淺述節溫器的發展

摘 要：本文淺述了節溫器作為汽車內燃機冷卻系統中控制冷卻液流動路徑的關鍵零部件所起的重要作用，論述了傳統節溫器以石蠟為感溫介質在大小循環中存在“響應延遲”和“滯回”特性，無法滿足冷卻系統精準控制的要求。簡要分析了節溫器的國內外發展現狀并提出了新型節溫器將向結構優化、冷卻液回路優化和智能電控方向發展的趨勢。

關鍵詞：冷卻系統 節溫器 發展趨勢

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0056-02

節溫器作為內燃機冷卻系統的核心部件，在保證內燃機正常工作的同時，對內燃機的燃油經濟性、排放等性能有重要影響。其發展受到汽車行業的高度重視。

1 國內外發展現狀

1.1 機械式節溫器的國內外發展現狀

如圖1所示，作為傳統機械式節溫器的主題—石蠟節溫器存在響應延遲和加熱、冷卻過程的“滯回”特性[1]，其對內燃機性能的制約主要表現在：（1）節溫器開啟行程需要時間較常，大小循環并行，冷卻液溫升緩慢，暖機時間長。（2）石蠟節溫器的響應延時和“滯回”特性，導致節溫器無法根據內燃機水溫變化做出實時的、準確的響應。因此電子風扇與節溫器間很難做到精確匹配。（3）石蠟節溫器的開度與冷卻液溫度之間并不是一一對應的關系，無法實現冷卻液大、小循環流量分配的精確控制。

因此，各國工程技術人員在機械式節溫器研究方面開展了大量工作，以克服石蠟節溫器產生的上述問題。

1.1.1 溫控驅動元件的改進

上海工程技術大學以石蠟節溫器為母體，以一根圓柱卷簧狀銅基形狀記憶合金為溫控驅動元件開發出一種新型節溫器。該節溫器在汽車啟動缸體溫度較低時偏置彈簧，壓縮合金彈簧使主閥關閉副閥打開，進行小循環，當冷卻液溫升到一定值時，記憶合金彈簧膨脹，壓縮偏置彈簧使節溫器主閥打開，且隨著冷卻液溫度的升高主閥開度逐漸增加，副閥逐漸關閉，進行大循環[2]。

記憶合金作為溫控單元，使得閥門開啟動作隨溫度的變化比較平緩，有利于減少內燃機啟動時水箱內的低溫冷卻水對缸體造成的熱應力沖擊，同時uS+85Dlg7pC/FCJjmlNiRBSNu+F45dUk3khlAqld/S8=提高了節溫器的使用壽命。但是該節溫器是在蠟式節溫器的基礎上改造而來的，溫控驅動原件的結構設計受到一定程度的限制。

1.1.2 閥門的改進

節溫器對冷卻液具有節流作用，冷卻液流經節溫器的沿程損失導致內燃機的功率損失是不可忽視的，2001年，山東農業大學袁麗艷、郭新民等人將節溫器的閥門設計成側壁帶孔的薄型圓筒，由側孔和中孔形成液流通道，并選用黃銅或者鋁做閥門的材料，使閥門表面光滑，從而達到降低阻力的效果，提高節溫器的工作效率[3]。

1.1.3 冷卻介質的流動回路優化

理想的內燃機熱工作狀態是氣缸蓋溫度較低而氣缸體溫度相對較高。為此，出現了分流式冷卻系統[4]，而節溫器的結構及安裝位置在其中扮演著重要角色。如廣泛采用的雙節1vWy4qqwohPBZKIv9S3WHB5rRQ3kJbZQGB9gchi8WA8=溫器聯合工作的安裝結構，兩個節溫器安裝在同一個支架上，溫度傳感器安裝在第二個節溫器處，冷卻液液流量的1/3用來冷卻氣缸體，2/3冷卻液流量用來冷卻汽缸蓋。

