冷卻系統副水箱起泡分析及優化設計

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

發動機冷卻系統設計如果沒有考慮起泡問題，就會出現發動機內部積氣，產生大量的氣泡穴蝕水泵，嚴重的還會使發動機內局部積氣影響缸體內局部高溫，損壞缸體[1-3]。隨著國內自主項目開發的經驗積累以及冷卻系統開發試驗標準和方法更新，開發過程有更加充分的試驗驗證，從而減少該類問題的發生。保證設計穩健性。

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

1 試驗部分

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

圖1 冷卻系統回路圖

(2)試驗設備：試驗用萬用表，穩壓電源，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、透明管測試發動機通氣管口流量。完成測試后再堵住副水箱的發動機通氣管口，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壓電源

2 發動機通氣管與散熱器通氣管設計合理性驗證

2.1 發動機通氣管設計校核

2.1.1 發動機通氣管產生氣泡的流量測試

在試驗過程中，當發動機通氣管內產生氣泡時，副水箱液面高度明顯發生變化。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個整車工況發動機通氣管產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,均大于發動機通氣管產生氣泡的流量3 L/min。水系統容易產生大量氣泡，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 散熱器通氣管產生氣泡的流量分析

在試驗過程中，當散熱器通氣管內產生氣泡時，副水箱液面高度明顯發生變化。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個整車工況發動機通氣管產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動機轉速下的流量最大2.392 L/min,均小于散熱器通氣管產生氣泡的流量2.5 L/min。散熱器通氣管設計狀態不會造成氣泡產生，滿足設計要求。

表2 CAE分析結果

3 發動機通氣管設計優化

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

對發動機通氣管進行設計優化，通過在管內增加一個內徑1.75 mm的節流閥。優化后，再次進行CAE計算發動機通氣管的流量見表3。表3顯示發動機通氣管在所有發動機轉速下水流量均小于發動機通氣管產生氣泡的流量3 L/min，設計滿足要求。

表3 優化后CAE分析結果

4 結論

建立發動機通氣管與散熱器通氣管起泡試驗臺架，測試發動機通氣管和散熱器通氣管產生氣泡的水流量。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，發動機通氣管產生氣泡的水流量分別為4.0、3.0、4.5、3.0 L/min。發動機轉速3 000、5 500、6 000 r/min時水流量分別為4.918、8.652、9.426 L/min，均大于發動機通氣管產生氣泡的水流量3.0 L/min，發動機通氣管內存在產生氣泡風險，發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，散熱器通氣管產生氣泡的流速分別為2.5、2.5、2.5、2.5 L/min。所有發動機轉速下散熱器通氣管內所能達到最大流量2.392 L/min小于產生氣泡流量2.5 L/min,散熱器通氣管設計滿足要求。

(3)發動機通氣管優化設計，通過內部增加一個內徑1.75 mm的節流閥，發動機通氣管在所有發動機轉速下水流量最大2.1 L/min，小于發動機通氣管產生氣泡的流量3 L/min，優化后發動機通氣管設計滿足要求。