BMW发动机冷却系故障与排除论文26192.doc
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1、第 1 页 BMW 发动机冷却系故障与排除 摘要本文针对 BMW 发动机冷却系论述了冷却系统的作用、组成、主要构造、 部件工作原理、日常维护、故障的检测步骤和排除方法,同时论述了 BMW 在冷 却 系上的特有技术,以及 BMW 许可使用的防冻防腐剂,BMW 对发动机冷却液的 要求,拆卸和安装或更新冷却液部件的注意事项,并作了 BMW 发动机冷却系故障 的检查和排除方法。 关键词 BMW 发动机 冷却系原理 维护 故障排除 第 2 页 目 录 摘要 1 目 录 2 1 冷却系概述 .1 1.1 冷却系的功用 1 1.2 适度的冷却强度 1 1.3 冷却系的能量转换 .1 2 空气-水循环冷却(水
2、冷) 1 2.1 简单水冷系统 2 2.2 水冷系统 MTK(局部冷却式发动机水冷系统) 8 2.3 横流式水冷系统 .9 3 增压空气的冷却 .11 4 机油冷却 12 5 冷却系统服务信息 .13 5.1 简单冷却系统 13 5.2 横流式水冷系统 .13 5.3 对发动机冷却液的要求 13 5.4 冷却系统上的维修工 作提示 .14 6 故障处理 15 6.1 水箱损坏导致冷却液渗漏 .15 6.2 排气不充分导致冷却液不足 .15 6.3 节温器故障 16 6.4 冷却风扇插头故障 .16 结论 17 致谢 18 参考资料 19 第 3 页 1 冷却系概述 1.1 冷却系的功用 发动机
3、在燃烧过程中,气缸与燃烧室内的气体温度可高达 2073K2273K。因此,必须在发动机上设置冷却系,在发动机工作中对高温机 件进行冷却,保证发动机的正常工作。冷却系虽然不参与发动机的功能转换, 但却是发动机正常工作必不可少的保证。 1.2 适度的冷却强度 冷却系的冷却强度是否合适,对发动机的工作影响很大,冷却不足,会造 成发动机过热,导致发动机充气量下降而影响发动机的功率输出,可能造成早 燃、爆燃和表面点火的不正常燃烧;同是,过高的温度会使润滑油黏度降低, 加剧机件磨损。冷却过度,会使发动机过冷,导致燃料蒸发困难,可燃混合气 形成条件变差。燃烧不完全会造成发动机功率下降、油耗量增大,引起废气排
4、 放污染物增加。适度冷却在发动机各种工况下,对冷却强度进行调节,以维持 发动机的正常工作温度,保证发动机正常工作,这就是发动机冷却系的作用。 1.3 冷却系的能量转换 发动机内部进行能量转化时必然会随之产生热量。 这种热能经摩擦、燃烧 和压缩产生,必须通过设计合理的冷却系统进行相应控制。 进行控制的目的是 减少燃烧室附近部件的热负荷! 其方式分为: 直接冷却 = 空气冷却 通过大量气流流过装有散热片的大面 积表面使部件直接散热。通过中间介质进行冷却,例如水冷。 由于水的比热较 高而且能够在材料与冷却介质之间进行有效导热,因此将其作为首选。 由于人 们对耗油量、尾气排放、使用寿命、行驶舒适性和选
5、装配置范围(套件)方面 的要求不断提高,因此现在的大部分车辆内燃机冷却系统都具有下列特点: 通过外部驱动式离心泵进行发动机水冷(冷却液强制循环) ,冷却系统运行 压力最高为 2 bar 使用水与防冻剂的 1:1 混合物,广泛使用具有抗腐蚀性的铝 合金作为材料。冷却液中包含添加成分,用于防止铝合金散热器腐蚀使用塑料 作为水箱、风扇和风扇罩的主要材料,通过风扇传动装置和冷却液节温器进行 调节干预, 根据发动机类型、功率和装备特点使用增压空气冷却器、液压油冷 却器、变速箱油冷却器、发动机油冷却器和废气冷却器,将车辆前端的冷却组 件预装在一个功能单元内,所谓的冷却模块。 使用水冷式内燃机时,根据燃烧过
6、程平均大约三分之一的燃油能量通过冷 却系统排出,三分之一随尾气排放流失,另外三分之一转化为有效功。 第 4 页 2 空气 -水循环冷却(水冷) BMW 冷却系统包含:空气-水循环冷却(水冷) ,增压空气和冷却机油冷却。 其中空气-水循环冷却在一个封闭的循环回路内进行,该循环回路内可添加 防腐剂和防冻剂。冷却液通过一个泵在发动机和空气-水散热器内进行循环。行 驶风和辅助风扇为空气-水散热器输送冷空气。一个节温器可以使冷却液从空气 -水散热器旁流过,从而调节冷却液温度。至今为止,BMW 的水冷系统经过了 三个发展阶段: 简单水冷系统, 水冷系统 MTK(局部冷却式发动机冷却统) , 横流式水冷系统
