W poprzedniej części poznaliśmy elementy rozszerzalne i ich charakterystyki. W tym artykule poznamy je w kilku zastosowaniach.

„Standardowy” termostat płynu chłodzącego silnik
Określenie “standardowy” odnosi się do licznej grupy termostatów płynu chłodzącego, które są głównym termostatem, odpowiedzialnym w układzie chłodzenia silnika za regulację temperatury płynu chłodzącego, o całkowicie mechanicznej konstrukcji (bez elementów zasilanych elektrycznie). To rozróżnienie jest niezbędne, bo w następnych odcinkach zaprezentuję termostaty, w pracę których ingeruje sterownik silnika. Konstrukcję typowego termostatu płynu chłodzącego, zamontowanego na #8220;wyjściu” z silnika, pokazuje rys. 27. Zainteresowanych innymi możliwymi miejscami montażu termostatu odsyłam do części 4 artykułu, opublikowanego w nr 11/2009 “Nowoczesnego Warsztatu. Podstawową częścią termostatu (rys. 27) jest element rozszerzalny (5), omywany płynem chłodzącym wypływającym z głowicy silnika. Trzpień roboczy elementu rozszerzalnego (1) jest zamocowany do stelaża, natomiast jego obudowa może przesuwać się w prowadnicy (4). Do obudowy elementu rozszerzalnego są zamocowane talerzyki zaworów, które regulują przepływ płynu chłodzącego:
- z głowicy silnika do dolnej części bloku silnika - zawór obiegu “krótkiego”(6);
- z głowicy silnika do chłodnicy - zawór obiegu “długiego” (3).



Rys. 27. Typowe wykorzystanie elementu rozszerzalnego, czyli termostat płynu chłodzącego układu chłodzenia silnika. Rysunek prezentuje przekrój termostatu zamontowanego na “wyjściu” z silnika. Lewa część rysunku pokazuje termostat, który kieruje płyn chłodzący z głowicy silnika do dolnej części bloku silnika z pominięciem chłodnicy (obieg “krótki”). Prawa część rysunku pokazuje termostat, który kieruje płyn chłodzący z głowicy silnika do chłodnicy (obieg “długi”). Elementy składowe termostatu: 1 - trzpień roboczy; 2 - stelaż; 3 - talerzyk zaworu obiegu “długiego”; 4 - prowadnica elementu rozszerzalnego; 5 - element rozszerzalny; 6 - talerzyk zaworu obiegu “krótkiego”; 7 - sprężyna powrotna trzpienia roboczego; 8 - sprężyna dodatkowa elementu rozszerzalnego. Oznaczenia: a - dopływ płynu chłodzącego z głowicy silnika; b - wypływ płynu do chłodnicy; c - wypływ płynu do dolnej części bloku silnika; hr - skok regulacyjny trzpienia elementu rozszerzalnego. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Po przekroczeniu przez płyn chłodzący temperatury, w której trzpień roboczy (1) zaczyna się wysuwać z obudowy:
- zawór obiegu “długiego” zaczyna się otwierać, co umożliwia płynowi chłodzącemu przepływ przez chłodnicę;
- zawór obiegu “krótkiego” zaczyna się zamykać, a więc mniej płynu chłodzącego powraca do dolnej części bloku silnika, z ominięciem chłodnicy;
- wysuwający się trzpień roboczy wymusza ściskanie sprężyny (7).

Osiągnięcie przez płyn chłodzący górnej granicy regulowanego zakresu temperatur powoduje, że płytki obu zaworów przesuwają się o wartość skoku regulacyjnego hr. Jeśli temperatura płynu chłodzącego przekroczy górną granicę regulowanego zakresu temperatur, to zawór obiegu “długiego” zwiększa jeszcze swoje otwarcie, maksymalnie o wartość skoku dodatkowego hd (wielkość nie jest zaznaczona na rys. 27), co tylko zmniejsza opór przepływu płynu chłodzącego do chłodnicy. Zawór obiegu “krótkiego” pozostaje zamknięty. W tym zakresie skoku trzpienia roboczego elementu rozszerzalnego ściskane są obie sprężyny (7) i (8).
Jeśli temperatura elementu rozszerzalnego obniża się od wartości wyższej niż górna temperatura regulowanego zakresu temperatur, to pod wpływem sił obu sprężyn (7 i 8) tłok roboczy wsuwa się do obudowy elementu rozszerzalnego. Jeśli natomiast temperatura elementu rozszerzalnego obniża się od wartości leżącej w zakresie temperatur regulowanych przez termostat, to tłok roboczy wsuwa się do obudowy elementu rozszerzalnego, ale tylko pod wpływem działania siły sprężyny (7).



