淺述節(jié)溫器的發(fā)展

摘 要：本文淺述了節(jié)溫器作為汽車內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)中控制冷卻液流動路徑的關(guān)鍵零部件所起的重要作用，論述了傳統(tǒng)節(jié)溫器以石蠟為感溫介質(zhì)在大小循環(huán)中存在“響應(yīng)延遲”和“滯回”特性，無法滿足冷卻系統(tǒng)精準(zhǔn)控制的要求。簡要分析了節(jié)溫器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀并提出了新型節(jié)溫器將向結(jié)構(gòu)優(yōu)化、冷卻液回路優(yōu)化和智能電控方向發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng) 節(jié)溫器 發(fā)展趨勢

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

節(jié)溫器作為內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的核心部件，在保證內(nèi)燃機(jī)正常工作的同時，對內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放等性能有重要影響。其發(fā)展受到汽車行業(yè)的高度重視。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 機(jī)械式節(jié)溫器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

如圖1所示，作為傳統(tǒng)機(jī)械式節(jié)溫器的主題—石蠟節(jié)溫器存在響應(yīng)延遲和加熱、冷卻過程的“滯回”特性[1]，其對內(nèi)燃機(jī)性能的制約主要表現(xiàn)在：（1）節(jié)溫器開啟行程需要時間較常，大小循環(huán)并行，冷卻液溫升緩慢，暖機(jī)時間長。（2）石蠟節(jié)溫器的響應(yīng)延時和“滯回”特性，導(dǎo)致節(jié)溫器無法根據(jù)內(nèi)燃機(jī)水溫變化做出實(shí)時的、準(zhǔn)確的響應(yīng)。因此電子風(fēng)扇與節(jié)溫器間很難做到精確匹配。（3）石蠟節(jié)溫器的開度與冷卻液溫度之間并不是一一對應(yīng)的關(guān)系，無法實(shí)現(xiàn)冷卻液大、小循環(huán)流量分配的精確控制。

因此，各國工程技術(shù)人員在機(jī)械式節(jié)溫器研究方面開展了大量工作，以克服石蠟節(jié)溫器產(chǎn)生的上述問題。

1.1.1 溫控驅(qū)動元件的改進(jìn)

上海工程技術(shù)大學(xué)以石蠟節(jié)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(qū)動元件開發(fā)出一種新型節(jié)溫器。該節(jié)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(guān)閉副閥打開，進(jìn)行小循環(huán)，當(dāng)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(jié)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(guān)閉，進(jìn)行大循環(huán)[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(nèi)燃機(jī)啟動時水箱內(nèi)的低溫冷卻水對缸體造成的熱應(yīng)力沖擊，同時uS+85Dlg7pC/FCJjmlNiRBSNu+F45dUk3khlAqld/S8=提高了節(jié)溫器的使用壽命。但是該節(jié)溫器是在蠟式節(jié)溫器的基礎(chǔ)上改造而來的，溫控驅(qū)動原件的結(jié)構(gòu)設(shè)計受到一定程度的限制。

1.1.2 閥門的改進(jìn)

節(jié)溫器對冷卻液具有節(jié)流作用，冷卻液流經(jīng)節(jié)溫器的沿程損失導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)的功率損失是不可忽視的，2001年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)袁麗艷、郭新民等人將節(jié)溫器的閥門設(shè)計成側(cè)壁帶孔的薄型圓筒，由側(cè)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(dá)到降低阻力的效果，提高節(jié)溫器的工作效率[3]。

1.1.3 冷卻介質(zhì)的流動回路優(yōu)化

理想的內(nèi)燃機(jī)熱工作狀態(tài)是氣缸蓋溫度較低而氣缸體溫度相對較高。為此，出現(xiàn)了分流式冷卻系統(tǒng)[4]，而節(jié)溫器的結(jié)構(gòu)及安裝位置在其中扮演著重要角色。如廣泛采用的雙節(jié)1vWy4qqwohPBZKIv9S3WHB5rRQ3kJbZQGB9gchi8WA8=溫器聯(lián)合工作的安裝結(jié)構(gòu)，兩個節(jié)溫器安裝在同一個支架上，溫度傳感器安裝在第二個節(jié)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(jié)溫器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

