宝马冷却系统毕业论文

辽宁省交通高等专科学校毕业设计文件
设计论文题目：宝马发动机冷却系统
系部：汽车工程系专业：汽车检测与维修
姓名：班级：学号：17
完成期限2012年5月15日至年6月13日
指导教师职称讲师
目录
一．概述 (3)
二 . 宝马发动机冷却系统的工作原理 (3)
1. 冷却系统的作用 (3)
2. 冷却系统的组成 (3)
3. N54发动机调节冷却功率的主要部件 (8)
三．宝马发动机冷却系统的常见故障及诊断方法 (12)
1. 冷却系统常见故障的分类 (11)
2. 冷却系统常见故障的诊断及分析 (12)
3. 冷却系统的构造及维护 (20)
四. 结论 (23)
五. 谢辞 (23)
一．概述
司机朋友常会说：“我要去加点水，才跑长途。

”那么为什么要加水呢？加水干什么呢？其实加的就是冷却系统的冷却液，不过并非什么水都可以加进去，越是娇贵的车对水质的要求越高。

有位车主见野外泉水很清澈，就让车喝了个够。

结果没多久，发动机发烧了，原来泉水含有大量矿物质，产生了大量水垢。

可见，水质好坏相当重要。

这就好像人生病了，医生让你多喝点水是一样的，汽车也一样，也需要水，这就是我们常说的防冻液，汽车散热不良就得生病，小病吃点感冒药就行了，比如加水，换些小零件（水温传感器、水泵、水管等），大病就得花大价钱了，如活塞拉缸、爆震、缸体冲床内漏、产生的严重噪声、加速动力下降等等，都是由于汽车发动机的工作温度异常，压力过大，冷却系统状况不良而造成的。

可见冷却系统对于发动机来讲是非常重要的。

二．宝马N54发动机冷却系统的工作原理:
1. 冷却系统的作用：
是保证发动机可以迅速达到理想的工作温度，并且无论环境和工作条件如何变化，始终保持在这一温度范围。

无论是在极冷或极热的条件下，无论是在交通堵塞的城市环境中还是在高速公路上全速行驶，发动机必须能够同样高速地运转。

现代的高效率发动机对于工作温度有着极其精确的要求。

尽可能高效率地利用燃油对于尾气排放的控制系统也很重要.
2. 冷却系统的组成：
依照冷却的方式可分为气冷式引擎及水冷式引擎，气冷式引擎是靠引擎带动风扇及车辆行驶时的气流来冷却引擎；水冷式引擎则是靠冷却水在引擎中循环来冷却引擎。

不论采何种方式冷却，正常的冷却系统必须确保引擎在各样行驶环境都不致过热。

目前宝马N54发动机上采用的是水冷却系统. 水冷却系统一般由散热器、节温器、水泵、水道、风扇等组成。

散热器负责循环水的冷却，它的水管和散热片多用铝材制成，铝制水管做成扁平形状，散热片带波纹状，注重散热性能，安装方向垂直于空气流动的方向，尽量做到风阻要小，冷却效率要高。

散热器又分为横流式和垂直流动两种，空调冷凝器通常与其装在一起。

（图1）
宝马N54发动机的冷却系统由一个水冷系统和一个单独的机油冷却系统组成。

将这两种冷却系统分开可防止通过发动机油将热量传递到发动机冷却液内。

N54发动机采用的是冷却液横流方案。

图（2）
（1）.当发动机温度较低时，发动机进行小循环，此时循环回路为电动冷却液泵-发动机缸体和废气涡轮增压器-特性曲线式节温器—电动冷却液泵。

（2）.当发动机温度较高时，发动机进行大循环，此时循环回路为电动冷却液泵—发动机缸体和废气涡轮增压器—散热器—特性曲线式节温器—电动冷却液泵。

（3）.发动机油的冷却循环回路为发动机油冷却器—发动机缸体—发动机油冷却器
节温器—发动机油冷却器。

图（3）
（4）. 变速箱油的冷却循环回路为电动冷却液泵—变速箱冷却器—变速箱油冷却器—变速箱油冷却器节温器—特性曲线式节温器—电动冷却液泵。

(5).当使用空调时，此时循环回路分为两个为：一个为大循环，另一个为电动冷却液泵—发动机缸体和废气涡轮增压器—暖风热交换器—特性曲线式节温器—电动冷却液泵。

（6）.更换冷却系统的部件以后，在添加冷却液完毕后，需要对冷却系统进行排气，此时冷却液循环回路为储液罐—特性曲线式节温器—电动冷却液泵—发动机缸体和废气
涡轮增压器—散热器—排气管路—储液罐。

