某汽油皮卡車型膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)研究分析

王泓，朱金華，楊曉榮，聶曉龍，王強

(江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330000)

0 引言

當前車輛冷卻水循環(huán)回路主要有膨脹系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)，市場上日韓車系主要采用溢流箱系統(tǒng)，歐美車系主要采用膨脹箱系統(tǒng)。膨脹箱系統(tǒng)的壓力蓋在副水箱上，而溢流箱系統(tǒng)的壓力蓋在冷卻系統(tǒng)的回路中的某個零部件上，如散熱器、發(fā)動機上缸體、發(fā)動機節(jié)溫器、水管等零部件上。

針對膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)差異，在設計上主要區(qū)別是副水箱的設計以及水循環(huán)回路的設計[1-2]，通過實驗的方法研究了對系統(tǒng)的流量及水泵入口和出口的壓力分布。膨脹箱系統(tǒng)所提供的密閉系統(tǒng)，水泵的入口壓力上升非常緩慢，而溢流箱系統(tǒng)則上升非?？靃3-4]。膨脹箱和溢流箱在功能上的主要差異在于，膨脹副水箱時刻參與系統(tǒng)的除氣及冷卻液循環(huán)流動，而溢流副水箱不參與系統(tǒng)的循環(huán)，僅僅提供熱態(tài)膨脹和冷態(tài)補水功能，且兩種副水箱在整車上的布置位置也有差異[5-7]。

本文作者主要通過實驗的方法研究了某款配備了2.0L排量汽油發(fā)動機皮卡車型膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)在冷卻液加注和排氣、發(fā)動機水溫溫升、水泵入口處壓力、以及整車極限工況下發(fā)動機進、出水溫的對比。

1 膨脹箱及溢流箱系統(tǒng)回路差異

膨脹箱系統(tǒng)的壓力蓋在膨脹副水箱上，其冷卻水路原理如圖1所示。

圖1 膨脹箱系統(tǒng)冷卻回路原理

由圖1可以看到，膨脹箱系統(tǒng)副水箱包含散熱器通氣管及發(fā)動機通氣管，其主要作用是輔助冷卻系統(tǒng)在加注及運行過程中實時將氣體排到副水箱中，從而確保系統(tǒng)不會存在過多的氣體而導致系統(tǒng)功能失效，如水泵氣蝕、局部過熱沸騰等；此外副水箱通過下水管與水泵入口連接，可調(diào)節(jié)水泵入口壓力。

溢流箱系統(tǒng)壓力蓋通常安裝在散熱器水室上，其冷卻水路原理圖如圖2所示。

圖2 膨脹箱系統(tǒng)冷卻回路原理

由圖2可以看到，溢流箱系統(tǒng)發(fā)動機通氣管與散熱器水室箱連通，在系統(tǒng)運行過程中發(fā)動機氣體和散熱器氣體會聚集在散熱器上，當系統(tǒng)壓力達到壓力蓋開啟壓力時(通常為110 kPa相對壓力)，氣體通過溢流箱連接管流到溢流箱中，溢流箱與大氣直接連通，當冷車狀態(tài)壓力蓋負壓彈簧開啟，溢流箱冷卻液從溢流箱連接管流回散熱器中。

2 膨脹箱及溢流箱系統(tǒng)回路冷卻液加注及排氣測試

實驗設備：6L的量筒一個，防凍液，透明膠管，計時器，一輛冷卻液排空的車輛。

實驗步驟：將車輛散熱器進水管、發(fā)動機通氣管、散熱器通氣管換成透明膠管，如圖3所示，將防凍液倒入量筒中，通過量筒向加注口加注并記錄相關數(shù)據(jù)。

圖3 冷卻液加注排氣實驗車輛

加注完成后記錄相關數(shù)據(jù)見表1。

表1 冷卻液加注排氣實驗結(jié)果

由表1可看出，膨脹箱系統(tǒng)比溢流箱系統(tǒng)初次加注量更小，小循環(huán)排氣時間更長(無散熱器排氣)，但大循環(huán)排氣時間相同，且最終的加注量基本相同，即不論是膨脹箱系統(tǒng)還是溢流箱系統(tǒng)，均不會影響冷卻液的最終加注量。

3 膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)發(fā)動機水溫溫升對比

因膨脹箱系統(tǒng)副水箱參與冷卻回路的水循環(huán)，整個回路的阻力會有影響，進而可能影響發(fā)動機的溫升。為研究兩種系統(tǒng)對發(fā)動機溫升的影響，準備一輛2.0T汽油發(fā)動機車輛置環(huán)境倉內(nèi)，將環(huán)境溫度降低到10 ℃以下，啟動車輛，怠速工況下將油門踩到發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，直到整車大循環(huán)開啟(節(jié)溫器打開)，用英卡讀取ECU中發(fā)動機的出水水溫數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示。

