重型汽車(chē)膨脹水壺裝置設(shè)計(jì)探討

劉鴻志

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

重型汽車(chē)膨脹水壺裝置設(shè)計(jì)探討

劉鴻志

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文針對(duì)重型汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)中的重要組成部分——膨脹水壺的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。首先從膨脹水壺對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響進(jìn)行說(shuō)明，分析了膨脹水壺在冷卻系統(tǒng)中起到密封、定壓、除氣、補(bǔ)水、膨脹等作用；然后從設(shè)計(jì)角度對(duì)膨脹水壺容積、最高水位、最低水位等方面內(nèi)容進(jìn)行探討；最后對(duì)膨脹水壺的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了總結(jié)，以便后期膨脹水壺設(shè)計(jì)時(shí)參考使用。

重型汽車(chē); 冷卻系統(tǒng); 膨脹水壺; 設(shè)計(jì)

CLC NO.:U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-25-03

前言

隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車(chē)的冷卻系統(tǒng)也已經(jīng)由早期的開(kāi)放式冷卻系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殚]式強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。由于現(xiàn)在冷卻系統(tǒng)冷卻介質(zhì)用價(jià)格較高的汽車(chē)?yán)鋮s液代替水，如果閉式強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)不具有全封閉的特點(diǎn)，則可能會(huì)因?yàn)槔鋮s液的蒸發(fā)等損失而經(jīng)常補(bǔ)充造成用戶使用成本的增加。當(dāng)車(chē)輛行駛在不同海拔的地域工況時(shí)，還需要調(diào)整系統(tǒng)的最大壓力，來(lái)提高冷卻液的沸點(diǎn)，使車(chē)輛不至于過(guò)早開(kāi)鍋。冷卻系統(tǒng)如果除氣性能不好則可能會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)水泵、水道等零部件的氣蝕，氣蝕是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的失效模式之一[1]，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的危害很大。發(fā)生氣蝕時(shí)冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生大量的氣泡，冷卻液流量降低，冷卻系統(tǒng)散熱能力下降，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高、壽命縮短。

閉式強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)密封、定壓、除氣、補(bǔ)水、膨脹等，所以在系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的裝置——膨脹水壺裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。當(dāng)前對(duì)于重型汽車(chē)來(lái)說(shuō)，使用膨脹水壺裝置實(shí)現(xiàn)閉式強(qiáng)制循環(huán)已普遍推廣，除了一些相對(duì)低端的車(chē)型外，中、輕型卡車(chē)和乘用車(chē)都已經(jīng)普遍使用該模式的冷卻系統(tǒng)。

1、膨脹水壺裝置的組成和功能

汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)中的膨脹水壺裝置一般包括膨脹水壺總成、冷卻液補(bǔ)水管、散熱器除氣管和發(fā)動(dòng)機(jī)除氣管。

膨脹水壺總成，也稱為膨脹水箱、副水箱、補(bǔ)償水桶[2]等。重卡冷卻系統(tǒng)中的膨脹水壺總成如圖2所示，一般由膨脹水壺本體、液位傳感器和膨脹水壺壓力蓋及相關(guān)附件組成。

膨脹水壺本體主要作為儲(chǔ)存冷卻液的容器，一般通過(guò)注塑或者吹塑成型。通常要求材料有一定的透明度，以便于觀察冷卻液液位。根據(jù)冷卻系統(tǒng)需求在膨脹水壺本體上設(shè)置最高水位線和最低水位線，同時(shí)根據(jù)使用需求需要具有一定的強(qiáng)度、耐候性、耐腐蝕性等。

液位傳感器對(duì)膨脹水壺內(nèi)冷卻液的最低液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果冷卻液的液位低于最低液位，液位傳感器則會(huì)將其接收到的電阻信號(hào)變化反饋給儀表系統(tǒng)，從而進(jìn)行聲光報(bào)警提醒用戶檢查故障和補(bǔ)充冷卻液。

