W niektórych konstrukcjach silników sterownik silnika kontroluje układ chłodzenia silnika, dotychczas całkowicie mechaniczny. Umożliwia to nowa generacja termostatów. W opisach technicznych samochodów i na schematach elektrycznych można spotkać jego następujące nazwy:
- w j. niemieckim - der Kennfeldthermostat lub der Kennfeldgesteuerte Thermostat;
- w j. angielskim - MAP-controlled thermostat.

Proponuję, aby w języku polskim nazywać ten typ termostatu “termostat z regulacją programową”. Jest to moja propozycja nazwy. Ten i dwa kolejne artykuły umożliwią jego poznanie.

W których samochodach jest montowany termostat z regulacją programową?
Możemy spotkać go między innymi po maską następujących modeli samochodów:
- BMW 535i oraz 540i, z silnikami V8;
- BMW 750i, z silnikiem V12;
- BMW 630i Coupe, z silnikiem rzędowym, sześciocylindrowym;
- Mercedes SLK, z silnikiem V6;
- Audi/Seat/Skoda/VW, z silnikami z bezpośrednim wtryskiem benzyny;
- Opel Astra, Signum, Vectra i Zafira, z silnikiem 1,8 Ecotec (103 kW/140KM).



Rys. 33. Zmiana wartości jednostkowego zużycia paliwa be [g/kWh], w zależności od temperatury płynu chłodzącego silnik Tpc, przy różnych wartościach obciążenia silnika. Jednostkowe zużycie paliwa be [g/kWh] to ilość gramów paliwa zużyta przez silnik pracujący z mocą 1 kilowata [kW] przez jedną godzinę [h]. Na tym wykresie obciążenie określamy podając wartość ciśnienia efektywnego pe [kPa], czyli ciśnienia gazów spalinowych, które podczas suwu rozprężania naciskają na tłok, dzięki czemu silnik wykonuje pracę użyteczną, czyli całkowitą pracę silnika pomniejszoną o pracę konieczną do pokonywania oporów ruchu. Wzrost obciążenia silnika zwiększa ciśnienie efektywne pe. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Lista tych samochodów jest zapewne dłuższa i będzie się powiększać. Jest lub będzie wykorzystywany w silnikach ciężarówek.

Podstawowy cel - podwyższenie prawidłowej temperatury pracy silnika
Osoby dłużej zajmujące się samochodami pamiętają czasy, gdy za prawidłową temperaturę silnika uznawana była temperatura o kilka stopni wyższa od 80OC. Zastąpienie wody płynem chłodzącym oraz wzrost ciśnienia w układzie chłodzenia silnika umożliwiły podwyższenie prawidłowej temperatury pracy silnika do zakresu od 90 do 100OC. Podyktowane to było dążeniem do zmniejszenia zużycia paliwa przez silnik. Badania wykazały, że między temperaturą pracy silnika, obciążeniem (określonym np. wartością ciśnienia efektywnego pe), a wartością jednostkowego zużycia paliwa, są zależności zilustrowane wykresami na rys. 33. Przy każdym obciążeniu silnika wzrost temperatury płynu chłodzącego powoduje obniżenie jednostkowego zużycia paliwa. Największy spadek zużycia paliwa występuje przy małych i średnich obciążeniach silnika, co obrazują linie wykresu dla ciśnień efektywnych pe = 100 kPa i pe = 290 kPa, w porównaniu z linią wykresu dla ciśnienia pe = 590 kPa. Wzrost temperatury silnika pracującego w zakresie małych i średnich obciążeń o każde 10OC, powoduje obniżenie zużycie paliwa o 1%. Teoretycznie możliwe byłoby zwiększenie temperatury pracy silnika od 90OC do 140OC, co pozwoliłoby obniżyć zużycia paliwa o 5%. W praktyce temperatura płynu chłodzącego o wartości 140OC nie jest jednak możliwa, ponieważ wytrzymałość niektórych części silnika mogłaby się zmniejszyć, a nie jest możliwe selektywne chłodzenie wybranych części silnika. Pamiętać też należy, że wzrost temperatury silnika powoduje zwiększenie temperatury zasysanego powietrza, co zmniejsza masę powietrza zassanego do komór spalania, a więc obniża moc i moment obrotowy silnika.