圖4 膨脹箱系統(tǒng)與溢流箱系統(tǒng)的溫升對比變化曲線

由圖4可看出，在整個溫升過程中，膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)溫升速率基本相同，在45 s前，溢流箱系統(tǒng)的水溫比膨脹箱系統(tǒng)稍高，45 s以后兩個系統(tǒng)的水溫基本相當。說明無論是膨脹箱系統(tǒng)還是溢流箱系統(tǒng)，對發(fā)動機水溫溫升幾乎無影響。

4 膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)對水泵壓力影響

在系統(tǒng)運行過程中，伴隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的差異，水泵入口處的壓力時刻在發(fā)生變化，該壓力除了和發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關外，還與冷卻液的溫度相關，通常用汽蝕余量(NPSH)代表水泵入口處的凈吸入揚程，其計算公式為[1-4]：

(1)

式中：NPSH為汽蝕余量;

ps為副水箱壓力蓋處壓力(Pa，絕對壓力);

ρ為密度(kg/m3);

g為重力加速度(9.8 m/s2);

pvp為蒸發(fā)壓力(Pa，絕對壓力) ;

fhs為副水箱到水泵入口的壓損。

針對膨脹箱系統(tǒng)，通過式(1)可知，水泵入口處的壓力等于副水箱蓋處的壓力減去副水箱到水泵入口處的壓力損失(如管路的壓損)，而溢流箱系統(tǒng)副水箱與冷卻系統(tǒng)回路通過壓力蓋隔斷，水泵入口處壓力受水泵轉(zhuǎn)速和溫度影響。 實驗方法將準備好的車輛靜置2 d或者發(fā)動機完全冷卻，將壓力傳感器裝到水泵入口水管處，啟動車輛，踩油門加速，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速上升約5 000 r/min，維持該轉(zhuǎn)速大約100 s時長，然后怠速直到大循環(huán)開啟，重復至少3次將發(fā)動機轉(zhuǎn)速加速到5 000 r/min，持續(xù)時間約100 s，記錄水泵入口處的壓力值。膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)的水泵入口處的壓力值對比如圖5所示。

圖5 膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱水泵入口處的壓力值對比

由圖5可以看出，膨脹箱系統(tǒng)在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，水泵入口處的壓力變化較小，且波動非常小，而溢流箱系統(tǒng)在幾乎相同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，不僅水泵入口處的壓力值較大，且壓力波動非常大。

5 膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)對整車水流量影響

如圖1所示，膨脹箱系統(tǒng)因有散熱器和副水箱的通氣管路，且發(fā)動機通氣管無論在整車水路處于大循環(huán)還是小循環(huán)均會有一部分冷卻液流經(jīng)副水箱，然后通過副水箱與發(fā)動機的連接管流回到水泵入水口，同樣散熱器通氣管在大循環(huán)時也會有一部分冷卻液流到副水箱，再通過副水箱與發(fā)動機的連接管流回到水泵入水口，因此不論是發(fā)動機通氣管內(nèi)徑還是散熱器通氣管內(nèi)徑，都不能太大，否則會影響流經(jīng)散熱器的冷卻液流量，從而影響散熱器的散熱[4]。如圖2所示，溢流箱系統(tǒng)雖然有發(fā)動機通氣管，但因發(fā)動機通氣管直接與散熱器連接，流經(jīng)通氣管的冷卻只能通過散熱器再流回水泵入口，且散熱器無通氣管，不會分流，對散熱器散熱幾乎無影響。

為驗證膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)在整車簽發(fā)工況對流量及散熱性能的影響，按照整車試驗規(guī)范在環(huán)境倉進行了熱管理實驗驗證，此車型所驗證的發(fā)動機通氣管和散熱器通氣管內(nèi)徑均為5 mm，如圖6所示。

圖6 整車環(huán)境倉驗證

實驗結(jié)果見表2和表3。

表3 溢流箱系統(tǒng)整車熱管理測試結(jié)果

從表2和表3實驗結(jié)果中可以看出，在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速(3 000 r/min) 工況下，膨脹箱系統(tǒng)因散熱器和發(fā)動機通氣管分流影響，對發(fā)動機出水溫度影響大概有2 ℃，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的降低，通氣管的分流減小，膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)對散熱器的散熱量影響較小。

6 結(jié)束語

通過實驗對比分析，整車水路循環(huán)系統(tǒng)，膨脹箱系統(tǒng)和溢流箱系統(tǒng)在初始手工加注量上有區(qū)別，但是最終的排氣和加注量基本相當，同時在發(fā)動機冷機溫升表現(xiàn)上基本相當，兩種系統(tǒng)基本無影響；在水泵入水口壓力控制上，膨脹箱壓力波動小，系統(tǒng)比較“柔和”，而溢流箱系統(tǒng)，水泵入口處壓力波動非常大，同時系統(tǒng)壓力上升非?？?，在冷卻系統(tǒng)設計時應當予以考慮；在發(fā)動機進水和出水溫度的影響上，膨脹箱系統(tǒng)相對溢流箱發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高對發(fā)動機水溫影響越大，主要原因是散熱器和發(fā)動機的分流影響，可以通過控制通氣管內(nèi)徑大小或者增加節(jié)流閥來降低膨脹箱系統(tǒng)的分流影響。