電子節(jié)溫器根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)及環(huán)境溫度，通過與水泵、電子風(fēng)扇的匹配可以精確控制內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)出水溫度，提高內(nèi)燃機(jī)的功率及燃油經(jīng)濟(jì)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(huán)流量進(jìn)行控制，并提出了電子節(jié)溫器系統(tǒng)的概念。1996年，英國巴斯大學(xué)建立了內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并利用計算機(jī)仿真技術(shù)對節(jié)溫器的PID控制策略進(jìn)行了研究[5]。1997年，美國Oakland大學(xué)引入帶遲滯的延時差分方程來描述節(jié)溫器在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)工作過程中的動態(tài)特性，并且給出了該模型數(shù)值解的算法。他們的理論研究對分析節(jié)溫器對內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)動態(tài)性能的影響起到了指導(dǎo)作用[6，7]。2002年至2006年，美國Clemson大學(xué)采用伺服電機(jī)驅(qū)動齒輪和螺桿，將螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成活塞（閥芯）的伸縮運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對冷卻液大小循環(huán)通道的切換，開展了智能節(jié)溫器的研究[8～10]。2009年，T.Mitchen等人采用石蠟節(jié)溫器、電動兩通閥、電動三通閥和不安裝節(jié)溫器四種情況下分別進(jìn)行了發(fā)動機(jī)暖機(jī)實(shí)驗(yàn)。他們的研究認(rèn)為用電動三通閥這種形式，在發(fā)動機(jī)暖機(jī)時間和燃油經(jīng)濟(jì)性方面的性能最好[11]。

在國內(nèi)，電子節(jié)溫器的研究剛處于起步階段。2004年，清華大學(xué)對傳統(tǒng)節(jié)溫器存在的響應(yīng)延遲和“滯回”特性對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)動態(tài)性能的影響進(jìn)行了研究。他們在對節(jié)溫器和散熱器等發(fā)動機(jī)部件集總參數(shù)的研究基礎(chǔ)上，利用質(zhì)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(tǒng)復(fù)雜動力學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型，對節(jié)溫器在冷卻過程中的熱系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行了仿真計算。為節(jié)溫器的智能電控化奠定了一定的理論基礎(chǔ)。2009年，長安汽車研究總院對電子節(jié)溫器的節(jié)油潛力和熱負(fù)荷進(jìn)行了研究評估。他們對一臺使用電子節(jié)溫器的增壓汽油機(jī)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，并進(jìn)行了初步的CAE分析。結(jié)果表明，在中低負(fù)荷、發(fā)動機(jī)的BMEP在小于300000 MPa時，當(dāng)發(fā)動機(jī)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(shè)計了一款閥片式電子節(jié)溫器，該電子節(jié)溫器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是含有：殼體、閥片、轉(zhuǎn)動軸、電機(jī)、ECU、溫度傳感器，殼體上有三個接口分別是大小循環(huán)冷卻液出口和冷卻進(jìn)入口。殼體內(nèi)安裝閥片，利用水溫傳感器將發(fā)動機(jī)水溫信號傳給ECU，ECU控制電機(jī)來確定閥片的開啟角度，控制小循環(huán)時間及大循環(huán)冷卻液的流量。2011年，浙江大學(xué)的王帥、俞小麗等人在冷卻系統(tǒng)中將電動三通比例閥代替了傳統(tǒng)的機(jī)械式節(jié)溫器，實(shí)現(xiàn)了節(jié)溫器的智能電控化。他們采用電動三通比例閥作為電子節(jié)溫器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并基于模糊控制原理，開發(fā)了以內(nèi)燃機(jī)冷卻液出口溫度與目標(biāo)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(jī)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對電動三通比例閥開啟角度的實(shí)時控制。從而實(shí)現(xiàn)了對大小循環(huán)的精確控制[12]。2012年，武漢理工大學(xué)、華中科技大學(xué)和東風(fēng)汽車商用車技術(shù)中心共同研究了一種節(jié)溫器、風(fēng)扇和水泵同時電控化的新型冷卻系統(tǒng)?；诜答伨€性化和模糊控制理論分別設(shè)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(jìn)行了試驗(yàn)和仿真研究。實(shí)現(xiàn)了節(jié)溫器、風(fēng)扇和水泵聯(lián)合智能電控參數(shù)共享和互補(bǔ)，提高了冷卻系統(tǒng)的整體性能[13]。

