某車型高原膨脹水壺噴水問題分析及冷卻性能優(yōu)化

劉韶雷，馬驍宇，劉聰聰，吳昌慶

（安徽江淮汽車股份有限公司商用車研究院，安徽 合肥 230601）

某車型高原膨脹水壺噴水問題分析及冷卻性能優(yōu)化

劉韶雷，馬驍宇，劉聰聰，吳昌慶

（安徽江淮汽車股份有限公司商用車研究院，安徽 合肥 230601）

由于某車型在高原標(biāo)定過程中冷卻液從膨脹水壺的泄氣孔處向外大量的噴冷卻液，且連續(xù)多次發(fā)生，影響標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)展。為解決此問題，利用FTA故障樹分析方法，成功找出由于冷卻系統(tǒng)性能不足及膨脹水壺壓力蓋開啟壓力過小導(dǎo)致該問題發(fā)生。在提升冷卻系統(tǒng)性能及壓力蓋開啟壓力后，成功的消除了噴水問題的發(fā)生。

標(biāo)定；膨脹水壺；冷卻系統(tǒng)；壓力蓋

CLC NO.:U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-91-06

引言

冷卻系統(tǒng)作為整車發(fā)動(dòng)機(jī)附配件的重要組成部分，其主要由散熱器、電子風(fēng)扇、膨脹水壺以及冷卻管路等組成。冷卻系統(tǒng)的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。冷卻系統(tǒng)既要防止發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，也要防止冬季發(fā)動(dòng)機(jī)過冷。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)之后，冷卻系統(tǒng)還要保證發(fā)動(dòng)機(jī)迅速升溫，盡快達(dá)到正常的工作溫度[1]。

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)幾乎全部采用閉式強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，裝有壓力蓋，它由控制最高壓力的壓力閥和系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)開啟的真空閥構(gòu)成。采用這種結(jié)構(gòu)可以減少冷卻液和空氣的接觸，防止空氣進(jìn)入冷卻系，影響散熱能力。另外，壓力閥使系統(tǒng)內(nèi)的冷卻液沸點(diǎn)升高，可降低穴蝕作用，提高工作溫度，提高冷卻系統(tǒng)能力；真空閥能避免冷卻系統(tǒng)冷卻時(shí)因冷卻液冷卻收縮使負(fù)壓太大而損壞散熱器、管路等[2]。

1、問題分析

1.1 問題情形

車輛在夏季高原標(biāo)定中，行駛至海拔4000m以上時(shí)，停車打開引擎蓋發(fā)現(xiàn)膨脹水壺泄氣口處有大量冷卻液噴出，如圖1所示。且該問題多次反復(fù)發(fā)生，嚴(yán)重影響了車輛標(biāo)定進(jìn)展。

1.2 資料收集及原因分析

1.2.1 資料收集

（1）故障發(fā)生時(shí)，水溫表指針指在中間位置；

該車型的水溫表阻值如表1所示：

表1 水溫表指針與水溫對(duì)應(yīng)表

（2）故障收集資料如表2所示：

表 2

注：海拔低于4000m時(shí)，無故障發(fā)生

（3）故障發(fā)生時(shí)，膨脹水壺內(nèi)的冷卻液翻滾且向外噴，冷卻液已經(jīng)沸騰，此時(shí)水溫約105℃；

1.2.2 原因分析

（1）針對(duì)本問題，使用FTA故障樹分析方法，如圖2所示。

（2）可能原因排查

a．散熱器性能不足

散熱器為冷卻系統(tǒng)的重要組成部件，其性能的好壞對(duì)冷卻系統(tǒng)有著重大的影響。該車所采用的散熱器的散熱面積為13.63m2，能夠滿足平原地區(qū)的散熱需要。

由于海拔升高，空氣密度隨之降低（海拔高度和空氣密度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示），相同條件下散熱器的散熱量也會(huì)發(fā)生變化，散熱量計(jì)算公式[3]為：

其中：

Qw—散熱器受中冷器和冷凝器共同影響時(shí)的散熱量tw1—散熱器進(jìn)水溫度（℃）

ta1—散熱器前的溫度，即環(huán)境溫度（℃）

K—散熱器的散熱系數(shù)（熱通過率，W/m2·℃）

A—散熱器的散熱面積（m2）

Ga—冷卻空氣流量（kg/h）

Va—冷卻空氣流速（m/s）

ρa(bǔ)—冷卻空氣密度（kg/m3）

Gw—冷卻液流量（kg/h）

Cpa—冷卻空氣比熱（W·h/（kg·℃）

Cpw—冷卻液比熱（W·h/（kg·℃）

在相同條件下，隨著海拔升高，冷卻空氣密度逐漸降低，通過散熱器的冷卻空氣流量 Ga也在減小，導(dǎo)致散熱器的散熱量Qw也隨之降低，整車?yán)鋮s系統(tǒng)性能變差，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)水溫升高甚至開鍋。為故障發(fā)生的主要原因。

