李勇

(廣汽乘用車(chē)有限公司，廣東廣州 511434)

0 引言

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)作為內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)重要類別，其冷卻系統(tǒng)的工作效率直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率、排放和油耗等關(guān)鍵性能。發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的主要零部件包括水泵、風(fēng)扇、散熱器、節(jié)溫器、冷卻水套以及循環(huán)管路，其主要作用是使發(fā)動(dòng)機(jī)各部位的工作溫度維持在合理范圍。發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器可以根據(jù)冷卻液的溫度變化，改變冷卻液的循環(huán)路徑以及流量大小，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件均維持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶畠?nèi)。

受限于新型節(jié)溫器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用成本，目前大部分汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)溫器仍然是機(jī)械蠟式節(jié)溫器，其結(jié)合分流冷卻、集成排氣歧管及電子水泵等新技術(shù)的應(yīng)用可以滿足大部分汽車(chē)的冷卻性能要求。然而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電子電氣化的發(fā)展，一些較高端的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)開(kāi)始逐漸應(yīng)用電子節(jié)溫器，以滿足更高的性能以及排放要求。電子節(jié)溫器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用成本較高，技術(shù)尚未完全成熟，距離大規(guī)模推廣應(yīng)用尚需時(shí)日。

1 機(jī)械式節(jié)溫器的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 機(jī)械式節(jié)溫器的應(yīng)用

自從20世紀(jì)30年代開(kāi)發(fā)出實(shí)用的節(jié)溫器技術(shù)至今，機(jī)械式節(jié)溫器的基本原理和結(jié)構(gòu)并無(wú)很大變化，其中技術(shù)最為成熟且應(yīng)用最為普遍的機(jī)械式節(jié)溫器為蠟式節(jié)溫器[1]。蠟式節(jié)溫器主要由主閥門(mén)、副閥門(mén)、感應(yīng)體(蠟包)、推桿、支架、彈簧等組成[1]。感應(yīng)體作為節(jié)溫器工作的核心零件，一般分為膠管式、柱塞式以及膜片式3種，其中應(yīng)用較多的為膠管式感應(yīng)體，蠟式節(jié)溫器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蠟式節(jié)溫器

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火暖機(jī)過(guò)程中，冷卻液溫度較低，感應(yīng)體中的石蠟為固態(tài)，副閥門(mén)打開(kāi)，主閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，冷卻液在水泵作用下在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，不經(jīng)過(guò)散熱器，有利于較快地暖機(jī)，此時(shí)稱之為小循環(huán)；隨著冷卻液溫度的升高，達(dá)到節(jié)溫器的初開(kāi)溫度后，感應(yīng)體中的石蠟發(fā)生相變，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?液混合狀態(tài)，石蠟膨脹從而對(duì)膠管中的推桿產(chǎn)生擠壓，在推桿的反作用力下，主閥門(mén)逐漸打開(kāi)，副閥門(mén)逐漸關(guān)閉，此時(shí)一部分冷卻液通過(guò)副閥門(mén)在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，而另一部分冷卻液會(huì)從主閥門(mén)處進(jìn)入散熱器，經(jīng)散熱器冷卻后流回發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，避免冷卻液溫度的快速升高，此時(shí)稱之為混合循環(huán)；當(dāng)冷卻液的溫度升至節(jié)溫器的全開(kāi)溫度時(shí)，主閥門(mén)完全打開(kāi)，副閥門(mén)關(guān)閉，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)中循環(huán)的冷卻液將在水泵的作用下全部流經(jīng)散熱器，在風(fēng)扇和散熱器的作用下對(duì)冷卻液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，稱之為大循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作溫度是在一個(gè)區(qū)間，既不是越低越好，也不是越高越好，而通過(guò)節(jié)溫器可以實(shí)現(xiàn)在不同工況下的冷卻液路徑和流量分配，達(dá)到控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的目的。由于蠟式節(jié)溫器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，目前市面上的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)大部分使用的是蠟式節(jié)溫器。

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，缸體和缸蓋兩個(gè)部分的熱負(fù)荷狀態(tài)不同會(huì)導(dǎo)致缸蓋的升溫速度高于缸體的升溫速度，而在發(fā)動(dòng)機(jī)上僅布置一個(gè)節(jié)溫器無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位的最佳工作溫度需求。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的更新?lián)Q代，一種應(yīng)用雙節(jié)溫器的發(fā)動(dòng)機(jī)分流冷卻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠使缸體缸蓋分別在不同的冷卻液溫度下工作，從而提高暖機(jī)速度和充量系數(shù)，降低摩擦[2]。