1.2 電子節溫器的國內外發展現狀

電子節溫器根據發動機的工作狀態及環境溫度，通過與水泵、電子風扇的匹配可以精確控制內燃機的進出水溫度，提高內燃機的功率及燃油經濟性，并降低排放。

在國外，美國伊頓公司于利用電動蝶閥對冷卻液的循環流量進行控制，并提出了電子節溫器系統的概念。1996年，英國巴斯大學建立了內燃機冷卻系統的數學模型并利用計算機仿真技術對節溫器的PID控制策略進行了研究[5]。1997年，美國Oakland大學引入帶遲滯的延時差分方程來描述節溫器在發動機冷卻系統工作過程中的動態特性，并且給出了該模型數值解的算法。他們的理論研究對分析節溫器對內燃機冷卻系統動態性能的影響起到了指導作用[6，7]。2002年至2006年，美國Clemson大學采用伺服電機驅動齒輪和螺桿，將螺桿的旋轉運動轉化成活塞（閥芯）的伸縮運動，從而實現對冷卻液大小循環通道的切換，開展了智能節溫器的研究[8～10]。2009年，T.Mitchen等人采用石蠟節溫器、電動兩通閥、電動三通閥和不安裝節溫器四種情況下分別進行了發動機暖機實驗。他們的研究認為用電動三通閥這種形式，在發動機暖機時間和燃油經濟性方面的性能最好[11]。

在國內，電子節溫器的研究剛處于起步階段。2004年，清華大學對傳統節溫器存在的響應延遲和“滯回”特性對發動機冷卻系統動態性能的影響進行了研究。他們在對節溫器和散熱器等發動機部件集總參數的研究基礎上，利用質量守恒、能量守恒和動量守恒等控制方程建立了描述熱系統復雜動力學過程的數學模型，對節溫器在冷卻過程中的熱系統動態特性進行了仿真計算。為節溫器的智能電控化奠定了一定的理論基礎。2009年，長安汽車研究總院對電子節溫器的節油潛力和熱負荷進行了研究評估。他們對一臺使用電子節溫器的增壓汽油機進行了穩態試驗，并進行了初步的CAE分析。結果表明，在中低負荷、發動機的BMEP在小于300000 MPa時，當發動機出口冷卻液溫度從85 ℃提高到105 ℃，油耗降低2%左右。2010年，山東柳日光設計了一款閥片式電子節溫器，該電子節溫器的結構特點是含有：殼體、閥片、轉動軸、電機、ECU、溫度傳感器，殼體上有三個接口分別是大小循環冷卻液出口和冷卻進入口。殼體內安裝閥片，利用水溫傳感器將發動機水溫信號傳給ECU，ECU控制電機來確定閥片的開啟角度，控制小循環時間及大循環冷卻液的流量。2011年，浙江大學的王帥、俞小麗等人在冷卻系統中將電動三通比例閥代替了傳統的機械式節溫器，實現了節溫器的智能電控化。他們采用電動三通比例閥作為電子節溫器的執行機構，并基于模糊控制原理，開發了以內燃機冷卻液出口溫度與目標溫度的誤差和誤差變化率為輸入、比例閥的開啟角度為輸出的雙輸入單輸出的模糊控制策略，并將控制策略在STC12C5A6OS2單片機上運行，實現了對電動三通比例閥開啟角度的實時控制。從而實現了對大小循環的精確控制[12]。2012年，武漢理工大學、華中科技大學和東風汽車商用車技術中心共同研究了一種節溫器、風扇和水泵同時電控化的新型冷卻系統。基于反饋線性化和模糊控制理論分別設計了非線性控制器、基本模糊控制器和變論域模糊控制器，并進行了試驗和仿真研究。實現了節溫器、風扇和水泵聯合智能電控參數共享和互補，提高了冷卻系統的整體性能[13]。

總之，國外節溫器的研究普遍采用電動執行機構和嵌入式控制單元，并從系統角度開展節溫器、風扇、水泵等執行器的智能化控制，且在控制策略的設計過程中較多應用了計算機仿真技術。而國內相關研究還處于比較初級的階段，主要著眼于通過機械的方法來改善節溫器性能。

2 結論

近年來汽車行業發展的最大特征是電子技術的成功引入，其精度高、反應快、可靠性強的重要特點使汽車的性能與技術有了新的起點。而內燃機是汽車的核心部件，傳統的節溫器存在的“響應延遲”和“滯回”特性的問題隨著內燃機整體性能的提升變得越來越突出。因此從結構優化、冷卻液回流路徑分流方式和控制策略上對節溫器進行研究對于減少內燃機工作損傷、降低冷卻系統功耗、減少燃油消耗，提高內燃機功率具有重要的意義。

總之，只有對冷卻系統各個環節進行深入地研究，多方面尋求提高冷卻性能的有效途徑，合理利用和發揮各個方法的潛在優勢，才能實現冷卻系統的高效化和低耗化，進而從整體上提高內燃機的性能。

參考文獻

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