动机节温器布置在进、出水管位置的探讨

松下望月

本文探讨了发动机节温器的布置形式，分析不同节温器的工作特点和对冷却系统产生的影响，重点研究了节温器布置在发动机进、出水管的优缺点，并通过试验研究对比节温器布置在发动机不同位置处的冷却水温度的控制特性。
发动机冷却系统带走的热量占燃料的总释放热量的20%~30%，发动机在低温环境部分负荷下，冷却系统带走的热量会更多。一方面，如果发动机冷却系统带走的热量过多，会使发动机过冷，从而产生燃烧不稳定，燃烧迟缓，功率下降，燃油消耗量升高。同时还会使润滑油粘度增大，造成润滑不良，零件磨损加剧等严重后果。另一方面，如果发动机中冷却液带走热量过少，会引起发动机过热，从而使汽油机产生早燃、爆震烧蚀活塞顶，柴油机喷油嘴结胶、过热烧死，缸盖热应力开裂，进排气门座变形和漏气烧蚀气门等一系列问题。
因此，精确控制冷却液的温度，合理分配冷却液带走热量变得尤为重要。
节温器的形式及工作原理
1.节温器形式
目前强制式水冷系统中应用最多的节温器是蜡式节温器，除此之外还有乙醚皱纹筒式节温器。按照承载压力又可分为重型节温器（heavy duty thermostat）和轻型节温器（light duty thermostat）两种。蜡式节温器根据通流形式不同又可分为底通型、直通型和旁通型三种（见图1）。

图2  节温器动态控制（节温器布置在出水口处）

随着发动机电控技术的日益完善，电子水泵、电子节温器也更多的应用在汽车发动机上，它由ECU通过对相关信号的采集、计算得出需要的冷却液温度，进而对节温器的开关及升程进行精确控制，以保证发动机冷却液的温度一直保持最佳值。
2.蜡式节温器工作原理
蜡式节温器的工作机理是在橡胶管和感应体之间的空间里装有石蜡，为提高导热性，石蜡中常掺有铜粉或铝粉。常温时，石蜡呈固态，阀门压在阀座上。这时阀门关闭通往散热器的水路，来自发动机机体出水口的冷却液，经水泵又流回机体水套中，进行小循环。当发动机水温升高时，石蜡逐渐变成液态，体积随之增大，迫使橡胶管收缩，从而对反推杆上端头部产生向上的推力。由于反推杆上端固定，故反推杆对橡胶管、感应体产生向下反推力，阀门开启当发动机水温达到一定温度时，阀门全开，来自机体出水口的冷却液流向散热器，而进行大循环。此种节温器的优点在于其工作不受压力的限制，控制调节稳定，工作可靠。

图3  节温器动态控制时间（节温器布置在出水口处）

节温器布置方式及特点
1.节温器的布置形式
节温器的布置按照大循环所处位置可以分别布置在发动机进水口和出水口处，按照机体中的位置可以布置在缸盖内部和缸盖外部，也有与水泵布置在一起的。本文重点探讨的是前面的两种布置形式对发动机冷却系统的影响。
2.不同节温器布置的工作特点
如果节温器布置在出水口处（见图2），当冷却液温度较低时，节温器大循环关闭，冷却液经过小循环流经水泵入口，发动机迅速暖机。当冷却液温度达到石蜡融化温度时，节温器主阀门开启，高温冷却液流入散热器，散热器中的低温冷却液经由水泵直接泵入机体内部，低温冷却液再次对发动机冷却。根据冷却液温度的不同，节温器主阀门升程不同，从而控制流经散热器大循环的冷却液流量，调节发动机的冷却液温度。

图4  节温器动态控制（节温器布置在进水口处）

节温器动态控制这个过程中，如果散热器的冷却液温度很低，而且冷却液容量很大，那么这个动态控制时间会比较长，冷却液温度处于一定范围内波动（见图3）。
节温器的这种布置方式，对冷却液温度感应敏感，调节迅速，具有较好的防止发动机“开锅”功能。同时在加注冷却液时，节温器上排气孔的排气方向是朝向出水方向的，更有利于发动机的排气。但是如果车辆发动机在低温地带运行，环境温度较低，车辆工况变化复杂，将会导致冷却液温度波动较大，调节周期较长，温度的波动会使发动机冷却液带走更多的热量，造成一定的能量损耗，从而导致油耗升高。
发动机冷却液温度的波动情况可以通过节温器动态平衡时间来确定。由图3可以看出，在初始进水温度32℃下，发动机暖机过程约为200s，冷却液温度波动约10℃。
节温器布置在进水口处（见图4），当发动机内循环的冷却液温度达到石蜡融化温度时，节温器主阀门开启，散热器中的低温冷却液经节温器后再由水泵泵入机体内部，高温冷却液经出水管流入散热器，进行大循环。在发动机条件相同的情况下，此种节温器布置的冷却液温度控制与节温器布置在出水口处的情况有所不同。

图5  节温器动态控制时间（节温器布置在进水口处）

当发动机本体内冷却液温度达到节温器开启温度时，节温器主阀门打开，一定量低温冷却液流经节温器，经过发动机加热，进入大循环散热器中，散热器另一端内的低温冷却液进入节温器，发动机温度下降，节温器探测到发动机温度的降低，将主阀门关闭，这样完成第一次开起和关闭。在节温器的这种控制过程中，只有很少的一部分低温冷却液进入机体，冷却液温度控制比较迅速，波动较小。
节温器布置在进水管口的工作形式可以减小发动机内冷却液的温度波动，作为调节温度的装置，节温器在进水口的布置更有利于对发动机内冷却液的精确控制，每次进入机体内的低温冷却液的流量相对来说比较少，可以降低发动机机体内冷热冲击的程度。同时，节温器的开口方向与进水方向一致，降低进水波动，使冷却液的流入更加顺畅，节温器压降较小。
但此种布置形式使节温器波动频繁，控制延迟。节温器布置在进水口处，某些工况下使节温器探测的温度比实际机体温度偏低，为了使节温器探测到的温度更接近于机体内的温度，通常在旁通阀处开一个小孔，使机体内的冷却液喷到调温器石蜡感应处，使其探测到的温度更趋近于机体内温度。图5是节温器布置在发动机进水口处的水温控制。从图中可以看到，在初始进水温度34℃下，发动机暖机过程约为125s，冷却液温度波动约6℃，暖机过程相对节温器布置在出水口位置快，冷却液温度控制比较精确，波动较小。

李超

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