调温器主副阀弹簧力的选择匹配

赵前进

（上汽集团股份有限公司技术中心，上海201206）

调温器主副阀弹簧力的选择匹配

赵前进

（上汽集团股份有限公司技术中心，上海201206）

以某四缸发动机调温器为研究对象，通过选择不同弹簧力的调温器以及不同形状的调温器座来进行CAE分析和试验。通过这些CAE分析及试验得出结论是，当水泵的性能确定以及冷却系统中的零部件性能确定后，调温器的主副弹簧力的选择与系统压力及调温器座的形状有主要关系。

发动机调温器主阀弹簧力副阀弹簧力

1 前言

随着社会经济的不断发展，人们的环保意识和节能意识在不断地加强，对发动机的性能、排放以及可靠性要求越来越高。这促进了发动机冷却系统技术的进步，因而对冷却系统中零部件的性能要求也在不断提高，或者要求使用更先进的产品取代传统的零部件［1］。使用传统调温器时，发动机对调温器的要求一般就是初开温度、全开温度、灵敏度及滞后性。这些参数大多数主机厂都是根据经验或者对标得到，所以这样就会造成有的发动机暖机时间过长，或有些发动机在运行中过热、排放不达标、油耗高等问题［2］。其中部分原因是由于调温器主阀弹簧力过小，当大循环没打开时，由于主阀前后压差过大导致主阀异常打开，使得部分冷却水参与小循环进行冷却，所以造成了暖机时间长，最终导致油耗高、排放差等问题。

由于主阀弹簧力过大可能造成调温器滞后严重以及主阀的铆接可靠性差，这样就导致弹簧力既不能太大也不能太小，使其在合理的工作范围内即可。

当大循环全开后，副阀前后压差过大，使副阀无法达到完全关闭状态，这样就导致发动机在高负荷状态下发动机过热，甚至可能导致发动机开锅、气蚀拉缸等重大问题。如果副阀的弹簧力无穷地增大，同样会影响调温器滞后性以及副阀铆接工艺而影响调温器的可靠性。

为了避免以上调温器异常开启而造成发动机性能恶化的问题，前期首先对调温器进行CAE分析模拟。根据系统压力、调温器座、调温器盖以及调温器本身的结构特点，模拟出调温器总成的压损，最终得出主阀及副阀前后压差［3］。再根据此压差进行调温器发动机台架试验，不断地优化和试验，最终选择出合适的调温器弹簧力。

图1 一维模拟模型

图2 三维数模受力图

2 CAE分析

2.1 一维模拟计算

通过flomaster分析软件，根据时间整车布置建立一维模拟模型，见图1。输入每个零部件的压损和流量曲线，水泵转速和流量曲线以及效率，节温器的初开和全开温度值以及正确的温升曲线。

通过CAE模拟得出的优化方案要优于原方案，再根据一维模拟的压损值，初步计算得出主副弹簧力的大小，如图2所示。

2.2 三维CFD分析

本次三维CFD计算共模拟了三种方案：A方案为原始方案，B方案为优化节温器内的圆角，C方案为优化小循环管径的大小。为了减少调温器压损，同时使调温器内部水流均匀性更好，最终确定B方案。这是因为B方案流速均匀性好，且改进后调温器压损最小。A方案压损较大，C方案水流的均匀性较差。

根据系统压力对调温器座、调温器盖以及调温器总成进行CAE模拟。通过模拟来优化调温器进出水通道使其压损尽可能地低，减少调温器两个阀门前后的压差，见图3、图4和图5。

从图3可知，在结构上主要优化了副阀门的进水通道，同时在原先的基础上增加了倒角。增加倒角后压力损失有所降低，进口1和出口之间的压差由67 kPa降至56 kPa，进口2和出口之间的压差由12 kPa减少到8 kPa。

对比优化前后压损变化见表1。主要优化了副阀门的进水通道，同时在原先的基础上增加了倒角。从压力图及压力值上可以看出，优化后调温器副阀前后压力损失（即进口1与出口间压差）相对减少了很多。从速度矢量图可以看出优化后的模型冷却液回流要少于原模型。调温器的压损降低，流程均匀得到了改善。

图3 优化前后模型对比

图4 总压分布对比

图5 速度矢量图

3 试验分析

3.1 试验装置和试验条件

试验是在发动机试验台架上进行的，在发动机正前方放置一台鼓风机，来模拟整车行驶状态。风扇和散热器以及护风圈之间的安装距离完全符合整车要求。对调温器圆角进行了试验验证，试验装置原理图如图6所示。试验环境参数：标准大气压，温度为28℃。

