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)
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。
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。
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。
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。
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)
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。
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