汽車冷卻系統用低位膨脹水箱的設計與研究

李萬龍，劉騰飛，李楝，李睿哲

(北京汽車集團越野車有限公司，北京 101300)

0 引言

汽車發動機工作時氣缸內會產生高溫高壓氣體，如果不及時冷卻發動機，會造成發動機的零部件損壞，使發動機無法正常工作[1]。冷卻系統是發動機的重要組成部分，冷卻系統不僅對發動機的可靠性產生重大影響，而且也是影響發動機動力性和經濟性的重要因素，其作用就是保證發動機在任何復雜條件下和工作環境下均能在最合適的溫度狀態下正常可靠地工作[2]。

冷卻系統結構如圖1所示。

圖1 冷卻系統結構示意

汽車冷卻系結構主要由發動機水路、水泵、散熱器、電子風扇、節溫器、膨脹水箱以及連接管路組成。

膨脹水箱可以為冷卻系統實現閉式循環，為系統提供膨脹和蒸汽凝結的空間，還可以調節系統內的壓力，確保系統工作穩定，保證系統達到設計規定的最高工作水溫，防止系統早沸[3-4]。膨脹水箱一般布置在冷卻系最高點。其主要作用是當冷卻液受熱膨脹超過壓力蓋的開啟壓力時，壓力蓋泄壓閥開啟進行泄壓；當冷卻系統的壓力低于規定壓力時，真空閥開啟，對系統進行補壓。泄壓閥和真空閥開啟示意如圖2所示。同時，在壓力的作用下，還可以向系統補償冷卻液。

圖2 泄壓閥和真空閥開啟示意

傳統的高位膨脹水箱通過膨脹水箱布置的高度優勢，利用其內部液體與發動機水套和散熱器水系最高點的高度差產生的壓力，來實現冷卻系統的加注以及補水功能。但現階段，受機艙空間布置影響，發動機水套和散熱器水系的最高點存在位置較高的問題，導致傳統的高位膨脹水箱布置不足以滿足最低液位線高于系統水系最高點的要求。而此種情況需要布置低位膨脹水箱，使其在具備除氣和補水功能的前提下，可以滿足低位安裝的要求。

本文作者從某車型冷卻系統設計低位膨脹水箱入手，闡述低位膨脹水箱的結構特點和設計原理，基于其特殊的結構設計，即始終充滿水的相對獨立的氣腔，且與氣腔相連接的除氣管的位置高于冷卻系統的水系最高點。最終通過試驗結果證明該低位膨脹水箱滿足整車使用要求。

1 低位膨脹水箱結構

如圖3所示為低位膨脹水箱結構設計簡圖。

圖3 低位膨脹水箱結構簡圖

該低位膨脹水箱內部設計有相對獨立的氣腔4、液腔7，在箱體的上部位置還設計有除氣功能的除氣管3，除氣管的位置高于冷卻系內散熱器和發動機水套液位的最高點，且該除氣管單獨與氣腔相連接，為冷卻系統除氣使用。該低位膨脹水箱在相對獨立的氣腔結構頂部還設計有放氣閥2。此外，該低位膨脹水箱在液腔7底部還設計有補水用的補水管8，為冷卻系統內的散熱器和發動機水套進行補水使用。該低位膨脹水箱外部還設計有標明刻度線的Min液位線9及Max液位線10，便于識別箱體內部液位刻度。

2 低位膨脹水箱加注原理

普通加注時，冷卻液經過膨脹水箱頂部安裝膨脹水箱壓力蓋的加注口進行加注，經過膨脹水箱底部的補水管8進入散熱器和發動機水套內，冷卻液在重力的作用下將散熱器和發動機內的氣體逐漸向上排出，通過散熱器和發動機上設置的除氣口進入相應的除氣管路，再通過膨脹水箱上的除氣管3進入膨脹水箱的氣腔4。當被排出的氣體的壓力大于膨脹水箱內冷卻液勢能產生的重力時，氣體通過氣腔與液腔連接孔6，被壓入膨脹水箱內的液腔7中。

