某车型高原膨胀水壶喷水问题分析及冷却性能优化

刘韶雷，马骁宇，刘聪聪，吴昌庆

（安徽江淮汽车股份有限公司商用车研究院，安徽 合肥 230601）

某车型高原膨胀水壶喷水问题分析及冷却性能优化

刘韶雷，马骁宇，刘聪聪，吴昌庆

（安徽江淮汽车股份有限公司商用车研究院，安徽 合肥 230601）

由于某车型在高原标定过程中冷却液从膨胀水壶的泄气孔处向外大量的喷冷却液，且连续多次发生，影响标定试验进展。为解决此问题，利用FTA故障树分析方法，成功找出由于冷却系统性能不足及膨胀水壶压力盖开启压力过小导致该问题发生。在提升冷却系统性能及压力盖开启压力后，成功的消除了喷水问题的发生。

标定；膨胀水壶；冷却系统；压力盖

CLC NO.:U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-91-06

引言

冷却系统作为整车发动机附配件的重要组成部分，其主要由散热器、电子风扇、膨胀水壶以及冷却管路等组成。冷却系统的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。冷却系统既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷。在发动机冷启动之后，冷却系统还要保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度[1]。

汽车冷却系统几乎全部采用闭式强制冷却系统，装有压力盖，它由控制最高压力的压力阀和系统内出现负压时开启的真空阀构成。采用这种结构可以减少冷却液和空气的接触，防止空气进入冷却系，影响散热能力。另外，压力阀使系统内的冷却液沸点升高，可降低穴蚀作用，提高工作温度，提高冷却系统能力；真空阀能避免冷却系统冷却时因冷却液冷却收缩使负压太大而损坏散热器、管路等[2]。

1、问题分析

1.1 问题情形

车辆在夏季高原标定中，行驶至海拔4000m以上时，停车打开引擎盖发现膨胀水壶泄气口处有大量冷却液喷出，如图1所示。且该问题多次反复发生，严重影响了车辆标定进展。

1.2 资料收集及原因分析

1.2.1 资料收集

（1）故障发生时，水温表指针指在中间位置；

该车型的水温表阻值如表1所示：

表1 水温表指针与水温对应表

（2）故障收集资料如表2所示：

表 2

注：海拔低于4000m时，无故障发生

（3）故障发生时，膨胀水壶内的冷却液翻滚且向外喷，冷却液已经沸腾，此时水温约105℃；

1.2.2 原因分析

（1）针对本问题，使用FTA故障树分析方法，如图2所示。

（2）可能原因排查

a．散热器性能不足

散热器为冷却系统的重要组成部件，其性能的好坏对冷却系统有着重大的影响。该车所采用的散热器的散热面积为13.63m2，能够满足平原地区的散热需要。

由于海拔升高，空气密度随之降低（海拔高度和空气密度对应关系如图5所示），相同条件下散热器的散热量也会发生变化，散热量计算公式[3]为：

其中：

Qw—散热器受中冷器和冷凝器共同影响时的散热量tw1—散热器进水温度（℃）

ta1—散热器前的温度，即环境温度（℃）

K—散热器的散热系数（热通过率，W/m2·℃）

A—散热器的散热面积（m2）

Ga—冷却空气流量（kg/h）

Va—冷却空气流速（m/s）

ρa—冷却空气密度（kg/m³）

Gw—冷却液流量（kg/h）

Cpa—冷却空气比热（W·h/（kg·℃）

Cpw—冷却液比热（W·h/（kg·℃）

在相同条件下，随着海拔升高，冷却空气密度逐渐降低，通过散热器的冷却空气流量 Ga也在减小，导致散热器的散热量Qw也随之降低，整车冷却系统性能变差，会导致发动机水温升高甚至开锅。为故障发生的主要原因。

b．风扇风量小

该车型匹配双电子风扇总成，其性能风量要求为，DC12V±0.1V，静压120Pa条件下，风量≥4500m³/h，能够通过平原地区整车热平衡试验。由于风扇采用有刷电机，且受限于空间布置，其扇叶不能再进行加大，若要提高风量，必须增大风扇的转速，这样会加速碳刷的磨损，降低电子风扇的使用寿命。因此不作为故障发生的主要因素。

c．气压低，冷却液沸点低

不同海拔压力下大气环境参数变化见表3所示：

表3 大气压力与海拔关系

海拔越高，相对应的冷却液的沸点越低，由于环境因素不可改变，需从冷却系统进行整改，故气压低为非主要因素。

d．压力盖开启压力小

对故障车膨胀水壶压力盖进行压力开启试验测试，结果如表4所示：

表4 压力盖开启压力测试

由以上可推测出在海拔4000m处时，整车冷却系统的压力以及冷却液的沸点（系统压力=压力盖开启压力+大气压力），具体见表5所示：

表5 海拔4000m处冷却液沸点

高原故障发生时冷却液温度约105℃（水温表指示值），此时冷却液已沸腾（发动机允许最高出水温度为110℃），可知冷却系统压力过小，压力盖开启压力不满足使用需求，为主要原因。