N54发动机与其他3升汽油发动机相比，这种发动机的功率可提高到75.5KW/L,因此其热量明显增大。

这种框架条件要求采用具有更高效率的发动机冷却系统。

虽然有些因素影响了冷却效果，但仍实现了提高功率的目标。

例如：
（1）由于增压空气冷却器安装在散热器下方，因此气流面积大约减小15%
（2）因安装其他部件而进一步限制了原本就较小的发动机室安装面积
（3）由于废气涡轮增压器通过冷却液冷却，因此增压器的热量会传递到系统内
图（4）N54发动机的增压空气冷却系统用于提高功率和降低耗油量，增压空气在冷却器里最多可以降低80℃，这样可以提高增压空气的密度从而达到更好的燃烧室充气效果，由此可降低所需要增压的压力，此外还能降低爆燃危险提高发动机功率。

N54发动机的空气风门控制装置只在需要时打开水箱百叶窗，以此调节用于发动机和机油冷却的供气。

N54发动机的空气风门控制装置由空气风门和水箱百叶窗驱动装置以及4芯插头连接组成。

在车头中最多可以安装2个水箱百叶窗，空气风门控制装置一般分为三类：
（1）通过电磁铁的被动式空气风门控制装置
（2）通过伺服马达（水箱百叶窗驱动装置）的主动式空气风门控制装置
（3）主动式和被动式空气风门控制装置（用于上部水箱百叶窗的驱动装置和用于下部水箱百叶窗的电磁铁）
发动机控制单元将不断计算所需的制冷功率，并且只有在冷却空气的实际需求量较高时，才打开水箱百叶窗。

在行驶模式下通过关闭水箱百叶窗可缩短发动机的暖机阶段，因为在封闭更好的环境中可以更快达到工作温度。

通过水箱的气流随着行驶速度的增大产生较高的空气阻力，在较高的速度范围内通过关闭水箱百叶窗可以改善空气流动性能，于是降低耗油量并因此减少排放值。

N54发动机采用的是通过伺服马达 (水箱百叶窗驱动装置)的主动式空气风门控制装置，水箱百叶窗驱动装置通过脉冲宽度调制信号（PWM信号），由发动机控制单元进行控制，通过总线端Kl.87为水箱百叶窗驱动装置供电。

水箱百叶窗与一个调整机构连接，通过此调整机构将水箱百叶窗的各个叶片移动到相应位置。

水箱百叶窗有两个位置：
（1）水箱百叶窗关闭
（2）水箱百叶窗打开
水箱百叶窗驱动装置是一个直流马达，发动机控制系统通过LIN总线（局域互联网总线）与水箱百叶窗驱动装置连接。

控制水箱百叶窗时要考虑下列评价标准：
（1）冷却液温度(冷却液温度传感器和水箱出口温度传感器)
（2）变速箱油温
（3）机油温度
（4）电子节温器的电流
（5）负荷信号
（6）发动机转速
（7）行驶速度
（8）电动风扇转速
（9）挂车识别
冷却液温度传感器旋入在冷却液泵的壳体内，它将冷却液温度或者连同发动机油温度一起转换为电气参数（电阻器），在此，将使用带有负温度系数(NTC)的电阻器。

冷却液温度这一测量参数可用于进行以下计算：喷射量和怠速标准转速。

在进行温度记录时，使用的是与温度有关的电阻器。

该电路包括一个分压器，可对其测量与温度有关的电阻值。

通过传感器专有的特性线，将换算出温度值。

在冷却液传感器中安装了一个热导体(NTC)，其电阻值随着温度的升高而降低。

电阻值根据温度在167000欧姆至150欧姆之间变化，对应于-40℃至130℃之间。

冷却液温度传感器通过一个2芯插头进行连接，传感器中的热导体是由发动机控制系统提供5V电压的一个分电器电路的组成部分。

3.N54发动机可通过控制以下部件根据负荷调节冷却功率：
（1）水泵和节温器
图（5）
N54发动机采用的冷却水泵是一个电动离心式水泵，功率为400W,最大输送量为9000L/h,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。

强制冷却液循环的部件是水泵，宝马N54发动机的水泵由电动机带动，推动冷却液在整个系统内循环，这些冷却液对发动机的冷却，要根据发动机的工作情况而随时调节。

当发动机温度较低的时候，冷却液就在发动机本身内部做小循环，当发动机温度较高的时候，冷却液就在发动机—散热器之间做大循环。

实现冷却液做不同循环的控制部件是节温器。

可以将节温器看作一个阀门，其原理是利用可随温度伸缩的材料（石蜡或乙醚之类的材料）做开关阀门，当水温高时材料膨胀顶开阀门，冷却液进行大循环，当水温低时材料收缩关闭阀门，冷却液进行小循环。

