Электрический термостат

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств, в том числе в автомобильной промышленности. Термостат, содержащий твердый наполнитель, электронагреватель, корпус с патрубками подвода охлаждающей жидкости из двигателя, отвода на перепуск (в двигатель) и на радиатор, два клапана, установленные внутри корпуса на штоке, датчики температуры и нагрузки, блок сравнения, блок управления, упомянутый термостат установлен в корпусе с возможностью теплообмена твердого наполнителя с охлаждающей жидкостью системы охлаждения и электронагревателем, установленным вне среды охлаждающей жидкости, вход которого подключен к блоку управления, выход через наполнитель, удлиненный шток, направляющую втулку связан с клапанами. Термостат также может содержать встроенный в него термоэлектрический элемент, установленный вне среды охлаждающей жидкости, вход которого подключен к блоку управления, выход через наполнитель, удлиненный шток, направляющую втулку связан с клапанами, а спаи термоэлектрического элемента через теплообменник подключены к охлаждающей жидкости системы охлаждения. Кроме того, электрический термостат внутри корпуса дополнительно может содержать механический термостат, связанный с электрическим термостатом с возможностью параллельной их работы и отключения электрического термостата на номинальных нагрузках. Изобретение обеспечивает поддержание оптимального температурного режима на номинальных нагрузках и повышение температуры охлаждающей жидкости на частичных нагрузках в пределах зоны неравномерности. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств, в том числе в автомобильной промышленности.

Известно «Устройство для регулирования охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания» [1]. Устройство содержит корпус с патрубками подвода охлаждающей жидкости из двигателя, отвода на перепуск и радиатор с двумя клапанами, установленными на штоке, связанным с блоком управления, вход которого соединен с датчиком температуры двигателя. Шток установлен в полости твердого наполнителя, который связан с термоэлектрическим элементом (термоэлектрическим модулем), подсоединенным к выходу блока управления. При работе двигателя под действием твердого наполнителя и термоэлектрического элемента происходит своевременное открытие и закрытие клапанов и поддерживается заданная температура охлаждающей жидкости.

Однако известное устройство имеет следующие недостатки.

Термоэлектрический элемент устанавливается в среде охлаждающей жидкости, что приводит к затруднениям во время монтажа, эксплуатации и ремонта термостата. Кроме того, при установке термоэлектрического элемента увеличиваются габаритные размеры корпуса термостата, что не желательно для автомобильных двигателей (например, двигатель ЗМЗ 406).

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является термостат с электрическим подогревом [2].

Принципиальное механическое устройство электрического термостата соответствует обычному термостату с твердым наполнителем. Однако дополнительно в расширительный элемент встроен обогревательный электрический элемент. Этот термостат установлен в корпусе и имеет патрубки подвода охлаждающей жидкости из двигателя и отвода на перепуск и на радиатор. Кроме того, термостат содержит датчики температуры, нагрузки и электронный блок управления.

В период прогрева термостат обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости по малому кругу, минуя радиатор, способствуя ускорению прогрева охлаждающей жидкости. При включении электрического подогрева управляющий элемент термостата обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости по малому кругу, минуя радиатор, в результате чего происходит быстрый прогрев и поддержание высокой температуры охлаждающей жидкости. Температуру жидкости контролируют датчики, по сигналам которых электронный блок управляет работой термостата. При работе на номинальных нагрузках, благодаря подогреву расширительного элемента, происходит открытие клапана на радиатор, закрытие клапана на перепуск и происходит регулирование температуры охлаждающей жидкости по заданному алгоритму.

Недостатком данного термостата является то, что, обогревательный электрический элемент встроен с твердым наполнителем, установлен в среде охлаждающей жидкости, что вызывает затруднения во время монтажа, эксплуатации и ремонта термостата.

Заявляемое изобретение решает задачу создания быстродействующего электрического термостата, обладающего автоматическим поддержанием оптимальной температуры охлаждающей жидкости на всех режимах работы двигателя.

Техническим результатом при этом является поддержание оптимального температурного режима на номинальных нагрузках и повышение температуры охлаждающей жидкости на частичных нагрузках в пределах зоны неравномерности.