雙節(jié)溫器的構(gòu)成一般分為兩種：一種是雙節(jié)溫器集成后作為一個(gè)零件整體安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，另一種是兩個(gè)節(jié)溫器作為兩個(gè)獨(dú)立零件分別安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的不同位置。圖2為某雙節(jié)溫器總成示意圖，該雙節(jié)溫器中包括兩個(gè)初開(kāi)溫度不同節(jié)溫器，分別控制缸體水套和缸蓋水套的冷卻液流動(dòng)路徑，圖3為該發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)示意圖。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，此時(shí)冷卻液溫度較低，節(jié)溫器1和節(jié)溫器2均關(guān)閉，冷卻液經(jīng)水泵進(jìn)入缸蓋水套后流出，流出的冷卻液一部分返回缸蓋，另一部分冷卻液流向暖風(fēng)機(jī)芯，缸體水套中冷卻液不流動(dòng)；一段時(shí)間后，隨著冷卻液溫度升高，節(jié)溫器1閥門(mén)開(kāi)始打開(kāi)，節(jié)溫器2仍然關(guān)閉，此時(shí)從缸蓋中流出的高溫冷卻液一部分流向散熱器和暖風(fēng)機(jī)芯，還有一部分冷卻液則返回缸蓋；隨著冷卻液溫度的進(jìn)一步提高，節(jié)溫器1和節(jié)溫器2的閥門(mén)均打開(kāi)，缸體中的高溫冷卻液開(kāi)始流動(dòng)，與缸蓋高溫冷卻液匯集，最終流向散熱器等回路。與傳統(tǒng)的單節(jié)溫器布置相比，基于雙節(jié)溫器設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)缸體缸蓋分流冷卻，可以加快暖機(jī)速度，降低摩擦，減少發(fā)動(dòng)機(jī)向缸壁傳熱，同時(shí)提高缸蓋的進(jìn)排氣效率[3-4]。

圖2 雙節(jié)溫器總成

圖3 分流冷卻系統(tǒng)示意

1.2 機(jī)械式節(jié)溫器的研究進(jìn)展

受限于蠟式節(jié)溫器的工作原理，石蠟受熱膨脹帶動(dòng)閥門(mén)動(dòng)作過(guò)程中，存在響應(yīng)延遲和閥門(mén)“滯回”問(wèn)題，無(wú)法精確控制冷卻液溫度[5]。因此，相關(guān)科研人員對(duì)蠟式節(jié)溫器的材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，如尋找替代石蠟的溫度感應(yīng)介質(zhì)類型、改進(jìn)閥門(mén)驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)等。

劉鵬等人[6]設(shè)計(jì)了一種利用丙酮作為感溫介質(zhì)的氣動(dòng)式節(jié)溫器，其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。研究結(jié)果表明，相較于蠟式節(jié)溫器，氣動(dòng)節(jié)溫器具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命較長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。該研究對(duì)機(jī)械式節(jié)溫器改進(jìn)是一種創(chuàng)新性的探索，但未在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和整車(chē)上進(jìn)行搭載驗(yàn)證。陳志恒等[7]通過(guò)對(duì)蠟式節(jié)溫器的改造，提出了一種以圓柱卷簧銅基記憶合金為驅(qū)動(dòng)單元的新型節(jié)溫器結(jié)構(gòu)。如圖5所示，形狀記憶合金卷簧在冷卻液溫度變化時(shí)壓縮或伸長(zhǎng)，帶動(dòng)主副閥門(mén)動(dòng)作，取代了傳統(tǒng)的石蠟感應(yīng)體。研究顯示，用形狀記憶合金作為閥門(mén)驅(qū)動(dòng)單元的節(jié)溫器，具有反應(yīng)靈敏、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。由于該研究是在傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器的結(jié)構(gòu)下進(jìn)行的改造，總體的結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步完善，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)極端工況下的耐久需求。 S K KIM等[8]在蠟式節(jié)溫器中添加10%～20%的石墨烯與石蠟混合，系統(tǒng)研究了石墨烯添加含量對(duì)蠟式節(jié)溫器的響應(yīng)時(shí)間和融化溫度的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示添加石墨烯后的節(jié)溫器可以縮短響應(yīng)時(shí)間，改善節(jié)溫器“滯回”問(wèn)題。

圖4 氣動(dòng)式節(jié)溫器

圖5 形狀記憶合金節(jié)溫器

2 電子節(jié)溫器的發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的機(jī)械式節(jié)溫器的工作過(guò)程是“被動(dòng)”地受冷卻液溫度調(diào)節(jié)，存在響應(yīng)滯后的問(wèn)題，而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電氣化的發(fā)展，一種可以主動(dòng)調(diào)溫的電子節(jié)溫器逐漸被應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中。目前電子調(diào)溫器的應(yīng)用主要有兩種型式：電加熱蠟式節(jié)溫器和電控閥式節(jié)溫器。

