重型汽車膨脹水壺裝置設計探討

劉鴻志

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

重型汽車膨脹水壺裝置設計探討

劉鴻志

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文針對重型汽車冷卻系統中的重要組成部分——膨脹水壺的設計進行了探討。首先從膨脹水壺對冷卻系統的影響進行說明，分析了膨脹水壺在冷卻系統中起到密封、定壓、除氣、補水、膨脹等作用；然后從設計角度對膨脹水壺容積、最高水位、最低水位等方面內容進行探討；最后對膨脹水壺的設計原則進行了總結，以便后期膨脹水壺設計時參考使用。

重型汽車; 冷卻系統; 膨脹水壺; 設計

CLC NO.:U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-25-03

前言

隨著汽車技術的不斷發展，汽車的冷卻系統也已經由早期的開放式冷卻系統轉變為閉式強制循環冷卻系統（見圖1）。由于現在冷卻系統冷卻介質用價格較高的汽車冷卻液代替水，如果閉式強制循環冷卻系統不具有全封閉的特點，則可能會因為冷卻液的蒸發等損失而經常補充造成用戶使用成本的增加。當車輛行駛在不同海拔的地域工況時，還需要調整系統的最大壓力，來提高冷卻液的沸點，使車輛不至于過早開鍋。冷卻系統如果除氣性能不好則可能會造成發動機水泵、水道等零部件的氣蝕，氣蝕是發動機冷卻系統的失效模式之一[1]，對發動機的危害很大。發生氣蝕時冷卻系統產生大量的氣泡，冷卻液流量降低，冷卻系統散熱能力下降，導致發動機溫度過高、壽命縮短。

閉式強制循環冷卻系統為了實現密封、定壓、除氣、補水、膨脹等，所以在系統中設置一個相對獨立的裝置——膨脹水壺裝置來實現這些功能。當前對于重型汽車來說，使用膨脹水壺裝置實現閉式強制循環已普遍推廣，除了一些相對低端的車型外，中、輕型卡車和乘用車都已經普遍使用該模式的冷卻系統。

1、膨脹水壺裝置的組成和功能

汽車冷卻系統中的膨脹水壺裝置一般包括膨脹水壺總成、冷卻液補水管、散熱器除氣管和發動機除氣管。

膨脹水壺總成，也稱為膨脹水箱、副水箱、補償水桶[2]等。重卡冷卻系統中的膨脹水壺總成如圖2所示，一般由膨脹水壺本體、液位傳感器和膨脹水壺壓力蓋及相關附件組成。

膨脹水壺本體主要作為儲存冷卻液的容器，一般通過注塑或者吹塑成型。通常要求材料有一定的透明度，以便于觀察冷卻液液位。根據冷卻系統需求在膨脹水壺本體上設置最高水位線和最低水位線，同時根據使用需求需要具有一定的強度、耐候性、耐腐蝕性等。

液位傳感器對膨脹水壺內冷卻液的最低液位進行監測，如果冷卻液的液位低于最低液位，液位傳感器則會將其接收到的電阻信號變化反饋給儀表系統，從而進行聲光報警提醒用戶檢查故障和補充冷卻液。

膨脹水壺壓力蓋是一個具有正壓開啟和負壓開啟分別進行的零部件，為冷卻系統密封、最大系統內壓設定、冷機時冷卻系統壓力平衡提供保障。

2、膨脹水壺裝置的設計

2.1 一般原則

一般來說，當冷卻系采用低位密封式散熱器時，必須增設高位膨脹水壺裝置，它的主要功能是給冷卻液提供一個膨脹空間，及時去除冷卻液中積滯的空氣以及發動機高溫下產生的水汽，以便更有效地利用散熱器的散熱功能，提高冷卻效率。

為了保證除氣系統防氣蝕壓力，應將膨脹水壺安裝在冷卻系統最高處，一般高出水泵進水口 600mm，膨脹水壺的底面至少應高出發動機水道頂部或散熱器上水室頂部100毫米。