b．風(fēng)扇風(fēng)量小

該車型匹配雙電子風(fēng)扇總成，其性能風(fēng)量要求為，DC12V±0.1V，靜壓120Pa條件下，風(fēng)量≥4500m3/h，能夠通過平原地區(qū)整車熱平衡試驗(yàn)。由于風(fēng)扇采用有刷電機(jī)，且受限于空間布置，其扇葉不能再進(jìn)行加大，若要提高風(fēng)量，必須增大風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，這樣會(huì)加速碳刷的磨損，降低電子風(fēng)扇的使用壽命。因此不作為故障發(fā)生的主要因素。

c．氣壓低，冷卻液沸點(diǎn)低

不同海拔壓力下大氣環(huán)境參數(shù)變化見表3所示：

表3 大氣壓力與海拔關(guān)系

海拔越高，相對(duì)應(yīng)的冷卻液的沸點(diǎn)越低，由于環(huán)境因素不可改變，需從冷卻系統(tǒng)進(jìn)行整改，故氣壓低為非主要因素。

d．壓力蓋開啟壓力小

對(duì)故障車膨脹水壺壓力蓋進(jìn)行壓力開啟試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果如表4所示：

表4 壓力蓋開啟壓力測(cè)試

由以上可推測(cè)出在海拔4000m處時(shí)，整車?yán)鋮s系統(tǒng)的壓力以及冷卻液的沸點(diǎn)（系統(tǒng)壓力=壓力蓋開啟壓力+大氣壓力），具體見表5所示：

表5 海拔4000m處冷卻液沸點(diǎn)

高原故障發(fā)生時(shí)冷卻液溫度約105℃（水溫表指示值），此時(shí)冷卻液已沸騰（發(fā)動(dòng)機(jī)允許最高出水溫度為110℃），可知冷卻系統(tǒng)壓力過小，壓力蓋開啟壓力不滿足使用需求，為主要原因。

e．密封不嚴(yán)

在高原標(biāo)定過程中，整車未發(fā)生漏水，說明系統(tǒng)密封較好，無泄露。不是噴水故障發(fā)生的原因。

f．冷卻液加注過多

標(biāo)定過程中，車輛在保養(yǎng)加注冷卻液時(shí)，液面位于膨脹水壺最低與最高刻度線之間，加注量正常，不是噴水故障發(fā)生的原因。

1.2.3 主要原因

根據(jù)以上原因分析，可以知道影響該車型膨脹水壺噴水的主要原因?yàn)樯崞餍阅懿蛔悖荒軡M足高原熱平衡的性能和膨脹水壺壓力蓋開啟壓力過小。

2、整改措施

2.1 對(duì)整改方案進(jìn)行理論分析

2.1.1 提升散熱器性能

受限于整車布置，散熱器的長(zhǎng)和寬方向沒有增大的空間，只能靠增加散熱器的芯厚提升散熱面積，達(dá)到提升性能的目的。將散熱器的芯厚由27mm增大至32mm，相應(yīng)的散熱器的翅片規(guī)格由2.6mm×6.3mm（波距×波高）改為2.6mm× 7.5mm，散熱面積由13.63m2增大至19m2。具體性能參數(shù)如表6所示：

表6 散熱器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)性能是否能滿足高原地區(qū)使用要求，下面對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)需冷卻系統(tǒng)散發(fā)的熱量估算

該車型采用的熱平衡工況為常規(guī)工況，即高速工況和爬坡工況，由于車輛僅在爬坡工況時(shí)發(fā)生噴水故障，故以下計(jì)算僅對(duì)爬坡時(shí)進(jìn)行校核。

爬坡工況要求，坡度 8.7%，環(huán)境溫度在 35℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度不超過110℃。

a.爬坡工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速ne

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間的關(guān)系[4]為：

其中：Ua—汽車行駛速度，46.8km/h；

n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rpm；

r—輪胎半徑，0.336m；

ig—變速器傳動(dòng)比，該檔位下為1.223；

i0—主減速比，4.33；

由以上計(jì)算得出：n=2753rpm

b. 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩T計(jì)算

其中：Ft—汽車行駛阻力，為3854.5N

ηt—傳動(dòng)效率，取0.92

功率點(diǎn)附件損失效率估取0.12），可得ηa值為0.95

計(jì)算得T=2000.4N·m

c.發(fā)動(dòng)機(jī)功率（Ne）計(jì)算（可參見文獻(xiàn)4）

計(jì)算得Ne=57.78kW

d.散入冷卻系統(tǒng)的熱量Qw計(jì)算

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)熱平衡原理，柴油機(jī)傳入冷卻系統(tǒng)的熱量即為冷卻系統(tǒng)應(yīng)帶走的熱量 Qw。冷卻系統(tǒng)散走的熱量受許多復(fù)雜因素的影響很難計(jì)算，預(yù)估Qw時(shí)，可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