e．密封不严

在高原标定过程中，整车未发生漏水，说明系统密封较好，无泄露。不是喷水故障发生的原因。

f．冷却液加注过多

标定过程中，车辆在保养加注冷却液时，液面位于膨胀水壶最低与最高刻度线之间，加注量正常，不是喷水故障发生的原因。

1.2.3 主要原因

根据以上原因分析，可以知道影响该车型膨胀水壶喷水的主要原因为散热器性能不足，不能满足高原热平衡的性能和膨胀水壶压力盖开启压力过小。

2、整改措施

2.1 对整改方案进行理论分析

2.1.1 提升散热器性能

受限于整车布置，散热器的长和宽方向没有增大的空间，只能靠增加散热器的芯厚提升散热面积，达到提升性能的目的。将散热器的芯厚由27mm增大至32mm，相应的散热器的翅片规格由2.6mm×6.3mm（波距×波高）改为2.6mm× 7.5mm，散热面积由13.63m2增大至19m2。具体性能参数如表6所示：

表6 散热器试验数据

为了验证冷却系统性能是否能满足高原地区使用要求，下面对整个冷却系统进行理论计算。

（1）发动机需冷却系统散发的热量估算

该车型采用的热平衡工况为常规工况，即高速工况和爬坡工况，由于车辆仅在爬坡工况时发生喷水故障，故以下计算仅对爬坡时进行校核。

爬坡工况要求，坡度 8.7%，环境温度在 35℃时，发动机出水温度不超过110℃。

a.爬坡工况下发动机的转速ne

发动机转速与汽车行驶速度之间的关系[4]为：

其中：Ua—汽车行驶速度，46.8km/h；

n—发动机转速，rpm；

r—轮胎半径，0.336m；

ig—变速器传动比，该档位下为1.223；

i0—主减速比，4.33；

由以上计算得出：n=2753rpm

b. 发动机输出扭矩T计算

其中：Ft—汽车行驶阻力，为3854.5N

ηt—传动效率，取0.92

功率点附件损失效率估取0.12），可得ηa值为0.95

计算得T=2000.4N·m

c.发动机功率（Ne）计算（可参见文献4）

计算得Ne=57.78kW

d.散入冷却系统的热量Qw计算

根据内燃机热平衡原理，柴油机传入冷却系统的热量即为冷却系统应带走的热量 Qw。冷却系统散走的热量受许多复杂因素的影响很难计算，预估Qw时，可用下列经验公式计算：

其中：η—传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，柴油机η=0.18-0.25，此处取0.23

ge—内燃机燃料消耗率，0.23kg/kW.h

hu—燃料低热值，柴油机取41870kJ/kg

k—修正系数，当进气温度高于 38℃时，每升高

5.5℃，计算的向发动机冷却液的散热量应增加 1.5%，此车型进气温度约80℃，k取1.12

计算得Qw=47.82kJ。

（2）实际通过散热器的冷却液流量计算

表7 水泵试验数据

该车型，水泵速比为 1.4，爬坡工况下发动机转速为2753rpm，此时水泵转速为3855rpm。水泵在不同转速下的试验数据见表7所列。

假定发动机水套阻力=散热器水阻×8，该假定公式参考日本某公司发动机水阻计算方法（参考文献3），可计算出整个冷却系统的阻力值。散热器试验数据见表8所列：

表8 散热器水阻数据

由以上数据可推断出，水泵在不同转速下，实际通过散热器的冷却液流量，如图3所示，曲线交点即为该转速下对应的通过散热器的冷却液流量：

从图3中可以读取并绘制出水泵转速—通过散热器冷却液流量曲线，如图4所示：

当水泵转速为3855rpm时，可以从图4中读取出通过散热器的水流量为92L/min。

（3）通过散热器的风量计算

该车型散热器、冷凝器及中冷器布置位置如图5所示。假定散热器风阻为a，面积为b；中冷器风阻为c，面积为d；冷凝器面积为e，面积为f，则散热器受冷凝器和中冷器影响下的风阻可采用面积加权法进行估算，计算经验公式为：散热器、中冷器、冷凝器试验数据见表9所列

表9 系统风阻

当散热器的风阻等于风扇的静压时，散热器的散热量、风扇的吸风量才能满足发动机的需求。电子风扇最高转速下的试验数据见表10所列：

表10 电子风扇数据

根据以上数据，可以得出当电子风扇在最高转速下工作时通过散热器的风量，即曲线的交点，风量为1.18m³/s，如图6所示。

（4）散热器实际的散热量计算

由以上计算可知，爬坡工况时通过散热器的冷却液流量为92L/min，风量为1.18m³/s。散热器的性能数据如表6所示，可作出散热器在不同风速下的散热量—冷却液流量图，如图7所示。