為了在冷卻液加注時達到更好的除氣加注效果，提高加注效率，在冷卻系統內部氣體壓力不足以克服膨脹水箱內液腔7內的液體勢能時，可以打開膨脹水箱箱體頂部的放氣閥2，這樣在加注過程中，隨除氣管3排入氣腔的氣體可以直接排入到大氣中，加注完成后，將放氣閥擰緊。后續工作循環及補水不需要再次打開此放氣閥。

普通加注時需將液位線加注至與氣腔相連接的除氣管3處，由于除氣管液位高于系統中散熱器和發動機水套的最高液位點，這樣在冷卻系統循環中，能保證散熱器和發動機水套中能夠充滿冷卻液。

3 低位膨脹水箱工作原理

圖4為冷卻系統循環示意圖。

圖4 冷卻系統循環示意

發動機在正常運行過程中，由于水泵的作用，冷卻系統內的冷卻液開始循環，散熱器和發動機水套內的氣體經由各自的除氣口通過低位膨脹水箱的除氣管進入到低位膨脹水箱的氣腔內，低位膨脹水箱液腔內的液體通過補水管不斷地為散熱器和發動機水套內缺失的冷卻液進行補充。氣腔內的液氣在壓力的作用下通過氣腔底部與液腔的連接孔進入到液腔內，且由于低位膨脹水箱內部設計的隔板5的作用，氣腔內的液氣不會直接進入到補水管內繼續參與循環，而是在液腔內進行充分的液氣分離，分離后的液體通過補水管繼續參與循環，而分離后的氣體則聚集在低位膨脹水箱液腔的上部。當聚集的氣體壓力大于壓力蓋泄壓閥的開啟壓力時，泄壓閥打開進行泄壓。通過不斷地循環，散熱器和發動機水套內部的氣液在低位膨脹水箱內部經過充分的液氣分離后，氣體聚集在液腔的上部，使得氣腔內充滿防凍液。由于設計的氣腔內液位的最高點始終高于散熱器和發動機水套的最高液位點，這就可以保證系統內的氣體不會重新進入到冷卻系統繼續參與循環。通過上述的不斷循環往復，低位膨脹水箱為冷卻系統實現除氣、補水的功能。

4 低位膨脹水箱容積設計計算

該低位膨脹水箱在匹配某車型冷卻系統時，其容積計算按照如下原則進行：(1)膨脹水箱的總容積不小于冷卻系統總容積的21%；(2)膨脹水箱的儲備容積不小于冷卻系統總容積的15%；(3)膨脹水箱的膨脹容積不小于冷卻系統總容積的5%。

匯總冷卻系統各部分的冷卻液容積見表1。

表1 冷卻系統各部分容積匯總

按照如上設計原則，設計的低位膨脹水箱的總容積為1 L，儲備容積為0.7 L，膨脹容積為0.3 L。計算校核結果見表2。

表2 膨脹水箱容積校核計算結果

經過設計校核計算，設計的低位膨脹水箱滿足理論容積設計要求。

5 低位膨脹水箱試驗驗證

在確定好低位膨脹水箱理論設計計算及初版3D數據后，先行利用3D打印技術制作快速成型樣件裝車驗證其除氣、補水功能。由于整車熱負荷較高的工況為整車熱平衡考核工況，因此選取5個熱平衡考核工況來驗證該低位膨脹水箱是否滿足要求。考核工況見表3。在試驗過程中，發動機啟動后，低位膨脹水箱的氣腔內在很短時間內就充滿水，未發現有持續的液氣進入膨脹水箱情況，如圖5所示。熱平衡考核工況順利通過，顯示該低位膨脹水箱的除氣、補水功能滿足要求。進一步通過整車可靠性試驗驗證該低位膨脹水箱在整車上的可靠性。對經過熱平衡驗證通過的3D數據進一步優化細節鎖定3D數據后，進行模具樣件制作，將模具樣件搭載整車可靠性試驗驗證，最后順利驗證通過。

表3 熱平衡考核工況

圖5 低位膨脹水箱試驗圖示

6 結束語

低位膨脹水箱主要解決整車冷卻系統整體液位較高的問題，通過其內部相對獨立的氣腔、液腔等結構的設計，使其滿足整車冷卻系統的使用要求。