Rys. 34. Przekrój termostatu z regulacją programową: 1 - obudowa termostatu; 2 - złącze elektryczne grzałki; 3 - grzałka elementu rozszerzalnego; 4 - zawór obiegu “długiego”; 5 - sprężyna zaworu obiegu “długiego”; 6 - zawór obiegu “krótkiego”; 7 - sprężyna zaworu obiegu “krótkiego”; 8 - trzpień roboczy; 9 - wkładka z elastomeru elementu rozszerzalnego; 10 - element rozszerzalny. Zaznaczone dwa różne kierunki przepływu płynu chłodzącego “Do lub z chłodnicy” oraz “Do lub z obiegu “krótkiego”” wynikają z możliwości zamontowania termostatu w strumieniu płynu chłodzącego wypływającego z silnika (na “wyjściu” z silnika) lub w strumieniu płynu wpływającego do silnika (na “wejściu” do silnika). Ustawienie A zaworów nr 4 i 7 termostatu występuje przy temperaturze silnika poniżej 80OC. Ustawienie B zaworów nr 4 i 7 termostatu występuje po przekroczeniu maksymalnej temperatury roboczej silnika lub gdy sterownik włączy grzałkę termostatu. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Jest to istotne, gdy kierowca wymaga od silnika pracy przy maksymalnym obciążeniu, a więc przy maksymalnych wartościach momentu obrotowego i mocy, dla aktualnej wartości prędkości obrotowej silnika. Wartości te wynikają z charakterystyki zewnętrznej silnika. Ponadto, wzrost temperatury powietrza zassanego do komór spalania powoduje wzrost skłonności do spalania detonacyjnego, co wymusza zmniejszenie wartości kąta wyprzedzenia zapłonu, przez układ regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu, zapobiegający spalaniu detonacyjnemu (w obecnych konstrukcjach silników ten układ jest standardowy). Niestety, następstwem zmniejszenia kąta wyprzedzenia zapłonu jest wzrost zużycia paliwa i zmniejszenie wartości momentu obrotowego i mocy.

Uzależnienie temperatury pracy silnika od jego obciążenia
Dla obniżenia zużycia paliwa przez silnik pracujący w zakresie małych i średnich obciążeń możliwe i bezpieczne jest podwyższenie temperatury płynu chłodzącego do wartości 110OC. Jest to wartość o 15 do 20OC wyższa od temperatury przyjętej dotychczas dla silnika za prawidłową, a wynoszącą od 90 do 95OC.
Aby jednak silnik pracujący przy dużym lub maksymalnym obciążeniu pracował bez niebezpieczeństwa uszkodzenia silnika lub elementów jego układów, np. konwertera katalitycznego, a jeśli będzie potrzeba mógł osiągać maksymalne wartości momentu obrotowego i mocy dla aktualnej wartości prędkości obrotowej silnika, temperatura płynu chłodzącego jest obniżana o 5 do 10OC poniżej temperatury pracy przyjętej dotychczas dla silnika za prawidłową, a wynoszącą od 90 do 95OC. Warunkiem koniecznym, aby temperatura płynu chłodzącego uległa obniżeniu, jest dysponowanie przez układ chłodzenia możliwością odprowadzenia dodatkowych ilości ciepła. Uzyskiwanie wartości temperatur płynu chłodzącego silnik, zależnych od obciążenia silnika, jest możliwe przez zastosowanie termostatu z regulacją programową, o konstrukcji innej niż tradycyjna.

