作者：郭威 杨建波
来源：《时代汽车》 2017年第19期
郭威1 杨建波2
1 东研科技发展有限公司 湖北省武汉市 430056 2 康明斯（中国）投资有限公司 湖北省武汉市 430040
摘要：通过对商用车发动机冷却系统的加注除气性能进行分析，介绍了影响商用车发动机加注除气性能的主要因素，采用搭载整车的方式进行除气性能试验，以验证副水箱结构、位置以及整个除气管路的布置形式对发动机除气性能的影响，从而进行合理优化，避免发动机因除气性能下降导致车辆出现水温过高、冷却水循环不畅等问题，对商用车冷却系统设计与匹配具有较强的指导意义。
关键词：商用车：加注除气性能；冷却系统
作者简介
郭威（1987-），男，工程师，从事商用车、纯电动汽车开发。
随着汽车保有量的迅速增加以及车速的不断提高，汽车的安全性得到了人们的广泛关注，特别是主动安全性已经成为科研人员研究的重点。汽车的冷却系统是影响汽车安全行驶的重要部分。车辆在实际使用过程中，冷却系统内不可避免的会或多或少的存在一定量的气体。如果发动机冷却系统的除气性能欠佳，当发动机启动后，无法迅速除去冷却系统中的空气，造成空气对发动机水泵、水套、水箱的腐蚀，严重时会引起泵水损失导致活塞卡死，影响发动机和水箱的使用寿命。冷却系统的除气性能欠佳，还会降低冷却水的热交换能力，从而降低冷却系统的散热能力。本文着重从副水箱的结构、布置位置以及整个除气管路的布置形式方面人手，对发动机的除气性能进行分析，通过除气试验进行验证，将冷却系统进行合理优化，避免发动机因除气性能下降导致车辆出现水温过高、冷却水循环不畅等问题，对商用车冷却系统设计与匹配有着十分重要的意义。
1 副水箱对发动机除气性能的影响
当冷却系统采用低位密封式散热器时，必须增设高位膨胀睡醒，即副水箱。其主要作用是给冷却系统提供一个膨胀空间，及时去除冷却液中的空气以及发动机高温下产生的水蒸气，以便有效地利用散热器的散热功能，提高冷却系统的散热效率。本文以某平板运输车为研究对象。该车装配白塑料水箱。副水箱对发动机除气性能的影响主要体现在以下几个方面：
1.1 副水箱的结构设计
副水箱在整体设计时，首先要确定副水箱容积划分。目前国内许多大型发动机厂以及整车厂对副水箱的容积设定有着严格的标准和原则。在冷却水冷态时，副水箱的上刻线以上的膨胀空间至少为冷却系统容积的6%~12%，副水箱的储备容积至少为总容积的5%，副水箱外观设计成瘦高型，避免液体波动对容积产生较大影响。例如扁平状副水箱，即使预留了储备容积，但是相同容积下液面高度小，液面波动时会导致液面低于加注口截面最高位置，使气体通过加注口进入发动机。副水箱的储备容积比冷却系统加注过程中残留的空气或补水容积大（至少系统总容积的1%），各容积部分如图l所示。
发动机冷态时，设定副水箱体积为V0，水箱的膨胀空间为Vp，此时冷却水的体积为V，水温为T，冷却水密度为p。当发动机运行一段时间后，冷却水受热膨胀，体积为V．，水温为T，水箱的膨胀空间为VP，冷却水密度为p10将发动机前后两个状态进行对比，由质量守恒定律可得公式1：
p×V=P1×V1
冷却水受热膨胀后的体积V1可表示为公式2：
V1，= V+△V
式中，△V表示冷却水相比冷态时膨胀的体积。
带入公式1中，可得：
p×V=pl(V+△V)
△v=(pV／PI)-v
发动机冷态时，设定水箱的膨胀空间为：
vI,= Vo -V
发动机运行一段时间后，水箱初始的膨胀空间会由于冷却水的膨胀而减小：
VPI=VP△V=Vo-( pVlpl)
由公式中可以看出，当发动机运行一段时间，冷却水膨胀后，膨胀空间的大小直接取决于副水箱冷态满的位置以及选定成分冷却液不同温度下密度的比值。普通商用车使用的冷却水均为乙二醇型冷却液。
乙二醇型冷却液浓度、温度与密度的关系如表1所示。
下表中X坐标表示温度(℃)，Y坐标表示乙二醇溶液体积浓度(%)，Z坐标表示乙二醇溶液密度( kg/m3)。
副水箱设计时，如果上刻线MAX上方距离顶部的膨胀空间过小，那么在发动机运行一段时间后，由于冷却水膨胀，水箱的初始膨胀空间减小，此时lim△v～VP，可推导出limV pi≈O，在这种情况下极易发生冷却水溢出副水箱的现象。
乙二醇型冷却液沸点与浓度的关系如表2所示。
商用车发动机一般选用乙二醇浓度为50%的冷却水，沸点为107.2℃，冰点为-33.80℃。商用车所匹配的副水箱压力盖一般选取0.5～1.1 bar，压力与沸点的关系如下：
lgP=A+BIT
式中，P为液体表面的压力；A，B为常数；T为溶液沸腾时的热力学温度。从上式中可以看出，液面上方的压力和液体沸点呈正比例关系。按照常用副水箱压力盖与冷却水沸点的对应关系，压力P在满足0.5—1.1 bar时，冷却水沸点能达到107.2℃。
如果上刻线MAX上方距离顶部的膨胀空间过大，发动机运行一段时间后，冷却水膨胀，但此时液面上方空间较大，压力盖将失去应有的增压作用，冷却液上方的压力可能接近甚至小于一个大气压，则冷却水的沸点降低。在这种情况下，即使整车仪表上温度没有报警，但实际上冷却水可能会沸腾并产生大量气泡，如果用户没有按照规定加冷却液，沸点可能降低到节温器全开温度以下，严重影响发动机的性能和使用寿命。
1.2副水箱容量的选取
冷却系统加注不畅会导致冷却水不能正常满足发动机小循环及节温器开启后大循环的需求，还会造成冷却系统管路内气体和水流不均匀。发动机运行时，冷却系统管路内容易出现气体与冷却水之间相互阻塞，导致管路内压力增大，造成发动机水温上升过快或过高，影响整车性能。在整个冷却系统布置中，副水箱的选取直接关系到除气和加注性的好坏。
在进行冷却水加注时，加注速率设为Vt(L／min)，副水箱出水口中心位置距加满状态冷却水最高液面处高度为h，副水箱出水口中心位置处压强为P，副水箱出水口中心位置处流速为V，冷却水密度为p，由伯努利方程，可得：汽车散热器
发布评论