膨脹水壺壓力蓋是一個(gè)具有正壓開(kāi)啟和負(fù)壓開(kāi)啟分別進(jìn)行的零部件，為冷卻系統(tǒng)密封、最大系統(tǒng)內(nèi)壓設(shè)定、冷機(jī)時(shí)冷卻系統(tǒng)壓力平衡提供保障。

2、膨脹水壺裝置的設(shè)計(jì)

2.1 一般原則

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)冷卻系采用低位密封式散熱器時(shí)，必須增設(shè)高位膨脹水壺裝置，它的主要功能是給冷卻液提供一個(gè)膨脹空間，及時(shí)去除冷卻液中積滯的空氣以及發(fā)動(dòng)機(jī)高溫下產(chǎn)生的水汽，以便更有效地利用散熱器的散熱功能，提高冷卻效率。

為了保證除氣系統(tǒng)防氣蝕壓力，應(yīng)將膨脹水壺安裝在冷卻系統(tǒng)最高處，一般高出水泵進(jìn)水口 600mm，膨脹水壺的底面至少應(yīng)高出發(fā)動(dòng)機(jī)水道頂部或散熱器上水室頂部100毫米。

發(fā)動(dòng)機(jī)及散熱器通氣管應(yīng)連續(xù)上行，不能下垂和有下彎段，不允許與其它水管T 形連接。發(fā)動(dòng)機(jī)與散熱器間的進(jìn)出水管直徑應(yīng)大于發(fā)動(dòng)機(jī)上的相應(yīng)接口的直徑。

膨脹水壺一般應(yīng)設(shè)置最高液面和最低液面標(biāo)志，最高液面的上方應(yīng)有不小于規(guī)定的膨脹容積，該容積內(nèi)不可以加注冷卻液；最低液面與最高液面之間的容積應(yīng)不小于規(guī)定的儲(chǔ)備容積；膨脹水壺還應(yīng)設(shè)置最低液面的液位傳感器，以便提醒駕駛員及時(shí)添加冷卻液。

2.2 系統(tǒng)總?cè)莘eVs確定

系統(tǒng)總?cè)莘e是散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)等總成件的容積和各種相關(guān)管路容積之和。如果有水空中冷器、暖風(fēng)裝置、液力緩速器冷卻裝置和自動(dòng)變速箱冷卻裝置等總成零部件的容積也應(yīng)計(jì)算在系統(tǒng)總?cè)莘e內(nèi)。所以系統(tǒng)總?cè)莘e影響因素較多，取決于系統(tǒng)布置、管路布置和管路內(nèi)徑大小等。

如將冷卻系統(tǒng)中管道和各零部件內(nèi)的總水量設(shè)為Vs，則有：

式中：

Ve——發(fā)動(dòng)機(jī)水套容積，可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商提供或者測(cè)量得出；

Vr——散熱器水容積，通過(guò)散熱器供應(yīng)商提供或者測(cè)量得出；

Vp——各種連接管路容積之和，可通過(guò)各管路直徑和設(shè)計(jì)長(zhǎng)度計(jì)算得出；

Vh——膨脹水壺最高水位時(shí)容積，如圖2所示，為殘留容積V1與儲(chǔ)備容積V2之和，即Vh=V1+V2；

Vo——其他總成零部件（如水空中冷器、暖風(fēng)裝置、液力緩速器冷卻裝置和自動(dòng)變速箱冷卻裝置等）容積之和，可通過(guò)各零部件供應(yīng)商提供或者測(cè)量得出。

2.3 膨脹水壺容積Vt確定

膨脹水壺的容積Vt應(yīng)為殘留容積V1、儲(chǔ)備容積V2與膨脹量△V三者之和，考慮到冷卻系統(tǒng)容積計(jì)算的誤差和其他通用性因素，可以在△V適當(dāng)增加儲(chǔ)備系數(shù)β，該系數(shù)如過(guò)大則造成材料浪費(fèi)，重量和成本增加，可根據(jù)系統(tǒng)總?cè)莘e大小選擇β=1.2~1.5。則有

