客車水路系統布置及其氣體凈化設計

朱愛榮

（北京北方華德尼奧普蘭客車股份有限公司，北京 100072）

前言

現代大中型客車的發動機布置，相對于前置和中置型式來說，后置水冷型式具有振動噪聲小、車廂利用率高、行李艙空間大、維修方便等優點，目前已被普遍采用。同時，為滿足寒冷地區對車廂內供暖以及前風擋玻璃除霜的需求，在發動機冷卻系統基礎上又衍生出水循環暖風系統。因此，整車水路系統的設計，主要包括發動機冷卻和車內暖風兩大方面，以及二者之間的聯結型式。

1 整車水路系統結構布置

整車水路系統主要由冷卻和暖風兩個子系統組成，如圖1 所示。冷卻系統屬基本功能，是車輛正常運行必備要件，暖風系統屬附加功能，是在冷卻系統基礎上衍生出的分系統。二者采用并聯布置型式，共用一個膨脹水箱，暖風進水管與發動機缸體相連，暖風回水管與發動機進水管相連。并聯布置目的是優先保證冷卻系統的正常工作，最大限度地降低暖風系統對冷卻系統的影響。

圖1 整車水路系統

2 冷卻系統

冷卻系統的功能是為發動機提供與之相匹配的散熱條件，保證發動機正常運行且保持在最佳溫度范圍內工作。

2.1 冷卻系統結構布置

冷卻系統主要包括散熱水箱、冷卻風扇、膨脹水箱、控制系統及相關管路組成。目前主要的結構布置型式有兩種：機械風扇型式和電子風扇型式。

機械風扇型式，如圖2（a）所示，散熱水箱橫向布置，配置一個大直徑冷卻風扇，風扇由發動機通過帶傳動進行驅動，使用電磁離合器或硅油離合器，通過溫控系統對風扇轉速進行調節[1]。此種冷卻型式的結構特點：功耗較大，最高可達發動機的10%左右；皮帶傳動導致的振動和噪音較大；結構復雜，裝配精度要求高，工藝性較差。目前，此種型式已逐漸被電子風扇型式所取代。

電子風扇型式，如圖2（b）所示，散熱水箱縱向布置，配置若干小直徑獨立冷卻風扇，風扇由發電機電動驅動，通過溫控系統對各個風扇轉速進行調節。此種冷卻型式的結構特點：取消了皮帶傳動結構部件，功耗低，振動和噪聲小；散熱水箱不需要與發動機進行耦合，結構簡單，裝配精度要求低，工藝性好，且布置方式靈活[2]。目前，此種型式已廣泛應用到大中型客車的冷卻系統。

圖2 冷卻系統結構布置型式

2.2 冷卻系統氣體凈化方案

冷卻液經發動機加溫后，會隨發動機的工作持續產生水蒸氣，若不及時排除，極易形成氣阻，導致水泵的泵水量下降，進而降低散熱效率[3]。

冷卻系統氣體凈化設計采用自動排氣型式，解決方案是加裝膨脹水箱。冷卻系統中產生的氣體，最終主要堆積在發動機缸體上部和散熱水箱上部。因此，如圖2 所示，在發動機缸體高點和散熱水箱高點與膨脹水箱之間各設有一根排氣管，系統內產生的氣體，經排氣管進入膨脹水箱，實現氣水分離，多余氣體通過膨脹水箱上的閥體排出。

3 暖風系統

暖風系統功能是利用冷卻系統中的冷卻液，經過加熱器進行二次加熱，或直接將升溫后的冷卻液輸送至車內除霜器和散熱器，以滿足前風擋除霜和車廂內升溫的需求[4]。

3.1 暖風系統結構布置

暖風系統主要包括液體加熱器、前除霜器、車內散熱器、控制系統及相關管路組成。目前主要的結構布置型式有三種：整體串聯、整體并聯和并串混聯。

整體串聯，即將前除霜器和車內散熱器順序連接。根據前除霜器的位置，又有兩種布置方式：一種是將前除霜器布置在串聯結構最前端，連接順序為液體加熱器→前除霜器→車內兩側散熱器→發動機進水管；另一種是將前除霜器布置在串聯結構中間，連接順序為液體加熱器→車內一側散熱器→前除霜器→車內另一側散熱器→發動機進水管。整體串聯結構相對簡單，可靠性高。但此種布置方式下，每個散熱器供暖溫度不一致，容易導致車廂內冷暖不均衡。此種結構布置型式僅適用于冬季溫度不是很低的地區。