2.1 電加熱蠟式節(jié)溫器

如圖6所示，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的負(fù)載工況下，其所需要的最佳工作溫度往往相反：在低負(fù)載時(shí)(如平地勻速行駛)，較高的冷卻液溫度可以使機(jī)油溫度維持在較高水平，降低機(jī)油黏度，減少運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的摩擦損失，節(jié)省油耗，同時(shí)較高的工作溫度也意味著較低的污染物排放值；在高負(fù)載(如爬坡、加速)時(shí)，為了獲得最大的動(dòng)力，需要提高進(jìn)氣量，此時(shí)則需要加強(qiáng)冷卻，降低冷卻液溫度[9]。圖7所示為電控蠟式節(jié)溫器的基本結(jié)構(gòu)示意圖，與傳統(tǒng)的蠟式節(jié)溫器相比，電控蠟式節(jié)溫器在推桿中增加了加熱電阻，其初開(kāi)溫度高于傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器，具有更快的響應(yīng)速度和更寬的工作溫度范圍，其工作流程為：在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)載時(shí)無(wú)信號(hào)輸入，節(jié)溫器的功能等同于純機(jī)械蠟式節(jié)溫器；高負(fù)載時(shí)，ECU開(kāi)始接收到PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，可根據(jù)MAP圖對(duì)電阻進(jìn)行加熱，石蠟受熱膨脹，迫使閥門(mén)提前開(kāi)啟或開(kāi)啟量增大。

圖6 不同負(fù)載的最佳冷卻液溫度范圍

圖7 電加熱蠟式節(jié)溫器

馬為等人[10]對(duì)電加熱蠟式節(jié)溫器的節(jié)油潛力進(jìn)行了研究，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷進(jìn)行了CAE分析。結(jié)果表明，在小負(fù)荷且發(fā)動(dòng)機(jī)BMEP為3×105MPa時(shí)，將冷卻液出口溫度由85 ℃提高到105 ℃左右(模擬電控蠟式節(jié)溫器在小負(fù)荷時(shí)大循環(huán)關(guān)閉狀態(tài))，油耗可降低2%左右，而在中等負(fù)荷下油耗也可降低1%左右。楊陽(yáng)等人[11]對(duì)長(zhǎng)安D18T型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)表明在采用電加熱蠟式節(jié)溫器后，控制系統(tǒng)可將冷卻液溫度控制在各工況所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)冷卻水溫附近，在中小負(fù)荷下節(jié)油效果達(dá)到了2%～6%，驗(yàn)證了電控蠟式節(jié)溫器控制方案的有效性和可行性。張麗萍等[12]為了驗(yàn)證電加熱蠟式節(jié)溫器的有效性，對(duì)某款1.5 L排量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用電加熱蠟式節(jié)溫器的控制系統(tǒng)可將冷卻水溫控制在各工況所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)冷卻水溫附近，節(jié)油效果達(dá)到0.5%～2.6%。李軍等人[13]使用模糊PID控制的電加熱蠟式節(jié)溫器，對(duì)比了安裝機(jī)械節(jié)溫器和電加熱蠟式節(jié)溫器的整車(chē)油耗，發(fā)現(xiàn)在NEDC工況下使用模糊PID控制的電控蠟式節(jié)溫器的節(jié)油效率可達(dá)0.7%，而在低速小負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)工況下節(jié)油效率最高可達(dá)4.7%。

2.2 電控閥式節(jié)溫器

電子節(jié)溫器的另一種形式是采用電控閥門(mén)取代傳統(tǒng)的石蠟感溫閥門(mén)，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械節(jié)溫器或電加熱蠟式節(jié)溫器，具有響應(yīng)迅速、溫度控制精確的優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)汽車(chē)的運(yùn)行工況實(shí)行閉環(huán)控制。大眾公司在其第三代EA888產(chǎn)品中采用了電控球閥式節(jié)溫器。與機(jī)械式節(jié)溫器相比，電控球閥式節(jié)溫器能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得低摩擦和高效率，同時(shí)降低污染物的排放[14]。圖8為第三代EA888 1.8T發(fā)動(dòng)機(jī)的電控球閥式節(jié)溫器示意圖，主要包括：PPS塑料殼體、直流電機(jī)、蝸輪蝸桿、旋轉(zhuǎn)球閥、驅(qū)動(dòng)軸和冷卻液泵。該電控球閥式節(jié)溫器的球閥通過(guò)多級(jí)密封組件(主密封圈、副密封圈、波形彈簧、O形圈)與各水路管口連接，球閥1和球閥2通過(guò)齒形連接實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可控制各個(gè)水路循環(huán)的通斷以及流量，圖9為該發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)循環(huán)。在控制方面，該電控閥式節(jié)溫器中的位置傳感器通過(guò)SENT協(xié)議與ECU通信，控制球閥轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并利用PWM電源控制直流電機(jī)的速度。