2.3.1 殘留容積V1

必備的殘留容積 V1是為了安全起見(jiàn)，防止冷卻液在循環(huán)中吸入空氣而設(shè)置的，考慮到車(chē)輛上下坡等致使膨脹水壺傾斜的各種情況，一般要求冷卻液的最低液面至膨脹水壺的底面距離不小于 35 mm，所以必備的殘留容積應(yīng)不小于 35 mm×膨脹水壺底平面面積。

2.3.2 儲(chǔ)備容積V2

儲(chǔ)備容積 V2是為了確保冷卻系由于微量不能覺(jué)察的泄漏和冷卻液蒸發(fā)后仍能保持冷卻系統(tǒng)內(nèi)正常的水壓，而能及時(shí)補(bǔ)充冷卻液，延長(zhǎng)補(bǔ)液周期，當(dāng)冷卻液泄漏空氣開(kāi)始進(jìn)入冷卻系統(tǒng)時(shí)的泄漏水量。儲(chǔ)備容積必須至少比初次未加注水量要多總?cè)莘e的1%，即應(yīng)是總?cè)莘e的11%，有暖風(fēng)機(jī)時(shí)應(yīng)達(dá)20%。

2.3.3 膨脹容積△V

下面以冷卻水作為冷卻介質(zhì)為例進(jìn)行說(shuō)明，冷卻系統(tǒng)水溫從T1升高到T2時(shí)，體積從Vs變?yōu)閂s+ △V，水的密度由ρ1變?yōu)棣?，由于系統(tǒng)內(nèi)水的質(zhì)量在運(yùn)行過(guò)程中保持不變：

式中：

Vs為系統(tǒng)內(nèi)的水容量（系統(tǒng)充水時(shí)的容積），單位L；

ρ1為水在溫度T1時(shí)的密度，單位kg/L；

ρ2為水在溫度T2時(shí)的密度，單位kg/L；

△V為水溫由T1升高到T2時(shí)，系統(tǒng)中水的膨脹量，單位L。

系統(tǒng)的水溫T1、T2的設(shè)定，水的密度在4℃的時(shí)候最大，故將4℃定為T(mén)1，則ρ1為1kg/L。理論上應(yīng)將發(fā)動(dòng)機(jī)允許最高出水溫度定為T(mén)2，但是考慮到該發(fā)動(dòng)機(jī)最高出水溫度由發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)確定，對(duì)于當(dāng)前國(guó)內(nèi)大部分重型汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)而言該溫度為 99℃~108℃不等，由于水膨脹率變化最大時(shí)為100℃，此處取T2為100℃。則有：

2.3.4 膨脹水壺容積Vt計(jì)算

由于上文設(shè)定ρ1為1kg/L，可將Vt計(jì)算轉(zhuǎn)化為下式：

如更換冷卻介質(zhì)，只需將冷卻介質(zhì)的密度代入即可獲得相應(yīng)的膨脹水壺容積。

2.4 膨脹水壺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.4.1 膨脹水壺加注口

膨脹水壺加注口結(jié)構(gòu)尺寸一般按照標(biāo)準(zhǔn) JB/T 2292[3]中規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，不但可以快速方便的匹配到合適的壓力蓋，而且可以快速設(shè)計(jì)選擇冷卻液真空加注設(shè)備的槍口。

2.4.2 膨脹水壺出液口

膨脹水壺出液口直徑需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水泵流量和加注時(shí)間的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)水道連續(xù)除氣和連續(xù)補(bǔ)水。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水泵流量小于757L/min時(shí)，膨脹水壺出液口直徑要求不小于19mm。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水泵流量大于757L/min時(shí)，膨脹水壺出液口直徑要求在25~38mm之間。

2.4.3 膨脹水壺除氣接口

考慮到冷卻系統(tǒng)除氣需求，散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)上一般分別設(shè)置除氣口，膨脹水壺上的除氣口個(gè)數(shù)需與其對(duì)應(yīng)。 膨脹水壺除氣口一般根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，外徑為8~12mm。除氣口方向不宜垂直吹向液面（圖2所示），建議盡可能遠(yuǎn)離液面并且水平設(shè)置，如圖3所示。

