李沙龍，高帥

（法士特汽車傳動研究院智能傳動研究所，陜西 西安 710077）

前言

節(jié)溫器是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中受冷卻液溫度控制的閥門，是一種調(diào)溫裝置，一般布置在與散熱器串聯(lián)的管路中，調(diào)整流經(jīng)散熱器的冷卻液流量。目前在車用發(fā)動機上使用的節(jié)溫器主要為石蠟式節(jié)溫器、電子節(jié)溫器以及氣動節(jié)溫器。本文將介紹比較三種節(jié)溫器并對包含緩速器的冷卻水路選用合適的節(jié)溫器做進一步論述。

1 三種節(jié)溫器種類

1.1 石蠟機械式節(jié)溫器

其工作原理是：節(jié)溫器芯子為石蠟填充，石蠟的體積受溫度控制，冷卻液溫度低時，石蠟呈固態(tài)，旁通閥關閉，冷卻液走發(fā)動機內(nèi)部小循環(huán)，反之，石蠟體積膨脹，旁通閥打開，冷卻液走散熱水箱大循環(huán)。其結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。節(jié)溫器閥門開啟升程特性如圖2所示。S的左側(cè)是固體石蠟膨脹階段特性，L是液體石蠟膨脹階段特性，S—L是從固相到液相急劇的體積膨脹階段，當達到節(jié)溫器開啟的溫度，閥門就用熱升程來控制冷卻液的溫度。節(jié)溫器閥門達到最大升程時通常設定為 8—12 mm。節(jié)溫器的全開溫度通常比開啟溫度高8—12 ℃。

圖1

圖2

這種節(jié)溫器的優(yōu)點是成本低，易于制造加工，工藝成熟，可靠性高，是目前市場上最常見的節(jié)溫器形式。他的缺點在于不能精確控制開啟閉合溫度，響應時間長，關閉節(jié)溫器時有“卡滯”現(xiàn)象。

1.2 電子節(jié)溫器

電子節(jié)溫器本質(zhì)上同傳統(tǒng)石蠟節(jié)溫器一樣，電子節(jié)溫器可以通過給電信號加熱嵌在石蠟中的電熱絲，來實現(xiàn)更快的開啟或閉合相應，同時不受冷卻液溫度變化速率影響，可以有更大的溫度調(diào)節(jié)范圍。EMS通過PWM脈寬調(diào)制信號，驅(qū)動加熱電阻，加熱程度由脈寬和時間決定。同傳統(tǒng)機械式節(jié)溫器比較，電子節(jié)溫器具有更快的響應速度和更寬的工作溫度范圍，如圖3所示，圖4是一種雙芯子電子節(jié)溫器。

圖3

圖4

這種節(jié)溫器的優(yōu)點在于響應快，溫度控制范圍廣，可實現(xiàn)與某一部件的聯(lián)動開啟；缺點在于制造成本高，可靠性差，維修困難，現(xiàn)階段不利于大范圍推廣。

1.3 氣動節(jié)溫器

這種氣動節(jié)溫器包括感溫驅(qū)動機構(gòu)、感溫液、閥門機構(gòu)、閥座、托架等部件。圖5是典型氣動節(jié)溫器的剖面圖：

圖5

圖6

感溫液要求沸點合適(常溫時應為液態(tài))，汽化后能產(chǎn)生穩(wěn)定的氣壓作用于膨脹膜片下表面。它的工作過程可描述為：當發(fā)動機溫度低于85℃時，感溫液2汽化產(chǎn)生的壓力不足以克服回位彈簧的預壓縮彈力，閥門7在回位彈簧8的預壓力作用下緊壓在閥座6上，閥門處于關閉狀態(tài)，發(fā)動機中的冷卻液走小循環(huán)。當發(fā)動機溫度高于85℃時，感溫液汽化產(chǎn)生的壓力已能克服回位彈簧的預壓縮力，推動膜片向上運動，進而推動活塞及活塞桿向上運動。同時，活塞桿10推動閥門7克服回位彈簧8的預壓緊力一起向上運動，將閥門打開。此時，發(fā)動機水套中的冷卻液進入混合循環(huán)狀態(tài)。直至升高到90℃時，節(jié)溫器活塞完全打開，冷卻液進入大循環(huán)，發(fā)動機水套中的冷卻液溫度降低，當溫度降至85℃時，感溫液2將液化，膨脹膜片1下的壓力降低，在回位彈簧8的作用下，閥門、活塞、活塞桿向下運動，減小閥門7的開度，從而減小散熱器的冷卻強度，直至關閉閥門，促使發(fā)動機的水溫回升。此過程可使冷卻水溫達到一種動態(tài)平衡，保證水溫在90℃左右，以利于發(fā)動機較高效率運行。圖1.6是氣動節(jié)溫器的控制邏輯圖。