Budowa termostatu z regulacją programową
Przedstawia ją rys. 34. Termostat z regulacją programową powstał na bazie “typowego” termostatu z elementem rozszerzalnym. W odróżnieniu od niego, w elemencie rozszerzalnym 10 jest zamontowana grzałka 3, zasilana prądem za pośrednictwem załącza elektrycznego 2, z instalacji elektrycznej samochodu. Element rozszerzalny termostatu z regulacją programową jest montowany nieruchomo (w “tradycyjnych” termostatach może być ruchomy), co powoduje, że płyn chłodzący ściślej opływa element rozszerzalny, a więc większa jest dokładność pracy termostatu. Ponadto, mniejsze jest niebezpieczeństwo pęknięcia przewodów elektrycznych łączących grzałkę 3 i złącze elektryczne 2.



Rys. 35. Dwa różne termostaty z regulacją programową, dla silników V8 firmy BMW: a) starsze wykonanie; b) nowsze wykonanie, o lepiej zoptymalizowanym przepływie płynu chłodzącego. Nr 1 oznacza złącze elektryczne grzałki termostatu.

W termostacie z regulacją programową ruchomy jest trzpień roboczy 8 elementu rozszerzalnego 10. Wymusza on otwieranie zaworu obiegu “długiego” 4 (w tym obwodzie zamontowana jest chłodnica) oraz zamykanie zaworu obiegu “krótkiego” 7. Zamykanie zaworu obiegu “długiego” 4 i otwieranie zaworu obiegu “krótkiego” 7 jest wymuszane przez rozprężanie się sprężyn 5 i 7, które zostały uprzednio ściśnięte przy wysuwaniu się trzpienia roboczego 8 z elementu rozszerzalnego 10. Aby zmniejszyć przecieki płynu chłodzącego przy zamkniętym zaworze obiegu “długiego” (niepożądany przepływ przez chłodnicę), talerzyk zaworu ma uszczelnienie elastomerowe, co skraca fazę nagrzewania silnika. Podczas nagrzewania silnika, nim temperatura silnika osiągnie wartość 80OC, zawór obiegu “długiego” 4 jest zamknięty a zawór obiegu “krótkiego” 7 jest maksymalnie otwarty - to ustawienie jest oznaczone na rys. 34 jako “Ustawienie A”. Jeśli temperatura silnika przekroczy wartość 80OC i pracuje on w warunkach małych lub średnich obciążeń, to termostat z regulacją programową zachowuje się podobnie jak “typowy” termostat, tzn. zmieniając ustawienie zaworów obiegu “krótkiego” i “długiego” stara się utrzymać wymaganą wartość temperatury płynu chłodzącego, z tą różnicą, że ta temperatura ma wartość 110OC, a nie od 90 do 95OC, jak w “typowym” termostacie.



Rys. 36. Zespół termostatu z regulacją programową dla silnika FSI samochodu Volkswagen Lupo, przedstawiony w widokach z dwóch różnych stron (a i b). Elementy na rysunku: 1 - termostat z regulacją programową; 2 - złącze elektryczne grzałki termostatu; 3 - podwójny czujnik temperatury płynu chłodzącego, z których jeden informuje o jej wartości sterownik silnika, a drugi przesyła tę informację do wskaźnika temperatury płynu chłodzącego zamontowanego w zestawie wskaźników.