2.4.4 膨脹水壺壓力蓋

膨脹水壺壓力蓋可提高系統(tǒng)內(nèi)壓力，從而提高冷卻介質(zhì)沸點(diǎn)[4]，擴(kuò)大冷卻介質(zhì)與周?chē)h(huán)境溫差以提高冷卻性能，相對(duì)地減小了散熱器的尺寸。系統(tǒng)通過(guò)其密封減少了冷卻介質(zhì)的外溢和蒸汽損失。常規(guī)的膨脹水壺壓力蓋按照 JB/T 2292進(jìn)行設(shè)計(jì)，但由于近年來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)及整車(chē)需求不斷增加，市場(chǎng)上已有壓力在1.0bar以上的膨脹水壺壓力蓋，使車(chē)輛在高原等地區(qū)的適應(yīng)能力更好。

2.5 膨脹水壺制造工藝和材料選擇

一般來(lái)說(shuō)，重型汽車(chē)使用膨脹水壺根據(jù)布置安裝方式和承重設(shè)計(jì)不同，塑料膨脹水壺可以選擇的生產(chǎn)加工工藝有注塑和吹塑兩種，部分鐵制膨脹水壺采用鋼板沖壓焊接而成。

膨脹水壺材料根據(jù)制造工藝和設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行選擇。注塑工藝選擇的材料常見(jiàn)的有聚丙烯（PP），玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯（PP+GF），玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺（PA+GF）等，注塑的優(yōu)點(diǎn)是能成型形狀復(fù)雜的膨脹水壺，生產(chǎn)速度快、效率高，操作可自動(dòng)化，特別適合大量生產(chǎn)；吹塑工藝選擇的材料有高密度聚乙烯HDPE，一般用來(lái)生產(chǎn)一些結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的膨脹水壺。

2.6加注

第一次加注冷卻液時(shí)，應(yīng)同時(shí)將散熱器下部和發(fā)動(dòng)機(jī)水套下部的放水開(kāi)關(guān)打開(kāi)，直到有冷卻液溢出時(shí)再關(guān)閉，以便消除殘留空氣，順利地將冷卻液加滿。一次加滿率大于等于總?cè)莘e的90 %。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后25分鐘內(nèi)應(yīng)除盡初次加注時(shí)積存在冷卻系中的空氣。使用真空加注設(shè)備加注效果會(huì)更好[5]。

3、總結(jié)

本文針對(duì)重型汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)中膨脹水壺的作用和影響進(jìn)行了較為詳細(xì)的說(shuō)明，從設(shè)計(jì)角度對(duì)膨脹水壺容積確定、最高水位和最低水位設(shè)置等方面內(nèi)容進(jìn)行分析探討，并對(duì)膨脹水壺的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了總結(jié)。文中雖然僅對(duì)重型卡車(chē)膨脹水壺設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，但對(duì)于輕、中型卡車(chē)、輕型客車(chē)等膨脹水壺設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)也具有一定的參考意義。

[1] 孫婧.汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的氣蝕及影響因素[J].汽車(chē)工藝與材料.2012. (7)：42-44.

[2] 陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造[M].第五版.人民交通出版社，2006:232-235.

[3] JB 2292-78 汽車(chē)、拖拉機(jī)用散熱器進(jìn)水口、出水口、加水口及蓋.

[4] 何文軍.重型商用汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)副水箱的設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng).2011.(3): 31-31.

[5] 李建和.液體抽真空加注設(shè)備在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用[J]. 汽車(chē)制造業(yè). 2003.(3):108-108.

Discussion on the Expansion Tank Design of Heavy Truck

Liu Hongzhi
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601)

The design of the expansion tank that is an important part of the heavy truck cooling system is discussed in this paper. Firstly, the impact of the expansion is explained tank cooling system, and analyzes the expansion tank play sealed in the cooling system, constant pressure, remove the gas, add water, and other effects in addition to expansion; Secondly,from the design point of expansion tank volume, the highest level, the lowest level of other aspects are discussed; Finally,design principles of the expansion tank were summarized for reference at a later stage other expansion tank design.

heavy truck; cooling system; expansion tank; design

U463.5

A

1671-7988(2015)05-25-03

劉鴻志，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心。