特性线节温器有一个加热电阻位于其中的蜡元件内，发动机控制向这个加热电阻供电，由此将会使蜡元件膨胀，并通过弹簧的弹力关闭从汽缸盖的入口。

该弹簧的任务是在蜡元件
冷却时，将特性线节温器压回到静止位置。

发动机冷机状态下的冷却循环是经过汽缸盖的入口，通过特性线节温器进入通向冷却液泵的回流管。

发动机控制单元根据发动机负荷和温度传感器信号相应地控制电动冷却液泵，电动冷却液泵的电子控制装置自动调节转速，冷却液泵的马达由系统的冷却液环绕清洗，以此对马达和电子控制装置进行冷却，用冷却液对电动冷却液泵的轴承进行润滑。

（2）电风扇
为了提高散热器的冷却能力，在散热器后面安装风扇强制通风。

以前的轿车散热器风扇是由曲轴皮带直接带动的，发动机启动它就要转，不能视发动机温度变化而变化，为了调节散热器的冷却力，要在散热器上装上活动百叶窗以控制风力进入。

宝马N54发动机使用电子风扇，当水温比较低时温度传感器不发出信号电子风扇不接通电源，电子风扇不转动，当水温比较高时温度传感器发出信号，接通电源，电子风扇转动。

，电子风扇由电动机直接带动，由温度传感器控制电动机运转。

这两种形式的散热器电扇运转实际上都由温度传感器控制。

电动风扇由发动机控制单元通过一个脉冲宽度信号来控制它的转速（7至93%）小于7%或大于93%的脉冲负载参数都不会触发控制，而只会被用于故障识别。

水箱风扇转速受冷却液出口处的冷却液温度和空调器中的压力影响。

随着行驶速度的上升，风扇的转速将会逐渐降低。

在电动风扇空转时，发动机控制系统将频率降到10Hz，通过脉冲负载参数可以选择时间（最长11分钟）和风扇转速。

电动风扇的驱动装置是一个无刷电机。

电动风扇有一个自己的分析电子装置，并通过一个按脉冲宽度调制的信号调节转速。

正常运行时的脉冲负载参数(100Hz)被转换成转速信号。

——7%脉冲负载参数：待机模式（分析电子装置保持清醒）
——11%脉冲负载参数：最小风扇转速（33%额定转速）
——93%脉冲负载参数：最大风扇转速
——97%脉冲负载参数：用于分析电子装置自诊断的命令
电动风扇允许的工作温度介于-20℃至120℃之间，静态压力介于0和0.8bar之间.一般情况下，电子分析装置对临界状态进行一次内部故障诊断。

如果识别到某个故障，则尽可能永久地保持运行。

如果通过控制脉冲宽度调制的控制失效，则用一个固定脉冲负载信号控制电动风扇紧急运行。

（3）散热器
散热器的功率取决于散热面积，散热器兼作储水及散热作用，在此之上还装有膨胀水箱。

因为单纯依赖散热器有几个缺点，一是水泵吸水一侧因压力低而容易沸腾，水泵的叶轮容易穴蚀；二是气水分离会产生气阻；三是温度高冷却液容易沸腾。

因此设计师就加装了膨胀水箱，它的上下两根水管分别与散热器上部和水泵进水口联接，防止上述问题的产生。

N54发动机散热器芯片的厚度比一般的散热器要厚，水管之间的距离也比其他的发动机小一些，这样就保证了它拥有足够大的散热面积。

三．宝马N54发动机冷却系统的维护及常见故障的诊断:
1.冷却系统常见故障的分类
正确维护发动机的冷却系统，应了解经常出现的几种冷却系统故障，发动机冷却系统的主要故障有三种：第一种为发动机水温过高甚至开锅；第二种为发动机水温过低；第三种为发动机冷却系统泄漏。

发动机冷却系统过热的原因有多种，最常见的原因是由于冷却系统内部水垢、水锈及凝胶等污物积聚，堵塞了水道，冷却系统散热效果降低所致的结果。

以往排除这类故障常用的方法是拆卸水箱进行更换，但事实证明许多车的情况并没有因此得到改善。

发动机水温过低的原因有百叶窗处于常开位置，风扇控制装置失效，节温器工作不正常，水温表和水温传感器工作不正常
发动机冷却系统泄漏的形式主要有水箱漏水、上下水管渗漏及缸垫漏水等形式。