整體并聯，即將前除霜器和車內散熱器全部并聯在液體加熱器出口至發動機回水口的暖風系統管路上，連接順序為液體加熱器→全部并聯的散熱器和前除霜器→發動機進水管。整體并聯結構每個散熱器供暖溫度均衡，但結構復雜，成本較高，故障點多[5]。此種結構布置型式僅適用于部分對供暖均衡性要求較高的高檔車輛和旅居商務車輛。

并串混聯，如圖3 所示，即車內散熱器和前除霜器并聯，車內各個散熱器之間串聯。液體加熱器后管路分為兩路，一路直接至前除霜器，另一路串聯車內各個散熱器，兩路回水合并一路后，連接至發動機進水管。

圖3 并串混聯結構布置暖風系統

車內散熱器串聯方式，既可以先左至右（或先右至左）順序串聯，也可以左右交叉串聯。并串混聯最大的優點在于，將前除霜器與車內散熱器獨立布置，優先保證了前除霜器的除霜效果和可靠性。而且車內散熱器也可以選擇左右交叉串聯，以滿足車內供暖均衡性需求。此種結構布置型式綜合了整體串聯和整體并聯的優點，可適用范圍最為廣泛。

上述三種暖風系統結構布置型式，均可根據使用環境需要（例如在中國南方地區，僅利用發動機余溫即可滿足供暖需求），取消液體加熱器，但需要增加一個循環水泵，以保證暖風系統液體的循環壓力。

3.2 暖風系統氣體凈化方案

同冷卻系統一樣，冷卻液經液體加熱器加溫后也會持續產生水蒸氣，連同發動機加熱產生的水蒸氣一起進入暖風系統，亦需及時排除，避免降低供暖效果和隨管路進入到冷卻系統中。

暖風系統氣體凈化設計采用手動和自動排氣相結合的型式。冷卻系統中產生的氣體，一部分堆積在車內散熱器和前除霜器內上部，另一部分隨管路進行循環。對于此兩部分的氣體，分別采用不同的排氣型式。

堆積在車內散熱器和前除霜器內氣體，僅影響供暖效果，不會影響到發動機冷卻系統，采用手動排氣型式。通過散熱器和前除霜器上部設置的排氣螺塞，根據系統的使用情況，定期或不定期進行手動排氣。

隨管路循環的氣體，若進入到發動機進水管，會直接影響到發動機冷卻系統，采用自動排氣型式。解決方案是加裝氣體凈化器，其安裝位置，如圖4 所示，在暖風系統回水管與發動機進水管連接部位之前的管路上，在此位置將管路中的氣體排出，避免進入到發動機冷卻系統。

圖4 氣體凈化器安裝位置

氣體凈化器，如圖5 所示，進水接頭管和出水接頭管具有一定的高度差，保證氣液分離腔體內有足夠的空間存儲瞬時較多的氣體。暖風系統管路中的氣體隨冷卻液通過進水接頭管進入到氣液分離腔體，實現氣水分離。氣體在整個系統壓力作用下，通過氣體接頭管進入膨脹水箱，排出系統；液體則經由出水接頭管進入發動機進水管，進行循環。

4 結束語

整車水路系統設計，應根據系統或部件功能的重要程度，區分出優先級別：冷卻系統直接關系到車輛運行的可靠性并影響車輛運行的經濟性，其性能必須優先保證。其次，在暖風系統中，前除霜器影響到駕駛員視野，涉及到車輛行駛安全性，其性能必須優先于車內散熱器予以保證。在布置結構型式的選擇上，應根據車輛的實際使用環境，在保證安全、可靠、適用的前提下，兼顧車輛的制造成本和運營成本。