节系统的工作压力。当发动机工作时，冷却液的温度

逐渐升高。由于冷却液容积膨胀使冷却系统内的压力增高。当压力超过预定值时，压力阀开

启，一部分冷却液经溢流管流入补偿水桶，以防止冷却液胀裂散热器。当发动机停机后，冷

却液的温度下降，冷却系内的压力也随之降低。当压力降到大气压力以下出现真空时，真空

阀开启，补偿水桶内的冷却液部分地流回散热器，可以避免散热器被大气压力压坏。

3.补偿水箱

发动机冷却系统可分为开式和闭式两种，开式冷却系统中补偿水箱只有储水功能，闭式

冷却系统中的补偿水箱不但有储水功能，还有储压功能，所以也称为“膨胀箱”。补偿水箱

别称有很多：“副水箱”、“膨胀罐”等等。

补偿水箱由塑料制造并用软管与散热器加冷却液口上的溢流管连接。

冷却液流回系统中

补偿水箱内的液面有时升高，有时降低，而散热器却总是为冷却液所充满。在补偿水箱

的外表面上刻有两条标记线："低"线和"高"线，补偿水箱内的液面应位于两条标记线之间。

若液面低于"低"线时，应向箱内补充冷却液。在向箱内添加冷却液时，液面不应超过"高"线。

补偿水箱还可消除水冷系中的所有气泡。

4.散热器百叶窗

有些货车和大客车发动机在散热器前面装有百叶窗，其作用是通过改变吹过散热器的空

气流量来调节发动机的冷却强度，以保证发动机经常在适当的温度范围内工作。在发动机冷

起动或暖车期间，冷却液的温度较低，这时将百叶窗部分或完全关闭，以减少吹过散热器的

空气流量，使冷却液的温度迅速升高。百叶窗可由驾驶人通过驾驶室内的手柄来操纵其开闭，

也可用感温器自动控制。

5. 冷却风扇

1）.风扇的功用及结构

冷却风扇置于散热器后面，当发动机在车架上纵向布置时，风扇一般安装在水泵轴上，

并由驱动水泵和发电机的同一根V带传动。风扇的功用是当风扇旋转时吸进空气使其通过

散热器，以增强散热器的散热能力，加快冷却液的冷却速度。汽车发动机水冷系多采用低压

头、大风量、高效率的轴流式风扇，即风扇旋转时，空气沿着风扇旋转轴的轴线方向流动。

扇热风扇的作用

早期的车辆所采用的风扇大部分由发动机通过皮带驱动，而现在很多轿车发动机的水冷

系统采用电动风扇，尤其横置发动机前轮驱动的汽车更是如此。由发动机皮带驱动的冷却风

扇越来越少，几近淘汰。

电动风扇由风扇电动机驱动并由蓄电池供电，所以风扇转速与发动机转速无关。在有些

电控系统中，电动风扇由电脑控制。冷却液温度传感器向电脑传输与冷却液温度相关的信号。

当冷却液温度达到规定值时，电脑使风扇继电器搭铁，继电器触点闭合并向风扇电动机供电，

风扇进入工作。电动风扇的优点是结构简单，布置方便，不消耗发动机功率使燃油经济性得

到改善。此外，采用电动风扇不需要检查、调整或更换风扇传动带，因而减少了维修的工作

量。

6、节温器

1）.节温器的作用

节温器是控制冷却液流动路径的阀门。当发动机冷起动时，冷却液的温度较低，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。同时，车厢内

