某汽油皮卡车型膨胀箱系统和溢流箱系统研究分析

王泓，朱金华，杨晓荣，聂晓龙，王强

(江铃汽车股份有限公司,江西南昌 330000)

0 引言

当前车辆冷却水循环回路主要有膨胀系统和溢流系统，市场上日韩车系主要采用溢流箱系统，欧美车系主要采用膨胀箱系统。膨胀箱系统的压力盖在副水箱上，而溢流箱系统的压力盖在冷却系统的回路中的某个零部件上，如散热器、发动机上缸体、发动机节温器、水管等零部件上。

针对膨胀箱系统和溢流箱系统差异，在设计上主要区别是副水箱的设计以及水循环回路的设计[1-2]，通过实验的方法研究了对系统的流量及水泵入口和出口的压力分布。膨胀箱系统所提供的密闭系统，水泵的入口压力上升非常缓慢，而溢流箱系统则上升非常快[3-4]。膨胀箱和溢流箱在功能上的主要差异在于，膨胀副水箱时刻参与系统的除气及冷却液循环流动，而溢流副水箱不参与系统的循环，仅仅提供热态膨胀和冷态补水功能，且两种副水箱在整车上的布置位置也有差异[5-7]。

本文作者主要通过实验的方法研究了某款配备了2.0L排量汽油发动机皮卡车型膨胀箱系统和溢流箱系统在冷却液加注和排气、发动机水温温升、水泵入口处压力、以及整车极限工况下发动机进、出水温的对比。

1 膨胀箱及溢流箱系统回路差异

膨胀箱系统的压力盖在膨胀副水箱上，其冷却水路原理如图1所示。

图1 膨胀箱系统冷却回路原理

由图1可以看到，膨胀箱系统副水箱包含散热器通气管及发动机通气管，其主要作用是辅助冷却系统在加注及运行过程中实时将气体排到副水箱中，从而确保系统不会存在过多的气体而导致系统功能失效，如水泵气蚀、局部过热沸腾等；此外副水箱通过下水管与水泵入口连接，可调节水泵入口压力。

溢流箱系统压力盖通常安装在散热器水室上，其冷却水路原理图如图2所示。

图2 膨胀箱系统冷却回路原理

由图2可以看到，溢流箱系统发动机通气管与散热器水室箱连通，在系统运行过程中发动机气体和散热器气体会聚集在散热器上，当系统压力达到压力盖开启压力时(通常为110 kPa相对压力)，气体通过溢流箱连接管流到溢流箱中，溢流箱与大气直接连通，当冷车状态压力盖负压弹簧开启，溢流箱冷却液从溢流箱连接管流回散热器中。

2 膨胀箱及溢流箱系统回路冷却液加注及排气测试

实验设备：6L的量筒一个，防冻液，透明胶管，计时器，一辆冷却液排空的车辆。

实验步骤：将车辆散热器进水管、发动机通气管、散热器通气管换成透明胶管，如图3所示，将防冻液倒入量筒中，通过量筒向加注口加注并记录相关数据。

图3 冷却液加注排气实验车辆

加注完成后记录相关数据见表1。

表1 冷却液加注排气实验结果

由表1可看出，膨胀箱系统比溢流箱系统初次加注量更小，小循环排气时间更长(无散热器排气)，但大循环排气时间相同，且最终的加注量基本相同，即不论是膨胀箱系统还是溢流箱系统，均不会影响冷却液的最终加注量。

3 膨胀箱系统和溢流箱系统发动机水温温升对比

因膨胀箱系统副水箱参与冷却回路的水循环，整个回路的阻力会有影响，进而可能影响发动机的温升。为研究两种系统对发动机温升的影响，准备一辆2.0T汽油发动机车辆置环境仓内，将环境温度降低到10 ℃以下，启动车辆，怠速工况下将油门踩到发动机转速为3 000 r/min，直到整车大循环开启(节温器打开)，用英卡读取ECU中发动机的出水水温数据，采集数据结果如图4所示。

图4 膨胀箱系统与溢流箱系统的温升对比变化曲线

由图4可看出，在整个温升过程中，膨胀箱系统和溢流箱系统温升速率基本相同，在45 s前，溢流箱系统的水温比膨胀箱系统稍高，45 s以后两个系统的水温基本相当。说明无论是膨胀箱系统还是溢流箱系统，对发动机水温温升几乎无影响。

