重型汽车膨胀水壶装置设计探讨

刘鸿志

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

重型汽车膨胀水壶装置设计探讨

刘鸿志

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文针对重型汽车冷却系统中的重要组成部分——膨胀水壶的设计进行了探讨。首先从膨胀水壶对冷却系统的影响进行说明，分析了膨胀水壶在冷却系统中起到密封、定压、除气、补水、膨胀等作用；然后从设计角度对膨胀水壶容积、最高水位、最低水位等方面内容进行探讨；最后对膨胀水壶的设计原则进行了总结，以便后期膨胀水壶设计时参考使用。

重型汽车; 冷却系统; 膨胀水壶; 设计

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

前言

随着汽车技术的不断发展，汽车的冷却系统也已经由早期的开放式冷却系统转变为闭式强制循环冷却系统（见图1）。由于现在冷却系统冷却介质用价格较高的汽车冷却液代替水，如果闭式强制循环冷却系统不具有全封闭的特点，则可能会因为冷却液的蒸发等损失而经常补充造成用户使用成本的增加。当车辆行驶在不同海拔的地域工况时，还需要调整系统的最大压力，来提高冷却液的沸点，使车辆不至于过早开锅。冷却系统如果除气性能不好则可能会造成发动机水泵、水道等零部件的气蚀，气蚀是发动机冷却系统的失效模式之一[1]，对发动机的危害很大。发生气蚀时冷却系统产生大量的气泡，冷却液流量降低，冷却系统散热能力下降，导致发动机温度过高、寿命缩短。

闭式强制循环冷却系统为了实现密封、定压、除气、补水、膨胀等，所以在系统中设置一个相对独立的装置——膨胀水壶装置来实现这些功能。当前对于重型汽车来说，使用膨胀水壶装置实现闭式强制循环已普遍推广，除了一些相对低端的车型外，中、轻型卡车和乘用车都已经普遍使用该模式的冷却系统。

1、膨胀水壶装置的组成和功能

汽车冷却系统中的膨胀水壶装置一般包括膨胀水壶总成、冷却液补水管、散热器除气管和发动机除气管。

膨胀水壶总成，也称为膨胀水箱、副水箱、补偿水桶[2]等。重卡冷却系统中的膨胀水壶总成如图2所示，一般由膨胀水壶本体、液位传感器和膨胀水壶压力盖及相关附件组成。

膨胀水壶本体主要作为储存冷却液的容器，一般通过注塑或者吹塑成型。通常要求材料有一定的透明度，以便于观察冷却液液位。根据冷却系统需求在膨胀水壶本体上设置最高水位线和最低水位线，同时根据使用需求需要具有一定的强度、耐候性、耐腐蚀性等。

液位传感器对膨胀水壶内冷却液的最低液位进行监测，如果冷却液的液位低于最低液位，液位传感器则会将其接收到的电阻信号变化反馈给仪表系统，从而进行声光报警提醒用户检查故障和补充冷却液。

膨胀水壶压力盖是一个具有正压开启和负压开启分别进行的零部件，为冷却系统密封、最大系统内压设定、冷机时冷却系统压力平衡提供保障。

2、膨胀水壶装置的设计

2.1 一般原则

一般来说，当冷却系采用低位密封式散热器时，必须增设高位膨胀水壶装置，它的主要功能是给冷却液提供一个膨胀空间，及时去除冷却液中积滞的空气以及发动机高温下产生的水汽，以便更有效地利用散热器的散热功能，提高冷却效率。

为了保证除气系统防气蚀压力，应将膨胀水壶安装在冷却系统最高处，一般高出水泵进水口 600mm，膨胀水壶的底面至少应高出发动机水道顶部或散热器上水室顶部100毫米。

发动机及散热器通气管应连续上行，不能下垂和有下弯段，不允许与其它水管T 形连接。发动机与散热器间的进出水管直径应大于发动机上的相应接口的直径。

膨胀水壶一般应设置最高液面和最低液面标志，最高液面的上方应有不小于规定的膨胀容积，该容积内不可以加注冷却液；最低液面与最高液面之间的容积应不小于规定的储备容积；膨胀水壶还应设置最低液面的液位传感器，以便提醒驾驶员及时添加冷却液。

2.2 系统总容积Vs确定

系统总容积是散热器、发动机等总成件的容积和各种相关管路容积之和。如果有水空中冷器、暖风装置、液力缓速器冷却装置和自动变速箱冷却装置等总成零部件的容积也应计算在系统总容积内。所以系统总容积影响因素较多，取决于系统布置、管路布置和管路内径大小等。

如将冷却系统中管道和各零部件内的总水量设为Vs，则有：

式中：

Ve——发动机水套容积，可通过发动机供应商提供或者测量得出；

Vr——散热器水容积，通过散热器供应商提供或者测量得出；

Vp——各种连接管路容积之和，可通过各管路直径和设计长度计算得出；

Vh——膨胀水壶最高水位时容积，如图2所示，为残留容积V1与储备容积V2之和，即Vh=V1+V2；

Vo——其他总成零部件（如水空中冷器、暖风装置、液力缓速器冷却装置和自动变速箱冷却装置等）容积之和，可通过各零部件供应商提供或者测量得出。

2.3 膨胀水壶容积Vt确定

膨胀水壶的容积Vt应为残留容积V1、储备容积V2与膨胀量△V三者之和，考虑到冷却系统容积计算的误差和其他通用性因素，可以在△V适当增加储备系数β，该系数如过大则造成材料浪费，重量和成本增加，可根据系统总容积大小选择β=1.2~1.5。则有

