節溫器的類型以及在緩速器冷卻水路中的應用

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）

前言

節溫器是發動機冷卻系統中受冷卻液溫度控制的閥門，是一種調溫裝置，一般布置在與散熱器串聯的管路中，調整流經散熱器的冷卻液流量。目前在車用發動機上使用的節溫器主要為石蠟式節溫器、電子節溫器以及氣動節溫器。本文將介紹比較三種節溫器并對包含緩速器的冷卻水路選用合適的節溫器做進一步論述。

1 三種節溫器種類

1.1 石蠟機械式節溫器

其工作原理是：節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，旁通閥關閉，冷卻液走發動機內部小循環，反之，石蠟體積膨脹，旁通閥打開，冷卻液走散熱水箱大循環。其結構如圖1.1所示。節溫器閥門開啟升程特性如圖2所示。S的左側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，當達到節溫器開啟的溫度，閥門就用熱升程來控制冷卻液的溫度。節溫器閥門達到最大升程時通常設定為 8—12 mm。節溫器的全開溫度通常比開啟溫度高8—12 ℃。

圖1

圖2

這種節溫器的優點是成本低，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，關閉節溫器時有“卡滯”現象。

1.2 電子節溫器

電子節溫器本質上同傳統石蠟節溫器一樣，電子節溫器可以通過給電信號加熱嵌在石蠟中的電熱絲，來實現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節范圍。EMS通過PWM脈寬調制信號，驅動加熱電阻，加熱程度由脈寬和時間決定。同傳統機械式節溫器比較，電子節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溫器。

圖3

圖4

這種節溫器的優點在于響應快，溫度控制范圍廣，可實現與某一部件的聯動開啟；缺點在于制造成本高，可靠性差，維修困難，現階段不利于大范圍推廣。

1.3 氣動節溫器

這種氣動節溫器包括感溫驅動機構、感溫液、閥門機構、閥座、托架等部件。圖5是典型氣動節溫器的剖面圖：

圖5

圖6

感溫液要求沸點合適(常溫時應為液態)，汽化后能產生穩定的氣壓作用于膨脹膜片下表面。它的工作過程可描述為：當發動機溫度低于85℃時，感溫液2汽化產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，發動機中的冷卻液走小循環。當發動機溫度高于85℃時，感溫液汽化產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，發動機水套中的冷卻液進入混合循環狀態。直至升高到90℃時，節溫器活塞完全打開，冷卻液進入大循環，發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，促使發動機的水溫回升。此過程可使冷卻水溫達到一種動態平衡，保證水溫在90℃左右，以利于發動機較高效率運行。圖1.6是氣動節溫器的控制邏輯圖。

這種節溫器優點在于響應快，工作穩定，可調溫度范圍廣，關閉時無“卡滯”現象，密封性好；缺點在于結構復雜，制造成本高，目前技術并不成熟，尚沒有大范圍推廣開來。

2 包含緩速器的冷卻水路的節溫器選擇

2.1 緩速器簡介

液力緩速器作為車輛的輔助制動系統，逐步成為重卡市場的標配產品，其工作原理是將整車的動能轉化為緩速器工作介質的內能，然后由整車冷卻系統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，這種節溫器獨立于發動機的裝配方式稱為外置式節溫器，有些緩速器專用發動機將此節溫器集成在發動機上，稱為內置式節溫器。

圖1

圖2 （整車冷卻液溫度）

2.2 節溫器選擇

傳統節溫器選擇時更多考慮達到發動機要求的動力性和經濟性。而在加裝緩速器的水路中選取節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生大量的熱量，工作介質的溫度會在短時間內攀升，如果冷卻不及時會導致超溫報警，緩速器不能正常使用，因此選取節溫器時首先要保證較快的開啟響應，需要使用時節溫器能夠迅速打開，使冷卻液經過大循環流動，流經緩速器才有更好的換熱效果，對比石蠟機械式節溫器與電子節溫器對整車冷卻液溫度的影響如圖2。

使用電子節溫器時，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。

其次節溫器的全開溫度不能太高，為使整車冷卻系統有合適的溫升空間。例如若節溫器全開溫度為96℃，使用緩速器時，冷卻液溫度在96℃以下時為小循環或大小循環分流狀態，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，緩速器工作介質溫度已經處于一個高位段，此時冷卻液雖轉變為大循環狀態，然而由于緩速器之前累積的熱量以及持續的緩慢的熱量累積，工作介質的溫度還在攀升，這個過程僅持續1-3min，尚未達到換熱的熱平衡狀態，冷卻系溫度就已經達到 100℃的溫度報警線，此時緩速器已經由于溫度保護需退出工作。因此緩速器水路中的節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溫器開啟溫度，又會對發動機的使用性能產生影響，不能保證發動機運行在的最佳溫度。實驗表明。節溫器全開溫度在 85-90℃時，對發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部件會有更高的要求，發動機的經濟性、動力性和環保因素將會成為要求的一部分，整個冷卻系的溫度可調可控，將冷卻系變成一個智能閉環系統將是最終目標，就其中關鍵部件之一的節溫圖3

器來說，能實現精確控制和可調溫度區間的智能節溫器將是發展方向。目前大學和企業研發機構對這方面的研究很多，結合模擬實際工況的實驗，已經有部分成果可以借鑒使用。

參考文獻

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