城市客車冷卻系統(tǒng)膨脹水箱的參數(shù)設(shè)計

田志野，張彤陽

（一汽客車有限公司，長春 130000）

城市客車冷卻系統(tǒng)膨脹水箱的參數(shù)設(shè)計

田志野，張彤陽

（一汽客車有限公司，長春 130000）

對一城市客車冷卻系統(tǒng)膨脹水箱容積進行試驗和改進，提出城市客車冷卻系統(tǒng)膨脹水箱設(shè)計的要求，為整車開發(fā)中膨脹水箱的設(shè)計參數(shù)提供計算方法。

城市客車；冷卻系統(tǒng)；膨脹水箱；參數(shù)設(shè)計

客車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)基本采用水冷形式，冷卻系統(tǒng)既要防止發(fā)動機過熱，也要防止冬季發(fā)動機過冷[1-2]。冷卻液在發(fā)動機冷卻回路流動，隨溫度升高體積膨脹，為吸收這部分膨脹體積而設(shè)置了膨脹水箱[3]。對于國內(nèi)客車主機廠，現(xiàn)有的膨脹水箱設(shè)計只是對膨脹容積的下限值進行校核，并沒有對膨脹水箱的其他設(shè)計參數(shù)進行量化。本文以多數(shù)客車主機廠采用的圓柱形膨脹水箱作為研究對象，基于理論計算與試驗數(shù)據(jù)，對膨脹水箱的設(shè)計參數(shù)進行計算。

1 膨脹水箱的功能及設(shè)計要求

1.1 膨脹水箱的功能

膨脹水箱由膨脹水箱箱體、壓力蓋、除氣管接口、液位觀察窗、低液位報警器等部分組成，如圖1所示。其功能是：實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的冷卻液加注，排出加注過程中系統(tǒng)內(nèi)殘留的空氣并保持水泵泵送能力以維持系統(tǒng)內(nèi)充足的冷卻液流量；提供冷卻液膨脹空間，膨脹空間是指在封閉的冷態(tài)的冷卻系統(tǒng)里，膨脹水箱在允許加注的最大系統(tǒng)容積以上的空間，是高于“冷態(tài)滿”的全部容積量；提供冷卻液儲備容積以允許保養(yǎng)間隔之間出現(xiàn)一些冷卻液損失。

圖1 膨脹水箱構(gòu)成圖

1.2 膨脹水箱的設(shè)計要求

設(shè)計膨脹水箱需要計算的設(shè)計指標包括：膨脹空間、報警液位、抗進氣液位、抗進氣容積和冷態(tài)滿液位?？惯M氣液位是指為了防止冷卻液在循環(huán)中卷入空氣，冷卻液的最低液位。抗進氣容積是指抗進氣液位與冷態(tài)滿液位之間的容積。具體設(shè)計要求如下：

膨脹水箱的膨脹空間必須大于冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的6%，并且要小于冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的12%。這是由于加注定量的冷卻液后，冷卻液的質(zhì)量恒定，隨著發(fā)動機啟動后，冷卻液的溫度會升高，冷卻液的體積大約會增大原體積的6%，設(shè)計膨脹水箱的膨脹空間至少是冷卻系統(tǒng)容積的6%[4]。另外，當發(fā)動機工作于高溫環(huán)境時，需要確保冷卻系統(tǒng)熱起來時能建立足夠的系統(tǒng)壓力，以維持水泵進口處有足夠高的冷卻液壓力，使冷卻系統(tǒng)具有足夠的壓力來防止冷卻液沸騰和水泵穴蝕[5-6]。為實現(xiàn)水泵進口為正壓，第一，通常將水泵的進口位置設(shè)計為冷卻系統(tǒng)的最低點，將膨脹水箱安裝在冷卻系統(tǒng)的最高處，一般膨脹水箱底部要高出水泵進水口600 mm[7]；第二，要保證冷卻系統(tǒng)的膨脹空間在一定范圍內(nèi)，因為膨脹空間過大將限制系統(tǒng)在發(fā)動機工作溫度范圍內(nèi)建立壓力的能力[8-9]，通常高于“冷態(tài)滿”的全部容積必須限制在系統(tǒng)容積的12%以內(nèi)，以確保在冷卻液的正常工作溫度范圍內(nèi)達到需要的壓力。

