W poprzednim odcinku opisałem podstawy teoretyczne uzasadniające zwiększenie temperatury płynu chłodzącego silnik do wartości ok. 110OC, gdy pracuje on w warunkach małych i średnich obciążeń, oraz obniżenie jej do niższej wartości, gdy silnik jest bardziej obciążony. Taką regulację umożliwia termostat z regulacją programową - poznajmy ją.

Wymagana wartość temperatury płynu chłodzącego silnik
Termostat z regulacją programową umożliwia stosowanie tzw. wieloparametrowej regulacji temperatury płynu chłodzącego silnik. Przy tym sposobie regulacji wymagana wartość temperatury płynu chłodzącego silnik jest zależna od:
- zmiany stopnia napełnienia powietrzem komór spalania silnika wskutek zmiany temperatury powietrza dolotowego (wzrost temperatury powietrza dolotowego zmniejsza masę powietrza wypełniającego komory spalania silnika, co powoduje zmniejszenie jego osiągów i zwiększenie emisji tlenków azotu);
- stopnia obciążenia silnika;
- prędkości ruchu samochodu.

Rys. 38. Wykres wymaganej temperatury płynu chłodzącego silnik „usportowionej” limuzyny wyższej klasy w zależności od prędkości ruchu samochodu oraz obciążenia silnika. Jako miarę obciążenia silnika przyjęto czas wtrysku benzyny w przeliczeniu na 1 obrót wału korbowego. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Rys. 38 przedstawia przykładowy wykres wymaganych temperatur płynu chłodzącego silnik w zależności od stopnia obciążenia silnika i prędkości ruchu samochodu. Można z niego odczytać, że w zakresie małych i średnich obciążeń, do ok. 5,5 ms/obr., oraz prędkości do ok. 130 km/h, silnik może bezpiecznie pracować przy temperaturze płynu chłodzącego trochę wyższej niż 100OC. Im większe jest obciążenie silnika lub prędkość jazdy samochodu, to dla zapewnienia silnikowi oczekiwanych osiągów, temperatura płynu chłodzącego silnik jest niższa.

Rys. 39. Schemat logiczny części programu sterownika silnika, odpowiedzialnej za regulację temperatury płynu w układzie chłodzenia silnika posiadającego termostat z regulacją programową. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Regulacja temperatury płynu chłodzącego silnik termostatem z regulacją programową
Warunki pracy silnika posiadającego termostat z regulacją programową są podzielone na dwa zakresy:
- warunki pracy, w których na pracę termostatu z regulacją programową nie wpływa sterownik silnika, a więc pracuje on tak samo jak zwykły, całkowicie mechaniczny termostat, a wartość regulowanej tylko przez niego temperatury płynu chłodzącego silnik wynosi ok. 110OC;
- warunki pracy, w których sterownik silnika włącza zasilanie grzałki termostatu celem wymuszenia zwiększenia natężenia strumienia płynu chłodzącego płynącego przez chłodnicę, oraz włącza dodatkowo wentylator chłodnicy, celem obniżenia temperatury płynu chłodzącego silnik do wartości wymaganej, zapisanej w pamięci sterownika, np. w postaci charakterystyki, takiej jak na rys. 38.
Schemat logiczny programu sterownika silnika, który wymusza obniżenie temperatury płynu chłodzącego i reguluje wartość niższej temperatury przedstawia rys. 39. Jak już napisałem i jak pokazuje to schemat, są trzy wielkości, których wartości uwzględnia sterownik, decydując o obniżeniu temperatury płynu chłodzącego silnik. To, dla jakich wartości tych wielkości wymagane jest obniżenie temperatury płynu chłodzącego silnik, jest określone z wykorzystaniem jednej z dwóch metod:
- wartościami progowymi tych wielkości;
- charakterystykami, które określają wymaganą wartość temperatury płynu chłodzącego silnik, w zależności od wartości każdej z tych wielkości.

Wartości progowe temperatury powietrza dolotowego, stopnia obciążenia silnika i prędkości samochodu, są wartościami, z którymi program sterownika porównuje aktualną wartość danej wielkości i rozstrzyga, czy aktualna wartość każdej z tych wielkości jest podstawą do utrzymywania wyższej lub obniżenia i utrzymania niższej temperatury płynu chłodzącego silnik. Ten sposób decydowania o temperaturze pracy silnika określa dwie wymagane wartości temperatur płynu chłodzącego silnik: wyższą (ok. 110OC) i niższą (ok. 80OC).