由图7可以得出，当散热器冷却液流量为92L/min时，散热器的散热量与风量的关系图，如图8所示。

当通过散热器的风量为1.18m³/s时，此时，散热器的散热量为55.9kW，由图8可得。

（5）散热器的热通过率计算

散热器热通过率试验数据如表11所示：

表11 散热器热通过率

由表 11可作出不同水流量下的散热器热通过率与风量的关系图，如图9所示。从图9中可以得出当散热器的通风量为1.18m³/s时，可以得出不同水流量下的散热器热通过率，并绘制成曲线图，如图10所示。

由图10可以得出，当散热器水流量为92L/min，通过散热器风量为 1.18m³/s时，此时散热器的热通过率为 96.4kJ/m2·h·℃。

（6）发动机出水温度及液气温差计算

a．冷却液的当量，其计算公式如下：

计算结果见表12所示：

表12 冷却液当量

b．冷却空气的当量，其计算公式如下：

计算结果见表13所示：

表13 冷却空气当量

c．热传递系数，其计算公式如下：

注：ε―NTU是“Effective Number of Heat Transfer Unit”的缩写，它表示热交换机的“关于热传递大小”的无因次指标[5]。

通过计算得出ε=0.872

d．液气温差ΔT的计算

通过计算可得ΔT=72.9℃，环境温度为35℃，发动机出水温度为107.9；该车型发动机所要求的发动机最高出水温度为 110℃，爬坡工况的环境温度要求为 35℃，ΔT’基准液气温差为75℃。由ΔT＜ΔT’可知，该车型的冷却系统能够满足高原地区的使用要求。

2.1.2 增大膨胀水壶压力盖开启压力

该车型的压力盖正压开启压力设计值为（101±14.7）kPa，而该标定车的压力盖开启最大值才45.6kPa，远未达到设计要求。

要求厂家按照设计要求进行整改，此时在海拔4000m处冷却系统的压力范围见表14所示。

表14 海拔4000m处系统压力范围

现有某冷却液厂家提供的不同压力下，50%冷却液的沸点数据，如图11所示，可以得出当压力盖开启压力值为（101 ±14.7）kPa时，冷却液的沸点范围是117.6℃—123.6℃。能够满足整车高原环境的使用要求。

2.2 整改方案确认

通过理论分析计算后，确认提升散热器性能和增大膨胀水壶压力盖开启压力方案切实可行。

3、方案验证

将整改后的样件装配到该车型上，再次进行了夏季高原标定。车辆一直到海拔约4700m处时，发动机水温仍能够保持在正常的工作区间，且膨胀水壶泄气口处也未发生喷水故障。整车顺利完成高原标定任务。

4、结束语

针对某车型膨胀水壶高原喷水问题，本文通过FTA分析的方法找到问题发生的主要原因。并制定整改措施，通过冷却系统匹配计算，从理论上分析了优化后的水箱能够满足高原热平衡的使用要求；通过增大膨胀水壶压力盖的开启压力，保证了冷却液在高原地区的沸点能够满足整车的使用需求。成功解决车辆高原喷水问题。

另外本文对冷却系统匹配计算进行了适量优化，将发动机进气温度对冷却系统的影响进行量化；同时对整车系统风阻的估算进行了优化，采用面积加权方法进行估算，与老的经验假定公式相比：系统风阻=散热器风阻×3（参考文献3），提高了理论计算的准确性。

[1] 林秉华.最新汽车设计实用手册[M].哈尔滨：黑龙江人民出版社，2005:443—451.

[2] 《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册.设计篇[M].北京：人民交通出版社，2001:101—191.

[3] 武田信之.载货汽车设计[M].方泳龙译.北京：人民交通出版社，1997.

[4] 余志生.汽车理论[M].第5版.北京：机械工业出版社，2009.

[5] 德国BOSCH公司.BOSCH汽车工程手册[M].第2版.顾柏良译.北京：北京理工大学出版社，2004：465—470.

The analysis of coolant sprayed from the expansion kettle and improving the performance of the cooling system

Liu Shaolei, Ma Xiaoyu, Liu Congcong, Wu Changqing
(Commercial Vehicle Research Institute, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

When we calibrated the vehicle in the plateau,the coolant was sprayed from the mouth of the expansion kettle and occurred repeatedly.In order to solve this problem,we successfully find the reasons that the performance of the cooling system is insufficient and the pressure of the pressure cap is too low by using the method of FTA analysis.The problem is successfully solved after improve the performance of the cooling system and increase the open pressure of the pressure cap.

calibrate；expansion kettle；cooling system; pressure cap

U464

A

1671-7988(2015)05-91-06

刘韶雷，就职于安徽江淮汽车股份有限公司商用车研究院。