冷卻液位傳感器必須在液位降低到能產(chǎn)生系統(tǒng)總?cè)莘e16%的膨脹空間之前觸發(fā)最嚴重低液位報警，同時最嚴重低液位傳感器必須在抗進氣液位之前被觸發(fā)報警。即報警液位高度要高于抗進氣液位。

以上這些要求適用于所有客車。

計算過程：首先，根據(jù)設(shè)計車型冷卻系統(tǒng)的總?cè)莘e估算出膨脹水箱所需要的容積，然后計算膨脹空間并判定是否符合設(shè)計要求。其次，根據(jù)膨脹空間的容積確定出膨脹水箱的冷態(tài)滿液位高度，然后再計算抗進氣容積，確定抗進氣液位高度。最后，計算出最低液位的報警水位，選擇合適的液位警報開關(guān)，即最低加注容積的液位高度。

2 樣車冷卻系統(tǒng)試驗

對一9.3 m城市客車采集冷卻系統(tǒng)數(shù)據(jù)，檢驗冷卻系統(tǒng)設(shè)計是否符合要求。采集的試驗數(shù)據(jù)包括冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e、膨脹容積、抗進氣容積和報警液位等。

2.1 試驗步驟

1）排空冷卻系統(tǒng)中所加注的冷卻液。為保證所有冷卻液被全部放出，需要將所有放水堵頭拆下，使系統(tǒng)中所有可能殘留的冷卻液被排凈。

2）在冷卻系統(tǒng)中安裝兩組玻璃觀察管，用于觀察冷卻系統(tǒng)的除氣效果。其中一組玻璃觀察管安裝在發(fā)動機的附件回路，此試驗車安裝在暖風(fēng)系統(tǒng)回發(fā)動機的回水側(cè)，另一組玻璃觀察管安裝在膨脹水箱的補水管中，如圖2所示。加裝的玻璃觀察管不能改變原有冷卻系統(tǒng)的主管路走向。

3）使用數(shù)顯流量計加注冷卻液。此次試驗采用GPI渦輪流量計，通過設(shè)定流量計數(shù)值，對冷卻系統(tǒng)進行定速加注，推薦使用19 L/min的加注速率。同時通過流量計自動記錄加注量，加注的冷卻液到膨脹水箱的冷態(tài)滿位置時停止加注。

圖2 玻璃觀察管安裝示意簡圖

4）啟動發(fā)動機，通過玻璃觀察管觀察冷卻系統(tǒng)的除氣效果，記錄除氣時間。使用強光手電照射玻璃觀察管，當玻璃觀察管中無氣泡并且成透明狀態(tài)后即判定為除氣結(jié)束。除氣結(jié)束后膨脹水箱的液位會有所下降，此時保持發(fā)動機處于啟動狀態(tài)，使用量杯將膨脹水箱的冷卻液位補加到冷態(tài)滿液位，記錄補加的冷卻液量。

5）擰開低液位放水閥，以不超過3.8 L/min的流速開始把冷卻液排入量筒中，同時觀察補水管上的玻璃觀察管。如果玻璃觀察管中出現(xiàn)持續(xù)的氣泡流，停止放出冷卻液。記錄排出的冷卻液量，此冷卻液量即為抗進氣容積。

6）繼續(xù)將冷卻液放到量筒中，同時觀察儀表，當儀表上顯示低水位報警時停止放冷卻液，記錄排出的冷卻液量。

7）向冷卻系統(tǒng)繼續(xù)補加冷卻液，當冷卻液從加注口溢出時停止加注，記錄補加的水量。

測試此城市客車的冷卻系統(tǒng)的總?cè)莘e為34.7 L，膨脹容積為5.1 L，抗進氣容積為7.32 L。在抗進氣刻線以下再放水約2 L后，儀表上顯示低水位報警，測得報警容積為1.7 L。

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

此款樣車采用的膨脹水箱長度為520 mm，有效半徑為96 mm，計算得膨脹水箱內(nèi)報警液位高度為23.8 mm。膨脹水箱的滿液位儲液容積為9.9 L，計算得膨脹水箱內(nèi)滿液位高度為120 mm。根據(jù)測得的膨脹空間為5.1 L，可以計算出此車的膨脹空間占冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的14.7%，大于冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的12%，所以被測車輛的膨脹容積不符合設(shè)計要求。另外，根據(jù)測得的抗進氣容積為7.32 L，可以計算出膨脹水箱的抗進氣液位以下的容積為2.9 L，此值大于報警容積，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)液位降低到抗進氣液位之后，空氣已被裹入冷卻系統(tǒng)中，冷卻系統(tǒng)才可能發(fā)出報警，報警液位高度設(shè)定過低。

