膨脹水箱容積計算及布置原則

王 磊（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

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膨脹水箱容積計算及布置原則

王 磊
（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

文章介紹了乘用車里膨脹水箱容積的工程計算方法與安裝位置須注意的問題。根據(jù)此設計原則已成功設計了兩輛乘用車的膨脹水箱。

膨脹水箱；容積；布置

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.066

CLC NO.: U467.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-204-02

前言

膨脹水箱是冷卻系統(tǒng)中重要的組成部分，在冷卻系中起很大作用，主要有三種作用：

（1）把冷卻系變成一個永久性的封閉系統(tǒng)，避免空氣不斷進入，減小對冷卻系內(nèi)部的氧化腐蝕。

（2）把冷卻系中的水汽分離，使壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而增大水泵的泵水量和減少水泵及水套內(nèi)部的氣穴腐蝕。

（3）避免冷卻液耗損，保持冷卻系內(nèi)的水位不變。

膨脹水箱的安裝位置一般都略高于散熱器水平面。膨脹水箱多用透明材料制成，這樣可以易于檢查液位。

膨脹水箱的工作原理如下：

在閉式冷卻系中，蒸汽混在水中無法分離，冷卻系中的空氣、蒸汽和水一起循環(huán)，使冷卻能力下降，水泵的泵水量降低，并造成冷卻系內(nèi)壓力不穩(wěn)定和冷卻水的不斷消耗。為此，在水套和散熱器的上部容易積存空氣和蒸汽的地方，用水管5、8與膨脹水箱相連，使空氣和蒸汽不再放出而引導到膨脹水箱內(nèi)與水分離。此時，蒸汽冷凝為水后又通過管9進入水泵的進水口，使水泵進水口處保持較高的水壓，增大了泵水量，同時減少了水泵的氣穴腐蝕。而積存在膨脹水箱液面以上的空氣在此也得到了冷卻，不再受熱膨脹，因而變成了冷卻系內(nèi)壓力上升的緩沖器和膨脹空間。當冷卻系統(tǒng)內(nèi)部壓力超過壓力蓋泄壓閥的開啟壓力時，泄壓閥開啟，散熱器內(nèi)的蒸汽通過閥門膨脹水箱的泄流槽，流出車外。當冷卻系統(tǒng)內(nèi)壓力降低至一定程度時，為了保證壓力穩(wěn)定，在內(nèi)外壓力差的作用下，壓力蓋的真空閥被壓開，外部空氣進入冷卻系統(tǒng)，這樣就會起到補充壓力的作用，使冷卻系統(tǒng)內(nèi)部壓力保持穩(wěn)定狀態(tài)。

1、膨脹水箱容積計算

膨脹水箱容積包括三個部分，MIN線以下的容積，MAX與MIN線之間的容積，膨脹容積。顧名思義，防凍液不能低于MIN線，不能高于MAX液位，膨脹容積就是用于蒸汽膨脹、冷卻的容積。由原理知道，膨脹水箱其中一個原理是增大水泵的進口的靜壓，防止發(fā)生氣穴腐蝕，所以MIN線的容積是保證任何情況下出水管需要有防凍液覆蓋，不能由氣體進入?？紤]到車在行進過程中膨脹水壺的晃動，工程上通常采用30°傾斜角作為極限情況（通常取前后兩個方向，見圖2），膨脹水箱的數(shù)模在30°傾斜角的情況下計算所有在出水管剛剛有水覆蓋時水的容積，其中最大的容積就是MIN線容積。

MAX與MIN線之間的容積選擇為一定運行里程防凍液的蒸發(fā)量，保證顧客在一定時間內(nèi)不需要加注，這個設置量根據(jù)整車廠的設計需求，工程上一般取250ml-300ml。

膨脹容積就是整個冷卻系統(tǒng)的冷卻液因溫度升高膨脹變大的容積。設總防凍液水量為Vs，系統(tǒng)水溫由t1升高到t2時，體積Vs變成(Vs+△V)，水的密度由ρ1變成ρ2，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可以寫出下式：

式中Vs——系統(tǒng)內(nèi)的水容量，L；

ρ1——水在溫度t1時的密度，kg/L，

ρ2——水在溫度t2時的密度，kg/L，

ΔV——水溫由t1升高到t2時，系統(tǒng)中防凍液的膨脹量，L用膨脹空間的容積V代表膨脹量△V，可以得到：

式中v2為水在溫度t2時的比體積，L/kg，見式中β為膨脹系數(shù)，無量綱。t1選擇天氣的平均溫度10℃，β即為對應不同溫度是的防凍液的膨脹系數(shù)。以1：1混合的乙二醇基防凍液為例，膨脹系數(shù)與溫度的對應關系見表1。

水箱系數(shù)在100℃時為0.054，考慮到一定的工程余量，一般取0.08，即8%。以一個總容積7.4L的冷卻系，膨脹水壺的膨脹空間的容積就是7.4*8%=0.592L，最后將算好的三個容積加起來就得到了膨脹水壺的最終容積。

表1　防凍液膨脹系數(shù)

2、膨脹水箱安裝布置的注意事項

1）膨脹水箱包括進氣管和出水管，進氣管通常有兩個，分別通過膠管與散熱器最上端排氣口、發(fā)動機排空氣口相連，保證發(fā)動機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的防凍液蒸汽和冷卻系中原本帶有的空氣進入到膨脹水箱上方，使氣液分離，從而去除水路中的氣體，消除冷卻液的氣阻。

2）冷卻系的最低壓力出現(xiàn)在水泵葉輪進口處，膨脹水箱回水管需高于水泵，通過膠管與水泵進水端相連，以降低或消除水泵進口處的真空度，減少水泵被氣蝕的危險。

3）膨脹水箱中最低液位面須保證高于整個冷卻系的最高點，和前文提到的任意方向傾斜30°后液位仍然需高于出水管兩者取較高的面。一般來說冷卻系統(tǒng)最高點是水箱最高點或發(fā)動機的水套排氣管的位置，需進行比較，這樣根據(jù)U型管原理，可以保證整個冷卻系不出現(xiàn)缺水的問題。

4）為了節(jié)省防凍液的容積，膨脹水箱出水管盡量從水壺底部中心位置伸出。膨脹水箱壓力壺蓋高度需要滿足最新行人保護要求。

3、結束語

膨脹水箱是對于穩(wěn)定整個冷卻系統(tǒng)的壓力，維持流動的穩(wěn)定性都起很重要的作用，容積的計算與布置方式往往決定膨脹水箱作用的發(fā)揮，是需要設計工程師特別注意的。

Calculating method of expansion tank and layout principle

Wang Lei
(SAIC MOTOR Technical Center,Shanghai 201804)

This paper introduces engineering calculating method of expansion tank and the layout principle,based on these methods,two expansion tanks have been designed for passenger vehicle.

Expansion tank; Volume; layout

U467.4

A

1671-7988（2016）08-204-02

王磊（1982-），男，中級工程師，上海汽車集團股份有限公司技術中心。