2.3.1 残留容积V1

必备的残留容积 V1是为了安全起见，防止冷却液在循环中吸入空气而设置的，考虑到车辆上下坡等致使膨胀水壶倾斜的各种情况，一般要求冷却液的最低液面至膨胀水壶的底面距离不小于 35 mm，所以必备的残留容积应不小于 35 mm×膨胀水壶底平面面积。

2.3.2 储备容积V2

储备容积 V2是为了确保冷却系由于微量不能觉察的泄漏和冷却液蒸发后仍能保持冷却系统内正常的水压，而能及时补充冷却液，延长补液周期，当冷却液泄漏空气开始进入冷却系统时的泄漏水量。储备容积必须至少比初次未加注水量要多总容积的1%，即应是总容积的11%，有暖风机时应达20%。

2.3.3 膨胀容积△V

下面以冷却水作为冷却介质为例进行说明，冷却系统水温从T1升高到T2时，体积从Vs变为Vs+ △V，水的密度由ρ1变为ρ2，由于系统内水的质量在运行过程中保持不变：

式中：

Vs为系统内的水容量（系统充水时的容积），单位L；

ρ1为水在温度T1时的密度，单位kg/L；

ρ2为水在温度T2时的密度，单位kg/L；

△V为水温由T1升高到T2时，系统中水的膨胀量，单位L。

系统的水温T1、T2的设定，水的密度在4℃的时候最大，故将4℃定为T1，则ρ1为1kg/L。理论上应将发动机允许最高出水温度定为T2，但是考虑到该发动机最高出水温度由发动机设计时确定，对于当前国内大部分重型汽车用发动机而言该温度为 99℃~108℃不等，由于水膨胀率变化最大时为100℃，此处取T2为100℃。则有：

2.3.4 膨胀水壶容积Vt计算

由于上文设定ρ1为1kg/L，可将Vt计算转化为下式：

如更换冷却介质，只需将冷却介质的密度代入即可获得相应的膨胀水壶容积。

2.4 膨胀水壶结构设计注意事项

2.4.1 膨胀水壶加注口

膨胀水壶加注口结构尺寸一般按照标准 JB/T 2292[3]中规定进行设计，不但可以快速方便的匹配到合适的压力盖，而且可以快速设计选择冷却液真空加注设备的枪口。

2.4.2 膨胀水壶出液口

膨胀水壶出液口直径需根据发动机水泵流量和加注时间的要求进行设计，以便散热器和发动机水道连续除气和连续补水。

当发动机水泵流量小于757L/min时，膨胀水壶出液口直径要求不小于19mm。

当发动机水泵流量大于757L/min时，膨胀水壶出液口直径要求在25~38mm之间。

2.4.3 膨胀水壶除气接口

考虑到冷却系统除气需求，散热器和发动机上一般分别设置除气口，膨胀水壶上的除气口个数需与其对应。 膨胀水壶除气口一般根据发动机功率大小进行设计，外径为8~12mm。除气口方向不宜垂直吹向液面（图2所示），建议尽可能远离液面并且水平设置，如图3所示。

2.4.4 膨胀水壶压力盖

膨胀水壶压力盖可提高系统内压力，从而提高冷却介质沸点[4]，扩大冷却介质与周围环境温差以提高冷却性能，相对地减小了散热器的尺寸。系统通过其密封减少了冷却介质的外溢和蒸汽损失。常规的膨胀水壶压力盖按照 JB/T 2292进行设计，但由于近年来发动机及整车需求不断增加，市场上已有压力在1.0bar以上的膨胀水壶压力盖，使车辆在高原等地区的适应能力更好。

2.5 膨胀水壶制造工艺和材料选择

一般来说，重型汽车使用膨胀水壶根据布置安装方式和承重设计不同，塑料膨胀水壶可以选择的生产加工工艺有注塑和吹塑两种，部分铁制膨胀水壶采用钢板冲压焊接而成。

膨胀水壶材料根据制造工艺和设计强度进行选择。注塑工艺选择的材料常见的有聚丙烯（PP），玻璃纤维增强聚丙烯（PP+GF），玻璃纤维增强聚酰胺（PA+GF）等，注塑的优点是能成型形状复杂的膨胀水壶，生产速度快、效率高，操作可自动化，特别适合大量生产；吹塑工艺选择的材料有高密度聚乙烯HDPE，一般用来生产一些结构比较简单的膨胀水壶。

2.6加注

第一次加注冷却液时，应同时将散热器下部和发动机水套下部的放水开关打开，直到有冷却液溢出时再关闭，以便消除残留空气，顺利地将冷却液加满。一次加满率大于等于总容积的90 %。发动机起动后25分钟内应除尽初次加注时积存在冷却系中的空气。使用真空加注设备加注效果会更好[5]。

3、总结

本文针对重型汽车冷却系统中膨胀水壶的作用和影响进行了较为详细的说明，从设计角度对膨胀水壶容积确定、最高水位和最低水位设置等方面内容进行分析探讨，并对膨胀水壶的设计原则进行了总结。文中虽然仅对重型卡车膨胀水壶设计进行了阐述，但对于轻、中型卡车、轻型客车等膨胀水壶设计开发也具有一定的参考意义。

[1] 孙婧.汽车冷却系统的气蚀及影响因素[J].汽车工艺与材料.2012. (7)：42-44.

[2] 陈家瑞.汽车构造[M].第五版.人民交通出版社，2006:232-235.

[3] JB 2292-78 汽车、拖拉机用散热器进水口、出水口、加水口及盖.

[4] 何文军.重型商用汽车冷却系统副水箱的设计[J].科技风.2011.(3): 31-31.

[5] 李建和.液体抽真空加注设备在汽车行业的应用[J]. 汽车制造业. 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

刘鸿志，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。