其中：η—傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，柴油機(jī)η=0.18-0.25，此處取0.23

ge—內(nèi)燃機(jī)燃料消耗率，0.23kg/kW.h

hu—燃料低熱值，柴油機(jī)取41870kJ/kg

k—修正系數(shù)，當(dāng)進(jìn)氣溫度高于 38℃時(shí)，每升高

5.5℃，計(jì)算的向發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的散熱量應(yīng)增加 1.5%，此車型進(jìn)氣溫度約80℃，k取1.12

計(jì)算得Qw=47.82kJ。

（2）實(shí)際通過散熱器的冷卻液流量計(jì)算

表7 水泵試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該車型，水泵速比為 1.4，爬坡工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2753rpm，此時(shí)水泵轉(zhuǎn)速為3855rpm。水泵在不同轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7所列。

假定發(fā)動(dòng)機(jī)水套阻力=散熱器水阻×8，該假定公式參考日本某公司發(fā)動(dòng)機(jī)水阻計(jì)算方法（參考文獻(xiàn)3），可計(jì)算出整個(gè)冷卻系統(tǒng)的阻力值。散熱器試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8所列：

表8 散熱器水阻數(shù)據(jù)

由以上數(shù)據(jù)可推斷出，水泵在不同轉(zhuǎn)速下，實(shí)際通過散熱器的冷卻液流量，如圖3所示，曲線交點(diǎn)即為該轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的通過散熱器的冷卻液流量：

從圖3中可以讀取并繪制出水泵轉(zhuǎn)速—通過散熱器冷卻液流量曲線，如圖4所示：

當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速為3855rpm時(shí)，可以從圖4中讀取出通過散熱器的水流量為92L/min。

（3）通過散熱器的風(fēng)量計(jì)算

該車型散熱器、冷凝器及中冷器布置位置如圖5所示。假定散熱器風(fēng)阻為a，面積為b；中冷器風(fēng)阻為c，面積為d；冷凝器面積為e，面積為f，則散熱器受冷凝器和中冷器影響下的風(fēng)阻可采用面積加權(quán)法進(jìn)行估算，計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：散熱器、中冷器、冷凝器試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表9所列

表9 系統(tǒng)風(fēng)阻

當(dāng)散熱器的風(fēng)阻等于風(fēng)扇的靜壓時(shí)，散熱器的散熱量、風(fēng)扇的吸風(fēng)量才能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。電子風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表10所列：

表10 電子風(fēng)扇數(shù)據(jù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出當(dāng)電子風(fēng)扇在最高轉(zhuǎn)速下工作時(shí)通過散熱器的風(fēng)量，即曲線的交點(diǎn)，風(fēng)量為1.18m3/s，如圖6所示。

（4）散熱器實(shí)際的散熱量計(jì)算

由以上計(jì)算可知，爬坡工況時(shí)通過散熱器的冷卻液流量為92L/min，風(fēng)量為1.18m3/s。散熱器的性能數(shù)據(jù)如表6所示，可作出散熱器在不同風(fēng)速下的散熱量—冷卻液流量圖，如圖7所示。

由圖7可以得出，當(dāng)散熱器冷卻液流量為92L/min時(shí)，散熱器的散熱量與風(fēng)量的關(guān)系圖，如圖8所示。

當(dāng)通過散熱器的風(fēng)量為1.18m3/s時(shí)，此時(shí)，散熱器的散熱量為55.9kW，由圖8可得。

（5）散熱器的熱通過率計(jì)算

散熱器熱通過率試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表11所示：

表11 散熱器熱通過率

由表 11可作出不同水流量下的散熱器熱通過率與風(fēng)量的關(guān)系圖，如圖9所示。從圖9中可以得出當(dāng)散熱器的通風(fēng)量為1.18m3/s時(shí)，可以得出不同水流量下的散熱器熱通過率，并繪制成曲線圖，如圖10所示。

由圖10可以得出，當(dāng)散熱器水流量為92L/min，通過散熱器風(fēng)量為 1.18m3/s時(shí)，此時(shí)散熱器的熱通過率為 96.4kJ/m2·h·℃。