發動機及散熱器通氣管應連續上行，不能下垂和有下彎段，不允許與其它水管T 形連接。發動機與散熱器間的進出水管直徑應大于發動機上的相應接口的直徑。

膨脹水壺一般應設置最高液面和最低液面標志，最高液面的上方應有不小于規定的膨脹容積，該容積內不可以加注冷卻液；最低液面與最高液面之間的容積應不小于規定的儲備容積；膨脹水壺還應設置最低液面的液位傳感器，以便提醒駕駛員及時添加冷卻液。

2.2 系統總容積Vs確定

系統總容積是散熱器、發動機等總成件的容積和各種相關管路容積之和。如果有水空中冷器、暖風裝置、液力緩速器冷卻裝置和自動變速箱冷卻裝置等總成零部件的容積也應計算在系統總容積內。所以系統總容積影響因素較多，取決于系統布置、管路布置和管路內徑大小等。

如將冷卻系統中管道和各零部件內的總水量設為Vs，則有：

式中：

Ve——發動機水套容積，可通過發動機供應商提供或者測量得出；

Vr——散熱器水容積，通過散熱器供應商提供或者測量得出；

Vp——各種連接管路容積之和，可通過各管路直徑和設計長度計算得出；

Vh——膨脹水壺最高水位時容積，如圖2所示，為殘留容積V1與儲備容積V2之和，即Vh=V1+V2；

Vo——其他總成零部件（如水空中冷器、暖風裝置、液力緩速器冷卻裝置和自動變速箱冷卻裝置等）容積之和，可通過各零部件供應商提供或者測量得出。

2.3 膨脹水壺容積Vt確定

膨脹水壺的容積Vt應為殘留容積V1、儲備容積V2與膨脹量△V三者之和，考慮到冷卻系統容積計算的誤差和其他通用性因素，可以在△V適當增加儲備系數β，該系數如過大則造成材料浪費，重量和成本增加，可根據系統總容積大小選擇β=1.2~1.5。則有

2.3.1 殘留容積V1

必備的殘留容積 V1是為了安全起見，防止冷卻液在循環中吸入空氣而設置的，考慮到車輛上下坡等致使膨脹水壺傾斜的各種情況，一般要求冷卻液的最低液面至膨脹水壺的底面距離不小于 35 mm，所以必備的殘留容積應不小于 35 mm×膨脹水壺底平面面積。

2.3.2 儲備容積V2

儲備容積 V2是為了確保冷卻系由于微量不能覺察的泄漏和冷卻液蒸發后仍能保持冷卻系統內正常的水壓，而能及時補充冷卻液，延長補液周期，當冷卻液泄漏空氣開始進入冷卻系統時的泄漏水量。儲備容積必須至少比初次未加注水量要多總容積的1%，即應是總容積的11%，有暖風機時應達20%。

2.3.3 膨脹容積△V

下面以冷卻水作為冷卻介質為例進行說明，冷卻系統水溫從T1升高到T2時，體積從Vs變為Vs+ △V，水的密度由ρ1變為ρ2，由于系統內水的質量在運行過程中保持不變：

式中：

Vs為系統內的水容量（系統充水時的容積），單位L；

ρ1為水在溫度T1時的密度，單位kg/L；

ρ2為水在溫度T2時的密度，單位kg/L；

△V為水溫由T1升高到T2時，系統中水的膨脹量，單位L。

系統的水溫T1、T2的設定，水的密度在4℃的時候最大，故將4℃定為T1，則ρ1為1kg/L。理論上應將發動機允許最高出水溫度定為T2，但是考慮到該發動機最高出水溫度由發動機設計時確定，對于當前國內大部分重型汽車用發動機而言該溫度為 99℃~108℃不等，由于水膨脹率變化最大時為100℃，此處取T2為100℃。則有：

