調(diào)溫器主副閥彈簧力的選擇匹配

趙前進(jìn)

（上汽集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201206）

調(diào)溫器主副閥彈簧力的選擇匹配

趙前進(jìn)

（上汽集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201206）

以某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)溫器為研究對象，通過選擇不同彈簧力的調(diào)溫器以及不同形狀的調(diào)溫器座來進(jìn)行CAE分析和試驗(yàn)。通過這些CAE分析及試驗(yàn)得出結(jié)論是，當(dāng)水泵的性能確定以及冷卻系統(tǒng)中的零部件性能確定后，調(diào)溫器的主副彈簧力的選擇與系統(tǒng)壓力及調(diào)溫器座的形狀有主要關(guān)系。

發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)溫器主閥彈簧力副閥彈簧力

1 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的環(huán)保意識和節(jié)能意識在不斷地加強(qiáng)，對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、排放以及可靠性要求越來越高。這促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，因而對冷卻系統(tǒng)中零部件的性能要求也在不斷提高，或者要求使用更先進(jìn)的產(chǎn)品取代傳統(tǒng)的零部件［1］。使用傳統(tǒng)調(diào)溫器時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)對調(diào)溫器的要求一般就是初開溫度、全開溫度、靈敏度及滯后性。這些參數(shù)大多數(shù)主機(jī)廠都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者對標(biāo)得到，所以這樣就會(huì)造成有的發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間過長，或有些發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中過熱、排放不達(dá)標(biāo)、油耗高等問題［2］。其中部分原因是由于調(diào)溫器主閥彈簧力過小，當(dāng)大循環(huán)沒打開時(shí)，由于主閥前后壓差過大導(dǎo)致主閥異常打開，使得部分冷卻水參與小循環(huán)進(jìn)行冷卻，所以造成了暖機(jī)時(shí)間長，最終導(dǎo)致油耗高、排放差等問題。

由于主閥彈簧力過大可能造成調(diào)溫器滯后嚴(yán)重以及主閥的鉚接可靠性差，這樣就導(dǎo)致彈簧力既不能太大也不能太小，使其在合理的工作范圍內(nèi)即可。

當(dāng)大循環(huán)全開后，副閥前后壓差過大，使副閥無法達(dá)到完全關(guān)閉狀態(tài)，這樣就導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，甚至可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)開鍋、氣蝕拉缸等重大問題。如果副閥的彈簧力無窮地增大，同樣會(huì)影響調(diào)溫器滯后性以及副閥鉚接工藝而影響調(diào)溫器的可靠性。

為了避免以上調(diào)溫器異常開啟而造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化的問題，前期首先對調(diào)溫器進(jìn)行CAE分析模擬。根據(jù)系統(tǒng)壓力、調(diào)溫器座、調(diào)溫器蓋以及調(diào)溫器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模擬出調(diào)溫器總成的壓損，最終得出主閥及副閥前后壓差［3］。再根據(jù)此壓差進(jìn)行調(diào)溫器發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，不斷地優(yōu)化和試驗(yàn)，最終選擇出合適的調(diào)溫器彈簧力。

圖1 一維模擬模型

圖2 三維數(shù)模受力圖

2 CAE分析

2.1 一維模擬計(jì)算

通過flomaster分析軟件，根據(jù)時(shí)間整車布置建立一維模擬模型，見圖1。輸入每個(gè)零部件的壓損和流量曲線，水泵轉(zhuǎn)速和流量曲線以及效率，節(jié)溫器的初開和全開溫度值以及正確的溫升曲線。

通過CAE模擬得出的優(yōu)化方案要優(yōu)于原方案，再根據(jù)一維模擬的壓損值，初步計(jì)算得出主副彈簧力的大小，如圖2所示。

2.2 三維CFD分析

本次三維CFD計(jì)算共模擬了三種方案：A方案為原始方案，B方案為優(yōu)化節(jié)溫器內(nèi)的圓角，C方案為優(yōu)化小循環(huán)管徑的大小。為了減少調(diào)溫器壓損，同時(shí)使調(diào)溫器內(nèi)部水流均勻性更好，最終確定B方案。這是因?yàn)锽方案流速均勻性好，且改進(jìn)后調(diào)溫器壓損最小。A方案壓損較大，C方案水流的均勻性較差。

根據(jù)系統(tǒng)壓力對調(diào)溫器座、調(diào)溫器蓋以及調(diào)溫器總成進(jìn)行CAE模擬。通過模擬來優(yōu)化調(diào)溫器進(jìn)出水通道使其壓損盡可能地低，減少調(diào)溫器兩個(gè)閥門前后的壓差，見圖3、圖4和圖5。

從圖3可知，在結(jié)構(gòu)上主要優(yōu)化了副閥門的進(jìn)水通道，同時(shí)在原先的基礎(chǔ)上增加了倒角。增加倒角后壓力損失有所降低，進(jìn)口1和出口之間的壓差由67 kPa降至56 kPa，進(jìn)口2和出口之間的壓差由12 kPa減少到8 kPa。

對比優(yōu)化前后壓損變化見表1。主要優(yōu)化了副閥門的進(jìn)水通道，同時(shí)在原先的基礎(chǔ)上增加了倒角。從壓力圖及壓力值上可以看出，優(yōu)化后調(diào)溫器副閥前后壓力損失（即進(jìn)口1與出口間壓差）相對減少了很多。從速度矢量圖可以看出優(yōu)化后的模型冷卻液回流要少于原模型。調(diào)溫器的壓損降低，流程均勻得到了改善。