（6）發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度及液氣溫差計(jì)算

a．冷卻液的當(dāng)量，其計(jì)算公式如下：

計(jì)算結(jié)果見表12所示：

表12 冷卻液當(dāng)量

b．冷卻空氣的當(dāng)量，其計(jì)算公式如下：

計(jì)算結(jié)果見表13所示：

表13 冷卻空氣當(dāng)量

c．熱傳遞系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

注：ε―NTU是“Effective Number of Heat Transfer Unit”的縮寫，它表示熱交換機(jī)的“關(guān)于熱傳遞大小”的無因次指標(biāo)[5]。

通過計(jì)算得出ε=0.872

d．液氣溫差ΔT的計(jì)算

通過計(jì)算可得ΔT=72.9℃，環(huán)境溫度為35℃，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為107.9；該車型發(fā)動(dòng)機(jī)所要求的發(fā)動(dòng)機(jī)最高出水溫度為 110℃，爬坡工況的環(huán)境溫度要求為 35℃，ΔT’基準(zhǔn)液氣溫差為75℃。由ΔT＜ΔT’可知，該車型的冷卻系統(tǒng)能夠滿足高原地區(qū)的使用要求。

2.1.2 增大膨脹水壺壓力蓋開啟壓力

該車型的壓力蓋正壓開啟壓力設(shè)計(jì)值為（101±14.7）kPa，而該標(biāo)定車的壓力蓋開啟最大值才45.6kPa，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

要求廠家按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行整改，此時(shí)在海拔4000m處冷卻系統(tǒng)的壓力范圍見表14所示。

表14 海拔4000m處系統(tǒng)壓力范圍

現(xiàn)有某冷卻液廠家提供的不同壓力下，50%冷卻液的沸點(diǎn)數(shù)據(jù)，如圖11所示，可以得出當(dāng)壓力蓋開啟壓力值為（101 ±14.7）kPa時(shí)，冷卻液的沸點(diǎn)范圍是117.6℃—123.6℃。能夠滿足整車高原環(huán)境的使用要求。

2.2 整改方案確認(rèn)

通過理論分析計(jì)算后，確認(rèn)提升散熱器性能和增大膨脹水壺壓力蓋開啟壓力方案切實(shí)可行。

3、方案驗(yàn)證

將整改后的樣件裝配到該車型上，再次進(jìn)行了夏季高原標(biāo)定。車輛一直到海拔約4700m處時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫仍能夠保持在正常的工作區(qū)間，且膨脹水壺泄氣口處也未發(fā)生噴水故障。整車順利完成高原標(biāo)定任務(wù)。

4、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某車型膨脹水壺高原噴水問題，本文通過FTA分析的方法找到問題發(fā)生的主要原因。并制定整改措施，通過冷卻系統(tǒng)匹配計(jì)算，從理論上分析了優(yōu)化后的水箱能夠滿足高原熱平衡的使用要求；通過增大膨脹水壺壓力蓋的開啟壓力，保證了冷卻液在高原地區(qū)的沸點(diǎn)能夠滿足整車的使用需求。成功解決車輛高原噴水問題。

另外本文對(duì)冷卻系統(tǒng)匹配計(jì)算進(jìn)行了適量?jī)?yōu)化，將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響進(jìn)行量化；同時(shí)對(duì)整車系統(tǒng)風(fēng)阻的估算進(jìn)行了優(yōu)化，采用面積加權(quán)方法進(jìn)行估算，與老的經(jīng)驗(yàn)假定公式相比：系統(tǒng)風(fēng)阻=散熱器風(fēng)阻×3（參考文獻(xiàn)3），提高了理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。

[1] 林秉華.最新汽車設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].哈爾濱：黑龍江人民出版社，2005:443—451.

[2] 《汽車工程手冊(cè)》編輯委員會(huì).汽車工程手冊(cè).設(shè)計(jì)篇[M].北京：人民交通出版社，2001:101—191.

[3] 武田信之.載貨汽車設(shè)計(jì)[M].方泳龍譯.北京：人民交通出版社，1997.

[4] 余志生.汽車?yán)碚揫M].第5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5] 德國(guó)BOSCH公司.BOSCH汽車工程手冊(cè)[M].第2版.顧柏良譯.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004：465—470.

The analysis of coolant sprayed from the expansion kettle and improving the performance of the cooling system

Liu Shaolei, Ma Xiaoyu, Liu Congcong, Wu Changqing
(Commercial Vehicle Research Institute, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

When we calibrated the vehicle in the plateau,the coolant was sprayed from the mouth of the expansion kettle and occurred repeatedly.In order to solve this problem,we successfully find the reasons that the performance of the cooling system is insufficient and the pressure of the pressure cap is too low by using the method of FTA analysis.The problem is successfully solved after improve the performance of the cooling system and increase the open pressure of the pressure cap.

calibrate；expansion kettle；cooling system; pressure cap

U464

A

1671-7988(2015)05-91-06

劉韶雷，就職于安徽江淮汽車股份有限公司商用車研究院。