Zakłócenia wpływają na pracę układu regulacji temperatury płynu chłodzącego. Może być on większy lub mniejszy, zależnie od miejsca montażu termostatu w układzie chłodzenia.

Zakłócenia w układzie regulacji temperatury płynu chłodzącego
Wpływ zakłóceń na pracę układu regulacji temperatury płynu chłodzącego przejawia się tym, że po nagrzaniu i osiągnięciu przez płyn chłodzący prawidłowej temperatury pracy, ulega ona zmianom - to normalne zachowanie układów regulacji. Wynika ono z tego, że na temperaturę płynu chłodzącego wpływa wiele czynników zakłócających. Termostat nie wie czy i które z zakłóceń w danym momencie występują oraz jak silny jest ich wpływ na temperaturę płynu chłodzącego. Może tylko “stwierdzić”, że nastąpiła zmiana temperatury płynu chłodzącego i działać w celu powrotu do prawidłowej wartości temperatury. Zadaniem konstruktorów jest tak skonstruować układ regulacji temperatury płynu chłodzącego, aby nawet przy niekorzystnym, ale możliwym działaniu kilku zakłóceń, zmiany temperatury płynu chłodzącego mieściły się w zakresie dopuszczalnej tolerancji, nie powodując zagrożenia dla silnika. Poznajmy zakłócenia towarzyszące w pracy układu regulacji temperatury płynu chłodzącego silnik.



Rys. 14. Nagrzany płyn chłodzący o temperaturze Tpc1, dopływa do górnego zbiornika chłodnicy, a następnie przepływa do dolnej części chłodnicy. Jednocześnie oddaje ciepło do powietrza opływającego rurki chłodnicy, w następstwie czego temperatura powietrza chłodzącego zwiększa się od temperatury Tp1 do Tp2 a temperatura płynu chłodzącego zmniejsza się z temperatury Tpc1 do Tpc2. Kierunek przepływu płynu chłodzącego przez chłodnicę jest zgodny z kierunkiem przypływu, który wynika z różnic jego gęstości. Płyn chłodzący o wyższej temperaturze Tpc1 i o mniejszej gęstości, wraz z obniżaniem temperatury do wartości Tpc2, zwiększa swoją gęstość, dlatego opada na dół chłodnicy. Przepływ płynu chłodzącego przez chłodnicę jest wspomagany przez pompę płynu chłodzącego, dla zwiększenia jego natężenia przepływu.

Objętość płynu chłodzącego
Mniejsza objętość, a więc mniejsza masa płynu chłodzącego w układzie chłodzenia, powoduje, że:
- mniejsza jest masa silnika;
- mniejsza jest pojemność cieplna płynu chłodzącego, dzięki czemu silnik szybciej osiąga prawidłową temperaturę pracy, ale płyn chłodzący musi szybciej krążyć w układzie chłodzenia, aby przyjmować a następnie oddawać określone ilości ciepła, które są niezależne od objętości płynu w układzie chłodzenia;
- temperatura płynu chłodzącego szybciej się zmienia w następstwie zmian ustawień termostatu.

Układ chłodzenia o mniejszej objętości płynu chłodzącego musi być dokładnie napełniony. Za mała objętość płynu chłodzącego w układzie chłodzenia, wskutek:
- nie uzupełniania ubytków płynu chłodzącego,
- nieprawidłowego napełnienia układu,
powoduje, że układ regulacji może nie móc przeciwdziałać przegrzaniu silnika. Ponadto, obniża się wydajność nagrzewnicy kabiny. Wystąpieniu zakłóceń spowodowanych za małą objętością płynu w układzie chłodzenia można przeciwdziałać przez:
- okresową kontrolę poziomu płynu chłodzącego;
- prawidłowe napełnienie układu chłodzenia, co jest istotne w układach posiadających odpowietrzniki;
- sprawdzenie i ewentualnie uzupełnienie poziom płynu chłodzącego po napełnieniu układu chłodzenia i kilkudziesięciu kilometrach przebiegu samochodu.