7、。 2.1 简单水冷系统 如图 2-1 所示,简单水冷系统的节温器控制的冷却循环回路,包含了冷却 液散热器,节温器,冷却液泵,水道部件。冷却液通过泵在水箱和发动机里循 环,空气通过散热水箱冷却冷却液,较冷的冷却液进入水道冷却发动机,并通 过回路水道进入散热水箱,不断的循环,从而达到冷却发动机的目的。 图 2-1 节温器控制的冷却循环回路 第 5 页 图 2-2 装有空调系统和自动变速箱时的冷却液循环回路 2.1.1 传统节温器 传统节温器只能通过冷却液温度确定是否调节发动机温度。这种调节方式 可分为三个运行范围: 节温器关闭: 冷却液仅在发动机内循环,冷却循环回路封闭 节温器完全开启: 全部冷
8、却液流经冷却液散热器,从而利用最大冷却能力 节温器部分开启: 节温器中的蜡制元件在周围冷却液温度的作用下会部分 熔化或完全熔化,从而使部分冷却液从冷却液散热器流过,另一部分冷却液从 散热器旁的一个“短路旁通”流过。这样可以避免在冷却液温度很低时继续冷 却,并确保在温度很高时提供最大冷却能力。 2.1.2 特性曲线式节温器 由于智能型热量管理系统根据发动机温度影响耗油量、污染物排放量、动 力能和舒适性,因此针对该系统研发了这种特性曲线式节温器。该特性曲线式 第 6 页 节温器成功集成了现代发动机管理系统的电子装置。 这种组合方式就是在工 作元件的膨胀材料内安装了一个电热式加热电阻。 这样,膨胀材
9、料就不再仅仅 通过流经的冷却液来加热,而是可以通过“人工方式”加热并在以前不会做出 响应的温度下启用。 这种特性曲线式节温器采用整体式结构设计,即节温器和 节温器盖板为一个部件。 发动机管理系统根据存储的特性曲线和实际行驶状况 控制加热元件。 该特性曲线由下列参数决定(以 M62 发动机为例): 发动机负荷,发动机转速,车速, 进气温度,冷却液温度。 通过这种“智能型”控制方式可在发动机部分负荷范围内设置为较高的冷 却液温度。部分范围内的运行温度较高时,可达到更好的燃烧效果(配置了相 应的发动机管理系统) ,从而降低耗油量和尾气排放量。发动机满负荷运行时, 较高的运行温度会带来不利影响(例如因
10、爆震趋势造成点火延迟) 。因此,满负 荷运行时将通过特性曲线式节温器有效降低冷却液温度。 (如图 2-3 所示) 这 种特性曲线式调节方式还取决于可由发动机管理系统控制的电风扇。 图 2-3 特性曲线式节温器的控制原理 2.1.2 风扇和风扇传动装置 开始时使用了根据发动机转速强制驱动的风扇,后来使用带有粘性风扇离 合器的风扇。使用这种风扇时,将按照发动机转速确定的传动比以初级侧的驱 动转速,通过硅油摩擦方式传递到与风扇连接的次级侧。通过调节离合器的硅 油量可使风扇转速在怠速转速直至接近驱动转速之间变化。上述调节由一个完 全根据温度自动调节的离合器进行,该离合器通过一个双金属片、一个开关销 和
11、阀杆以控制工作室内硅油量的方式对自身转速进行无级调节。调节参数是散 热器后的空气温度以及间接的冷却液温度。 后来电风扇取代了所谓的粘性风扇 第 7 页 离合器,电风扇最初仅作为电动辅助风扇安装在装有空调系统(当时为选装配 置)的车辆上。这种电风扇最初时以多档控制并根据具体国家规格(热带和寒 带国家)采用不同的功率值。 使用电风扇后,人们又开发了紧凑型冷却模块, 冷却模块作为结构单元可以在所有现代车辆中找到。 图 2-4 冷却系统和空调系统组件构成 2.1.3 冷却液散热器 今天的冷却液散热器几乎只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
12、发动机内产生的 余热有效释放到环境中去。 例如,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 高温区和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,加满冷却时重量减轻了 400 g,部件厚度减少了 21 mm。 重量总计减少了大约 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。 2.1.
