王泓，朱金華，楊曉榮，聶曉龍，王強(qiáng)

(江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330000)

0 引言

當(dāng)前車輛冷卻水循環(huán)回路主要有膨脹系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)，市場(chǎng)上日韓車系主要采用溢流箱系統(tǒng)，歐美車系主要采用膨脹箱系統(tǒng)。膨脹箱系統(tǒng)的壓力蓋在副水箱上，而溢流箱系統(tǒng)的壓力蓋在冷卻系統(tǒng)的回路中的某個(gè)零部件上，如散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)上缸體、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器、水管等零部件上。

針對(duì)膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)差異，在設(shè)計(jì)上主要區(qū)別是副水箱的設(shè)計(jì)以及水循環(huán)回路的設(shè)計(jì)[1-2]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究了對(duì)系統(tǒng)的流量及水泵入口和出口的壓力分布。膨脹箱系統(tǒng)所提供的密閉系統(tǒng)，水泵的入口壓力上升非常緩慢，而溢流箱系統(tǒng)則上升非常快[3-4]。膨脹箱和溢流箱在功能上的主要差異在于，膨脹副水箱時(shí)刻參與系統(tǒng)的除氣及冷卻液循環(huán)流動(dòng)，而溢流副水箱不參與系統(tǒng)的循環(huán)，僅僅提供熱態(tài)膨脹和冷態(tài)補(bǔ)水功能，且兩種副水箱在整車上的布置位置也有差異[5-7]。

本文作者主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究了某款配備了2.0L排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)皮卡車型膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)在冷卻液加注和排氣、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫溫升、水泵入口處壓力、以及整車極限工況下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、出水溫的對(duì)比。

1 膨脹箱及溢流箱系統(tǒng)回路差異

膨脹箱系統(tǒng)的壓力蓋在膨脹副水箱上，其冷卻水路原理如圖1所示。

圖1 膨脹箱系統(tǒng)冷卻回路原理

由圖1可以看到，膨脹箱系統(tǒng)副水箱包含散熱器通氣管及發(fā)動(dòng)機(jī)通氣管，其主要作用是輔助冷卻系統(tǒng)在加注及運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)將氣體排到副水箱中，從而確保系統(tǒng)不會(huì)存在過(guò)多的氣體而導(dǎo)致系統(tǒng)功能失效，如水泵氣蝕、局部過(guò)熱沸騰等；此外副水箱通過(guò)下水管與水泵入口連接，可調(diào)節(jié)水泵入口壓力。

溢流箱系統(tǒng)壓力蓋通常安裝在散熱器水室上，其冷卻水路原理圖如圖2所示。

圖2 膨脹箱系統(tǒng)冷卻回路原理

由圖2可以看到，溢流箱系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)通氣管與散熱器水室箱連通，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)氣體和散熱器氣體會(huì)聚集在散熱器上，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到壓力蓋開(kāi)啟壓力時(shí)(通常為110 kPa相對(duì)壓力)，氣體通過(guò)溢流箱連接管流到溢流箱中，溢流箱與大氣直接連通，當(dāng)冷車狀態(tài)壓力蓋負(fù)壓彈簧開(kāi)啟，溢流箱冷卻液從溢流箱連接管流回散熱器中。

2 膨脹箱及溢流箱系統(tǒng)回路冷卻液加注及排氣測(cè)試

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：6L的量筒一個(gè)，防凍液，透明膠管，計(jì)時(shí)器，一輛冷卻液排空的車輛。

實(shí)驗(yàn)步驟：將車輛散熱器進(jìn)水管、發(fā)動(dòng)機(jī)通氣管、散熱器通氣管換成透明膠管，如圖3所示，將防凍液倒入量筒中，通過(guò)量筒向加注口加注并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3 冷卻液加注排氣實(shí)驗(yàn)車輛

加注完成后記錄相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 冷卻液加注排氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可看出，膨脹箱系統(tǒng)比溢流箱系統(tǒng)初次加注量更小，小循環(huán)排氣時(shí)間更長(zhǎng)(無(wú)散熱器排氣)，但大循環(huán)排氣時(shí)間相同，且最終的加注量基本相同，即不論是膨脹箱系統(tǒng)還是溢流箱系統(tǒng)，均不會(huì)影響冷卻液的最終加注量。

3 膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫溫升對(duì)比

因膨脹箱系統(tǒng)副水箱參與冷卻回路的水循環(huán)，整個(gè)回路的阻力會(huì)有影響，進(jìn)而可能影響發(fā)動(dòng)機(jī)的溫升。為研究?jī)煞N系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫升的影響，準(zhǔn)備一輛2.0T汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛置環(huán)境倉(cāng)內(nèi)，將環(huán)境溫度降低到10 ℃以下，啟動(dòng)車輛，怠速工況下將油門踩到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，直到整車大循環(huán)開(kāi)啟(節(jié)溫器打開(kāi))，用英卡讀取ECU中發(fā)動(dòng)機(jī)的出水水溫?cái)?shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示。