總之，國外節(jié)溫器的研究普遍采用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和嵌入式控制單元，并從系統(tǒng)角度開展節(jié)溫器、風(fēng)扇、水泵等執(zhí)行器的智能化控制，且在控制策略的設(shè)計過程中較多應(yīng)用了計算機(jī)仿真技術(shù)。而國內(nèi)相關(guān)研究還處于比較初級的階段，主要著眼于通過機(jī)械的方法來改善節(jié)溫器性能。

2 結(jié)論

近年來汽車行業(yè)發(fā)展的最大特征是電子技術(shù)的成功引入，其精度高、反應(yīng)快、可靠性強(qiáng)的重要特點(diǎn)使汽車的性能與技術(shù)有了新的起點(diǎn)。而內(nèi)燃機(jī)是汽車的核心部件，傳統(tǒng)的節(jié)溫器存在的“響應(yīng)延遲”和“滯回”特性的問題隨著內(nèi)燃機(jī)整體性能的提升變得越來越突出。因此從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、冷卻液回流路徑分流方式和控制策略上對節(jié)溫器進(jìn)行研究對于減少內(nèi)燃機(jī)工作損傷、降低冷卻系統(tǒng)功耗、減少燃油消耗，提高內(nèi)燃機(jī)功率具有重要的意義。

總之，只有對冷卻系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)進(jìn)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(fā)揮各個方法的潛在優(yōu)勢，才能實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的高效化和低耗化，進(jìn)而從整體上提高內(nèi)燃機(jī)的性能。

參考文獻(xiàn)

[1]陳家瑞，張建文.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006（2）：1-2.

[2]陳志恒，周連庚，嚴(yán)敏杰.形狀記憶合金節(jié)溫器的研制[J].東華大學(xué)學(xué)報（自認(rèn)科學(xué)版），2002，28（6）：92-95.

[3]袁燕利，邢娟，郭新民，等.新型電控節(jié)溫器的研究設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，2001（1）：78-80.

[4]Couetouse H and Gentile.Cooling System Control in Automotive Engine. SAE920788.

[5]Andrew A.Kenny，C.F.B，Brain T. Creed，Electronic Thermostat System for Automotive Engines[J].SAE Paper，880265.

[6]X.ZOU，J.A.J.a.M.S.，A dynamic model for a thermostat[J].Journal of Engineering Mathematics，1999：291- 310.

[7]S.P. Tomlinson，C.R.B.，Design of a Feed back Controlled Thermostat for a Vehicle Cooling System[J].SAE Paper，961823.

[8]John H.Chastain，J.R.W.，Advanced Thermal，Management for Initial[J].SAE paper，2006-01-1232.

[9]John R.Wagner，M.C.G.a.D.W. D. Coolant Flow Control Strategies for Automotive[J].SAE Paper 2002-0713.

[10]John R.Wagner，V.S.D.M.D，Smart Thermostat and Coolant Pump Control for Engine Thermal Management Systems[J].SAE Paper，2003，1：272.

[11]Mitchell，T.et.al.，Automotive Thermostat Valve Configurations： Enhanced Warm-UP Performance.[J].Journal of Dynamite Systems Measurement and Control-Transactions of the Asme，2009（4）：131.

[12]王帥，俞小麗.電子節(jié)溫器設(shè)計開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].車用發(fā)動機(jī)，2011（6）.

[13]鄧義斌，黃榮華，王兆文，等.發(fā)動機(jī)電控冷卻系統(tǒng)建模設(shè)計與優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42（1）：31-34-38.