Rys. 40. Zmiany temperatur płynu w układzie chłodzenia silnika z termostatem z regulacją programową, przy zmianie obciążenia silnika z zakresu małych i średnich obciążeń (M/Ś Obc.) do zakresu dużych obciążeń (D Obc.) i ponownie przy powrocie do zakresu małych i średnich obciążeń silnika (M/Ś Obc.). Na obniżenie temperatury od 110OC do 80OC układ chłodzenia potrzebuje ok. 4 s (czas Tot), przy chwilowym wykorzystaniu pełnej mocy wentylatora chłodnicy. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Jeśli sterownik do określania wymaganej wartości temperatury płynu chłodzącego wykorzystuje charakterystyki, to każdorazowo dla aktualnych wartości temperatury powietrza dolotowego, stopnia obciążenia silnika i prędkości samochodu jest określana wartość temperatury płynu chłodzącego silnik, z zakresu od 80 do 110OC. Zależnie od wartości tej temperatury, sterownik ingeruje lub nie w pracę termostatu. Ingeruje, jeśli mechanizm termostatu bez pomocy sterownika nie jest w stanie utrzymać wymaganej temperatury płynu chłodzącego silnik. Aby lepiej uchwycić różnicę pomiędzy oboma sposobami określania wymaganej wartości temperatury płynu chłodzącego silnik i wynikającymi z tego różnicami w sposobie pracy układu regulacji tej temperatury, proszę zapoznać się z poniższymi przykładami.
Przykład 1. Jeśli zależność wymaganej wartości temperatury płynu chłodzącego silnik od prędkości jazdy samochodu określa wartość progowa 130 km/h, to:
- gdy prędkość samochodu jest niższa niż 130 km/h, temperatura płynu chłodzącego silnik jest regulowana samodzielnie przez termostat, bez udziału sterownika silnika, i wynosi ok. 110OC;
- gdy prędkość samochodu przekracza 130 km/h, sterownik silnika wymusza obniżenie temperatury płynu chłodzącego do wartości 80OC.

Rys. 41. Schemat układu regulacji temperatury płynu w układzie chłodzenia silnika z termostatem z regulacją programową, który pracuje według schematu logicznego przedstawionego na rys. 39. Elementy schematu: A - informacja o wymaganej wartości temperatury płynu chłodzącego silnik, w zależności od temperatury powietrza dolotowego; B - informacja o wymaganej wartości temperatury płynu chłodzącego silnik, w zależności od obciążenia silnika; C - informacja o wymaganej wartości temperatury płynu chłodzącego silnik, w zależności od prędkości pojazdu; D - informacja o aktualnej wartości temperatury płynu chłodzącego silnik; E - układ logiczny (procesor); F - układ sterujący wentylatorem chłodnicy, który określa wymaganą chwilową moc pracującego wentylatora chłodnicy. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Przykład 2. Jeśli zależność wymaganej wartości temperatury płynu chłodzącego silnik od prędkości jazdy samochodu określa charakterystyka, to w przykładzie analogicznym do powyższego:
- gdy prędkość samochodu jest niższa niż 130 km/h, temperatura płynu chłodzącego silnik jest regulowana przez termostat bez udziału sterownika i wynosi ok. 110OC;
- gdy prędkość samochodu przekroczy 130 km/h, sterownik wymusza obniżenie temperatury płynu chłodzącego, do wartości z zakresu od 80 do 110OC, przy czym im wyższa jest prędkość samochodu, tym wymagana temperatura płynu chłodzącego silnik jest niższa.

Proszę przeanalizować te zmiany na podobnym wykresie, z rys. 38. Podobnym, bo maksymalna temperatura płynu chłodzącego silnik wynosi na nim nie 110OC, ale kilka stopni mniej. Aby sterownik zadecydował o obniżeniu temperatury płynu chłodzącego silnik, muszą zostać spełnione jednocześnie dwa warunki (na schemacie logicznym na rys. 39, jest użyte słowo „I”):
- aktualna temperatura płynu chłodzącego silnik musi być wyższa od 80OC;
- musi być spełniony jeden lub więcej warunków, które decydują o konieczności obniżenia temperatury płynu chłodzącego silnik (na schemacie logicznym na rys. 39 jest użyte słowo „LUB”).

Rys. 42. Elementy układu regulacji temperatury płynu chłodzącego silnik: sterownik silnika i termostat z regulacją programową. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Pierwszy z warunków wynika z konieczności zabezpieczenia się przed spadkiem temperatury płynu chłodzącego poniżej 80OC, co spowodowałoby wzrost emisji szkodliwych składników spalin oraz zużycia paliwa. Jeśli zostaną spełnione oba warunki umożliwiające obniżenie temperatury płynu chłodzącego silnik, następuje:
- włączenie grzałki termostatu z regulacją programową, dla zwiększenia otwarcia zaworu regulującego wielkość strumienia płynu chłodzącego przepływającego przez chłodnicę;
- włączenie wentylatora chłodnicy do pracy z pełną mocą, bezpośrednio po włączeniu, aby jak najwięcej ciepła odprowadzić z chłodnicy, a następnie regulowanie mocy wentylatora, stosownie do aktualnej wartości temperatury płynu chłodzącego silnik.