Rys. 28. Zawór termostatyczno-nadciśnieniowy. Przepływ płynu chłodzącego zostaje otwarty po przekroczeniu określonej temperatury lub gdy prędkość przepływu Vp przekroczy określoną wartość. Elementy zaworu: 1 - obrotowa klapa zaworu; 2 - oś obrotu klapy zaworu; 3 - wkładka z elastomeru; 4 - materiał rozszerzalny; 5 - obudowa elementu rozszerzalnego; 6 - sprężyna powrotna trzpienia roboczego; 7 - trzpień roboczy; 8 - kołnierz połączeniowy obudowy; 9 - wkładka z zaworem. Oznaczenia na rysunku: Vp - prędkość przepływu płynu chłodzącego; Fn1 - siła naporu płynu chłodzącego na górną część obrotowej klapy zaworu; Fn2 - siła naporu płynu chłodzącego na dolną część obrotowej klapy zaworu. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Ciekawym jest moment pracy termostatu, w którym zawór obiegu “długiego” (3) jest zamknięty, a zawór obiegu “krótkiego” (6) całkowicie otwarty, natomiast temperatura płynu chłodzącego omywającego element rozszerzalny rośnie, a następnie przekracza temperaturę początku otwarcia zaworu obiegu “długiego”. Jeśli zawór obiegu “długiego” jest zamknięty, to temperatura elementu rozszerzalnego jest wypadkową dwóch procesów:
- procesu ogrzewania przez płyn chłodzący o temperaturze wyższej od temperatury otoczenia, wypływający z głowicy silnika i płynący do dolnej części bloku silnika;
- procesu chłodzenia przez płyn chłodzący, o temperaturze zbliżonej do temperatury otoczenia, który wypełnia przewód łączący obudowę termostatu z górnym zbiornikiem chłodnicy i chłodnicę.



Rys. 29. Zastosowanie termostatu do sterowania żaluzją wentylatora chłodnicy. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Wypadkowa temperatura elementu rozszerzalnego zależy więc od stosunku pola powierzchni elementu rozszerzalnego, za pośrednictwem której jest on ogrzewany, do pola powierzchni elementu rozszerzalnego, za pośrednictwem której jest on chłodzony. Im temperatura otoczenia jest niższa, tym wyższa jest temperatura płynu chłodzącego wypływającego z głowicy silnika, przy której nastąpi otwarcie zaworu obiegu “długiego”. Jest to zjawisko korzystne, bowiem łagodzi spadek i następujące po nim chwilowe wahania temperatury płynu chłodzącego w układzie chłodzenia, występujące po otwarciu zaworu “długiego” obiegu, a spowodowane wpłynięciem do układu chłodzenia objętości płynu chłodzącego, o temperaturze zbliżonej do temperatury otoczenia, która wypełniała chłodnicę i część połączonych z nią przewodów. Rzeczywiste temperatury otwarcia zaworu obiegu “długiego” termostatu, przy różnych temperaturach otoczenia, można w pewnym zakresie zmieniać przez dobór proporcji powierzchni ogrzewanej do chłodzonej elementu rozszerzalnego, przy zamkniętym zaworze obiegu “długiego”.
Przypomnę, że w poprzedniej części artykułu wspominałem, iż charakterystyka elementu rozszerzalnego, wyznaczana na stanowisku badawczym, różni się od charakterystyki termostatu zamontowanego w obudowie, pracującego w rzeczywistym układzie.

Zawór termostatyczno-nadciśnieniowy płynu chłodzącego silnik
W typowym układzie chłodzenia silnika pompa płynu chłodzącego jest napędzana od wału korbowego silnika, tak więc jej prędkość obrotowa i wydajność (objętość tłoczonego płynu w jednostce czasu) zależą od prędkości obrotowej silnika. Ta zależność w układach chłodzenia silników jest korzystna, bowiem wzrostowi prędkości obrotowej towarzyszą wzrosty: zużycia paliwa, ilości energii traconej na tarcie oraz przeważnie również obciążenia. Układ chłodzenia, wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, powinien być więc w stanie odprowadzić większą ilość ciepła. Jeśli w fazie nagrzewania silnika przepływ płynu chłodzącego przez część układu chłodzenia nie jest pożądany, ale przy wzroście prędkości obrotowej silnika ponad określoną wartość, a więc i przypuszczalnym wzroście obciążenia silnika, przepływ ten mimo za niskiej temperatury płynu chłodzącego jest konieczny, wówczas przepływem płynu chłodzącego przez tę część układu chłodzenia steruje zawór termostatyczno-nadciśnieniowy (rys. 28). Ten zawór steruje przepływem płynu chłodzącego w zależności od:
- temperatury płynu chłodzącego - uchylenie obrotowej klapy zaworu 2 jest zależne od wielkości wysunięcia trzpienia roboczego (7) elementu rozszerzalnego, które jest zależne od temperatury płynu chłodzącego;
- prędkości przepływu Vp płynu chłodzącego.