表1 优化前后压差对比

图6 试验装置示意图

图7 原机温升曲线图

3.2 主阀弹簧力改进试验

选有两组不同主阀弹簧力的调温器进行试验，分别为70 kPa和130 kPa。图7为原机所用主阀弹簧力为70 kPa的调温器的温升曲线。

从图7可以看出，在3 500～4 000 r/min的转速装了主阀弹簧力为130 kPa的调温器的发动机温升运行曲线。从图中可以看出，发动机转速为4 000 r/min时，调温器没有异常打开现象。

改进前后发动机暖机时间对比曲线见图9。图中曲线表明不同调温器主阀弹簧力暖机时间是不同的。当发动机在相同工况运行1 200 s时间后，调温器主阀弹簧力为70 kPa时，水温升到47℃；调温器主阀弹簧力为130 kPa时，水温则升到56℃。

由此可知，主阀弹簧力为70 kPa的调温器暖机时间相对较长，暖机时间长会直接影响用户的舒适度，并间接地导致油耗高和排放差。这种现象是发动机厂家所不愿看到的。

通过以上CAE模拟、理论计算以及试验得出这样的结论，同一个冷却系统中，若调温器采用不同的主阀弹簧力，可能会导致发动机在运行过程中调温器主阀的异常开启。调温器主阀异常打开后，范围内，发动机水温下降比较明显，这说明此时调温器主阀已经打开，且开度较大。但是此时水温仅为76℃，而调温器的设计初开温度为78℃，全开温度为92℃。当发动机转速降低后，发动机水温逐渐升高。该区段水温变化曲线说明，当发动机在3 500～4 000 r/min时，由于调温器主阀前后压差较大，使得调温器主阀异常打开，从而导致了发动机水温下降，最终影响到发动机暖机时间、油耗、排放等性能参数。

更换增加主阀弹簧力的调温器，其他条件相同，在同一台发动机进行重复试验。图8给出了安会导致暖机时间延长，造成汽车内暖风效果差，除霜除雾功能无法完成，从而导致用户的舒适度差，引起用户的抱怨。同时暖机时间长还会使机油温度低，零部件运行时摩擦功大，以及缸体缸盖温度过低等导致发动机在启动和低负荷阶段时油耗高，以及燃烧不充分而导致的排放差。

由于在调温器内部很难安装传感器，调温器副阀弹簧力在试验过程中无法进行测量。副阀异常打开的情况是指调温器主阀的打开行程大于8 mm时，也就是说调温器全开的情况下，调温器副阀处打开。如果此时副阀打开，冷却液走小循环，冷却液就不经过散热器进行冷却，就会造成发动机内的冷却液温度不断地上升，最终导致冷却液沸腾开锅。这表明发动机运行在高温情况下，冷却液沸腾后会导致发动机拉缸，导致发动机报废。

图8 发动机温升曲线图

图9 不同调温器主阀弹簧力的暖机时间

4 结论

发动机研发前期对节温器壳体及主阀前后进行一维分析和三维CFD分析，再通过计算，来确定调温器主副阀弹簧力，解决了调温器异常开启导致发动机暖机时间过长的问题。

［1］刘毅，周大森，张红光.车用内燃机冷却系统动态传热模型［J］.内燃机工程，2007（3）.

［2］陆际清.汽车发动机设计［M］.北京：清华大学出版社，1993.

［3］成晓北，潘立，周祥军.车用发动机冷却系统工作过程与匹配计算［J］.汽车工程，2008，30（9）.

Selection the Thermostat of Main Valve Spring Force and Bypass Valve Spring Force

Zhao Qianjing
（SAIC Group Co.，Ltd.，Technical Center，Shanghai 201206，China）

In this paper，taking a four-cylinder engine thermostat as research subject.Adopting a method which is CAE and test contrast and analysis.selecting different spring strength of the thermostat to do CAE and test contrast and analysis through those CAE and test contrast and analysis，the conclusion is that when the cooling system parts are confirmed（contain pump，radiator，oil cooler，cabin heat and so on）the thermostat spring force have a main relation with cooling system pressure and the thermostat house structure.

engine，thermostat，main valve spring force，bypass valve spring force

10.3969/j.issn.1671-0614.2015.04.007

来稿日期：2015-04-21

赵前进（1981-），男，本科，主要研究方向为发动机热管理技术。