Na rys. 40 jest przedstawiony przebieg zmian temperatury płynu chłodzącego silnik wymuszony zmianami jego obciążenia. Obniżenie temperatury płynu chłodzącego silnik następuje po ok. 4 sekundach od podjęcia przez sterownik decyzji o nim (czas Tot na rys. 40), co pozwala uzyskać oczekiwaną przez kierowcę wartość momentu obrotowego silnika. Przypomnę, że to kierowca jest głównym „regulatorem” osiągów samochodu, który wydaje polecenia silnikowi przez naciśnięcie pedału gazu, obserwując jednocześnie reakcję samochodu. Jeśli warunki pracy silnika zmienią się, np. tak jak na rys. 40, a silnik przechodzi z pracy w zakresie dużych obciążeń do pracy w zakresie małych lub średnich obciążeń, to sterownik wyłącza zasilanie grzałki termostatu i wentylatora chłodnicy, co po kilku sekundach powoduje wzrost temperatury silnika do wartości maksymalnej, regulowanej tylko przez termostat, bez udziału sterownika. Przedstawiony na rys. 39 logiczny schemat sterowania jest realizowany przez układ przedstawiony schematycznie na rys. 41. Podstawowe elementy tego układu prezentuje rys. 42.

Rys. 43. Układ chłodzenia silnika 1,4 FSI samochodu VW Lupo z termostatem z regulacją programową. Elementy na rysunku: 1 - chłodnica; 2 - czujnik nr 2 temperatury płynu chłodzącego wypływającego z chłodnicy; 3 - termostat z regulacją programową; 4 - chłodnica oleju silnikowego; 5 - blok silnika; 6 - pompa płynu chłodzącego; 7 - czujnik nr 1 temperatury płynu chłodzącego wypływającego z bloku silnika; 8 - rozdzielacz płynu chłodzącego; 9 - zbiornik wyrównawczy; 10 - układ dolotowy silnika; 11 - przewód podciśnieniowy; 12 - zawór podciśnienia, sterujący otwarciem/zamknięciem zaworu nr 15; 13 - zespół przepustnicy; 14 - regulator ustawienia klapy nawiewu powietrza ciepłego i zimnego do kabiny; 15 - zawór odcinający, sterujący dopływem płynu chłodzącego do nagrzewnicy ogrzewania kabiny; 16 - nagrzewnica ogrzewania kabiny. Oznaczenia króćców rozdzielacza płynu chłodzącego: A - króciec wypływu płynu chłodzącego do pompy; B - króciec wpływu płynu chłodzącego z bloku silnika; C - króciec wpływu płynu chłodzącego z chłodnicy, regulowany termostatem z regulacją programową; D - króciec wypływu płynu chłodzącego do chłodnicy. (Rysunek na podstawie materiałów firmy Volkswagen.)

Przykład układu chłodzenia silnika z termostatem z regulacją programową
Przedstawia go rys. 43. Jego elementy są wyszczególnione w podpisie rysunku. Gdy silnik nagrzewa się, ustawienie termostatu (3, rys. 43) umożliwia pracę układu chłodzenia w obiegu „krótkim”. Cały płyn chłodzący, wypływający króćcem (B) z bloku silnika (5), wpływa do rozdzielacza płynu chłodzącego (8), a następnie powraca króćcem (A), przez pompę płynu chłodzącego (6) do płaszcza chłodzącego silnik. Płyn chłodzący nie może płynąć przez chłodnicę, ponieważ króciec (C) doprowadzający płyn chłodzący z chłodnicy jest zamknięty przez zawór obiegu „długiego” termostatu. Gdy temperatura płynu chłodzącego jest bliska maksymalnie dopuszczalnej, ustawienie termostatu (3, rys. 43) umożliwia przepływ całości płynu chłodzącego przez obieg „długi”. Wówczas zawór obiegu „krótkiego” termostatu zamyka drogę przepływu płynu chłodzącego pomiędzy króćcami (B) i (A) - rys. 43 tego nie pokazuje. Cały płyn chłodzący, wypływający króćcem (B) z bloku silnika (5), wpływa do rozdzielacza płynu chłodzącego (8), a następnie przez króciec (D) płynie do chłodnicy (1), z której powraca ochłodzony, przez króciec (C) i całkowicie otwarty zawór obiegu „długiego” termostatu. W gdy wymagana jest pośrednia temperatura płynu chłodzącego, jego część płynie obiegiem „krótkim” a część obiegiem „długim”.