Rys. 30. Termostaty z przesłoną pierścieniową, dla dużych silników o zapłonie samoczynnym (ZS), w których natężenie przepływu płynu chłodzącego jest większe od 20m3/h. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Płynący płyn chłodzący napiera na obrotową klapę zaworu (2) z siłą zależną od prędkości przepływu - im większa prędkość przepływu, tym większa jest siła naporu. Miejsce montażu osi obrotu (1) obrotowej klapy zaworu (2) jest tak dobrane, że wypadkowa sił:
- Fn1 działającej na górną część obrotowej klapy zaworu,
- Fn2 działającej na dolną część obrotowej klapy zaworu,
powoduje powstanie momentu obrotowego, który działa w kierunku przeciwnym do sprężyny zamykającej obrotową klapę zaworu (sprężyna nie jest pokazana na rys. 28).



Rys. 31. Termostaty do regulacji temperatury oleju przekładniowego w automatycznych skrzyniach biegów. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Jeśli temperatura płynu chłodzącego jest za niska i element rozszerzalny nie uchyla obrotowej klapy zaworu, ale wzrost prędkości przepływu Vp osiąga wartość, która powoduje, że wypadkowa sił Fn1 i Fn2 uchyla obrotową klapę zaworu, to mimo zbyt niskiej temperatury płynu chłodzącego wpływa on do określonej części układu chłodzenia. Jeśli natomiast osiągnięcie przez płyn chłodzący określonej temperatury powoduje, że element rozszerzalny uchyla obrotową klapę zaworu, to otwarcie to może być dodatkowo zwiększone wskutek zwiększenia prędkości przepływu Vp płynu chłodzącego. Jeśli zawór termostatyczno-nadciśnieniowy zamyka przepływ płynu chłodzącego do części układu chłodzenia, to aby element rozszerzalny miał temperaturę zbliżoną do temperatury płynu chłodzącego, konieczny jest niewielki przepływ płynu chłodzącego wokół elementu rozszerzalnego. Jest to zapewnione przez celowo pozostawioną nieszczelność wokół łożyskowania obrotowej klapy zaworu lub przez dodatkowy otwór obejściowy klapy zaworu, którym może przepływać płyn chłodzący.



Rys.32 Termostaty do regulacji temperatury spalin, w układzie recyrkulacji spalin (EGR), silników o zapłonie samoczynnym (ZS). Umożliwiają regulację temperatury spalin powracających z układu wydechowego do układu dolotowego, co pozwala uzyskać równowagę między dwoma zjawiskami: wspomaganiem odparowania rozpylonych kropli paliwa przez zmieszany z powietrzem strumień ciepłych spalin, oraz obniżaniem szczytowych temperatur w trakcie procesu spalania, co obniża emisję tlenków azotu. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Różne zastosowania termostatów z elementem rozszerzalnym
Charakterystyka elementu rozszerzalnego może być kształtowana w szerokim zakresie temperatur przez zmianę składu parafiny. Termostaty oparte konstrukcyjnie o ten element mają wiele zastosowań. W rozbudowanych układach chłodzenia, w module rozprowadzającym płyn chłodzący do poszczególnych części układu, może być stosowanych kilka termostatów, o różnych temperaturach otwarcia, sterujących przepływem płynu przez poszczególne części układu chłodzenia - takie rozwiązania będę opisywał w kolejnych częściach cyklu. Rys. 29 prezentuje żaluzję wentylatora chłodnicy silnika z zapłonem samoczynnym (ZS) sterowaną termostatem. Poniżej temperatury płynu chłodzącego silnik, wynoszącej 30OC, jest ona zamknięta. Do komory silnika nie wpływa powietrze z zewnątrz, co przyspiesza nagrzewanie silnika. Ponadto, zamknięta żaluzja ogranicza przenikanie na zewnątrz hałasu, którego zwiększone natężenie towarzyszy pracy silnika ZS nienagrzanego do temperatury pracy. Jest ono powodowane przez tzw. spalanie stukowe silnika ZS, powodowane dłuższą zwłoką samozapłonu paliwa. Powoduje ona, że w początkowej fazie spalania dawki wtryskiwanego paliwa samozapłonowi ulega większa jego część, a w konsekwencji następuje gwałtowny przyrost ciśnienia w komorze spalania, czemu towarzyszy większe natężenie emitowanego dźwięku.
Termostaty stosowane w innych zastosowaniach pokazują rys. 30, 31 i 32.

mgr inż. Stefan Myszkowski - Studio Konstrukcyjno-Konsultacyjne

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