圖4 膨脹箱系統(tǒng)與溢流箱系統(tǒng)的溫升對(duì)比變化曲線

由圖4可看出，在整個(gè)溫升過(guò)程中，膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)溫升速率基本相同，在45 s前，溢流箱系統(tǒng)的水溫比膨脹箱系統(tǒng)稍高，45 s以后兩個(gè)系統(tǒng)的水溫基本相當(dāng)。說(shuō)明無(wú)論是膨脹箱系統(tǒng)還是溢流箱系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫溫升幾乎無(wú)影響。

4 膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)對(duì)水泵壓力影響

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的差異，水泵入口處的壓力時(shí)刻在發(fā)生變化，該壓力除了和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)外，還與冷卻液的溫度相關(guān)，通常用汽蝕余量(NPSH)代表水泵入口處的凈吸入揚(yáng)程，其計(jì)算公式為[1-4]：

(1)

式中：NPSH為汽蝕余量;

ps為副水箱壓力蓋處壓力(Pa，絕對(duì)壓力);

ρ為密度(kg/m3);

g為重力加速度(9.8 m/s2);

pvp為蒸發(fā)壓力(Pa，絕對(duì)壓力) ;

fhs為副水箱到水泵入口的壓損。

針對(duì)膨脹箱系統(tǒng)，通過(guò)式(1)可知，水泵入口處的壓力等于副水箱蓋處的壓力減去副水箱到水泵入口處的壓力損失(如管路的壓損)，而溢流箱系統(tǒng)副水箱與冷卻系統(tǒng)回路通過(guò)壓力蓋隔斷，水泵入口處壓力受水泵轉(zhuǎn)速和溫度影響。 實(shí)驗(yàn)方法將準(zhǔn)備好的車輛靜置2 d或者發(fā)動(dòng)機(jī)完全冷卻，將壓力傳感器裝到水泵入口水管處，啟動(dòng)車輛，踩油門加速，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升約5 000 r/min，維持該轉(zhuǎn)速大約100 s時(shí)長(zhǎng)，然后怠速直到大循環(huán)開(kāi)啟，重復(fù)至少3次將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加速到5 000 r/min，持續(xù)時(shí)間約100 s，記錄水泵入口處的壓力值。膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)的水泵入口處的壓力值對(duì)比如圖5所示。

圖5 膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱水泵入口處的壓力值對(duì)比

由圖5可以看出，膨脹箱系統(tǒng)在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，水泵入口處的壓力變化較小，且波動(dòng)非常小，而溢流箱系統(tǒng)在幾乎相同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，不僅水泵入口處的壓力值較大，且壓力波動(dòng)非常大。

5 膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)對(duì)整車水流量影響

如圖1所示，膨脹箱系統(tǒng)因有散熱器和副水箱的通氣管路，且發(fā)動(dòng)機(jī)通氣管無(wú)論在整車水路處于大循環(huán)還是小循環(huán)均會(huì)有一部分冷卻液流經(jīng)副水箱，然后通過(guò)副水箱與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接管流回到水泵入水口，同樣散熱器通氣管在大循環(huán)時(shí)也會(huì)有一部分冷卻液流到副水箱，再通過(guò)副水箱與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接管流回到水泵入水口，因此不論是發(fā)動(dòng)機(jī)通氣管內(nèi)徑還是散熱器通氣管內(nèi)徑，都不能太大，否則會(huì)影響流經(jīng)散熱器的冷卻液流量，從而影響散熱器的散熱[4]。如圖2所示，溢流箱系統(tǒng)雖然有發(fā)動(dòng)機(jī)通氣管，但因發(fā)動(dòng)機(jī)通氣管直接與散熱器連接，流經(jīng)通氣管的冷卻只能通過(guò)散熱器再流回水泵入口，且散熱器無(wú)通氣管，不會(huì)分流，對(duì)散熱器散熱幾乎無(wú)影響。

為驗(yàn)證膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)在整車簽發(fā)工況對(duì)流量及散熱性能的影響，按照整車試驗(yàn)規(guī)范在環(huán)境倉(cāng)進(jìn)行了熱管理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此車型所驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)通氣管和散熱器通氣管內(nèi)徑均為5 mm，如圖6所示。

圖6 整車環(huán)境倉(cāng)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表3 溢流箱系統(tǒng)整車熱管理測(cè)試結(jié)果

從表2和表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速(3 000 r/min) 工況下，膨脹箱系統(tǒng)因散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)通氣管分流影響，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度影響大概有2 ℃，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，通氣管的分流減小，膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)對(duì)散熱器的散熱量影響較小。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，整車水路循環(huán)系統(tǒng)，膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)在初始手工加注量上有區(qū)別，但是最終的排氣和加注量基本相當(dāng)，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)溫升表現(xiàn)上基本相當(dāng)，兩種系統(tǒng)基本無(wú)影響；在水泵入水口壓力控制上，膨脹箱壓力波動(dòng)小，系統(tǒng)比較“柔和”，而溢流箱系統(tǒng)，水泵入口處壓力波動(dòng)非常大，同時(shí)系統(tǒng)壓力上升非?？?，在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)予以考慮；在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水和出水溫度的影響上，膨脹箱系統(tǒng)相對(duì)溢流箱發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫影響越大，主要原因是散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)的分流影響，可以通過(guò)控制通氣管內(nèi)徑大小或者增加節(jié)流閥來(lái)降低膨脹箱系統(tǒng)的分流影響。