节温器的类型以及在缓速器冷却水路中的应用

李沙龙，高帅

（法士特汽车传动研究院智能传动研究所，陕西 西安 710077）

前言

节温器是发动机冷却系统中受冷却液温度控制的阀门，是一种调温装置，一般布置在与散热器串联的管路中，调整流经散热器的冷却液流量。目前在车用发动机上使用的节温器主要为石蜡式节温器、电子节温器以及气动节温器。本文将介绍比较三种节温器并对包含缓速器的冷却水路选用合适的节温器做进一步论述。

1 三种节温器种类

1.1 石蜡机械式节温器

其工作原理是：节温器芯子为石蜡填充，石蜡的体积受温度控制，冷却液温度低时，石蜡呈固态，旁通阀关闭，冷却液走发动机内部小循环，反之，石蜡体积膨胀，旁通阀打开，冷却液走散热水箱大循环。其结构如图1.1所示。节温器阀门开启升程特性如图2所示。S的左侧是固体石蜡膨胀阶段特性，L是液体石蜡膨胀阶段特性，S—L是从固相到液相急剧的体积膨胀阶段，当达到节温器开启的温度，阀门就用热升程来控制冷却液的温度。节温器阀门达到最大升程时通常设定为 8—12 mm。节温器的全开温度通常比开启温度高8—12 ℃。

图1

图2

这种节温器的优点是成本低，易于制造加工，工艺成熟，可靠性高，是目前市场上最常见的节温器形式。他的缺点在于不能精确控制开启闭合温度，响应时间长，关闭节温器时有“卡滞”现象。

1.2 电子节温器

电子节温器本质上同传统石蜡节温器一样，电子节温器可以通过给电信号加热嵌在石蜡中的电热丝，来实现更快的开启或闭合相应，同时不受冷却液温度变化速率影响，可以有更大的温度调节范围。EMS通过PWM脉宽调制信号，驱动加热电阻，加热程度由脉宽和时间决定。同传统机械式节温器比较，电子节温器具有更快的响应速度和更宽的工作温度范围，如图3所示，图4是一种双芯子电子节温器。

图3

图4

这种节温器的优点在于响应快，温度控制范围广，可实现与某一部件的联动开启；缺点在于制造成本高，可靠性差，维修困难，现阶段不利于大范围推广。

1.3 气动节温器

这种气动节温器包括感温驱动机构、感温液、阀门机构、阀座、托架等部件。图5是典型气动节温器的剖面图：

图5

图6

感温液要求沸点合适(常温时应为液态)，汽化后能产生稳定的气压作用于膨胀膜片下表面。它的工作过程可描述为：当发动机温度低于85℃时，感温液2汽化产生的压力不足以克服回位弹簧的预压缩弹力，阀门7在回位弹簧8的预压力作用下紧压在阀座6上，阀门处于关闭状态，发动机中的冷却液走小循环。当发动机温度高于85℃时，感温液汽化产生的压力已能克服回位弹簧的预压缩力，推动膜片向上运动，进而推动活塞及活塞杆向上运动。同时，活塞杆10推动阀门7克服回位弹簧8的预压紧力一起向上运动，将阀门打开。此时，发动机水套中的冷却液进入混合循环状态。直至升高到90℃时，节温器活塞完全打开，冷却液进入大循环，发动机水套中的冷却液温度降低，当温度降至85℃时，感温液2将液化，膨胀膜片1下的压力降低，在回位弹簧8的作用下，阀门、活塞、活塞杆向下运动，减小阀门7的开度，从而减小散热器的冷却强度，直至关闭阀门，促使发动机的水温回升。此过程可使冷却水温达到一种动态平衡，保证水温在90℃左右，以利于发动机较高效率运行。图1.6是气动节温器的控制逻辑图。

这种节温器优点在于响应快，工作稳定，可调温度范围广，关闭时无“卡滞”现象，密封性好；缺点在于结构复杂，制造成本高，目前技术并不成熟，尚没有大范围推广开来。

2 包含缓速器的冷却水路的节温器选择

2.1 缓速器简介

液力缓速器作为车辆的辅助制动系统，逐步成为重卡市场的标配产品，其工作原理是将整车的动能转化为缓速器工作介质的内能，然后由整车冷却系统通过缓速器的热交换器换热并带出。缓速器在车辆冷却系中的位置如图 1，这种节温器独立于发动机的装配方式称为外置式节温器，有些缓速器专用发动机将此节温器集成在发动机上，称为内置式节温器。

图1

图2 （整车冷却液温度）

2.2 节温器选择

传统节温器选择时更多考虑达到发动机要求的动力性和经济性。而在加装缓速器的水路中选取节温器时要考虑到缓速器的工况。缓速器工作时由于制动作用会产生大量的热量，工作介质的温度会在短时间内攀升，如果冷却不及时会导致超温报警，缓速器不能正常使用，因此选取节温器时首先要保证较快的开启响应，需要使用时节温器能够迅速打开，使冷却液经过大循环流动，流经缓速器才有更好的换热效果，对比石蜡机械式节温器与电子节温器对整车冷却液温度的影响如图2。

使用电子节温器时，冷却液的温升能迅速得到抑制，虽然全开温度相等，但电子节温器的使用能更好地控制温升，保证较大的温差，提高换热效率，避免热量过度累积。

其次节温器的全开温度不能太高，为使整车冷却系统有合适的温升空间。例如若节温器全开温度为96℃，使用缓速器时，冷却液温度在96℃以下时为小循环或大小循环分流状态，此时冷却液流量较小，温度攀升较快，缓速器本身的热量不断累积，当冷却液温度达到96℃时，缓速器工作介质温度已经处于一个高位段，此时冷却液虽转变为大循环状态，然而由于缓速器之前累积的热量以及持续的缓慢的热量累积，工作介质的温度还在攀升，这个过程仅持续1-3min，尚未达到换热的热平衡状态，冷却系温度就已经达到 100℃的温度报警线，此时缓速器已经由于温度保护需退出工作。因此缓速器水路中的节温器全开温度不能太高，然而若只考虑缓速器的工作要求一味地降低节温器开启温度，又会对发动机的使用性能产生影响，不能保证发动机运行在的最佳温度。实验表明。节温器全开温度在 85-90℃时，对发动机和缓速器而言都有较好的工作效果。图3为两种不同开启温度的节温器对冷却系温度的影响：

图3

综上所述，未来中国市场上，由于车辆各系统的完善化、复杂化，整车散热工况只会更加复杂，市场对车辆散热系统部件会有更高的要求，发动机的经济性、动力性和环保因素将会成为要求的一部分，整个冷却系的温度可调可控，将冷却系变成一个智能闭环系统将是最终目标，就其中关键部件之一的节温图3

器来说，能实现精确控制和可调温度区间的智能节温器将是发展方向。目前大学和企业研发机构对这方面的研究很多，结合模拟实际工况的实验，已经有部分成果可以借鉴使用。

参考文献

[1] 于萍.工程流体力学.[M]科学出版社,2008.

[2] 工程热力学.清华大学.2007.

[3] 谭克成,宛东.电子控制式节温器设计.装备制造技术,2015年第 8期.

[4] 张群生.液压与气压传动.2011.