圖3 優(yōu)化前后模型對比

圖4 總壓分布對比

圖5 速度矢量圖

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)條件

試驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行的，在發(fā)動(dòng)機(jī)正前方放置一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，來模擬整車行駛狀態(tài)。風(fēng)扇和散熱器以及護(hù)風(fēng)圈之間的安裝距離完全符合整車要求。對調(diào)溫器圓角進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)裝置原理圖如圖6所示。試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為28℃。

表1 優(yōu)化前后壓差對比

圖6 試驗(yàn)裝置示意圖

圖7 原機(jī)溫升曲線圖

3.2 主閥彈簧力改進(jìn)試驗(yàn)

選有兩組不同主閥彈簧力的調(diào)溫器進(jìn)行試驗(yàn)，分別為70 kPa和130 kPa。圖7為原機(jī)所用主閥彈簧力為70 kPa的調(diào)溫器的溫升曲線。

從圖7可以看出，在3 500～4 000 r/min的轉(zhuǎn)速裝了主閥彈簧力為130 kPa的調(diào)溫器的發(fā)動(dòng)機(jī)溫升運(yùn)行曲線。從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，調(diào)溫器沒有異常打開現(xiàn)象。

改進(jìn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間對比曲線見圖9。圖中曲線表明不同調(diào)溫器主閥彈簧力暖機(jī)時(shí)間是不同的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在相同工況運(yùn)行1 200 s時(shí)間后，調(diào)溫器主閥彈簧力為70 kPa時(shí)，水溫升到47℃；調(diào)溫器主閥彈簧力為130 kPa時(shí)，水溫則升到56℃。

由此可知，主閥彈簧力為70 kPa的調(diào)溫器暖機(jī)時(shí)間相對較長，暖機(jī)時(shí)間長會(huì)直接影響用戶的舒適度，并間接地導(dǎo)致油耗高和排放差。這種現(xiàn)象是發(fā)動(dòng)機(jī)廠家所不愿看到的。

通過以上CAE模擬、理論計(jì)算以及試驗(yàn)得出這樣的結(jié)論，同一個(gè)冷卻系統(tǒng)中，若調(diào)溫器采用不同的主閥彈簧力，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中調(diào)溫器主閥的異常開啟。調(diào)溫器主閥異常打開后，范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫下降比較明顯，這說明此時(shí)調(diào)溫器主閥已經(jīng)打開，且開度較大。但是此時(shí)水溫僅為76℃，而調(diào)溫器的設(shè)計(jì)初開溫度為78℃，全開溫度為92℃。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫逐漸升高。該區(qū)段水溫變化曲線說明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在3 500～4 000 r/min時(shí)，由于調(diào)溫器主閥前后壓差較大，使得調(diào)溫器主閥異常打開，從而導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)水溫下降，最終影響到發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間、油耗、排放等性能參數(shù)。

更換增加主閥彈簧力的調(diào)溫器，其他條件相同，在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。圖8給出了安會(huì)導(dǎo)致暖機(jī)時(shí)間延長，造成汽車內(nèi)暖風(fēng)效果差，除霜除霧功能無法完成，從而導(dǎo)致用戶的舒適度差，引起用戶的抱怨。同時(shí)暖機(jī)時(shí)間長還會(huì)使機(jī)油溫度低，零部件運(yùn)行時(shí)摩擦功大，以及缸體缸蓋溫度過低等導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和低負(fù)荷階段時(shí)油耗高，以及燃燒不充分而導(dǎo)致的排放差。

由于在調(diào)溫器內(nèi)部很難安裝傳感器，調(diào)溫器副閥彈簧力在試驗(yàn)過程中無法進(jìn)行測量。副閥異常打開的情況是指調(diào)溫器主閥的打開行程大于8 mm時(shí)，也就是說調(diào)溫器全開的情況下，調(diào)溫器副閥處打開。如果此時(shí)副閥打開，冷卻液走小循環(huán)，冷卻液就不經(jīng)過散熱器進(jìn)行冷卻，就會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的冷卻液溫度不斷地上升，最終導(dǎo)致冷卻液沸騰開鍋。這表明發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高溫情況下，冷卻液沸騰后會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)溫升曲線圖

圖9 不同調(diào)溫器主閥彈簧力的暖機(jī)時(shí)間

4 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)前期對節(jié)溫器殼體及主閥前后進(jìn)行一維分析和三維CFD分析，再通過計(jì)算，來確定調(diào)溫器主副閥彈簧力，解決了調(diào)溫器異常開啟導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間過長的問題。

［1］劉毅，周大森，張紅光.車用內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)傳熱模型［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2007（3）.

［2］陸際清.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1993.

［3］成曉北，潘立，周祥軍.車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作過程與匹配計(jì)算［J］.汽車工程，2008，30（9）.

Selection the Thermostat of Main Valve Spring Force and Bypass Valve Spring Force

Zhao Qianjing
（SAIC Group Co.，Ltd.，Technical Center，Shanghai 201206，China）

In this paper，taking a four-cylinder engine thermostat as research subject.Adopting a method which is CAE and test contrast and analysis.selecting different spring strength of the thermostat to do CAE and test contrast and analysis through those CAE and test contrast and analysis，the conclusion is that when the cooling system parts are confirmed（contain pump，radiator，oil cooler，cabin heat and so on）the thermostat spring force have a main relation with cooling system pressure and the thermostat house structure.

engine，thermostat，main valve spring force，bypass valve spring force

10.3969/j.issn.1671-0614.2015.04.007

來稿日期：2015-04-21

趙前進(jìn)（1981-），男，本科，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)。