冷卻系統(tǒng)副水箱起泡分析及優(yōu)化設計

靳德才，楊曉榮，楊國偉

(江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330000)

0 引言

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計如果沒有考慮起泡問題，就會出現(xiàn)發(fā)動機內(nèi)部積氣，產(chǎn)生大量的氣泡穴蝕水泵，嚴重的還會使發(fā)動機內(nèi)局部積氣影響缸體內(nèi)局部高溫，損壞缸體[1-3]。隨著國內(nèi)自主項目開發(fā)的經(jīng)驗積累以及冷卻系統(tǒng)開發(fā)試驗標準和方法更新，開發(fā)過程有更加充分的試驗驗證，從而減少該類問題的發(fā)生。保證設計穩(wěn)健性。

本文作者對某車型冷卻系統(tǒng)發(fā)動機通氣管和散熱器通氣管的合理性進行了試驗驗證。內(nèi)容分為3個部分：(1)冷卻系統(tǒng)水路分析及試驗臺架搭建。(2)臺架起泡試驗測試發(fā)動機通氣管和散熱器通氣管產(chǎn)生氣泡的水流量，對比CAE分析的整車發(fā)動機所達到的水流量，確認發(fā)動機運行中發(fā)動機通氣管與散熱器通氣管設計狀態(tài)是否造成氣泡產(chǎn)生引起水泵穴蝕。(3)對設計不合理的通氣管進行優(yōu)化設計。從而解決了冷卻系統(tǒng)起泡問題，為該類問題提供了解決思路。

1 試驗部分

(1)由圖1冷卻系統(tǒng)回路圖可以看出，整個水系統(tǒng)內(nèi)的氣體通過發(fā)動機通氣管和散熱器通氣管排氣。發(fā)動機通氣管通過連接發(fā)動機與副水箱將系統(tǒng)內(nèi)氣體排到副水箱液面以上，散熱器通氣管通過連接散熱器與副水箱將系統(tǒng)內(nèi)的氣體排到副水箱液面以上。

圖1 冷卻系統(tǒng)回路圖

(2)試驗設備：試驗用萬用表，穩(wěn)壓電源，水泵，流量計，副水箱工裝，角度尺，透明管，管路，管路固定支架。

(3)試驗臺架：如圖2所示，先堵住副水箱上的散熱器通氣管口，從副水箱發(fā)動機通氣管口到副水箱補水管口完成回路搭建，再串入流量計、水泵、透明管測試發(fā)動機通氣管口流量。完成測試后再堵住副水箱的發(fā)動機通氣管口，同理完成副水箱散熱器通氣管口到副水箱補水管口回路搭建，測試散熱器通氣管流量。副水箱模擬整車位置如圖3所示，水泵流量控制器與穩(wěn)壓電流如圖4所示。

圖2 流量測試臺架

圖3 副水箱模擬整車位置

圖4 水泵流量控制器與穩(wěn)壓電源

2 發(fā)動機通氣管與散熱器通氣管設計合理性驗證

2.1 發(fā)動機通氣管設計校核

2.1.1 發(fā)動機通氣管產(chǎn)生氣泡的流量測試

在試驗過程中，當發(fā)動機通氣管內(nèi)產(chǎn)生氣泡時，副水箱液面高度明顯發(fā)生變化。由圖5—圖8可以看出，臺架試驗模擬整車勻速、最大向前加速度0.5g、右轉最大加速度1g、左轉最大加速度1g4個整車工況發(fā)動機通氣管產(chǎn)生氣泡的水流量分別為4.0、3.0、4.5、3.0 L/min。

圖5 模擬工況1勻速運動工況液面高度隨流量變化

圖6 模擬工況2最大向前加速度工況液面高度隨流量變化

圖7 模擬工況3右轉加速度最大工況液面高度隨流量變化

圖8 模擬工況4左轉加速度最大工況液面高度隨流量變化

2.1.2 CAE分析

由表1可以看出發(fā)動機轉速在3 000、5 500、6 000 r/min時水流量分別為4.918、8.652、9.426 L/min,均大于發(fā)動機通氣管產(chǎn)生氣泡的流量3 L/min。水系統(tǒng)容易產(chǎn)生大量氣泡，存在水泵穴蝕風險。

