Regulacja temperatury płynu chłodzącego silnik

Teoria układu regulacji

Regulacja to proces, którego celem jest uzyskanie wartości wielkości regulowanej (X) jak najmniej różniącej się od wartości zadanej wielkości regulowanej (W). Zadanie to wykonuje element układu nazywany regulatorem, który przez zmianę wartości wielkości nastawczej (Y) może zmienić wartość wielkości regulowanej (X) w sposób przewidziany przez konstruktora.

Ponieważ nigdy nie można być całkowicie pewnym jaką wartość osiągnie wielkość regulowana (X) po zmianie wartości wielkości nastawczej (Y), dlatego regulator mierzy stale wartość wielkości regulowanej (X). Powracająca do regulatora informacja o wartości wielkości regulowanej (X) jest nazywana „sprzężeniem zwrotnym”.

Zmierzoną wartość wielkości regulowanej (X) regulator porównuje z wartością zadaną wielkości regulowanej (W) i oblicza tzw. uchyb regulacji (E) czyli różnicę pomiędzy wartością wielkości regulowanej (X), a wartością zadaną wielkości regulowanej (W):

E = X - W

Wartość uchybu

Wartość uchybu (E), dodatnia lub ujemna jest informacją dla regulatora o jaką wartość zmniejszyć lub zwiększyć wartość wielkości nastawczej, aby wartość uchybu (E) była możliwie jak najbliższa zeru czyli, by został osiągnięty cel pracy układu regulacji.

Ścieżka regulacji

Część układu regulacji pomiędzy punktem, w którym regulator zmienia wartość wielkości nastawczej (Y), a punktem, w którym regulator mierzy wartość wielkości regulowanej (X) jest nazywana „ścieżką regulacji”.

Zakłócenia

Układowi regulacji w pracy przeszkadzają tzw. zakłócenia (Z). Są nimi wszystkie wielkości, o których występowaniu wiemy lub nie, a które mogą zmieniać wartość wielkości regulowanej (X). Regulator nie wie czy i które z zakłóceń w danym momencie występują oraz jak silny jest ich wpływ na wartość wielkości regulowanej (X). Na podstawie pomiaru wie tylko o zmianie wartości wielkości regulowanej (X). Jeśli jest potrzeba, regulator może zmieniać wartość wielkości nastawczej (Y), aby wartość uchybu (E) była możliwie bliska zeru.

Wartości wielkości zakłócających (Z), których wpływ na wartość wielkości regulowanej (X) znamy nie są przeważnie mierzone, bo spowodowałoby to komplikację układu regulacji, często bez istotnego zwiększenia „odporności” na występowanie zakłóceń. Układy regulacji są tak projektowane, aby nieunikniony wpływ zakłóceń (Z) na wartość wielkości regulowanej (X) był możliwie szybko korygowany.

Praca układu regulacji temperatury płynu chłodzącego silnik

(Na przykładzie zdj. 2) Płyn chłodzący, który przepływa przez silnik, chłodzi go, a więc rośnie jego temperatura. Z głowicy silnika wypływa strumień płynu chłodzącego o natężeniu Q, a następnie rozdziela się na dwa strumienie:

• strumień płynący do termostatu o natężeniu Q1(X), którego temperatura jest wielkością regulowaną (X)

• strumień płynący do nagrzewnicy o natężeniu Q2

Strumień o natężeniu Q1(X) wpływa do obudowy termostatu - regulatora w układzie regulacji temperatury płynu chłodzącego. Jest to przeważnie element całkowicie mechaniczny. Nie ma czujnika pomiarowego układu obliczającego uchyb regulacji i nie ma możliwości ustawienia prawidłowej - zadanej wartości regulowanej temperatury. Termostat realizuje funkcję regulatora przez współpracę tzw. elementu rozszerzalnego i jednego lub więcej elementów sprężystych. 

Wartość wysunięcia

Wielkością nastawczą (Y) termostatu jest wartość wysunięcia h(Y) trzpienia termostatu. Dobór charakterystyk elementu rozszerzalnego i elementów sprężystych termostatu umożliwia uzyskanie pożądanej charakterystyki termostatu, czyli zależności wartości wysunięcia h(Y) trzpienia termostatu od temperatury płynu chłodzącego. Termostat o charakterystyce dobranej do określonego silnika umożliwia uzyskanie i utrzymanie przez sprawny układ chłodzenia temperatury płynu chłodzącego silnika w prawidłowym, pożądanym zakresie wartości. Trochę inaczej są zbudowane termostaty z regulacją programową. W niektórych warunkach pracy silnika ich charakterystyka jest zmieniana przez ingerencję sterownika silnika.

Integralną częścią termostatu są dwa zawory połączone z trzpieniem termostatu. Decydują one o natężeniach przepływu strumieni płynu chłodzącego:

• przez chłodnicę - strumień o natężeniu Q1C;

• przez obieg krótki, z pominięciem chłodnicy - strumień o natężeniu Q1K.