Jeśli sterownik silnika stwierdzi, że silnik pracuje w zakresie dużego lub maksymalnego obciążenia, to z powodów podanych wcześniej obniża temperaturę płynu chłodzącego silnik do wartości pożądanej dla danego obciążenia silnika, prędkości samochodu lub temperatury powietrza wpływającego do cylindrów silnika. Pożądana wartość temperatury płynu chłodzącego silnik jest odczytywana z charakterystyk znajdujących się w pamięci sterownika. Aby obniżyć temperaturę płynu chłodzącego silnik do wartości wymaganej, sterownik zasila grzałkę termostatu 3 prądem. Powoduje to dodatkowe ogrzanie elementu rozszerzalnego, co zwiększa wysunięcie trzpienia roboczego 8. Następuje zwiększenia otwarcia zaworu obiegu “długiego” i zmniejszenie otwarcia lub zamknięcie zaworu obiegu “krótkiego”, dzięki czemu większy strumień płynu chłodzącego płynie obiegiem “długim”, przez chłodnicę, a przepływ płynu chłodzącego przez obieg “krótki” jest zmniejszony lub zamknięty - to ustawienie jest oznaczone na rys. 34 jako “Ustawienie B”. Jednocześnie dla szybkiego schłodzenia płynu chłodzącego silnik następuje włączenie wentylatora chłodnicy. Wartość prądu przepływającego przez grzałkę 3 oraz moc, z którą pracuje wentylator chłodnicy, są określane przez sterownik, zależnie od wymaganej wartości temperatury płynu chłodzącego silnik. Jeśli sterownik stwierdzi, że silnik ponownie pracuje przy małym lub średnim obciążeniu, to wyłącza zasilanie prądem grzałki 3 termostatu. Wówczas wskutek działania sprężyn 5 i 7 trzpień roboczy 8 wsuwa się do elementu rozszerzalnego, co powoduje zmniejszenie otwarcia zaworu obiegu “długiego” i zwiększenie otwarcia zaworu obiegu “krótkiego”, w następstwie czego temperatura płynu chłodzącego ponownie osiąga wartość 110OC. Aby w silnikach z termostatem o regulacji programowej możliwe było w czasie kilku sekund, przy wykorzystaniu wentylatora chłodnicy, obniżenie temperatury płynu chłodzącego silnik, jego objętość w układzie chłodzenia jest mniejsza niż w układach z “typowym” termostatem, dla zmniejszenia bezwładności cieplnej silnika. Rysunki 35 i 36 prezentują przykładowe konstrukcje termostatów z regulacją programową.



Rys. 37. Wzrost temperatury silnika pracującego w zakresie obciążeń częściowych, do 110OC, w następstwie zastosowania termostatu z regulacją programową, spowodował w samochodzie badanym według amerykańskiego testu homologacyjnego FTP-75 przedstawione na wykresie zmiany zużycia paliwa i emisji szkodliwych składników spalin. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Korzyści z zastosowania termostatu z regulacją programową
Przeciętnie 90% przebiegu samochodu odbywa się w zakresie małych i średnich obciążeń, dlatego wzrost temperatury płynu chłodzącego do 110OC w tych warunkach pracy silnika powoduje obniżenie zużycia paliwa, teoretycznie o 2%, tylko w następstwie wzrostu temperatury. Testy praktyczne wykazały, że zmniejszenie zużycia paliwa jest większe, co jest spowodowane np. szybszym nagrzewaniem się silnika, w wyniku mniejszej bezwładności cieplnej układu chłodzenia.
Przykładowo na rys. 37 są przedstawiane zmiany zużycia paliwa i emisji szkodliwych składników spalin w samochodzie badanym według amerykańskiego testu homologacyjnego FTP-75. Zmniejszeniu uległy: o 4% zużycie paliwa, o 5% emisja tlenku węgla (CO) i o 15% emisja węglowodorów (HC), natomiast o 10% wzrosła emisja tlenków azotu (NOX).

Korzystając z okazji przypomnę, że informując o zmianach zużycia paliwa i emisji szkodliwych składników spalin, należy również informować, w jakich warunkach ruchu samochodu i w jaki sposób wartości te zostały zmierzone. W przywołanym przykładzie pomiar został przeprowadzony w teście FTP-75, którego przebieg jest ściśle zdefiniowany i powtarzalny z założoną tolerancją.

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

mgr inż. Stefan Myszkowski
Studio Konstrukcyjno-Konsultacyjne