這種節(jié)溫器優(yōu)點在于響應快，工作穩(wěn)定，可調(diào)溫度范圍廣，關閉時無“卡滯”現(xiàn)象，密封性好；缺點在于結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高，目前技術并不成熟，尚沒有大范圍推廣開來。

2 包含緩速器的冷卻水路的節(jié)溫器選擇

2.1 緩速器簡介

液力緩速器作為車輛的輔助制動系統(tǒng)，逐步成為重卡市場的標配產(chǎn)品，其工作原理是將整車的動能轉(zhuǎn)化為緩速器工作介質(zhì)的內(nèi)能，然后由整車冷卻系統(tǒng)通過緩速器的熱交換器換熱并帶出。緩速器在車輛冷卻系中的位置如圖 1，這種節(jié)溫器獨立于發(fā)動機的裝配方式稱為外置式節(jié)溫器，有些緩速器專用發(fā)動機將此節(jié)溫器集成在發(fā)動機上，稱為內(nèi)置式節(jié)溫器。

圖1

圖2 （整車冷卻液溫度）

2.2 節(jié)溫器選擇

傳統(tǒng)節(jié)溫器選擇時更多考慮達到發(fā)動機要求的動力性和經(jīng)濟性。而在加裝緩速器的水路中選取節(jié)溫器時要考慮到緩速器的工況。緩速器工作時由于制動作用會產(chǎn)生大量的熱量，工作介質(zhì)的溫度會在短時間內(nèi)攀升，如果冷卻不及時會導致超溫報警，緩速器不能正常使用，因此選取節(jié)溫器時首先要保證較快的開啟響應，需要使用時節(jié)溫器能夠迅速打開，使冷卻液經(jīng)過大循環(huán)流動，流經(jīng)緩速器才有更好的換熱效果，對比石蠟機械式節(jié)溫器與電子節(jié)溫器對整車冷卻液溫度的影響如圖2。

使用電子節(jié)溫器時，冷卻液的溫升能迅速得到抑制，雖然全開溫度相等，但電子節(jié)溫器的使用能更好地控制溫升，保證較大的溫差，提高換熱效率，避免熱量過度累積。

其次節(jié)溫器的全開溫度不能太高，為使整車冷卻系統(tǒng)有合適的溫升空間。例如若節(jié)溫器全開溫度為96℃，使用緩速器時，冷卻液溫度在96℃以下時為小循環(huán)或大小循環(huán)分流狀態(tài)，此時冷卻液流量較小，溫度攀升較快，緩速器本身的熱量不斷累積，當冷卻液溫度達到96℃時，緩速器工作介質(zhì)溫度已經(jīng)處于一個高位段，此時冷卻液雖轉(zhuǎn)變?yōu)榇笱h(huán)狀態(tài)，然而由于緩速器之前累積的熱量以及持續(xù)的緩慢的熱量累積，工作介質(zhì)的溫度還在攀升，這個過程僅持續(xù)1-3min，尚未達到換熱的熱平衡狀態(tài)，冷卻系溫度就已經(jīng)達到 100℃的溫度報警線，此時緩速器已經(jīng)由于溫度保護需退出工作。因此緩速器水路中的節(jié)溫器全開溫度不能太高，然而若只考慮緩速器的工作要求一味地降低節(jié)溫器開啟溫度，又會對發(fā)動機的使用性能產(chǎn)生影響，不能保證發(fā)動機運行在的最佳溫度。實驗表明。節(jié)溫器全開溫度在 85-90℃時，對發(fā)動機和緩速器而言都有較好的工作效果。圖3為兩種不同開啟溫度的節(jié)溫器對冷卻系溫度的影響：

圖3

綜上所述，未來中國市場上，由于車輛各系統(tǒng)的完善化、復雜化，整車散熱工況只會更加復雜，市場對車輛散熱系統(tǒng)部件會有更高的要求，發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性和環(huán)保因素將會成為要求的一部分，整個冷卻系的溫度可調(diào)可控，將冷卻系變成一個智能閉環(huán)系統(tǒng)將是最終目標，就其中關鍵部件之一的節(jié)溫圖3

器來說，能實現(xiàn)精確控制和可調(diào)溫度區(qū)間的智能節(jié)溫器將是發(fā)展方向。目前大學和企業(yè)研發(fā)機構(gòu)對這方面的研究很多，結(jié)合模擬實際工況的實驗，已經(jīng)有部分成果可以借鑒使用。

參考文獻

[1] 于萍.工程流體力學.[M]科學出版社,2008.

[2] 工程熱力學.清華大學.2007.

[3] 譚克成,宛東.電子控制式節(jié)溫器設計.裝備制造技術,2015年第 8期.

[4] 張群生.液壓與氣壓傳動.2011.