李萬(wàn)龍，劉騰飛，李楝，李睿哲

(北京汽車集團(tuán)越野車有限公司，北京 101300)

0 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸內(nèi)會(huì)產(chǎn)生高溫高壓氣體，如果不及時(shí)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件損壞，使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作[1]。冷卻系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，冷卻系統(tǒng)不僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性產(chǎn)生重大影響，而且也是影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素，其作用就是保證發(fā)動(dòng)機(jī)在任何復(fù)雜條件下和工作環(huán)境下均能在最合適的溫度狀態(tài)下正?？煽康毓ぷ鱗2]。

冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

汽車?yán)鋮s系結(jié)構(gòu)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)水路、水泵、散熱器、電子風(fēng)扇、節(jié)溫器、膨脹水箱以及連接管路組成。

膨脹水箱可以為冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉式循環(huán)，為系統(tǒng)提供膨脹和蒸汽凝結(jié)的空間，還可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的壓力，確保系統(tǒng)工作穩(wěn)定，保證系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的最高工作水溫，防止系統(tǒng)早沸[3-4]。膨脹水箱一般布置在冷卻系最高點(diǎn)。其主要作用是當(dāng)冷卻液受熱膨脹超過(guò)壓力蓋的開啟壓力時(shí)，壓力蓋泄壓閥開啟進(jìn)行泄壓；當(dāng)冷卻系統(tǒng)的壓力低于規(guī)定壓力時(shí)，真空閥開啟，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)壓。泄壓閥和真空閥開啟示意如圖2所示。同時(shí)，在壓力的作用下，還可以向系統(tǒng)補(bǔ)償冷卻液。

圖2 泄壓閥和真空閥開啟示意

傳統(tǒng)的高位膨脹水箱通過(guò)膨脹水箱布置的高度優(yōu)勢(shì)，利用其內(nèi)部液體與發(fā)動(dòng)機(jī)水套和散熱器水系最高點(diǎn)的高度差產(chǎn)生的壓力，來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的加注以及補(bǔ)水功能。但現(xiàn)階段，受機(jī)艙空間布置影響，發(fā)動(dòng)機(jī)水套和散熱器水系的最高點(diǎn)存在位置較高的問(wèn)題，導(dǎo)致傳統(tǒng)的高位膨脹水箱布置不足以滿足最低液位線高于系統(tǒng)水系最高點(diǎn)的要求。而此種情況需要布置低位膨脹水箱，使其在具備除氣和補(bǔ)水功能的前提下，可以滿足低位安裝的要求。

本文作者從某車型冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)低位膨脹水箱入手，闡述低位膨脹水箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原理，基于其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即始終充滿水的相對(duì)獨(dú)立的氣腔，且與氣腔相連接的除氣管的位置高于冷卻系統(tǒng)的水系最高點(diǎn)。最終通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果證明該低位膨脹水箱滿足整車使用要求。

1 低位膨脹水箱結(jié)構(gòu)

如圖3所示為低位膨脹水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。

圖3 低位膨脹水箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該低位膨脹水箱內(nèi)部設(shè)計(jì)有相對(duì)獨(dú)立的氣腔4、液腔7，在箱體的上部位置還設(shè)計(jì)有除氣功能的除氣管3，除氣管的位置高于冷卻系內(nèi)散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)水套液位的最高點(diǎn)，且該除氣管單獨(dú)與氣腔相連接，為冷卻系統(tǒng)除氣使用。該低位膨脹水箱在相對(duì)獨(dú)立的氣腔結(jié)構(gòu)頂部還設(shè)計(jì)有放氣閥2。此外，該低位膨脹水箱在液腔7底部還設(shè)計(jì)有補(bǔ)水用的補(bǔ)水管8，為冷卻系統(tǒng)內(nèi)的散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)水套進(jìn)行補(bǔ)水使用。該低位膨脹水箱外部還設(shè)計(jì)有標(biāo)明刻度線的Min液位線9及Max液位線10，便于識(shí)別箱體內(nèi)部液位刻度。

2 低位膨脹水箱加注原理

普通加注時(shí)，冷卻液經(jīng)過(guò)膨脹水箱頂部安裝膨脹水箱壓力蓋的加注口進(jìn)行加注，經(jīng)過(guò)膨脹水箱底部的補(bǔ)水管8進(jìn)入散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)，冷卻液在重力的作用下將散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣體逐漸向上排出，通過(guò)散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)上設(shè)置的除氣口進(jìn)入相應(yīng)的除氣管路，再通過(guò)膨脹水箱上的除氣管3進(jìn)入膨脹水箱的氣腔4。當(dāng)被排出的氣體的壓力大于膨脹水箱內(nèi)冷卻液勢(shì)能產(chǎn)生的重力時(shí)，氣體通過(guò)氣腔與液腔連接孔6，被壓入膨脹水箱內(nèi)的液腔7中。

為了在冷卻液加注時(shí)達(dá)到更好的除氣加注效果，提高加注效率，在冷卻系統(tǒng)內(nèi)部氣體壓力不足以克服膨脹水箱內(nèi)液腔7內(nèi)的液體勢(shì)能時(shí)，可以打開膨脹水箱箱體頂部的放氣閥2，這樣在加注過(guò)程中，隨除氣管3排入氣腔的氣體可以直接排入到大氣中，加注完成后，將放氣閥擰緊。后續(xù)工作循環(huán)及補(bǔ)水不需要再次打開此放氣閥。