Strumień płynu chłodzącego przepływający przez chłodnicę a strumień płynący obiegiem krótkim

Strumień płynu chłodzącego przepływający przez chłodnicę jest schładzany, natomiast strumień płynący obiegiem krótkim, nie jest chłodzony (oczywiście trochę ciepła odda do powietrza otaczającego przewody). Oba strumienie spotykają się w komorze mieszania, a następstwem tego jest ich wymieszanie i uśrednienie temperatury. Z komory mieszania płyn chłodzący przepływa do silnika, gdzie ponownie rośnie jego temperatura. Część strumienia płynu wypływającego z silnika o natężeniu Q1(X) jest kierowana do obudowy termostatu. Płyn chłodzący w tym strumieniu powinien mieć temperaturę możliwie bliską wartości prawidłowej.

Za wysoka temperatura płynu chłodzącego

Jeśli temperatura płynu chłodzącego jest za wysoka, to termostat zwiększa natężenie Q1C strumienia płynu chłodzącego płynącego przez chłodnicę, aby po zmieszaniu ze strumieniem o natężeniu Q1K, który płynie obiegiem krótkim, a następnie po przepłynięciu przez silnik, temperatura płynu chłodzącego była niższa. W skrajnym przypadku, gdy temperatura płynu chłodzącego przekracza maksymalną dopuszczalną wartość, cały strumień płynu chłodzącego przepływa przez chłodnicę (Q1(X) = Q1C).

Za niska temperatura płynu chłodzącego

Jeśli natomiast temperatura płynu chłodzącego jest za niska, to termostat zwiększa natężenie Q1K strumienia płynu chłodzącego płynącego obiegiem krótkim, aby po zmieszaniu ze strumieniem o natężeniu Q1C, który przepływa przez chłodnicę, a następnie po przepłynięciu przez silnik, temperatura płynu chłodzącego była wyższa. W skrajnym przypadku, gdy temperatura płynu chłodzącego jest niższa od dolnej granicy prawidłowego zakresu temperatur, cały strumień płynu chłodzącego płynie obiegiem krótkim (Q1(X) = Q1K).

Natężenie przepływu płynu chłodzącego przez nagrzewnicę

Uważny czytelnik zauważył zapewne, że do komory mieszania dopływa też strumień płynu chłodzącego o natężeniu Q2, który przepływa przez nagrzewnicę powietrza kabiny pasażerskiej (nagrzewnica pracuje tak samo jak chłodnica). Natężenie przepływu płynu chłodzącego przez nagrzewnicę, reguluje kierowca zaworem nagrzewnicy. Tak właściwie to układ ogrzewania kabiny pasażerskiej też jest układem regulacji. Regulatorem jest kierowca, który dla uzyskania wartości temperatury w kabinie odczuwanej dla niego jako przyjemna, zmienia ustawienia zaworu nagrzewnicy.

Termostat nie ma wpływu na natężenie Q2 strumienia płynu chłodzącego przepływającego przez nagrzewnicę. Nie ma również bezpośredniego wpływu na temperaturę płynu chłodzącego, wypływającego z nagrzewnicy do komory mieszania. Zależy ona od temperatury płynu chłodzącego wypływającego z silnika i wielkości otwarcia zaworu nagrzewnicy. W skrajnych przypadkach, zawór nagrzewnicy może być:

• całkowicie otwarty, wówczas przez nagrzewnicę płynie strumień płynu chłodzącego o największym natężeniu, przy określonej prędkości obrotowej silnika;

• całkowicie zamknięty, wówczas do komory mieszania nie dopływa strumień płynu chłodzącego przepływający przez nagrzewnicę.

Przeważnie występują ustawienia pośrednie, czyli częściowe otwarcia zaworu nagrzewnicy.

Jeśli wskutek przepływu przez nagrzewnicę strumienia płynu chłodzącego (o natężeniu Q2), zmieni się temperatura strumienia płynu chłodzącego przepływającego przez obudowę termostatu (o natężeniu Q1(X)), to dla utrzymania prawidłowej wartości tej temperatury, termostat zmieni natężenie strumieni płynu chłodzącego przepływających przez chłodnicę i przez obieg krótki.

Dla termostatu przyczyna zmiany temperatury płynu chłodzącego jest obojętna - czy jest nią przepływ płynu chłodzącego przez nagrzewnicę, czy inne nieznane dla niego przyczyny. Termostat zawsze będzie starał się aby temperatura płynu chłodzącego osiągnęła wartość jak najbliższą wartości prawidłowej. Z powyższego powodu, pracę układu ogrzewania kabiny zaliczamy do zakłóceń układu regulacji temperatury pracy silnika. Są one oznaczone na zdj. 2 symbolami Z1, Z2 i Z3. 

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 również wiele czynników zakłócających.

Czynnikami zakłócającymi, o których wiemy są:

• zmniejszenie objętości płynu chłodzącego w układzie chłodzenia np. w skutek jego ubytku;

• zmiana obciążenia silnika;

• zmiana temperatury zewnętrznej;

• włączenie lub wyłączenie ogrzewania wnętrza pojazdu;

• włączenie lub wyłączenie klimatyzacji;

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 pożądanej 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.

Tekst i zdjęcia pochodzą z artykułu „Regulacja temperatury płynu chłodzącego silnik” w dodatku technicznym Termostatyczna technika regulacyjna Kompendium praktycznej wiedzy 38/Kwiecień 2011