13、4 冷却液补液罐 利用冷却液补液罐可以使气体可靠分离,从而避免冷却系统内,尤其是在 泵的抽吸侧出现气穴现象。冷却液补液罐内的空气容量必须足以在冷却液加热 和膨胀时能够快速产生压力,并防止“沸腾”时冷却液流出。 第 8 页 2.1.5 冷却液泵 冷却液泵(机械式) 机械式冷却液泵经过了不断改进和开发,从传统冷却泵(见图 2-5)现在已 使用第 3 代产品冷却液泵(见图 2-6) 。 图 2-5 传统机械式冷却液泵 图 2-6 第三代冷却液泵 第三代冷却液泵在设计上很大程度上解决了下列问题 : 密封性, 润滑, 第 9 页 壳体刚度。 这种冷却液泵装有一个针对泵轴端面密封功能性泄漏的“泄漏防护系统
14、” 。 通常情况下,在泵轴端面密封环处溢出的冷却液汇集于此并通过溢流孔进入泄 漏室。 滑环损坏时,泄漏室就会完全充满冷却液。 冷却液从泄漏室通风孔溢 出时表示端面密封损坏。 过去经常会更换掉运行正常的冷却液泵,因为冷却液泵运行所需的端面密 封功能性泄漏会在冷却液泵外壁上留下蒸发残余物。 现在“泄漏防护系统”可 确保功能性泄漏不会留下任何蒸发痕迹,这样就不会在维修保养过程中进行现 场直观检查时误认为冷却液泵损坏。 同时,采用泄漏室也起到了大大加固冷却 液泵壳体的作用。 冷却液泵(电动) 在 N52 发动机内采用热量管理系统的前提是,冷却循环回路的有效部件 (例如泵、节温器和风扇)可通过电动方式进
15、行调节。电动调节式特性曲线节 温器和电风扇很早以前就已在发动机冷却系统中使用。 因此开发了电动冷却液 泵,这种冷却液泵可确保热量管理系统要求的冷却液流量不受当前发动机转速 的影响。 电动冷却液泵必须满足较高的要求: 运行安全性较高 结构体积较小功率 消耗较小(大约 200 W)无泄漏 实现最小体积流量能够承受较高的环境温度。 因此,选择了带有 EC 电机(电子整流)和集成式电子装置且根据湿转 子原理工作的电动冷却液泵。 泵内集成的电子装置执行两个基本任务: 节并提供电压和电流,从而使 EC 电机和冷却液泵运转。 按照发动机管理系统的要求,以调节泵转速并向发动机管理系统反馈相 关信息的方式,调节
16、冷却液流量。 电动冷却液泵的模块化设计(见图 2-7)采 用了非常紧凑且减轻重量的结构方式,且效率比传统机械式冷却液泵高得多。 图 2-7 电动冷却液泵的模块化设计 第 10 页 2.2 水冷系统 MTK(局部冷却式发动机水冷系统) 2.2.1MTK 与简单水冷系统区别 以 E85 的 M54 发动机为例 E85 冷却系统与 E46 冷却系统大致相 同,二者区别如下: 冷却模块(取消了粘性风扇离合器) 空气调节式暖风调节(取消了暖风调节阀) 采用 EPS“电子助力转向系统 ” (取消了转向助力液散热管) 图 2-8 M54 发动机的 MTK 2.2.2 冷却模块系统组件 冷却模块包括下列冷却系
17、统组件(见图 2-8): 冷却液散热器 空调系统冷凝器 电风扇(抽吸式) 冷却液补液罐 自动变速箱油冷却器(仅用于自动变速箱车辆) 第 11 页 2.2.3 MTK 系统特点 冷却液补液罐:通过补液罐加注冷却液(见维修说明)时,可将发动机 (处于静止状态)几乎完全加满冷却液。 暖风回流管路直接通入冷却液补液罐 内。这样可以避免暖风装置中的残余空气在暖机时进入发动机内并降低冷却液 泵的输送功率。从而确保冷却系统顺利排气。 冷却系统功能: E85 冷却系统的特殊设计方案可确保运行磨损较低并能 可靠控制温度。此外还能通过这种冷却系统设计方案影响重要的发动机功能参 数: 因此可以通过曲轴箱内的高温冷却
