節(jié)溫器的類型以及在緩速器冷卻水路中的應(yīng)用

李沙龍，高帥

（法士特汽車傳動(dòng)研究院智能傳動(dòng)研究所，陜西 西安 710077）

前言

節(jié)溫器是發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)節(jié)溫器。本文將介紹比較三種節(jié)溫器并對(duì)包含緩速器的冷卻水路選用合適的節(jié)溫器做進(jìn)一步論述。

1 三種節(jié)溫器種類

1.1 石蠟機(jī)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(shí)，石蠟呈固態(tài)，旁通閥關(guān)閉，冷卻液走發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部小循環(huán)，反之，石蠟體積膨脹，旁通閥打開(kāi)，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(kāi)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(dāng)達(dá)到節(jié)溫器開(kāi)啟的溫度，閥門就用熱升程來(lái)控制冷卻液的溫度。節(jié)溫器閥門達(dá)到最大升程時(shí)通常設(shè)定為 8—12 mm。節(jié)溫器的全開(kāi)溫度通常比開(kāi)啟溫度高8—12 ℃。

圖1

圖2

這種節(jié)溫器的優(yōu)點(diǎn)是成本低，易于制造加工，工藝成熟，可靠性高，是目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的節(jié)溫器形式。他的缺點(diǎn)在于不能精確控制開(kāi)啟閉合溫度，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，關(guān)閉節(jié)溫器時(shí)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(guò)給電信號(hào)加熱嵌在石蠟中的電熱絲，來(lái)實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)啟或閉合相應(yīng)，同時(shí)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(guò)PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)加熱電阻，加熱程度由脈寬和時(shí)間決定。同傳統(tǒng)機(jī)械式節(jié)溫器比較，電子節(jié)溫器具有更快的響應(yīng)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(diǎn)在于響應(yīng)快，溫度控制范圍廣，可實(shí)現(xiàn)與某一部件的聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟；缺點(diǎn)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(dòng)節(jié)溫器

這種氣動(dòng)節(jié)溫器包括感溫驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、感溫液、閥門機(jī)構(gòu)、閥座、托架等部件。圖5是典型氣動(dòng)節(jié)溫器的剖面圖：

圖5

圖6

感溫液要求沸點(diǎn)合適(常溫時(shí)應(yīng)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(guò)程可描述為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低于85℃時(shí)，感溫液2汽化產(chǎn)生的壓力不足以克服回位彈簧的預(yù)壓縮彈力，閥門7在回位彈簧8的預(yù)壓力作用下緊壓在閥座6上，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)中的冷卻液走小循環(huán)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度高于85℃時(shí)，感溫液汽化產(chǎn)生的壓力已能克服回位彈簧的預(yù)壓縮力，推動(dòng)膜片向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)活塞及活塞桿向上運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，活塞桿10推動(dòng)閥門7克服回位彈簧8的預(yù)壓緊力一起向上運(yùn)動(dòng)，將閥門打開(kāi)。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)水套中的冷卻液進(jìn)入混合循環(huán)狀態(tài)。直至升高到90℃時(shí)，節(jié)溫器活塞完全打開(kāi)，冷卻液進(jìn)入大循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)水套中的冷卻液溫度降低，當(dāng)溫度降至85℃時(shí)，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(yùn)動(dòng)，減小閥門7的開(kāi)度，從而減小散熱器的冷卻強(qiáng)度，直至關(guān)閉閥門，促使發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫回升。此過(guò)程可使冷卻水溫達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡，保證水溫在90℃左右，以利于發(fā)動(dòng)機(jī)較高效率運(yùn)行。圖1.6是氣動(dòng)節(jié)溫器的控制邏輯圖。

這種節(jié)溫器優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)快，工作穩(wěn)定，可調(diào)溫度范圍廣，關(guān)閉時(shí)無(wú)“卡滯”現(xiàn)象，密封性好；缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，目前技術(shù)并不成熟，尚沒(méi)有大范圍推廣開(kāi)來(lái)。