Obciążenie silnika
Wzrost mocy, z którą pracuje silnik, wymaga spalania większej ilości paliwa, ponieważ trzeba z jego spalania uzyskać więcej energii. Rośnie więc ilość traconej energii bezpośrednio w cyklu pracy silnika oraz wskutek większych sił tarcia. Powoduje to wzrost temperatury płynu chłodzącego. Zmniejszenie obciążenia silnika powoduje natomiast obniżenie temperatury płynu chłodzącego. Termostat powinien płynnie, z małymi wahaniami, reagować na zmiany temperatury płynu chłodzącego spowodowane chwilowymi zmianami obciążenia, np. podczas przyspieszania. Powinien również zapewnić uzyskanie prawidłowej temperatury płynu chłodzącego, gdy silnik przez dłuższy czas pracuje pod większym obciążeniem, np. w pojeździe, który ciągnie przyczepę lub jedzie po długim podjeździe.



Rys. 15. Układ chłodzenia z termostatem zamontowanym na “wyjściu” z silnika (a). Elementy na rysunku: 1 - silnik; 2 - termostat; 3 - komora mieszania; 4 - chłodnica. Temperatury płynu chłodzącego: Tpcw - nagrzanego, wypływającego z płaszcza chłodzącego silnika; Tpcd - schłodzonego, dopływającego do płaszcza chłodzącego silnika. Ustawienia zaworów regulacyjnych termostatu, kierujących strumień płynu chłodzącego: b - tylko przez obieg “krótki”; c - tylko przez obieg “długi”. Opis układu w tekście artykułu.

Temperatura zewnętrzna
To jeden z najważniejszych czynników wpływających na pracę układu regulacji temperatury płynu chłodzącego. Różnica pomiędzy temperaturą powietrza w lecie i w zimie może przekraczać nawet 50°C. Układ chłodzenia, niezależnie od temperatury płynu chłodzącego, powinien zapewnić możliwie szybkie uzyskanie temperatury pracy silnika i jej utrzymanie. Utrudnieniem jest różna ilość ciepła odprowadzana przez chłodnicę. Zależy ona silnie od temperatury powietrza opływającego chłodnicę (rys. 14). W lecie, gdy temperatura zewnętrzna jest wysoka, chłodnica ma niższą zdolność do odprowadzania ciepła, dlatego termostat zwiększa natężenie przepływu płynu chłodzącego przez chłodnicę, a wentylator chłodnicy częściej jest włączany. W zimie, niska temperatura zewnętrzna sprawia, że chłodnica ma dużą zdolność do odbierania ciepła od płynu chłodzącego. Termostat zmniejsza wówczas natężenie przepływu płynu chłodzącego przez chłodnicę. Niezależnie od temperatury zewnętrznej, termostat powinien regulować temperaturę płynu chłodzącego z możliwie małymi wahaniami temperatury. Niebezpieczne przy wahaniach temperatury płynu chłodzącego jest wpłynięcie do gorącego bloku silnika strumienia płynu o za niskiej temperaturze względem niego, co może spowodować pęknięcie bloku silnika wskutek wystąpienia za dużej różnicy temperatur, zwanej szokiem termicznym. Zagrożenie wystąpienia takiego uszkodzenia jest większe zimą. Niska temperatura zewnętrzna sprawia, że chłodnica ma dużą moc chłodzącą. Chwilowe, nadmierne zwiększenie natężenia przepływu przez chłodnicę może wówczas spowodować, że z chłodnicy będzie wypływać za duży strumień płynu chłodzącego o za niskiej temperaturze, który po zmieszaniu się ze strumieniem płynu wypływającym z obiegu “krótkiego”, będzie miał za niską, niebezpieczną dla silnika temperaturę.

Zadaniem konstruktorów jest takie zaprojektowanie układu chłodzenia, aby przy sprawnym układzie chłodzenia i temperaturach, w których samochód jest przewidziany do eksploatacji, niebezpieczeństwo takiego uszkodzenia nie wystąpiło.
Zadaniem mechaników jest zapewnienie, aby chłodnica mogła sprawnie oddawać ciepło. Powinni:
- usuwać ewentualne zanieczyszczenia utrudniające przepływ powietrza;
- sprawdzać, czy nie ma uszkodzeń, które powodują utrudnienia w przepływie powietrza lub płynu chłodzącego;
- usuwać osady z wnętrza chłodnicy, z wykorzystaniem środków czyszczących, szczególnie, jeśli układ chłodzenia był napełniany zwykłą wodą.