圖8 EA888電控球閥式節(jié)溫器

圖9 EA888冷卻系統(tǒng)循環(huán)

近年來(lái)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電氣化的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)電控閥式節(jié)溫器的應(yīng)用進(jìn)行了研究。王帥[15]采用電動(dòng)三通閥作為電子節(jié)溫器的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，基于模糊控制原理對(duì)其控制策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了模糊控制MAP圖，并通過(guò)測(cè)量電子節(jié)溫器的開(kāi)啟角度、冷卻液循環(huán)流量和溫度等數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了電子節(jié)溫器模糊控制策略的可行性。韓松[16]通過(guò)對(duì)電子水泵、電子風(fēng)扇、電子節(jié)溫器和電加熱器的系統(tǒng)研究，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)全工況控制策略，結(jié)果表明采用模糊控制的電子節(jié)溫器可有效降低節(jié)溫器初開(kāi)溫度波動(dòng)小于2.2 ℃，并可以迅速穩(wěn)定在目標(biāo)水溫附近，波動(dòng)小于1 ℃。鄒研中等[17]制定了電機(jī)球閥式節(jié)溫器最佳冷卻液溫度，建立了電子節(jié)溫器冷卻系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)控制策略進(jìn)行了研究。晏雙鶴等[18]研究了無(wú)電機(jī)球閥節(jié)溫器、有水溫修正策略的電子球閥節(jié)溫器和無(wú)水溫修正策略電機(jī)球閥節(jié)溫器3種狀態(tài)對(duì)暖機(jī)時(shí)間、油耗和排放的影響，結(jié)果表明電子球閥節(jié)溫器能夠提高37.5%的暖機(jī)速度，帶有水溫修正策略時(shí)能夠更加準(zhǔn)確地表征發(fā)動(dòng)機(jī)水溫，降低油耗和排放，從而進(jìn)一步發(fā)揮電機(jī)球閥節(jié)溫器的優(yōu)勢(shì)。MITCHELL等[19]對(duì)比了蠟式節(jié)溫器、電動(dòng)兩通閥、電動(dòng)三通閥以及無(wú)節(jié)溫器在暖機(jī)工況下的冷卻系統(tǒng)效率，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)三通閥式節(jié)溫器具有最短的預(yù)熱時(shí)間、最少的熱量損失以及控溫精確性。MOHAMED[20]設(shè)計(jì)了一種電磁三通閥節(jié)溫器，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該種新型電子節(jié)溫器結(jié)構(gòu)能夠降低約28.5%的暖機(jī)時(shí)間，且在NEDC循環(huán)下能夠迅速升高機(jī)油溫度；同時(shí)該新型結(jié)構(gòu)能夠在冷啟動(dòng)時(shí)能夠降低23.5%的冷卻液流量，暖機(jī)完成后能夠降低15.2%的冷卻液流量，從而減少熱量的耗散，降低污染物排放。 JEONG等[21]在FTP-75以及HWFET工況下對(duì)比了電子閥式節(jié)溫器以及傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器的燃油經(jīng)濟(jì)性。試驗(yàn)結(jié)果顯示在FTP-75工況下能夠節(jié)省0.37%油耗，在HWFET工況下能夠節(jié)省0.032%的油耗。

圖10 電磁三通閥節(jié)溫器

3 展望

隨著排放法規(guī)和能耗要求的提高，高效的冷卻系統(tǒng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升的關(guān)鍵。節(jié)溫器作為冷卻系統(tǒng)的核心部件，近年來(lái)研究人員對(duì)節(jié)溫器進(jìn)行了較多的研究，取得了豐碩的成果。傳統(tǒng)機(jī)械節(jié)溫器響應(yīng)慢，無(wú)法精確控溫的缺點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)電氣化的大趨勢(shì)下顯得越來(lái)越突出。電控閥式節(jié)溫器響應(yīng)快，與電子風(fēng)扇、電子水泵等其他冷卻系統(tǒng)電氣化零部件配合，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路的優(yōu)化，能夠在各種控制策略下實(shí)現(xiàn)精確調(diào)溫，使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)高效低污染的整體目標(biāo)，因此電控閥式節(jié)溫器是未來(lái)冷卻系統(tǒng)智能化的發(fā)展方向之一。