Rys. 44. Schemat układu połączeń elektrycznych termostatu z regulacją programową. Oznaczenia na schemacie: F1, F2 i F3 - bezpieczniki, K2 - przekaźnik zasilający sterownik i elementy z nim współpracujące; R2 - grzałka termostatu z regulacją programową; X1 - sterownik silnika; 15 - zasilanie (+) włączane po przekręceniu włącznika stacyjki w pozycję „włączona”; 30 - stałe zasilanie (+), bezpośrednio z akumulatora samochodu; 31 - masa (-).

Sterownik silnika otrzymuje informację o temperaturze płynu chłodzącego wypływającego z bloku silnika od czujnika nr 1 (7). Na jej podstawie sterownik określa wartość prądu zasilającego grzałkę termostatu. Czujnik nr 2 (2) informuje sterownik o temperaturze płynu chłodzącego wypływającego z chłodnicy. Na podstawie porównania temperatur mierzonych czujnikami nr 1 i 2 sterownik określa moc, z którą pracuje zespół wentylatorów chłodnicy.

Schemat połączeń elektrycznych termostatu z regulacją programową
Fragment układu elektrycznego silnika, z układem chłodzenia przedstawionym na rys. 43, prezentuje rys. 44. Elementem termostatu z regulacją programową, włączonym w obwód elektryczny, jest grzałka, oznaczona na schemacie symbolem R2. Zasilanie (+) jest doprowadzone z przewodu nr 30, za pośrednictwem przekaźnika K2 (doprowadza on również zasilanie do sterownika) i bezpiecznika F1. O włączeniu przepływu prądu przez grzałkę termostatu z regulacją programową decyduje sterownik silnika X1. Jeśli krótkotrwale występują okoliczności, w których temperatura płynu chłodzącego musi być obniżona, np. samochód silnie przyspiesza, grzałka jest przez kilka sekund zasilania napięciem, a gdy przyspieszanie się skończy, zasilanie grzałki jest przerywane.

Rys. 45. Praca układu regulacji temperatury płynu chłodzącego silnik (Tpc) z wykorzystaniem termostatu z regulacją programową. Jeśli samochód jedzie ze stałą prędkością, przy małym lub średnim obciążeniu silnika, jest utrzymywana wyższa wartość temperatury płynu chłodzącego. W momencie, w którym kierowca zaczyna przyspieszać, rośnie obciążenie silnika, a po chwili również prędkość obrotowa silnika (n). Wzrost obciążenia silnika jest powodem podjęcia przez sterownik silnika decyzji o obniżeniu temperatury płynu chłodzącego. W tym celu sterownik włącza zasilanie grzałki termostatu z regulacją programową (Ug), co powoduje zwiększenie strumienia płynu chłodzącego przepływającego przez chłodnicę i włączenie wentylatora chłodnicy do pracy z pełną mocą. W następstwie obu działań, po ok. 4 sekundach (czas Tot), temperatura płynu chłodzącego silnik (Tot) obniża się do wartości wymaganej, dla występującej w danej chwili wartości obciążenia silnika lub prędkości samochodu. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Jeśli przyczyna, na podstawie której sterownik utrzymuje obniżoną wartość temperatury silnika, z zakresu od 80 do 110OC, występuje długotrwale, np. samochód jedzie z dużą prędkością, ale niższą od maksymalnej, dlatego nie jest konieczne utrzymywanie temperatury 80OC (ilustruje to wykres na rys. 38 w poprzednim odcinku), grzałka termostatu z regulacją programową jest zasilana impulsowo. Sterownik otrzymuje informację o temperaturze płynu chłodzącego z czujnika i zasila grzałkę sygnałem cechującym się taką wartością współczynnika wypełnienia impulsu, aby utrzymać temperaturę płynu chłodzącego silnik możliwie zbliżoną do wartości wymaganej, zapisanej dla danych warunków pracy w pamięci sterownika w postaci charakterystyki. Im wyższa jest wartość współczynnika wypełnienia impulsu, tym wartość regulowanej temperatury jest niższa. Proszę zapoznać się również z wykresami na rys. 45 i ich opisem. Ilustrują one pracę układu regulacji temperatury termostatem z regulacją programową.

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

mgr inż. Stefan Myszkowski
Studio Konstrukcyjno-Konsultacyjne