2.冷却系统常见故障的诊断及分析
（1）由于冷却液水质不好，水箱中经常会出现锈污和水垢，它们积聚在水箱通道结
合处、弯角处，阻碍水流畅通，造成散热不良，如果出现这种情况，应及时清洗干净，日常加水时，尽量加清洁软水，如果用除垢防锈液，养护效果会更好.防冻液必须清洁，必要时跟换。

【车型】 10款宝马740Li领先型
【故障现象】凉车着车后水温报警灯亮，热车报警灯熄灭。

【故障诊断与排除】
打开机舱盖检查冷却液液面正常，初步判断电脑有故障，用ISTA检测，未发现故障。

分析电路图，发现冷却液储液罐有冷却液不足传感器，于是打开储液罐发现：该传感器依靠两根探针泡在液面里，利用冷却液进行导通从而形成回路；如果液面低于金属探针，则形成短路。

可液面正常，问题出在哪儿呢？经仔细检查发现冷却液浑浊，金属探针表面很脏。

分析后得出结论：凉车加之金属探针污浊，形成回路困难，导致水温报警；热车后金属探针的导电能力增强，探针能够形成回路水温不再报警。

将金属探针清洗干净，第二天试车后发现故障不存在了，报警灯熄灭。

【车型】09款宝马740Li豪华型
【故障现象】电子扇始终高速转动，机油温度报警灯亮
【故障诊断与排除】
首先打开机舱盖检查冷却液的液面高度，经检查发现液面正常，这样就把冷却液排除掉了，接着连上数据线，用ISTA对车辆进行检测，未发现任何异常，紧接着对节温器进行检测也没有发现任何异常，然后对水温传感器进行检测也没有发现任何异常，这事就开始怀疑是不是散热器出现了问题，将散热器从车上拆下来进行检测，结果发现散热器循环不通畅，散热器里面有水垢阻碍了冷却液的循环，接着从库房取出一个新的散热器安到车上，结果发现，电子扇转速正常了，报警灯也不亮了，至此这个故障就解决了。

（2）漏水，只要是流体，都有泄漏的可能，汽缸水套中的水一旦发生泄漏，水温表的水温就会急剧上升，出现这种情况，您一定要及时采取必要的措施，以免发生不必要的麻烦。

【车型】09款宝马740Li领先型
【故障现象】发动机的水路串到了油路中
【故障诊断与排除】
车主是个女士，换机油，换胎、加液、定期保养、定期更换都做的不错，但是在加防
冻液上未注意，使用了市场上绿色的劣质防冻液，在第二个保养周期时，更换了一些劣质防冻液，慢慢地发动机出现了烧机油的现象，车辆在加油的过程中出现了噪音大等不太容易察觉的恶化现象，直到有一天来维修站补漆的时候，在打开防冻液准备加水时发现壶里面全是浆糊状的黄色糊糊，修理人员告诉她，你的冷却系统中串进了油。

不过发现的比较早，不然一般人在使用中发现车辆突然熄火，会继续点火的，直到将水全部进入汽缸，把活塞、连杆全部顶废！！！
所以6万公里在接近中尾期的时候，突然地经常烧机油、熄火一定要谨慎，拉开油尺看看有没有水泡、看看冷却水壶有没有油泡泡。

打开机盖后：很明显左边的水路已经串油，右边的水路还能看到明显劣质绿色防冻液！！（宝马车正规的防冻液是蓝色的），车友都认真检查下哦，很要命的！！
这台车的故障发现得很及时，未出现拉缸、顶缸!如果是你在路上出现熄火的话，嘿嘿，估计她是继续点火的！
缸面保养得不错、光亮无痕！车主平时换油比较及时，用油都是全合成机油.最后进行中修。

（3）风扇、继电器、节温器、水泵、保险丝等故障，应定期检查，以免发生不必要的麻烦和故障。

【车型】09款宝马740Li领先型
【故障现象】停车熄火后，冷却风扇狂转不停
【故障诊断与排除】宝马740Li领先型，此车开着一直挺好，最近发现风扇有故障，基本情况是这样的：某天起来发现电瓶没电，后来找了部其他车把电瓶搭了一下，车子就正常了。