普通加注時(shí)需將液位線加注至與氣腔相連接的除氣管3處，由于除氣管液位高于系統(tǒng)中散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)水套的最高液位點(diǎn)，這樣在冷卻系統(tǒng)循環(huán)中，能保證散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)水套中能夠充滿冷卻液。

3 低位膨脹水箱工作原理

圖4為冷卻系統(tǒng)循環(huán)示意圖。

圖4 冷卻系統(tǒng)循環(huán)示意

發(fā)動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程中，由于水泵的作用，冷卻系統(tǒng)內(nèi)的冷卻液開始循環(huán)，散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)的氣體經(jīng)由各自的除氣口通過(guò)低位膨脹水箱的除氣管進(jìn)入到低位膨脹水箱的氣腔內(nèi)，低位膨脹水箱液腔內(nèi)的液體通過(guò)補(bǔ)水管不斷地為散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)缺失的冷卻液進(jìn)行補(bǔ)充。氣腔內(nèi)的液氣在壓力的作用下通過(guò)氣腔底部與液腔的連接孔進(jìn)入到液腔內(nèi)，且由于低位膨脹水箱內(nèi)部設(shè)計(jì)的隔板5的作用，氣腔內(nèi)的液氣不會(huì)直接進(jìn)入到補(bǔ)水管內(nèi)繼續(xù)參與循環(huán)，而是在液腔內(nèi)進(jìn)行充分的液氣分離，分離后的液體通過(guò)補(bǔ)水管繼續(xù)參與循環(huán)，而分離后的氣體則聚集在低位膨脹水箱液腔的上部。當(dāng)聚集的氣體壓力大于壓力蓋泄壓閥的開啟壓力時(shí)，泄壓閥打開進(jìn)行泄壓。通過(guò)不斷地循環(huán)，散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)部的氣液在低位膨脹水箱內(nèi)部經(jīng)過(guò)充分的液氣分離后，氣體聚集在液腔的上部，使得氣腔內(nèi)充滿防凍液。由于設(shè)計(jì)的氣腔內(nèi)液位的最高點(diǎn)始終高于散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)水套的最高液位點(diǎn)，這就可以保證系統(tǒng)內(nèi)的氣體不會(huì)重新進(jìn)入到冷卻系統(tǒng)繼續(xù)參與循環(huán)。通過(guò)上述的不斷循環(huán)往復(fù)，低位膨脹水箱為冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)除氣、補(bǔ)水的功能。

4 低位膨脹水箱容積設(shè)計(jì)計(jì)算

該低位膨脹水箱在匹配某車型冷卻系統(tǒng)時(shí)，其容積計(jì)算按照如下原則進(jìn)行：(1)膨脹水箱的總?cè)莘e不小于冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的21%；(2)膨脹水箱的儲(chǔ)備容積不小于冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的15%；(3)膨脹水箱的膨脹容積不小于冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的5%。

匯總冷卻系統(tǒng)各部分的冷卻液容積見(jiàn)表1。

表1 冷卻系統(tǒng)各部分容積匯總

按照如上設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)的低位膨脹水箱的總?cè)莘e為1 L，儲(chǔ)備容積為0.7 L，膨脹容積為0.3 L。計(jì)算校核結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 膨脹水箱容積校核計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)校核計(jì)算，設(shè)計(jì)的低位膨脹水箱滿足理論容積設(shè)計(jì)要求。

5 低位膨脹水箱試驗(yàn)驗(yàn)證

在確定好低位膨脹水箱理論設(shè)計(jì)計(jì)算及初版3D數(shù)據(jù)后，先行利用3D打印技術(shù)制作快速成型樣件裝車驗(yàn)證其除氣、補(bǔ)水功能。由于整車熱負(fù)荷較高的工況為整車熱平衡考核工況，因此選取5個(gè)熱平衡考核工況來(lái)驗(yàn)證該低位膨脹水箱是否滿足要求?？己斯r見(jiàn)表3。在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，低位膨脹水箱的氣腔內(nèi)在很短時(shí)間內(nèi)就充滿水，未發(fā)現(xiàn)有持續(xù)的液氣進(jìn)入膨脹水箱情況，如圖5所示。熱平衡考核工況順利通過(guò)，顯示該低位膨脹水箱的除氣、補(bǔ)水功能滿足要求。進(jìn)一步通過(guò)整車可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證該低位膨脹水箱在整車上的可靠性。對(duì)經(jīng)過(guò)熱平衡驗(yàn)證通過(guò)的3D數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)節(jié)鎖定3D數(shù)據(jù)后，進(jìn)行模具樣件制作，將模具樣件搭載整車可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，最后順利驗(yàn)證通過(guò)。

表3 熱平衡考核工況

圖5 低位膨脹水箱試驗(yàn)圖示

6 結(jié)束語(yǔ)

低位膨脹水箱主要解決整車?yán)鋮s系統(tǒng)整體液位較高的問(wèn)題，通過(guò)其內(nèi)部相對(duì)獨(dú)立的氣腔、液腔等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使其滿足整車?yán)鋮s系統(tǒng)的使用要求。