4 膨胀箱系统和溢流箱系统对水泵压力影响

在系统运行过程中，伴随发动机转速的差异，水泵入口处的压力时刻在发生变化，该压力除了和发动机转速相关外，还与冷却液的温度相关，通常用汽蚀余量(NPSH)代表水泵入口处的净吸入扬程，其计算公式为[1-4]：

(1)

式中：NPSH为汽蚀余量;

ps为副水箱压力盖处压力(Pa，绝对压力);

ρ为密度(kg/m3);

g为重力加速度(9.8 m/s2);

pvp为蒸发压力(Pa，绝对压力) ;

fhs为副水箱到水泵入口的压损。

针对膨胀箱系统，通过式(1)可知，水泵入口处的压力等于副水箱盖处的压力减去副水箱到水泵入口处的压力损失(如管路的压损)，而溢流箱系统副水箱与冷却系统回路通过压力盖隔断，水泵入口处压力受水泵转速和温度影响。 实验方法将准备好的车辆静置2 d或者发动机完全冷却，将压力传感器装到水泵入口水管处，启动车辆，踩油门加速，将发动机转速迅速上升约5 000 r/min，维持该转速大约100 s时长，然后怠速直到大循环开启，重复至少3次将发动机转速加速到5 000 r/min，持续时间约100 s，记录水泵入口处的压力值。膨胀箱系统和溢流箱系统的水泵入口处的压力值对比如图5所示。

图5 膨胀箱系统和溢流箱水泵入口处的压力值对比

由图5可以看出，膨胀箱系统在不同发动机转速下，水泵入口处的压力变化较小，且波动非常小，而溢流箱系统在几乎相同的发动机转速下，不仅水泵入口处的压力值较大，且压力波动非常大。

5 膨胀箱系统和溢流箱系统对整车水流量影响

如图1所示，膨胀箱系统因有散热器和副水箱的通气管路，且发动机通气管无论在整车水路处于大循环还是小循环均会有一部分冷却液流经副水箱，然后通过副水箱与发动机的连接管流回到水泵入水口，同样散热器通气管在大循环时也会有一部分冷却液流到副水箱，再通过副水箱与发动机的连接管流回到水泵入水口，因此不论是发动机通气管内径还是散热器通气管内径，都不能太大，否则会影响流经散热器的冷却液流量，从而影响散热器的散热[4]。如图2所示，溢流箱系统虽然有发动机通气管，但因发动机通气管直接与散热器连接，流经通气管的冷却只能通过散热器再流回水泵入口，且散热器无通气管，不会分流，对散热器散热几乎无影响。

为验证膨胀箱系统和溢流箱系统在整车签发工况对流量及散热性能的影响，按照整车试验规范在环境仓进行了热管理实验验证，此车型所验证的发动机通气管和散热器通气管内径均为5 mm，如图6所示。

图6 整车环境仓验证

实验结果见表2和表3。

表3 溢流箱系统整车热管理测试结果

从表2和表3实验结果中可以看出，在发动机高转速(3 000 r/min) 工况下，膨胀箱系统因散热器和发动机通气管分流影响，对发动机出水温度影响大概有2 ℃，随着发动机转速的降低，通气管的分流减小，膨胀箱系统和溢流箱系统对散热器的散热量影响较小。

6 结束语

通过实验对比分析，整车水路循环系统，膨胀箱系统和溢流箱系统在初始手工加注量上有区别，但是最终的排气和加注量基本相当，同时在发动机冷机温升表现上基本相当，两种系统基本无影响；在水泵入水口压力控制上，膨胀箱压力波动小，系统比较“柔和”，而溢流箱系统，水泵入口处压力波动非常大，同时系统压力上升非常快，在冷却系统设计时应当予以考虑；在发动机进水和出水温度的影响上，膨胀箱系统相对溢流箱发动机转速越高对发动机水温影响越大，主要原因是散热器和发动机的分流影响，可以通过控制通气管内径大小或者增加节流阀来降低膨胀箱系统的分流影响。