表1 CAE分析結果

2.2 散熱器通氣管設計校核

2.2.1 散熱器通氣管產(chǎn)生氣泡的流量分析

在試驗過程中，當散熱器通氣管內(nèi)產(chǎn)生氣泡時，副水箱液面高度明顯發(fā)生變化。由圖9—圖12可以看出，臺架試驗模擬整車勻速、最大向前加速度0.5g、右轉最大加速度1g、左轉最大加速度1g4個整車工況發(fā)動機通氣管產(chǎn)生氣泡的水流量分別為2.5、2.5、2.5、2.5 L/min。

圖9 模擬工況1勻速運動工況液面高度隨流量變化

圖10 模擬工況2最大向前加速度工況液面高度隨流量變化

圖11 模擬工況3右轉加速度最大工況液面高度隨流量變化

圖12 模擬工況4左轉加速度最大工況液面高度隨流量變化

2.2.2 CAE分析

由表2可以看出散熱器通氣管在所有發(fā)動機轉速下的流量最大2.392 L/min,均小于散熱器通氣管產(chǎn)生氣泡的流量2.5 L/min。散熱器通氣管設計狀態(tài)不會造成氣泡產(chǎn)生，滿足設計要求。

表2 CAE分析結果

3 發(fā)動機通氣管設計優(yōu)化

表1可以看出發(fā)動機通氣管在3 000、5 500、6 000 r/min時水流量分別為4.918、8.652、9.426 L/min,均大于發(fā)動機通氣管產(chǎn)生氣泡的流量3 L/min。水系統(tǒng)存在產(chǎn)生大量氣泡造成水泵穴蝕風險。

對發(fā)動機通氣管進行設計優(yōu)化，通過在管內(nèi)增加一個內(nèi)徑1.75 mm的節(jié)流閥。優(yōu)化后，再次進行CAE計算發(fā)動機通氣管的流量見表3。表3顯示發(fā)動機通氣管在所有發(fā)動機轉速下水流量均小于發(fā)動機通氣管產(chǎn)生氣泡的流量3 L/min，設計滿足要求。

表3 優(yōu)化后CAE分析結果

4 結論

建立發(fā)動機通氣管與散熱器通氣管起泡試驗臺架，測試發(fā)動機通氣管和散熱器通氣管產(chǎn)生氣泡的水流量。可以得出如下結論：

(1)臺架試驗模擬整車勻速、最大向前加速度0.5g、右轉最大加速度1g、左轉最大加速度1g4個工況，發(fā)動機通氣管產(chǎn)生氣泡的水流量分別為4.0、3.0、4.5、3.0 L/min。發(fā)動機轉速3 000、5 500、6 000 r/min時水流量分別為4.918、8.652、9.426 L/min，均大于發(fā)動機通氣管產(chǎn)生氣泡的水流量3.0 L/min，發(fā)動機通氣管內(nèi)存在產(chǎn)生氣泡風險，發(fā)動機通氣管設計不滿足要求。

(2)臺架試驗模擬整車勻速、最大向前加速度0.5g、右轉最大加速度1g、左轉最大加速度1g4個工況，散熱器通氣管產(chǎn)生氣泡的流速分別為2.5、2.5、2.5、2.5 L/min。所有發(fā)動機轉速下散熱器通氣管內(nèi)所能達到最大流量2.392 L/min小于產(chǎn)生氣泡流量2.5 L/min,散熱器通氣管設計滿足要求。

(3)發(fā)動機通氣管優(yōu)化設計，通過內(nèi)部增加一個內(nèi)徑1.75 mm的節(jié)流閥，發(fā)動機通氣管在所有發(fā)動機轉速下水流量最大2.1 L/min，小于發(fā)動機通氣管產(chǎn)生氣泡的流量3 L/min，優(yōu)化后發(fā)動機通氣管設計滿足要求。