浅述节温器的发展

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摘 要：本文浅述了节温器作为汽车内燃机冷却系统中控制冷却液流动路径的关键零部件所起的重要作用，论述了传统节温器以石蜡为感温介质在大小循环中存在“响应延迟”和“滞回”特性，无法满足冷却系统精准控制的要求。简要分析了节温器的国内外发展现状并提出了新型节温器将向结构优化、冷却液回路优化和智能电控方向发展的趋势。

关键词：冷却系统 节温器 发展趋势

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0056-02

节温器作为内燃机冷却系统的核心部件，在保证内燃机正常工作的同时，对内燃机的燃油经济性、排放等性能有重要影响。其发展受到汽车行业的高度重视。

1 国内外发展现状

1.1 机械式节温器的国内外发展现状

如图1所示，作为传统机械式节温器的主题—石蜡节温器存在响应延迟和加热、冷却过程的“滞回”特性[1]，其对内燃机性能的制约主要表现在：（1）节温器开启行程需要时间较常，大小循环并行，冷却液温升缓慢，暖机时间长。（2）石蜡节温器的响应延时和“滞回”特性，导致节温器无法根据内燃机水温变化做出实时的、准确的响应。因此电子风扇与节温器间很难做到精确匹配。（3）石蜡节温器的开度与冷却液温度之间并不是一一对应的关系，无法实现冷却液大、小循环流量分配的精确控制。

因此，各国工程技术人员在机械式节温器研究方面开展了大量工作，以克服石蜡节温器产生的上述问题。

1.1.1 温控驱动元件的改进

上海工程技术大学以石蜡节温器为母体，以一根圆柱卷簧状铜基形状记忆合金为温控驱动元件开发出一种新型节温器。该节温器在汽车启动缸体温度较低时偏置弹簧，压缩合金弹簧使主阀关闭副阀打开，进行小循环，当冷却液温升到一定值时，记忆合金弹簧膨胀，压缩偏置弹簧使节温器主阀打开，且随着冷却液温度的升高主阀开度逐渐增加，副阀逐渐关闭，进行大循环[2]。

记忆合金作为温控单元，使得阀门开启动作随温度的变化比较平缓，有利于减少内燃机启动时水箱内的低温冷却水对缸体造成的热应力冲击，同时提高了节温器的使用寿命。但是该节温器是在蜡式节温器的基础上改造而来的，温控驱动原件的结构设计受到一定程度的限制。

1.1.2 阀门的改进

节温器对冷却液具有节流作用，冷却液流经节温器的沿程损失导致内燃机的功率损失是不可忽视的，2001年，山东农业大学袁丽艳、郭新民等人将节温器的阀门设计成侧壁带孔的薄型圆筒，由侧孔和中孔形成液流通道，并选用黄铜或者铝做阀门的材料，使阀门表面光滑，从而达到降低阻力的效果，提高节温器的工作效率[3]。

1.1.3 冷却介质的流动回路优化

理想的内燃机热工作状态是气缸盖温度较低而气缸体温度相对较高。为此，出现了分流式冷却系统[4]，而节温器的结构及安装位置在其中扮演着重要角色。如广泛采用的双节温器联合工作的安装结构，两个节温器安装在同一个支架上，温度传感器安装在第二个节温器处，冷却液液流量的1/3用来冷却气缸体，2/3冷却液流量用来冷却汽缸盖。