的暖风系统以及用冷却液加热的进气管预热系统都在长时间内不能发挥作用，汽车上多采用

石腊式节温器。

石腊式节温器

2）.节温器结构及工作原理

节温器结构

发动机温度低时节温器关闭此为小循环

当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始熔化逐渐变成液体，体积随之增大并压迫橡胶管

使其收缩。在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向上的推力。由于推杆上端固定，因此，推杆

对胶管和感温体产生向下的反推力使阀门开启。这时冷却液经由散热器和节温器阀，再经水

泵流回发动机，进行大循环。

散热器内的低温冷却液流入机体，使冷却液又冷了下来，节温器阀重新关闭。等到冷却液温

度再度升高，节温器阀又再次打开。直到全部冷却液的温度稳定之后，节温器阀才趋于稳定

不再反复开闭。节温器在短时间内反复开闭的现象称作节温器振荡。当出现这种现象时，将

增加汽车的燃油消耗量。节温器也可以布置在散热器的出水管路中。这种布置方式可以减轻

或消除节温器振荡现象，并能精确地控制冷却液温度，但其结构复杂，成本较高。多用于高

性能的汽车及在冬季经常高速行驶的汽车上。

7. 水泵

1）. 水泵的作用

水泵是发动机冷却系统的重要部件，它的作用是泵送冷却液，使冷却液在发动机的冷却

水道内快速流动，以带走发动机工作时产生的热量，保持发动机正常工作温度。水泵的泵水

量很大，例如一台V8发动机的水泵，怠速时的泵水量大约是750 L/h。

2）.水泵的分类

根据驱动方式的不同，水泵一般分为机械水泵和电动水泵。目前大多数发动机采用机械

水泵，在一些新开发的技术含量较高的发动机上已经使用了电动水泵，例如宝马6系（Ｅ

63）搭载的发动机。

典型机械水泵

电动水泵及安装位置

2）. 机械水泵的工作原理

汽车发动机广泛采用离心式水泵。当水泵叶轮旋转时，水泵中的冷却液被叶轮带动一起

旋转，并在离心力的作用下被甩向水泵壳体的边缘，同时产生一定的压力，然后从出水管流

出。在叶轮的中心处由于冷却液被甩出而压力下降，散热器中的冷却液在水泵进口与叶轮中

心的压差作用下经进水管流入叶轮中心。

叶轮由铸铁或塑料制造，叶轮上通常有6～8个径向直叶片或后弯叶片。水泵壳体由铸

铁或铝铸制，进、出水管与水泵壳体铸成一体。壳体与转子之间用橡胶密封圈进行密封。

5).电动水泵的结构原理

电机的圆周运动，带动普通机械水泵泵轮旋转。

电动水泵

8.水暖式暖风系统

在冬天，汽车暖风系统可以给车内提供暖气，提高车内的温度。车内外温差较大时，车

窗玻璃上会结霜雾，从而影响驾驶员的视线，不利于行车安全。这时，开启暖风系统可除去

车窗玻璃上的霜雾。

热源来自发动机冷却液，水暖式暖风系统多用于轿车和要求不高的小型货车、客车。水

暖式暖风系统在发动机温度较低时无法使用，发动机温度较低时发动机冷却系统做小循环，

当发动机达到正常的工作温度后，节温器打开开始大循环，这时候暖风才可以打开，鼓风机

将空气吹过暖风水箱带走热量吹入驾驶室。

暖风水箱的实物图

暖风水箱结构图

任务三 冷却系统的使用及维护

学习目标

5 把发动机的转速固定在2000转/分钟，往水箱加满冷却液后盖紧水箱盖。同时往副水

箱加冷却液到高低刻度线中间位置即可。

至此，冷却液更换完毕，放下汽车路试，检查水温是否偏高，检查冷却液数量，正常后

交车。

二、冷却系统的清洗

冷却系经过长时间的使用，加用生水或质量不高的防冻液，会在冷却系（散热器、缸体

的水套）中产生大量的水垢、铁锈和泥沙，使冷却效率降低。因此，使用普通水的冷却系，

每六个月应清洗一次。其他使用防冻液的冷却系的发动机，应在更换防冻液或大修发动机时，

彻底清洗一次冷却系。

1. 简单清洗。

洗涤时，应放净旧冷却液，将发动机冷却系加满清洁水（自来水），起动发动机运转5min

后放出。

2. 彻底清洗。

当发动机散热性能不好、发动机冷却系水垢过多时，可使用专用的散热器清洗剂进行清

洗。冷却系洗涤步骤如下：

起动发动机，使其温度达到正常的工作温度后，停止发动机转动并放净冷却液，将混有

清洗剂的清洗液加入到冷却系中。起动发动机，使发动机温度达到正常工作温度并怠速运转

2O-30min，然后使发动机停止转动，放出清洗液。

用清洁的水冲洗冷却系5min后将发动机内注满清洁的水，再起动发动机使其运转10min

后放出即可。如果排出的液体较脏，应继续用清水反复清洗直到放出清水为止。

清洗冷却系时，如果发动机温度低于正常温度（85℃），则节温器阀不能打开，清洗液

只做小循环，并不在散热器和缸体水套中循环。所以，必须保持在正常温度。

注意事项：

① 在一低端车上，也可以先把节温器拆下再进行清洗。但有些高档车不能如此。

② 放出的冷却液不宜再使用，应严格按有关法规处理废弃的冷却液；

③ 凡更换缸盖、缸垫、散热器时，必须更换冷却液；

④ 发动机热态时，冷却系内仍处于高温高压状态。因此，此时切勿打开散热器盖以防

烫伤；

⑤ 发现冷却液大量损耗，则必须待发动机处于冷态时，方可添加冷却液，以免损坏发