Технический результат достигается тем, что в известном термостате, содержащем твердый наполнитель, электронагреватель, корпус с патрубками подвода охлаждающей жидкости из двигателя, отвода на перепуск (в двигатель) и на радиатор, два клапана, установленные внутри корпуса на штоке, датчики температуры и нагрузки, блок сравнения, блок управления, упомянутый термостат установлен в корпусе с возможностью теплообмена твердого наполнителя с охлаждающей жидкостью системы охлаждения и электронагревателем, установленным вне среды охлаждающей жидкости, вход которого подключен к блоку управления, выход через наполнитель, удлиненный шток, направляющую втулку связан с клапанами. Термостат может также содержать встроенный в него термоэлектрический элемент, установленный вне среды охлаждающей жидкости, вход которого подключен к блоку управления, выход через наполнитель, удлиненный шток, направляющую втулку связан с клапанами, а спаи термоэлектрического элемента через теплообменник подключены к охлаждающей жидкости системы охлаждения. Кроме того, электрический термостат внутри корпуса дополнительно может содержать механический термостат, связанный с электрическим термостатом с возможностью параллельной их работы и отключения электрического термостата на номинальных нагрузках.

На приведенных чертежах (фиг.1, 2, 3) представлен электрический термостат для регулирования температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения. Электрический термостат (фиг.1) содержит корпус 1 с тремя патрубками; 2 - для подвода охлаждающей жидкости из двигателя, 3 - для отвода охлаждающей жидкости на перепуск (в двигатель), 4 - для отвода охлаждающей жидкости на радиатор, удлиненный шток 5, резиновую втулку 6, твердый наполнитель 7, медный (латунный) баллон 8, теплоизоляционный цилиндр 9, теплообменник 10, пружину 11, направляющую втулку 12, дополнительный клапан 13, основной клапан 14, кольцо уплотнительное 15, уплотнительную прокладку 16, крепежные винты 17, 18, датчики температуры 19 и нагрузки 20, задатчик 21, блок сравнения 22, электронагреватель 23, блок управления 24.

На фиг.2 представлен электрический термостат с использованием термоэлектрического элемента. Этот термостат, кроме вышеназванных элементов по фиг.1, содержит термоэлектрический элемент 25, патрубки охлаждающей жидкости 26, 27.

На фиг.3 представлен электрический термостат с использованием двух термостатов. Этот термостат, кроме вышеназванных элементов по фиг.1, 2, содержит механический термостат с твердым наполнителем 28 и с помощью штока 5 связан с электронагревателем 23 или термоэлектрическим элементом 25. Положение клапана 13 контролируется пружиной 29, а клапана 14 - пружиной 11.

Электронагреватель 23 (фиг.1) встроен в теплообменник 10, который прижат к баллону 8 с помощью крепежных винтов 18. Механические элементы электрического термостата помещены в теплоизоляционный цилиндр 9, который с помощью крепежных винтов 17 закреплен к корпусу 1 термостата. Уплотнительное кольцо 15 и уплотнительная прокладка 16 (фиг.1, 2, 3) создают герметичность электрического термостата. Направляющая втулка 12 позволяет занимать штоку 5 рабочее положение при любых нагрузках двигателя. Сигнал от датчика температуры 19 подается в блок сравнения 22.

В зависимости от требований к тепловому режиму двигателя задатчик 21 устанавливается на заданные температурные режимы и связан с блоком сравнения 22. Сигнал от датчика температуры 19 подается в блок сравнения 22. Одновременно сигнал от датчика нагрузки 20 подается на задатчик 21, где формируется сигнал в соответствии с заданным законом и поступает на блок сравнения 22. Сопоставляя сигналы, поступающие от датчика температуры 19 и задатчика 21, в блоке сравнения 22 происходит вычисление регулирующего сигнала, который поступает в блок управления 24. Таким образом, сигнал, формирующийся на выходе блока управления 24, зависит от отклонений как регулируемой температуры, так и текущего значения нагрузки (мощности). Это дает возможность использовать комбинированное регулирование, позволяет уменьшить время запаздывания и повысить качество регулирования электрического термостата на всех режимах работы двигателя.

В случае применения в качестве подогревателя наполнителя термоэлектрического элемента по фиг.2 увеличиваются функциональные возможности работы электрического термостата. После пуска двигателя и при работе на частичных нагрузках, особенно при низких температурах окружающей среды, в блоке управления 24 происходит «реверс» термоэлектрического элемента. Тогда горячие спаи становятся холодными (фиг.2), в результате чего наполнитель охлаждается и, соответственно, под действием пружины 11 клапан 14 закрывается, а клапан 13 открывается и весь поток охлаждающей жидкости по патрубку 3 поступает в двигатель. Одновременно часть потока охлаждающей жидкости из патрубка 2 по патрубку 26 поступает в теплообменник 10, где происходит теплообмен между охлаждающей жидкостью и горячими спаями термоэлектрического элемента 25 и в подогретом состоянии по патрубкам 27, 3 жидкость поступает в двигатель и ускоряется его подогрев. При работе двигателя на номинальных нагрузках после «реверса» в блоке управления 24 горячие спаи термоэлектрического элемента 25 нагревают теплообменник 10, который путем теплообмена через баллон 8 подогревает твердый наполнитель 7. При этом наполнитель 7 расширяется и шток 5 выдавливается из резиновой втулки 6, в результате чего закрывается дополнительный клапан 13, открывается основной клапан 14 и часть потока охлаждающей жидкости направляется по патрубку 4 на радиатор. Одновременно часть потока охлаждающей жидкости из патрубка 2 по патрубку 26 поступает в теплообменник 10, где холодные спаи термоэлектрического элемента охлаждают охлаждающую жидкость и по патрубку 27 поступает в патрубок 4 и происходит ускоренное понижение температуры охлаждающей жидкости.