18、液温度使气缸套与活塞之间的摩擦减小。 从而降低耗油量。 气缸盖内冷却液温度较低时会对发动机的整个力矩曲线产生 积极影响: 气缸盖内温度较低时,会提高发动机内冷却液的流量和爆震限值。 气缸盖内冷却液温度较低时还可提高部件的耐久性。 M54 发动机的冷却液首先通过气缸盖,因此可以提高曲轴箱内的冷却液 温度。 这种方案称为局部冷却式发动机冷却方案(MTK ) 。 冷却液由冷却液泵通过一个浇铸连接的供给通道输送到气缸盖后端,并从此处 向前输送至冷却液出口(发动机处于运行温度时的冷却液出口) 。曲轴箱内的水 套通过曲轴箱内的开孔和气缸盖密封垫连接至气缸盖冷却回路。 因此仅有部分 冷却液流经曲轴箱。 MT
19、K 原理可在气缸盖内温度几乎保持不变的情况下显 著提高曲轴箱内的温度。 特性曲线式节温器: 使用 M54 发动机时,还能通过特性曲线式节温器 以控制冷却液温度的方式加强 MTK 的作用。 特性曲线式节温器的任务是, 在耗油量处于非临界状态的低负荷行驶状况下,将冷却液温度调节到有益于降 低耗油的较高数值。满负荷时或发动机转速较高时,会以电气方式降低冷却液 温度,以便保护相关部件。 2.3 横流式水冷系统 2.3.1 横流式水冷系统简介 (例如:N52 发动机) 冷却循环回路的情况与 N52 发动机机油回路相同。在以前的发动机中, 冷却液泵的输送量都根据发动机最大冷却需求进行设计,但是大部分情况下
20、并 不需要这么多的冷却液。因此,多余的冷却液大多以不使用的方式通过节温器 在一个小循环回路内循环。现在冷却系统也在避免功率损失方面进行了系统优 化。除此之外新系统还能够根据发动机负荷调节温度范围。 N52 发动机的冷却液泵是一个电动驱动式离心泵。湿转子电机的功率以电 子方式(电机连接盖板下的电子装置)进行控制。该电子装置通过串行数据接 口与发动机控制单元 DME 相连。发动机控制单元根据发动机负荷、运行模 式和温度传感器数据确定所需冷却功率,并将相关指令发送至冷却液泵的电子 装置。系统内的冷却液经过冷却液泵电机。因此能够冷却电机和电子模块。冷 却液可润滑电动冷却液泵的轴承。 进行安装工作时要注
21、意,不能让冷却液泵干转。拆卸冷却液泵时泵内应留 有冷却液,否则泵的轴颈可能会粘连。这将影响到以后泵的运行,从而造成整 个热量管理系统失灵(泵无法运行可能会造成发动机严重损坏) 。 最终安装冷却液软管前必须用手转动泵轮。随即向系统内加注冷却液。进 第 12 页 行安装工作时必须确保插头洁净、干燥且接口未损坏。只允许使用经过认可的 适配电缆进行诊断工作。必须遵守相关维修说明。 2.3.2 热量管理系统 发动机控制单元根据需要控制冷却液泵: 冷却需求较低且车外温度较低时功率较小, 冷却需求较高且车外温度较高时功率较大。 在某些情况下甚至可以完全关闭冷却液泵,例如在暖机阶段让冷却液迅速 加热时。但是只
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