动机；

⑥ 紧急情况下，若全部加入纯水，在低温地区则须尽快按规定添加冷却液添加剂，使

冷却液浓度恢复正常状态以防止结冰造成零件损坏；

⑦ 冬季来临前应检查一下冷却液浓度，并按规定使用合适浓度的防冻液，保证冷却液

具有足够的防冻能力。

三、冷却系统的常见故障

冷却系统是发动机的重要组成部分，无论是在炎热的夏季还是寒冷的冬季，冷却系统都

是发动机中故障率最高的系统。据有关资料介绍，汽车50％的故障来自于发动机，而发动

机的故障50％来自冷却系统，可见冷却系统对发动机是否可靠工作的重要影响。

要是发动机工作可靠、耐久，冷却系统必须在发动机的任何工况、和任何可能的外部环

境下，都使发动机保持在最合适的温度范围内工作。当冷却系统不能够完成此项工作时，我

们就要对系统进行检测，排除隐患。

发动机的常见故障有：

1. 发动机过热

1）.现象：

水温表指示在100℃以上，散热器开锅，发动机熄火困难，发动机易爆燃和早燃。

2）.原因：

①由于芯管大量折断、散热片大量倒伏、散热片过脏等原因造成的散热器散热面积不足。

②水泵泄漏严重或者叶轮脱落等造成的水泵工作能力下降，或者不工作。

③水泵皮带调整不当使皮带过松。

④节温器失效造成冷却液只能进行小循环。

⑤由于各种原因造成的冷却系统容量不足，使冷却液过少等。

3）.检测步骤：

① 冷却液数量、质量及泄漏的检查，液面的检查。

检查冷却液液面

发动机处于高温时，冷却液的液面会大大的提高。检查冷却液的液面，应在发动机冷却

的情况下进行。

必要时应补充冷却液，补充冷却液时，应将冷却液慢慢地灌入散热器或膨胀箱。如果液

面很低，而发动机温度很高时，不要补充冷却液，应等到发动机温度冷却后再进行。

② 检查散热器是否过脏，如果脏了，应进行清理。

散热器外部过脏

③检查节温器

将节温器放入水中，对水进行加热。一边用温度计测量水的温度，一边观察节温器主阀

门的打开温度。若阀门打开时的温度不符合要求，则应更换节温器。

节温器的检查

④检查水泵

对水泵进行检查时，观察水泵泄水孔有无液体流出，若有液体流出，说明水泵水封损坏，

应拆卸水泵进行修理。检查水泵皮带有无松动，检查水泵带轮是否出现摇晃现象，带轮出现

摇晃，可能是轴承松旷或者带轮固定螺母松动等原因造成的。带轮出现摇晃现象时，必须马

上进行拆卸修理，避免风扇叶片因摇晃而将散热器芯管打坏。检查水泵是否存在异响，若水

泵出现异响，应马上对水泵进行拆卸修理。

2. 发动机过冷

现象：

①在水温表和水温传感器良好的情况下，发动机长时间行驶不能达到正常工作温度；

②发动机动力不足；

③油耗增加。

原因：

①节温器失效；

②风扇常转或过早转动。

检测步骤：

① 检查节温器

② 检查风扇是否常转

3. 发动机冷却液消耗过多

现象：冷却液液面过低。

原因：

①冷却系内部泄漏；

②冷却系外部泄漏；

检查步骤：

冷却液内部泄露的检查：

① 分析冷却液内部泄露的方式有两种：泄漏到缸筒内参与燃烧或者泄漏到润滑油道中。

② 观察膨胀箱在发动机启动车或者着车之后有无反水现象，如有为冷却液泄漏到气缸

中。

③ 观察机油盖或者机油尺上的机油有无乳化的现象，有则说明有冷却液泄漏到润滑油

道中。

机油乳化

知识扩展：

1）.为什么电动汽车有风冷有水冷：

（1）.低速电动汽车基本可以实现自冷，电机的热量可以自己散掉，控制器的热量也可以

自己散掉，所以就不需要水箱等散热装置了。

（2）.稍微快速的，电机和控制器可以采用风冷，也不需要水箱等散热装置。

（3）.只有功率密度特别大的电动汽车，才需要水冷散热，才需要散热器。

2）.纯电动汽车水泵主要用途及优点:

纯电动汽车电机及控制系统冷却循环。

（优点）:

直流无刷汽车水泵无电磁干扰，而且高效环保（在同等扬程和流量情况下，无刷水泵的功

耗是有刷水泵的三分之二，是机械水泵的三分之一），无级自动调速

3）.特点

（1）无需保养，体积小效率高，功耗低，抗干扰能力强，运行平稳。

（2）无碳刷，无污染，电子换向，寿命长。

（3）减震硅胶，吸收震动，降低噪音，硅胶位置可调节，方便安装。

(4)电机的定子和电路板部分采用环氧树脂灌封并与转子完全隔离，解决了电机式直

流水泵长期潜水产生的渗漏问题，完全防水。

(5)解决了水泵在复杂环境中出现的卡死、水泵突然不启动等一系列问题。

(6)水泵可选配缺水保护、空转保护、堵转保护、卡死保护等功能。

(7)水泵轴心采用高性能陶瓷（降低成本可选不锈钢轴），精度高，耐磨性好，由于

采用高精密轴套与陶瓷轴的精密配合。

(8)可根据要求调制水泵参数，24V水泵可调制4米，也可11米扬程，体积不

变，可宽电压运行。

(9)解决了水泵驱动的死亡率问题，目前市面上的水泵死亡率大概在2%~3%左

右。经过长时间科研研究将水泵的死亡率降低到了0.05%以内。

(10)可选配调速功能（PWM调速，0~5V模拟信号调速，电位器调速）

(11)如需加大水泵扬程还可将水泵串联，则扬程可加倍。

(12)水陆两用（外用时安装位置低于液面）。

(13)可根据用户要求定制设计水泵及其相关控制系统。