经过几天的仔细观察，发现是停车熄火后，冷却风扇狂转不停，半小时，一小时也不停，需重新打火，熄火2－3次才会停。

检查节温器、水泵、冷却液面、水箱的散热情况，都没什么问题，最后怀疑是风扇继电器坏了，最后换了个风扇继电器，故障排除。

【车型】09款宝马740Li豪华型
【故障现象】水温过高，水温表达到100度，风扇不转
【故障诊断与排除】开启空调压缩机，大小两个风扇立马高速运转，却不见水温有明显下降！
手摸发动机与风扇之间的两根橡胶水管，发现一根很烫，另一根冰冷，初步判断是节温器出毛病了！
发动机内的水温是由节温器控制大小循环而实现恒定温度值90度的。

更换节温器后故
障排除。

【车型】09款宝马E71 X6 SAV ,3.0L ，N54发动机
【故障现象】
据客户反映，车辆正常行驶中突然出现加速无力现象，仪表中出现发动机功率下降的提示，红色冷却液报警灯点亮。

此车曾在维修站做过保养。

【故障诊断与排除】
对车辆进行检查，首先查看冷却液的量，液位正常。

连接ISTA进行整车检测，DME 系统内存储风扇电机的故障记录，于是维修人员判断是散热器风扇电机出现故障，导致发动机温度过高，从而使发动机功率下降。

从维修资料中得知风扇电机是600 W的大功率电机，转动风扇电机的叶片没有卡滞的现象，当前的气温也不是很高，风扇的散热负荷并不大，而且该车行驶里程很少，风扇电机不应该有故障。

替换同型号的风扇电机，利用诊断仪直接驱动风扇电机，结果电机没有运转，看来不是风扇电机的问题。

图（6）
宝马车系的电气检修对诊断仪的依赖程度较高，于是按照宝马的诊断维修流程，利用诊断仪中的维修检测计划对此故障进行了逐步的分析和判断，结果还是认为风扇电机故障
或线路故障。

根据风扇控制电路图（图6），可以看出如果风扇电机不转，除了电机本身故障外，还需要检查风扇继电器、乘客侧熔丝盒中的风扇熔丝（60 A）、后部熔丝盒中的风扇继电器控制信号熔丝（5 A）以及发动机控制单元的接地控制和其他相关线路。

检查后部熔丝盒中的5 A熔丝正常，测量风扇继电器1号端子有12 V电源，但继电器的X17278脚却没有12 V电源，而正常情况下X17278处是30号常电源提供的12 V电源。

接着检查乘客侧熔丝盒中的60 A熔丝，但是在熔丝盒中并没有发现60 A熔丝。

这就奇怪了！从电路图上可以看到乘客侧熔丝盒的X16817脚确实是风扇的电源供应线，看来问题出在熔丝盒内部。

拆卸熔丝盒并解体，发现熔丝盒内部有4个大功率熔丝并联在一起（图6），其中就有要找的60 A熔丝。

测量其他3个熔丝都导通正常，而60 A的熔丝两端断路，看来故障点找到了。

图（7）
故障排除：由于大功率熔丝无法单独更换，于是更换了乘客侧熔丝盒总成，试车风扇运转正常。

回顾总结：虽然故障已经排除，但笔者却有一些疑问。

这种大功率熔丝既然与熔丝盒设计在一起，其可靠性应该是很高的，那么熔丝断路的原因是什么呢？经过与维修人员沟通后才知道，之前为了帮助排除另一辆车的电子风扇故障，曾把另一辆车的风扇安装在这辆车上，然后利用诊断仪多次驱动测试过风扇，最后发现另一辆车的风扇内部确实短路，
而这辆正常保养的车辆出厂后不久便出现了水温高的故障。

因此，该车的60 A大功率熔丝应该是由于另一辆车的风扇内部短路而熔断。

案例2
故障现象：一辆2009年产宝马E70轿车，搭载N54型6缸发动机，行驶里程9万 km。

据用户反映，车辆正常行驶中仪表上的冷却液温度警告灯突然点亮，中央显示屏出现冷却液温度过高的信息提示。

图(8)
检查分析：首先连接ISTA进行整车检测，并没有发现发动机冷却系统温度过高的故障。

检查冷却液液面在正常范围内，通过开空调或诊断仪的测试功能可以使风扇运转。

使车辆原地怠速工作约1 h，并没有出现用户反映的故障现象，观察冷却液温度数据也正常（图8），发动机冷却液温度为105 ℃，散热器出口的冷却液温度为63 ℃，打开发动机舱盖可以看到风扇电机偶尔低速运转。

进行路试，中高速行驶了几十公里也没有出现冷却液温度报警。

鉴于车辆已经行驶了9万 km，于是维修人员根据经验建议用户更换节温器、水泵以及冷却液，但查询该车的维修记录时发现几个月前曾更换过特性曲线式节温器，于是维修人员便更换了水泵和冷却液。