Niesprawności spowodowane mniejszą zdolnością do oddawania ciepła przez chłodnicę mogą ujawnić się wiosną, natomiast, jeśli dotyczą nagrzewnicy, to mogą ujawnić się zimą.

Ogrzewanie wnętrza pojazdu
Włączenie, zmiana mocy grzewczej lub wyłączenie nagrzewnicy powietrza we wnętrzu pojazdu powoduje zmiany temperatury płynu chłodzącego w układzie chłodzenia. Termostat nie ma informacji o pracy nagrzewnicy. Po stwierdzeniu zmiany temperatury płynu chłodzącego stara się jej przywrócić prawidłową wartość. Jeśli moc nagrzewnicy nie jest zmieniana, praca układu regulacji temperatury płynu chłodzącego nie jest zakłócana.

Klimatyzacja
Skraplacz czynnika chłodniczego układu klimatyzacji jest montowany przed chłodnicą układu chłodzenia silnika. Z im większą mocą pracuje układ klimatyzacji, tym temperatura powietrza po przepłynięciu przez skraplacz jest wyższa. Ponieważ powietrze o wyższej temperaturze może odebrać mniej ciepła od płynu chłodzącego silnik, przepływającego przez chłodnicę, dlatego temperatura płynu chłodzącego wypływającego z chłodnicy wzrasta. Termostat będzie się starał obniżyć tę temperaturę do wartości prawidłowej. W przeciwnym przypadku, zmniejszenie mocy, z którą pracuje układ klimatyzacji, powoduje obniżenie się temperatury płynu chłodzącego, którą termostat stara się zwiększyć do wartości prawidłowej. Pracujący układ klimatyzacji powoduje również wzrost temperatury w komorze silnika. Pogarszają się wówczas warunki bezpośredniego oddawania ciepła przez silnik i jego osprzęt do otaczającego powietrza. Układ klimatyzacji pracuje okresowo i taki jest też jego wpływ na temperaturę płynu w układzie chłodzenia. Wpływ ten musi być uwzględniony przy konstruowaniu układu chłodzenia. Mechanikom pozostaje dbałość o układ klimatyzacji, a w szczególności, aby zanieczyszczenia lub uszkodzenia skraplacza nie ograniczały przepływu powietrza przez niego i zamontowaną za nim chłodnicę.

Miejsce montażu termostatu w układzie chłodzenia
Termostat zmienia ustawienie zaworów regulacyjnych, jeśli temperatura płynu chłodzącego opływającego termostat zmienia się w zakresie temperatur przez niego regulowanych. Ta zmiana następuje, gdy np. kończy się nagrzewanie silnika i osiąga on prawidłowy zakres temperatur pracy lub wystąpi zakłócenie w pracy układu regulacji temperatury płynu chłodzącego. Zmianie ustawienia zaworów regulacyjnych towarzyszą wahania temperatury płynu chłodzącego w układzie chłodzenia. To czy te wahania są większe lub mniejsze, czy trwają krócej lub dłużej, czy mogą być dla silnika niebezpieczne czy nie, zależy również od miejsca montażu termostatu w układzie chłodzenia. Dotychczas pisałem, że termostat jest montowany na “wyjściu” z silnika, ale może być również montowany na “wejściu” do silnika. Każde z obu miejsc montażu ma swoje zalety i wady - poznajmy je.



Rys. 16. Wykresy temperatur płynu chłodzącego w układzie chłodzenia, z termostatem zamontowanym na “wyjściu” z silnika: Tpcw - temperatura płynu chłodzącego, wypływającego z płaszcza chłodzącego silnika; Tpcd - temperatura płynu chłodzącego, dopływającego do płaszcza chłodzącego silnika; Tz - temperatura zewnętrzna. W końcowej fazie nagrzewania silnika i wskutek wzrostu temperatury Tpcw, spowodowanego wzrostem obciążenia silnika (zakłócenie Z3) występują wahania temperatur płynu chłodzącego, oznaczone odpowiednio symbolami: WT1 i WT2. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Termostat zamontowany na “wyjściu” z silnika
Termostat, przez który płynie wypływający z silnika strumień płynu chłodzącego, o temperaturze Tpcw (rys. 15), ma za zadanie utrzymanie tej temperatury w prawidłowym zakresie. Pożądana wartość temperatury Tpcw jest uzyskiwana w ten sposób, że zawory regulacyjne termostatu dzielą strumień płynu przepływającego przez termostat (2) na dwa strumienie:
- płynący przez obieg “krótki”;
- płynący przez obieg “długi”.