В электрических термостатах по фиг.1, 2 при работе двигателя на частичных нагрузках, т.е. когда основной клапан 14 закрыт, дополнительный клапан 13 открыт, весь поток охлаждающей жидкости идет на перепуск, при этом нагрев наполнителя 7 и работа клапанов 13, 14 контролируется в результате теплообмена наполнителя 7 с электронагревателем 23 по фиг.1 или с термоэлектрическим элементом 25 по фиг.2. При повышении нагрузки двигателя после частичного открытия основного клапана 14 и частичного закрытия дополнительного клапана 13, т.е. когда поток охлаждающей жидкости распределяется на перепуск и на радиатор, нагрев наполнителя 7 и работа клапанов 13, 14 контролируется в результате теплообмена наполнителя 7 как с электронагревателем 23 по фиг.1 или с термоэлектрическим элементом 25 по фиг.2, так и от конвективного теплообмена наполнителя 7 с потоком охлаждающей жидкости. При номинальной нагрузке и более, когда дополнительный клапан 13 закрыт, основной клапан открыт 14 и весь поток охлаждающей жидкости направлен на радиатор, нагрев наполнителя происходит в результате теплообмена с электронагревателем 23 по фиг.1 или с термоэлектрическим элементом 25 по фиг.2 и от конвективного теплообмена с потоком охлаждающей жидкости.

В конструкции электрического термостата по фиг.1, 2 возможны изменения, а именно: патрубок 4 (см. фиг.1, 2) может предназначаться для отвода охлаждающей жидкости на перепуск (в двигатель), патрубок 3 может предназначаться для отвода охлаждающей жидкости на радиатор.

Тогда клапан 14 становится дополнительным, а клапан 13 - основным. В этом случае при работе двигателя на частичных нагрузках, когда весь поток охлаждающей жидкости направлен на перепуск, нагрев твердого наполнителя 7 (см. фиг.1, 2) и работа клапанов 13, 14 контролируется в результате теплообмена наполнителя 7 как с электронагревателем 23 по фиг.1 или с термоэлектрическим элементом 25 по фиг.2, так и от конвективного теплообмена наполнителя 7 с потоком охлаждающей жидкости, что повышает эффективность работы наполнителя и клапанной системы. При повышении нагрузки после частичного открытия основного клапана 13 и частичного закрытия дополнительного клапана 14, т.е. когда поток охлаждающей жидкости распределяется на перепуск и на радиатор, работа клапанов 13, 14 продолжает контролироваться от теплообмена наполнителя 7 как с электронагревателем 23 по фиг.1 или с термоэлектрическим элементом 25 по фиг.2, так и от конвективного теплообмена наполнителя 7 с потоком охлаждающей жидкости. При работе двигателя на номинальных нагрузках и более, когда дополнительный клапан 14 закрыт, основной клапан 13 открыт, весь поток охлаждающей жидкости направляется на радиатор, нагрев наполнителя 7 происходит от теплообмена электронагревателя 23 по фиг.1 или от термоэлектрического элемента 25.

В случае применения механического термостата с твердым наполнителем 28 по фиг.3 на номинальных нагрузках прекращается работа электрического термостата, что исключает потребление электроэнергии.

Электрический термостат работает следующим образом.

При неработающем двигателе термостат не работает, питание на электронагреватель 23 и термоэлектрический элемент 25 не поступает. Пружина 11 контролирует положение клапанов 13, 14 по фиг.1, 2, а по фиг.3 клапан 14 контролируется пружиной 11, а клапан 13 - пружиной 29.

После запуска двигателя электрический термостат начинает работать. При этом, если:

1. ; P_m - текущее значение нагрузки; Р_ном - номинальное значение нагрузки (мощности).

В этом случае, например, если:

Т_о.ж.≤95°С (Т_о.ж. - температура охлаждающей жидкости). На электронагреватель 23 (фиг.1) или термоэлектрический элемент 25 (фиг.2) питание не поступает. Положение клапанов контролируется пружиной 11: клапан 13 открыт, клапан 14 закрыт и весь поток охлаждающей жидкости идет по патрубку 3 на перепуск (в двигатель).