1.2 电子节温器的国内外发展现状

电子节温器根据发动机的工作状态及环境温度，通过与水泵、电子风扇的匹配可以精确控制内燃机的进出水温度，提高内燃机的功率及燃油经济性，并降低排放。

在国外，美国伊顿公司于利用电动蝶阀对冷却液的循环流量进行控制，并提出了电子节温器系统的概念。1996年，英国巴斯大学建立了内燃机冷却系统的数学模型并利用计算机仿真技术对节温器的PID控制策略进行了研究[5]。1997年，美国Oakland大学引入带迟滞的延时差分方程来描述节温器在发动机冷却系统工作过程中的动态特性，并且给出了该模型数值解的算法。他们的理论研究对分析节温器对内燃机冷却系统动态性能的影响起到了指导作用[6，7]。2002年至2006年，美国Clemson大学采用伺服电机驱动齿轮和螺杆，将螺杆的旋转运动转化成活塞（阀芯）的伸缩运动，从而实现对冷却液大小循环通道的切换，开展了智能节温器的研究[8～10]。2009年，T.Mitchen等人采用石蜡节温器、电动两通阀、电动三通阀和不安装节温器四种情况下分别进行了发动机暖机实验。他们的研究认为用电动三通阀这种形式，在发动机暖机时间和燃油经济性方面的性能最好[11]。

在国内，电子节温器的研究刚处于起步阶段。2004年，清华大学对传统节温器存在的响应延迟和“滞回”特性对发动机冷却系统动态性能的影响进行了研究。他们在对节温器和散热器等发动机部件集总参数的研究基础上，利用质量守恒、能量守恒和动量守恒等控制方程建立了描述热系统复杂动力学过程的数学模型，对节温器在冷却过程中的热系统动态特性进行了仿真计算。为节温器的智能电控化奠定了一定的理论基础。2009年，长安汽车研究总院对电子节温器的节油潜力和热负荷进行了研究评估。他们对一台使用电子节温器的增压汽油机进行了稳态试验，并进行了初步的CAE分析。结果表明，在中低负荷、发动机的BMEP在小于300000 MPa时，当发动机出口冷却液温度从85 ℃提高到105 ℃，油耗降低2%左右。2010年，山东柳日光设计了一款阀片式电子节温器，该电子节温器的结构特点是含有：壳体、阀片、转动轴、电机、ECU、温度传感器，壳体上有三个接口分别是大小循环冷却液出口和冷却进入口。壳体内安装阀片，利用水温传感器将发动机水温信号传给ECU，ECU控制电机来确定阀片的开启角度，控制小循环时间及大循环冷却液的流量。2011年，浙江大学的王帅、俞小丽等人在冷却系统中将电动三通比例阀代替了传统的机械式节温器，实现了节温器的智能电控化。他们采用电动三通比例阀作为电子节温器的执行机构，并基于模糊控制原理，开发了以内燃机冷却液出口温度与目标温度的误差和误差变化率为输入、比例阀的开启角度为输出的双输入单输出的模糊控制策略，并将控制策略在STC12C5A6OS2单片机上运行，实现了对电动三通比例阀开启角度的实时控制。从而实现了对大小循环的精确控制[12]。2012年，武汉理工大学、华中科技大学和东风汽车商用车技术中心共同研究了一种节温器、风扇和水泵同时电控化的新型冷却系统。基于反馈线性化和模糊控制理论分别设计了非线性控制器、基本模糊控制器和变论域模糊控制器，并进行了试验和仿真研究。实现了节温器、风扇和水泵联合智能电控参数共享和互补，提高了冷却系统的整体性能[13]。

总之，国外节温器的研究普遍采用电动执行机构和嵌入式控制单元，并从系统角度开展节温器、风扇、水泵等执行器的智能化控制，且在控制策略的设计过程中较多应用了计算机仿真技术。而国内相关研究还处于比较初级的阶段，主要着眼于通过机械的方法来改善节温器性能。

2 结论

近年来汽车行业发展的最大特征是电子技术的成功引入，其精度高、反应快、可靠性强的重要特点使汽车的性能与技术有了新的起点。而内燃机是汽车的核心部件，传统的节温器存在的“响应延迟”和“滞回”特性的问题随着内燃机整体性能的提升变得越来越突出。因此从结构优化、冷却液回流路径分流方式和控制策略上对节温器进行研究对于减少内燃机工作损伤、降低冷却系统功耗、减少燃油消耗，提高内燃机功率具有重要的意义。

总之，只有对冷却系统各个环节进行深入地研究，多方面寻求提高冷却性能的有效途径，合理利用和发挥各个方法的潜在优势，才能实现冷却系统的高效化和低耗化，进而从整体上提高内燃机的性能。

参考文献

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