2.3.4 膨脹水壺容積Vt計算

由于上文設定ρ1為1kg/L，可將Vt計算轉化為下式：

如更換冷卻介質，只需將冷卻介質的密度代入即可獲得相應的膨脹水壺容積。

2.4 膨脹水壺結構設計注意事項

2.4.1 膨脹水壺加注口

膨脹水壺加注口結構尺寸一般按照標準 JB/T 2292[3]中規定進行設計，不但可以快速方便的匹配到合適的壓力蓋，而且可以快速設計選擇冷卻液真空加注設備的槍口。

2.4.2 膨脹水壺出液口

膨脹水壺出液口直徑需根據發動機水泵流量和加注時間的要求進行設計，以便散熱器和發動機水道連續除氣和連續補水。

當發動機水泵流量小于757L/min時，膨脹水壺出液口直徑要求不小于19mm。

當發動機水泵流量大于757L/min時，膨脹水壺出液口直徑要求在25~38mm之間。

2.4.3 膨脹水壺除氣接口

考慮到冷卻系統除氣需求，散熱器和發動機上一般分別設置除氣口，膨脹水壺上的除氣口個數需與其對應。 膨脹水壺除氣口一般根據發動機功率大小進行設計，外徑為8~12mm。除氣口方向不宜垂直吹向液面（圖2所示），建議盡可能遠離液面并且水平設置，如圖3所示。

2.4.4 膨脹水壺壓力蓋

膨脹水壺壓力蓋可提高系統內壓力，從而提高冷卻介質沸點[4]，擴大冷卻介質與周圍環境溫差以提高冷卻性能，相對地減小了散熱器的尺寸。系統通過其密封減少了冷卻介質的外溢和蒸汽損失。常規的膨脹水壺壓力蓋按照 JB/T 2292進行設計，但由于近年來發動機及整車需求不斷增加，市場上已有壓力在1.0bar以上的膨脹水壺壓力蓋，使車輛在高原等地區的適應能力更好。

2.5 膨脹水壺制造工藝和材料選擇

一般來說，重型汽車使用膨脹水壺根據布置安裝方式和承重設計不同，塑料膨脹水壺可以選擇的生產加工工藝有注塑和吹塑兩種，部分鐵制膨脹水壺采用鋼板沖壓焊接而成。

膨脹水壺材料根據制造工藝和設計強度進行選擇。注塑工藝選擇的材料常見的有聚丙烯（PP），玻璃纖維增強聚丙烯（PP+GF），玻璃纖維增強聚酰胺（PA+GF）等，注塑的優點是能成型形狀復雜的膨脹水壺，生產速度快、效率高，操作可自動化，特別適合大量生產；吹塑工藝選擇的材料有高密度聚乙烯HDPE，一般用來生產一些結構比較簡單的膨脹水壺。

2.6加注

第一次加注冷卻液時，應同時將散熱器下部和發動機水套下部的放水開關打開，直到有冷卻液溢出時再關閉，以便消除殘留空氣，順利地將冷卻液加滿。一次加滿率大于等于總容積的90 %。發動機起動后25分鐘內應除盡初次加注時積存在冷卻系中的空氣。使用真空加注設備加注效果會更好[5]。

3、總結

本文針對重型汽車冷卻系統中膨脹水壺的作用和影響進行了較為詳細的說明，從設計角度對膨脹水壺容積確定、最高水位和最低水位設置等方面內容進行分析探討，并對膨脹水壺的設計原則進行了總結。文中雖然僅對重型卡車膨脹水壺設計進行了闡述，但對于輕、中型卡車、輕型客車等膨脹水壺設計開發也具有一定的參考意義。

[1] 孫婧.汽車冷卻系統的氣蝕及影響因素[J].汽車工藝與材料.2012. (7)：42-44.

[2] 陳家瑞.汽車構造[M].第五版.人民交通出版社，2006:232-235.

[3] JB 2292-78 汽車、拖拉機用散熱器進水口、出水口、加水口及蓋.

[4] 何文軍.重型商用汽車冷卻系統副水箱的設計[J].科技風.2011.(3): 31-31.

[5] 李建和.液體抽真空加注設備在汽車行業的應用[J]. 汽車制造業. 2003.(3):108-108.

Discussion on the Expansion Tank Design of Heavy Truck

Liu Hongzhi
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601)

The design of the expansion tank that is an important part of the heavy truck cooling system is discussed in this paper. Firstly, the impact of the expansion is explained tank cooling system, and analyzes the expansion tank play sealed in the cooling system, constant pressure, remove the gas, add water, and other effects in addition to expansion; Secondly,from the design point of expansion tank volume, the highest level, the lowest level of other aspects are discussed; Finally,design principles of the expansion tank were summarized for reference at a later stage other expansion tank design.

heavy truck; cooling system; expansion tank; design

U463.5

A

1671-7988(2015)05-25-03

劉鴻志，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心。