所以，根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)，需要對此車的冷卻系統(tǒng)膨脹水箱的膨脹容積和報警液位高度進行重新設(shè)計。

3 膨脹水箱結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計及驗證

設(shè)定膨脹水箱的最大儲液容積V1、散熱器水套容積V2、發(fā)動機水套容積V3、冷卻連接管容積V4、暖風(fēng)系統(tǒng)水容積V5，則冷卻系統(tǒng)總?cè)莘eV=V1+V2+V3+V4+V5。

首先計算膨脹水箱的總?cè)莘eV0，單位為L。

式中：r為膨脹水箱的有效半徑，mm；L為膨脹水箱的有效長度，mm。

然后計算膨脹水箱的最大儲液容積V1，單位為L。

式中：h1為膨脹水箱冷態(tài)滿的液位高度，mm。

計算膨脹水箱的膨脹空間V00，單位為L。

根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)對膨脹水箱重新匹配設(shè)計。膨脹水箱的膨脹空間應(yīng)為冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的6%～12%。所以，選取膨脹水箱的膨脹空間為冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的10%作為設(shè)計目標。根據(jù)式（1）、式（2）和式（3），則

重新設(shè)計后的膨脹水箱尺寸為：長度L為420 mm，半徑r為96 mm（目的是為保證安裝尺寸的一致性），滿液位的高度h1為130 mm。根據(jù)式（1）計算更改后的膨脹水箱的總?cè)莘eV0為12.15 L，根據(jù)式（3）計算膨脹水箱的膨脹空間V00為3.4 L，系統(tǒng)總?cè)莘eV為33.24 L。膨脹空間占系統(tǒng)總?cè)莘e的10.22%。滿足限值6%～12%的要求，膨脹空間符合要求。計算液位傳感器報警容積的極限值，根據(jù)經(jīng)驗一般要求報警容積大于16%并且小于28%系統(tǒng)總?cè)莘e，即膨脹水箱的最小報警容積和最大報警容積的計算如下：

原膨脹水箱的抗進氣液位以下的容積為2.9 L，膨脹水箱結(jié)構(gòu)重新設(shè)計后，此容積會發(fā)生變化，在沒有進行實車測試前可以取5%系統(tǒng)總?cè)莘e對此值進行估算，即為1.66 L。為保證膨脹水箱的通用性，以及液位警報傳感器的加工限制，新膨脹水箱的報警容積設(shè)定為3.78 L，根據(jù)式（2）得報警液位高度為67 mm。

按第2部分試驗步驟，對改進后的冷卻系統(tǒng)進行再次試驗，采集試驗數(shù)據(jù)，驗證膨脹水箱結(jié)構(gòu)改進的效果。

經(jīng)過試驗測量，優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e為33.4 L，膨脹容積為3.5 L，滿足膨脹容積占系統(tǒng)總?cè)莘e6%～12%的要求。測得報警容積為3.9 L，測得的抗進氣容積為7.76 L，計算得對應(yīng)膨脹水箱的抗進氣液位以下的容積為2.9 L，此值小于報警容積，即冷卻系統(tǒng)液位降低到抗進氣液位之前冷卻系統(tǒng)報警，報警液位高度滿足設(shè)計目標。

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了客車冷卻系統(tǒng)膨脹水箱設(shè)計的步驟和相關(guān)要求，并通過對一9.3 m客車進行的實車試驗，進一步驗證了本文給出的膨脹水箱設(shè)計步驟及要求能夠滿足整車對膨脹水箱結(jié)構(gòu)及功能的要求，也為膨脹水箱及冷卻系統(tǒng)的開發(fā)提供了借鑒。

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Parameter Design on Expansion Tank for City Bus Cooling System

Tian Zhiye，ZhangTongyang
（FAWBus Co.,Ltd,Changchun 130000,China）

Through the test and improvement of the expansion tank volume for a city bus cooling system,the authors present the general requirements ofexpansion tank design for citybus coolingsystem,and provide a method for calculatingthe design parameters ofan expansion tank duringthe process ofdevelopingwhole vehicle.

citybus;coolingsystem;expansion tank;parameter design

U463.138

B

1006-3331（2017）06-0036-03

田志野（1981-），男，碩士；工程師；主要研究方向為汽車底盤設(shè)計。

修改稿日期：2017-07-11