Т_о.ж.≥95°С. На электронагреватель 10 по фиг.1 или термоэлектрический элемент 25 по фиг.2 поступает питание, подогревается наполнитель 7, который расширяется и выдавливает шток 5 из резиновой втулки 6. Поток охлаждающей жидкости тоже участвует в передаче теплоты наполнителю 7. При этом клапан 13 закрывается, открывается клапан 14 и часть потока охлаждающей жидкости направляется по патрубку 4 на радиатор, а часть - продолжает по патрубку 3 поступать на перепуск и температура жидкости доводится до заданного оптимального значения, например до 95°С. В случае использования термоэлектрического элемента 25 по фиг.2 часть охлаждающей жидкости по патрубку 26 поступает в теплообменник 10, где охлаждающая жидкость отбирает теплоту от холодных спаев термоэлектрического элемента и охлажденный поток охлаждающей жидкости по патрубку 27 через патрубок 4 поступает в систему охлаждения.

2. . В этом случае, например, если:

Т_о.ж.≥80°С. Под действием электронагревателя 10 по фиг.1, термоэлектрического элемента 25 по фиг.2 происходит закрытие клапана 13, открытие клапана 14 и температура охлаждающей жидкости доводится до оптимального значения.

Т_о.ж.≤80°С. Под действием электронагревателя 10 по фиг.1, термоэлектрического элемента 25 по фиг.2 происходит закрытие клапана 14, открытие клапана 13 и температура охлаждающей жидкости доводится до оптимального значения.

В случае применения в данном устройстве второго термостата 28 по фиг.3 на частичных нагрузках работы двигателя происходит параллельная работа электрического и механического термостатов 28 и температура доводится до оптимального значения по вышеописанному алгоритму. При работе двигателя на номинальных нагрузках температура охлаждающей жидкости контролируется механическим термостатом 28, при этом работа электрического термостата прекращается и исключается потребление электроэнергии.

Таким образом, электрический термостат позволяет модернизировать механический термостат с твердым наполнителем, с помощью которого целенаправленно можно влиять на температуру охлаждающей жидкости. Благодаря этому можно при частичных нагрузках поддерживать более высокую температуру охлаждающей жидкости. При более высоких рабочих температурах при частичных нагрузках достигается лучшее сгорание и в результате этого происходит уменьшение расхода топлива и выброса вредных веществ. При полной нагрузке с помощью электрического термостата целенаправленно устанавливается более низкая температура охлаждающей жидкости. Вывод электронагревателя и термоэлектрического элемента из водной среды позволяет улучшить конструкцию электрического термостата, что положительно сказывается при монтаже, эксплуатации и ремонте изделия. При работе термостата по фиг.1, 2 улучшаются гидравлические характеристики термостата.

Использование электрического термостата в системе охлаждения ДВС позволит наряду с регулированием по отклонению температуры осуществить дополнительное регулирующее воздействие по возмущению, т.е. использовать комбинированное регулирование и повысить показатели качества регулирования.

Источники информации

1. Патент РФ №2165028, МПК F 01 Р 7/16, опубл. в бюл. №10/2001. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости ДВС.

2. Патент DE 4324178, F 01 Р 7/16, опубл. 26.01.1995. Система охлаждения для двигателя внутреннего сгорания автомобиля с клапаном термостата, содержащим элемент из расширяющего материала с электрическим нагревом.

1. Электрический термостат, содержащий твердый наполнитель, электронагреватель, корпус с патрубками подвода охлаждающей жидкости из двигателя, отвода на перепуск (в двигатель) и на радиатор, два клапана, установленные внутри корпуса на штоке, датчики температуры, нагрузки, блок сравнения, блок управления, отличающийся тем, что упомянутый термостат установлен в корпусе с возможностью теплообмена твердого наполнителя с охлаждающей жидкостью системы охлаждения и электронагревателем, установленным вне среды охлаждающей жидкости, вход которого подключен к блоку управления, выход через наполнитель, удлиненный шток, направляющую втулку связан с клапанами.

2. Электрический термостат по п.1, отличающийся тем, что термостат содержит встроенный в него термоэлектрический элемент, установленный вне среды охлаждающей жидкости, вход которого подключен к блоку управления, выход через наполнитель, удлиненный шток, направляющую втулку связан с клапанами, а спаи термоэлектрического элемента через теплообменник подключены к охлаждающей жидкости системы охлаждения.

3. Электрический термостат по п.1, отличающийся тем, что он внутри корпуса дополнительно содержит механический термостат, связанный с электрическим термостатом с возможностью параллельной их работы и отключения электрического термостата на номинальных нагрузках.