Termostat z regulacją programową

Wzrost temperatury pracy silnika

Osoby dłużej zajmujące się samochodami pamiętają czasy, gdy za prawidłową temperaturę silnika uznawana była temperatura o kilka stopni wyższa od 80°C. Zastąpienie wody płynem chłodzącym oraz wzrost ciśnienia w układzie chłodzenia silnika umożliwiły podwyższenie prawidłowej temperatury pracy silnika do zakresu od 90 do 100°C. 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 zdj.1. 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 10°C, powoduje obniżenie zużycie paliwa o 1%. Teoretycznie możliwe było by zwiększenie temperatury pracy silnika od 90°C do 140°C, co pozwoliłoby obniżyć zużycia paliwa o 5%. W praktyce temperatura płynu chłodzącego o wartości 140°C 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.

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 stukowego, co wymusza zmniejszenie wartości kąta wyprzedzenia zapłonu, przez układ regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu, zapobiegający spalaniu stukowemu (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 110°C. Jest to wartość o 15 do 20°C wyższa od temperatury przyjętej dotychczas dla silnika za prawidłową, a wynoszącą od 90 do 95°C.

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 10°C poniżej temperatury pracy przyjętej dotychczas dla silnika za prawidłową, a wynoszącą od 90 do 95°C. 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.

Budowa termostatu z regulacją programową

Przedstawia ją rys.16. Termostat z regulacją programową powstał na bazie „typowego” termostatu z elementem rozszerzalnym. W odróżnieniu od niego, w elemencie rozszerzalnym jest zamontowana grzałka, zasilana prądem za pośrednictwem załącza elektrycznego, z instalacji elektrycznej samochodu. Element rozszerzalny termostatu z regulacją programową jest montowany nieruchomo (w „tradycyjnych” termostatach może być ruchomy), co powoduje, ze płyn chłodzący ściślej opływa element rozszerzalny, a więc większa jest dokładność pracy termostatu. Ponadto mniejsze jest niebezpieczeństwo pęknięcia przewodów elektrycznych łączących grzałkę i złącze elektryczne.

W termostacie z regulacją programową ruchomy jest trzpień roboczy elementu rozszerzalnego. Wymusza on otwieranie zaworu obiegu „długiego” (w tym obwodzie zamontowana jest chłodnica) oraz zamykanie zaworu obiegu „krótkiego”. Zamykanie zaworu obiegu „długiego” i otwieranie zaworu obiegu „krótkiego” jest wymuszane przez rozprężanie się sprężyn i  które zostały uprzednio ściśnięte przy wysuwaniu się trzpienia roboczego z elementu rozszerzalnego. 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 80°C, zawór obiegu „długiego” jest zamknięty a zawór obiegu „krótkiego” jest maksymalnie otwarty - to ustawienie jest oznaczone na zdj. 2 jako „Ustawienie A”. Jeśli temperatura silnika przekroczy wartość 80°C 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 ok. 110°C, a nie od 90 do 95°C, jak w „typowym” termostacie.

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 prądem. Powoduje to dodatkowe ogrzanie elementu rozszerzalnego, co zwiększa wysunięcie trzpienia roboczego. 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 zdj. 2 jako „Ustawienie B”. Jednocześnie dla szybkiego schłodzenia płynu chłodzącego silnik, następuję włączenie wentylatora chłodnicy. Wartość prądu przepływającego przez grzałkę, oraz moc, z którą pracuję 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 termostatu. Wówczas wskutek działania sprężyn i  trzpień roboczy 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 110°C.

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.

Zdjęcia 3 i 4 prezentują przykładowe konstrukcje termostatów z regulacją programową.

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 110°C 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 zdj. 5 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).