W tej części będzie bardziej “naukowo”. Poznamy układ regulacji i zobaczymy jak termostat reguluje temperaturę płynu chłodzącego silnik.

Temperatura części silnika a temperatura płynu chłodzącego
Celem układu chłodzenia silnika jest utrzymanie prawidłowego zakresu temperatur jego części, bezpiecznego dla nich, dla oleju silnikowego i umożliwiającego prawidłowy przebieg procesów w silniku. Trudno jednak mierzyć temperaturę poszczególnych części silnika. Czy jest więc możliwa pośrednia regulacja ich temperatury przez regulację temperatury płynu chłodzącego? Pomiary wykazały, że przy stałym obciążeniu silnika, czyli stałej wartości ciśnienia pe, temperatura ścianki cylindra Tsc zależy liniowo od temperatury płynu chłodzącego Tpc (rys.10).



Rys.10. Wykres temperatury ścianki cylindra Tsc w zależności od temperatury płynu chłodzącego Tpc dla dwóch obciążeń silnika określanych wartością ciśnienia efektywnego pe: A - praca silnika nieobciążonego (obciążenie silnika tylko oporami własnymi) B - pe = 700kPa. Wzrost obciążenie silnika zwiększa ciśnienie efektywne pe. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Zmiana temperatury płynu chłodzącego określony silnik powoduje zmianę temperatury ścianki cylindra Tsc w tym samym stosunku. Pomiary wykazały również, że przy stałej temperaturze płynu chłodzącego, temperatura ścianki cylindra Tsc jest liniowo zależna od obciążenia silnika, czyli od ciśnienia efektywnego pe (rys. 11).



Rys.11. Wykres temperatury ścianki cylindra Tsc w zależności od obciążenia silnika określanego wartością ciśnienia efektywnego pe dla dwóch temperatur płynu chłodzącego silnik: C - 80OC; D - 130OC. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Zmiana obciążenia określonego silnika powoduje zmianę temperatury ścianki cylindra Tsc w tym samym stosunku. Wiemy więc, że zmiana obciążenia silnika zmienia temperaturę ścianki cylindra Tsc, również jeśli temperatura płynu chłodzącego pozostaje stała. Zmiana temperatury ścianki cylindra jest jednak przewidywalna i założona przez konstruktora silnika. Nie jest więc konieczny bezpośredni pomiar temperatury poszczególnych części silnika, ponieważ możliwa jest regulacja temperatury części silnika przez regulację temperatury płynu w układzie chłodzenia. Trzeba jednak pamiętać, że wzrost temperatury płynu chłodzącego jest poprzedzony wzrostem temperatury części silnika. Jeśli temperatura płynu chłodzącego osiągnie maksymalną dopuszczalną wartość, to znaczy, że części silnika już wcześniej osiągnęły dopuszczalną temperaturę pracy, a może nawet ją przekroczyły.

Teoria układu regulacji
Układ regulacji temperatury płynu chłodzącego silnik to typowy układ regulacji. W samochodzie jest wiele innych układów regulacji, np. prędkości obrotowej biegu jałowego, składu mieszanki zasilającej silnik. Kierowca, choć może nie ma tej świadomości, jest też elementem układu regulacji... prędkości samochodu. Poznajmy podstawy teorii układu regulacji.



Rys.12. Elementy składowe układu regulacji i jego charakterystyczne wielkości: X - wielkość regulowana; W - wartość zadana wielkości regulowanej; Y - wielkość nastawcza; Z - wielkości zakłócające. Omówienie układu w tekście artykułu.

Regulacja to proces (rys. 12), którego celem jest uzyskanie wartości wielkości regulowanej (X) jak najmniej różniącej się od wartości zadanej wielkości regulowanej (W). Zadanie to wykonuje element układu nazywany regulatorem, który przez zmianę wartości wielkości nastawczej (Y) może zmienić wartość wielkości regulowanej (X), w sposób przewidziany przez konstruktora. Ponieważ nigdy nie można być całkowicie pewnym jaką wartość osiągnie wielkość regulowana (X) po zmianie wartości wielkości nastawczej (Y), dlatego regulator mierzy stale wartość wielkości regulowanej (X). Powracająca do regulatora informacja o wartości wielkości regulowanej (X) jest nazywana “sprzężeniem zwrotnym”. Zmierzoną wartość wielkości regulowanej (X) regulator porównuje z wartością zadaną wielkości regulowanej (W) i oblicza tzw. uchyb regulacji (E), czyli różnicę pomiędzy wartością wielkości regulowanej (X) a wartością zadaną wielkości regulowanej (W):
E = X - W