Temperatura płynu chłodzącego płynącego obiegiem “długim” obniża się po przepłynięciu przez chłodnicę (4), a temperatura Tpcw płynu chłodzącego płynącego obiegiem “krótkim” nie zmienia się (występujący niewielki spadek temperatury można pominąć). Strumienie wypływające z obu obiegów mieszają się z komorze mieszania (3), w następstwie czego ustala się wartość temperatury Tpcd płynu chłodzącego dopływającego do silnika. Jej wartość zależy od temperatur i natężeń strumieni płynu chłodzącego wypływających z obu obiegów układu chłodzenia. Płyn chłodzący o temperaturze Tpcd wpływa do płaszcza chłodzącego silnik, w którym ogrzewa się do temperatury Tpcw.
Zaletą montażu termostatu na “wyjściu” z silnika jest lepsza kontrola temperatury części silnika i szybsza reakcja na zmiany temperatury płynu chłodzącego wypływającego z silnika. Niestety, aby po każdej zmianie ustawienia zaworów regulacyjnych termostatu mógł on sprawdzić o ile zmieniła się temperatura Tpcw płynu chłodzącego wypływającego z silnika, płyn chłodzący musi przepłynąć ponownie przez cały układ chłodzenia. Powoduje to wahania temperatur płynu chłodzącego:
- po zakończeniu nagrzewania się silnika, przed ich ustaleniem (wahania temperatur WT1 na rys.16);
- po zmianie temperatury Tpcw płynu chłodzącego, spowodowanej działaniem zakłóceń (wahania temperatur WT2 na rys. 16).

Przykładowo, zakłóceniem dla układu chłodzenia silnika - Z3 na rys.16, jest wzrost obciążenia silnika. Powoduje on chwilowy wzrost temperatury Tpcw płynu chłodzącego wypływającego z silnika. Zanim, w wyniku działania układu regulacji, temperatura ta ustali się na wartości przyjętej za prawidłową, wartości temperatur płynu chodzącego: Tpcw - wypływającego z silnika i Tpcd - dopływającego do silnika okresowo wahają się (WT2 na rys. 16). Termostat, regulujący temperaturę Tpcw płynu chłodzącego wypływającego z silnika, nie ma więc kontroli nad temperaturą Tpcd płynu chłodzącego dopływającego do silnika. Przy wahaniach temperatury towarzyszących pracy układu regulacji, szczególnie przy niskiej temperaturze zewnętrznej Tz (na rys. 16 wynosi ona ok. -20°C), gdy chłodnica silniej schładza płyn chłodzący, może się zdarzyć, że do silnika wpłynie strumień płynu chłodzącego o za niskiej temperaturze, co w skrajnym przypadku może spowodować pęknięcie bloku silnika.



Rys. 17. Układ chłodzenia z termostatem zamontowanym na “wejściu” do silnika (a). Elementy na rysunku: 1 - silnik; 2 - termostat; 3 - trójnik; 4 - chłodnica. Temperatury płynu chłodzącego: Tpcw - nagrzanego, wypływającego z płaszcza chłodzącego silnika; Tpcd - schłodzonego, dopływającego do płaszcza chłodzącego silnika. Ustawienia zaworów regulacyjnych termostatu, kierujących strumień płynu chłodzącego: b - tylko przez obieg “krótki”; c - tylko przez obieg “długi”. Opis układu w tekście artykułu. (Źródło: Behr Thermot-tronik)
Termostat zamontowany na “wejściu” do silnika