2 包含緩速器的冷卻水路的節(jié)溫器選擇

2.1 緩速器簡(jiǎn)介

液力緩速器作為車輛的輔助制動(dòng)系統(tǒng)，逐步成為重卡市場(chǎng)的標(biāo)配產(chǎn)品，其工作原理是將整車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為緩速器工作介質(zhì)的內(nèi)能，然后由整車?yán)鋮s系統(tǒng)通過(guò)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(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配方式稱為外置式節(jié)溫器，有些緩速器專用發(fā)動(dòng)機(jī)將此節(jié)溫器集成在發(fā)動(dòng)機(jī)上，稱為內(nèi)置式節(jié)溫器。

圖1

圖2 （整車?yán)鋮s液溫度）

2.2 節(jié)溫器選擇

傳統(tǒng)節(jié)溫器選擇時(shí)更多考慮達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)要求的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。而在加裝緩速器的水路中選取節(jié)溫器時(shí)要考慮到緩速器的工況。緩速器工作時(shí)由于制動(dòng)作用會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，工作介質(zhì)的溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)攀升，如果冷卻不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致超溫報(bào)警，緩速器不能正常使用，因此選取節(jié)溫器時(shí)首先要保證較快的開(kāi)啟響應(yīng)，需要使用時(shí)節(jié)溫器能夠迅速打開(kāi)，使冷卻液經(jīng)過(guò)大循環(huán)流動(dòng)，流經(jīng)緩速器才有更好的換熱效果，對(duì)比石蠟機(jī)械式節(jié)溫器與電子節(jié)溫器對(duì)整車?yán)鋮s液溫度的影響如圖2。

使用電子節(jié)溫器時(shí)，冷卻液的溫升能迅速得到抑制，雖然全開(kāi)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(guò)度累積。

其次節(jié)溫器的全開(kāi)溫度不能太高，為使整車?yán)鋮s系統(tǒng)有合適的溫升空間。例如若節(jié)溫器全開(kāi)溫度為96℃，使用緩速器時(shí)，冷卻液溫度在96℃以下時(shí)為小循環(huán)或大小循環(huán)分流狀態(tài)，此時(shí)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(dāng)冷卻液溫度達(dá)到96℃時(shí)，緩速器工作介質(zhì)溫度已經(jīng)處于一個(gè)高位段，此時(shí)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(gè)過(guò)程僅持續(xù)1-3min，尚未達(dá)到換熱的熱平衡狀態(tài)，冷卻系溫度就已經(jīng)達(dá)到 100℃的溫度報(bào)警線，此時(shí)緩速器已經(jīng)由于溫度保護(hù)需退出工作。因此緩速器水路中的節(jié)溫器全開(kāi)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(kāi)啟溫度，又會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能產(chǎn)生影響，不能保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在的最佳溫度。實(shí)驗(yàn)表明。節(jié)溫器全開(kāi)溫度在 85-90℃時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和緩速器而言都有較好的工作效果。圖3為兩種不同開(kāi)啟溫度的節(jié)溫器對(duì)冷卻系溫度的影響：

圖3

綜上所述，未來(lái)中國(guó)市場(chǎng)上，由于車輛各系統(tǒng)的完善化、復(fù)雜化，整車散熱工況只會(huì)更加復(fù)雜，市場(chǎng)對(duì)車輛散熱系統(tǒng)部件會(huì)有更高的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和環(huán)保因素將會(huì)成為要求的一部分，整個(gè)冷卻系的溫度可調(diào)可控，將冷卻系變成一個(gè)智能閉環(huán)系統(tǒng)將是最終目標(biāo)，就其中關(guān)鍵部件之一的節(jié)溫圖3

器來(lái)說(shuō)，能實(shí)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(xué)和企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)這方面的研究很多，結(jié)合模擬實(shí)際工況的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)有部分成果可以借鑒使用。

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