Wartość uchybu (E), dodatnia lub ujemna, jest informacją dla regulatora, o jaką wartość zmniejszyć lub zwiększyć wartość wielkości nastawczej, aby wartość uchybu (E) była możliwie jak najbliższa zeru, czyli, aby został osiągnięty cel pracy układu regulacji. Część układu regulacji pomiędzy punktem, w którym regulator zmienia wartość wielkości nastawczej (Y), a punktem, w którym regulator mierzy wartość wielkości regulowanej (X), jest nazywana “ścieżką regulacji”. Układowi regulacji w pracy przeszkadzają tzw. zakłócenia (Z). Są nimi wszystkie wielkości, o których występowaniu wiemy lub nie, a które mogą zmieniać wartość wielkości regulowanej (X). Regulator nie wie czy i które z zakłóceń w danym momencie występują oraz jak silny jest ich wpływ na wartość wielkości regulowanej (X). Na podstawie pomiaru wie tylko o zmianie wartości wielkości regulowanej (X). Jeśli jest potrzeba, regulator może zmieniać wartość wielkości nastawczej (Y), aby wartość uchybu (E) była możliwie bliska zeru. Wartości wielkości zakłócających (Z), których wpływ na wartość wielkości regulowanej (X) znamy, nie są przeważnie mierzone, bo spowodowałoby to komplikację układu regulacji, często bez istotnego zwiększenia “odporności” na występowanie zakłóceń. Układy regulacji są tak projektowane, aby nieunikniony wpływ zakłóceń (Z) na wartość wielkości regulowanej (X) był możliwie szybko korygowany.

Układ regulacji temperatury płynu chłodzącego silnik
Prześledźmy na rys.13 jak układ ten pracuje. Płyn chłodzący przepływający przez silnik chłodzi go, a więc rośnie jego temperatura. Z głowicy silnika wypływa strumień płynu chłodzącego o natężeniu Q, a następnie rozdziela się na dwa strumienie:
- strumień płynący do termostatu, o natężeniu Q1(X), którego temperatura jest wielkością regulowaną (X);
- strumień płynący do nagrzewnicy, o natężeniu Q2.



Rys.13. Schemat układu regulacji temperatury płynu chłodzącego silnik. Wielkości na rysunku: Q - natężenie wypływu nagrzanego przez silnik strumienia płynu chłodzącego; Q1(X) - natężenie przepływu nagrzanego przez silnik płynu chłodzącego przez obudowę termostatu (X - wielkość regulowana); Q2 - natężenie przepływu nagrzanego przez silnik płynu chłodzącego przez nagrzewnicę; Q1C - natężenie przepływu nagrzanego przez silnik płynu chłodzącego przez chłodnicę; Q1K - natężenie przepływu nagrzanego przez silnik płynu chłodzącego przez obieg krótki, z pominięciem chłodnicy; h(Y) - wysunięcie trzpienia termostatu (Y - wielkość nastawcza), od wartości którego zależne są wielkości otwarcia zaworów termostatu, a więc natężenia przepływu Q1C i Q1K; Z1 - wielkości zakłócające, zmieniające ilość ciepła odprowadzane przez chłodnicę; Z2 - wielkość zakłócająca, czyli ilość ciepła odprowadzana z układu chłodzenia przez nagrzewnicę; Z3 - wielkości zakłócające, zmieniające ilość ciepła nagrzewającego płyn chłodzący. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Strumień o natężeniu Q1(X) wpływa do obudowy termostatu - regulatora w układzie regulacji temperatury płynu chłodzącego. Jest to przeważnie element całkowicie mechaniczny. Nie ma czujnika pomiarowego, układu obliczającego uchyb regulacji i nie ma możliwości ustawienia prawidłowej - zadanej wartości regulowanej temperatury. Termostat realizuje funkcję regulatora przez współpracę tzw. elementu rozszerzalnego i jednego lub więcej elementów sprężystych. Wielkością nastawczą (Y) termostatu jest wartość wysunięcia h(Y) trzpienia termostatu. Dobór charakterystyk elementu rozszerzalnego i elementów sprężystych termostatu umożliwia uzyskanie pożądanej charakterystyki termostatu, czyli zależności wartości wysunięcia h(Y) trzpienia termostatu, od temperatury płynu chłodzącego. Termostat o charakterystyce dobranej do określonego silnika umożliwia uzyskanie i utrzymanie przez sprawny układ chłodzenia temperatury płynu chłodzącego silnika w prawidłowym zakresie wartości. Trochę inaczej są zbudowane termostaty z regulacją programową. W niektórych warunkach pracy silnika ich charakterystyka jest zmieniana przez ingerencję sterownika silnika.

Integralną częścią termostatu są dwa zawory, połączone z trzpieniem termostatu. Decydują one o natężeniach przepływu strumieni płynu chłodzącego:
- przez chłodnicę - strumień o natężeniu Q1C;
- przez obieg krótki, z pominięciem chłodnicy - strumień o natężeniu Q1K.