Termostat, opływany strumieniem płynu chłodzącego dopływającego do silnika, o temperaturze Tpcd (rys. 17), ma za zadanie utrzymanie tej temperatury w prawidłowym zakresie. Pożądana wartość temperatury Tpcd jest uzyskiwana w ten sposób, że strumień płynu wypływający z silnika, o temperaturze Tpcw, rozdziela się w trójniku (3) na dwa strumienie: płynący przez obieg “krótki” i płynący przez obieg “długi”. W trójniku (3) nie ma żadnego zaworu, ale jest tu wykorzystana cecha strumienia płynu polegająca na tym, że strumień o większym natężeniu popłynie przez obwód o mniejszym oporze przepływu. Opór przepływu w obiegu “krótkim” i “długim” jest ustalany przez zawory regulacyjne termostatu (2). Strumień płynu wypływający z obiegu “krótkiego”, o temperaturze Tpcw (pomijamy niewielki spadek temperatury), i strumień płynu wypływający z obiegu “długiego”, o niżej temperaturze, schłodzony w chłodnicy (4), mieszają się w komorze termostatu, tworząc strumień płynu chłodzącego dopływającego do silnika, o temperaturze Tpcd. Wartość tej temperatury zależy od temperatur i natężeń strumieni płynu chłodzącego wypływających z obu obiegów układu chłodzenia, a od niej zależy ustawienie zaworów regulacyjnych termostatu. Po przepłynięciu przez płaszcz chłodzący silnika, temperatura płynu chłodzącego rośnie od temperatury Tpcd do Tpcw.

Zaletą montażu termostatu na “wejściu” do silnika jest:
- praktycznie brak wahań temperatur płynu chłodzącego po zakończeniu nagrzewania się silnika;
- niewielkie wahania temperatur płynu chłodzącego po zmianie temperatury Tpcd, spowodowanej działaniem zakłóceń.



Rys. 18. Wykresy temperatur płynu chłodzącego w układzie chłodzenia z termostatem zamontowanym na “wejściu” do silnika: Tpcw - temperatura płynu chłodzącego, wypływającego z płaszcza chłodzącego silnika; Tpcd - temperatura płynu chłodzącego, dopływającego do płaszcza chłodzącego silnika; Tz - temperatura zewnętrzna. Wskutek wzrostu temperatury Tpcd, spowodowanego zmniejszeniem ilości ciepła odbieranego przez chłodnicę (zakłócenie Z1) występują wahania temperatur płynu chłodzącego, oznaczone symbolem WT3. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Wynika to z tego, że termostat jest opływany strumieniem płynu chłodzącego, którego temperatura Tpcd zmienia się z niewielką zwłoką, mierzoną od momentu zmiany ustawienia zaworów regulacyjnych termostatu do momentu, w którym termostat może “stwierdzić” o ile stopni zmieniła się wartość regulowanej temperatury. Zwłoka ta jest krótsza w układach chłodzenia z termostatem zamontowanym na “wejściu” do silnika, od zwłoki w układach z termostatem zamontowanym na “wyjściu” z silnika. Przykładowo, zakłóceniem dla układu chłodzenia silnika - Z1 na rys. 18, jest zmniejszenie ilości ciepła odbieranego przez chłodnicę. W konsekwencji następuje chwilowy wzrost temperatury Tpcd płynu chłodzącego dopływającego do silnika. Zanim, w wyniku działania układu regulacji, temperatura ta ustali się na wartości przyjętej za prawidłową, wartości temperatur płynu chodzącego: Tpcw - wypływającego z silnika i Tpcd - dopływającego do silnika okresowo wahają się (WT3 na rys.18), ale mniejszym zakresie niż w przypadku montażu termostatu na “wyjściu” z silnika (proszę porównać z wykresem na rys.16). Ponadto, zaletą montażu termostatu na “wejściu” do silnika, jest kontrola temperatury Tpcd płynu chłodzącego dopływającego do bloku silnika, co pozwala uniknąć wpłynięcia płynu chłodzącego o za niskiej temperaturze, niebezpiecznej dla silnika. Wadą montażu termostatu na “wejściu” do silnika jest jednak gorsza kontrola temperatury płynu chłodzącego wypływającego z silnika, a więc kontrola temperatury części silnika.

mgr inż. Stefan Myszkowski
Studio Konstrukcyjno-Konsultacyjne

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