Strumień płynu chłodzącego przepływający przez chłodnicę jest schładzany, natomiast strumień płynący obiegiem krótkim nie jest chłodzony (oczywiście trochę ciepła odda do powietrza otaczającego przewody, ale pomińmy ten fakt). Oba strumienie spotykają się w komorze mieszania, w wyniku czego ich temperatura ulega uśrednieniu. Z komory mieszania płyn chłodzący przepływa do silnika, gdzie ponownie rośnie jego temperatura. Część strumienia płynu wypływającego z silnika, o natężeniu Q1(X), jest kierowana do obudowy termostatu. Płyn chłodzący w tym strumieniu powinien mieć temperaturę możliwie bliską wartości prawidłowej. Jeśli temperatura płynu chłodzącego jest za wysoka, to termostat zwiększa natężenie Q1C strumienia płynu chłodzącego płynącego przez chłodnicę, aby po zmieszaniu ze strumieniem o natężeniu Q1K, który płynie obiegiem krótkim, a następnie po przepłynięciu przez silnik, temperatura płynu chłodzącego była niższa. W skrajnym przypadku, gdy temperatura płynu chłodzącego przekracza maksymalną dopuszczalną wartość, cały strumień płynu chłodzącego przepływa przez chłodnicę (Q1(X) = Q1C). Jeśli natomiast temperatura płynu chłodzącego jest za niska, to termostat zwiększa natężenie Q1K strumienia płynu chłodzącego płynącego obiegiem krótkim, aby po zmieszaniu ze strumieniem o natężeniu Q1C, który przepływa przez chłodnicę a następnie po przepłynięciu przez silnik, temperatura płynu chłodzącego była wyższa. W skrajnym przypadku, gdy temperatura płynu chłodzącego jest niższa od dolnej granicy prawidłowego zakresu temperatur, cały strumień płynu chłodzącego płynie obiegiem krótkim (Q1(X) = Q1K). Uważny czytelnik zauważył zapewne, że do komory mieszania dopływa też strumień płynu chłodzącego o natężeniu Q2, który przepływa przez nagrzewnicę powietrza kabiny pasażerskiej (nagrzewnica pracuje tak samo jak chłodnica). Natężenie przepływu płynu chłodzącego przez nagrzewnicę reguluje kierowca zaworem nagrzewnicy. Tak właściwie to układ ogrzewania kabiny pasażerskiej też jest układem regulacji. Regulatorem jest kierowca, który dla uzyskania wartości temperatury w kabinie, odczuwanej dla niego jako przyjemna, zmienia ustawienia zaworu nagrzewnicy.
Termostat nie ma wpływu na natężenie Q2 strumienia płynu chłodzącego przepływającego przez nagrzewnicę. Nie ma również bezpośredniego wpływu na temperaturę płynu chłodzącego wypływającego z nagrzewnicy do komory mieszania. Zależy ona od temperatury płynu chłodzącego wypływającego z silnika i wielkości otwarcia zaworu nagrzewnicy. W skrajnych przypadkach, zawór nagrzewnicy może być:
- całkowicie otwarty, wówczas przez nagrzewnicę płynie strumień płynu chłodzącego o największym natężeniu, przy określonej prędkości obrotowej silnika;
- całkowicie zamknięty, wówczas do komory mieszania nie dopływa strumień płynu chłodzącego przepływający przez nagrzewnicę.

Przeważnie występują ustawienia pośrednie, czyli częściowe otwarcia zaworu nagrzewnicy. Jeśli wskutek przepływu przez nagrzewnicę strumienia płynu chłodzącego (o natężeniu Q2) zmieni się temperatura strumienia płynu chłodzącego przepływającego przez obudowę termostatu (o natężeniu Q1(X)) to dla utrzymania prawidłowej wartości tej temperatury termostat zmieni natężenie strumieni płynu chłodzącego przepływających przez chłodnicę i przez obieg krótki. Dla termostatu przyczyna zmiany temperatury płynu chłodzącego jest obojętna - czy jest nią przepływ płynu chłodzącego przez nagrzewnicę, czy inne nieznane dla niego przyczyny. Termostat zawsze będzie starał się, aby temperatura płynu chłodzącego osiągnęła wartość jak najbliższą wartości prawidłowej. Z powyższego powodu, pracę układu ogrzewania kabiny zaliczamy do zakłóceń układu regulacji temperatury pracy silnika. Są one oznaczone na rys.13 symbolami Z1, Z2 i Z3. Wszystkie zakłócenia omówię w następnej części artykułu.

mgr inż. Stefan Myszkowski
Studio Konstrukcyjno-Konsultacyjne

Artykuł powstał na podstawie materiałów udostępnionych przez firmę Behr Thermot-tronik GmbH & Co.