Пробка расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Полезная модель относится к машиностроению, в частности, к элементам системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использована для сброса давления из системы охлаждения и при перегреве двигателя компенсацией разрежения в системе при охлаждении двигателя путем подсоса атмосферного воздуха.
Известна пробка расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус, на внутренней стенке которого сформирован резьбовой участок и смонтированный внутри корпуса блок клапанов. Указанный блок выполнен в виде единой пластмассовой чашеобразной детали, край которой снабжен упругими зацепами, а на внутренней стенке корпуса, выше его резьбового участка, выполнены соответствующие зацепам гнезда. [Пробка расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, RU 13062, F01P 11/02, F16K 17/04, опубл. 20.03.2000 г.].
Известна усовершенствованная пробка расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания содержит корпус, на внутренней стенке которого сформирован резьбовой участок и смонтированный внутри корпуса блок клапанов, выполненный в виде единой чашеобразной детали, края которой снабжены упругими зацепами, а на внутренней стенке корпуса выше его резьбового участка выполнены соответствующие зацепам гнезда. Для исключения возможности перемещения блока клапанов относительно корпуса в радиальном направлении в пробке дополнительно выполнен фиксирующий элемент, а для возможности регулировки пределов срабатывания применены регулировочные прокладки.           [Усовершенствованная пробка расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, RU 44750, F01P 11/02, опубл. 27.03.2005 г.].
Недостатками известных решений является наличие в них множества деталей и, как следствие, сложный технологический процесс сборки. Кроме того, в пробках расширительного бачка системы охлаждения ДВС клапана расположены в одном блоке, что оказывает взаимное влияние друг на друга и вызывает неправильную работу устройства при сравнительно небольшом сроке эксплуатации. Клапаны имеют пружины, которые в агрессивной среде быстро выходят из строя, что приводит к неисправности изделие в целом. Клапаны имеют уплотнительные эластичные элементы, которые усложняют процесс сборки изделия. Кроме того, уплотнительные прокладки быстро изнашиваются, перекашиваются и в процессе эксплуатации изменяют геометрическую форму, что приводит к неисправности клапанов в пробке расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту является пробка расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус пробки, на внутренней стенке которого сформирован резьбовой участок, корпус блока клапанов, выполненные отдельно клапан давления и вакуумный клапан, клапаны имеют жесткие основания, установленные на них пружины, а также уплотнительные прокладки. Конструктивное расположение клапанов позволило уменьшить высоту пробки расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания.  [KR 20130065135А, F01P 11/02, F01P 11/00, опубл. 19.06.2013 г.]
Недостатками известного решения является наличие в пробке расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания множества деталей и, как следствие, сложный технологический процесс сборки. Клапаны имеют уплотнительные эластичные элементы, которые усложняют процесс сборки изделия, кроме того, они быстро изнашиваются, перекашиваются и в процессе эксплуатации изменяют геометрическую форму, что приводит к неисправности клапанов в пробке расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания.   Вакуумный клапан имеет пружину, которая в агрессивной среде быстро выходит из строя, что приводит к неисправности изделие в целом.
Техническими проблемами предлагаемой полезной модели являются:
- создание простой в изготовлении пробки расширительного бачка;
- создание конструкции пробки расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, устраняющего указанные выше недостатки аналогов и обеспечивающего надежность её работы;
- улучшение эксплуатационных характеристик в части обеспечения точности и стабильности срабатывания клапанов пробки, уменьшения потери охлаждающей жидкости из системы охлаждения ДВС, снижения последствий перегрева двигателя;
- расширение арсенала средств аналогичного назначения.
Техническими результатами заявленного решения являются сокращение количества мест сопряжения, требующих герметичности, изменение алгоритма работы клапана давления, повышение точности и стабильности срабатывания клапанов пробки, уменьшение потери охлаждающей жидкости из системы охлаждения ДВС, увеличение длительности эксплуатации изделия, а также реализация поставленных проблем.
Технические результаты достигаются тем, что в пробке расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащей пробку горловины, на внутренней стенке которой отформован резьбовой участок и смонтированный внутри пробки корпус с  установленными в нем  клапаном давления и вакуумным клапаном, при этом клапан давления оснащен пружиной, согласно заявляемой полезной модели, клапан давления и вакуумный клапан имеют грибообразную форму и выполнены из эластичного материала, при этом вакуумный клапан выполнен в форме гриба с тонкой шляпкой и утолщением ножки у её основания.
Исполнение вакуумного клапана пробки расширительного бачка из эластичного материала в форме гриба с тонкой шляпкой и утолщением ножки у её основания позволяет отказаться от пружины вакуумного клапана. Материал, из которого изготовлен вакуумный клапан эластичный, то есть при оказании на него давления он сжимается, а при снятии давления возвращает свою первоначальную форму. Материалом для изготовления может быть резина, ПВХ или иной материал, обладающий необходимыми рабочими характеристиками, основными из которых является эластичность, достаточная для снижения величины (ложной работы клапана) срабатывания клапана  и его надлежащего уплотнения в зоне седла, а также соответствие материала рабочему диапазону температур. Толщина шляпки подбирается минимально возможной для снижения усилия срабатывания вакуумного клапана, но при этом её минимальная толщина ограничивается технологическими возможностями изготовления (например, проливаемостью материала).Исполнение вакуумного клапана в виде единой детали из эластичного материала повышает надежность пробки расширительного бачка, благодаря исключению из изделия требующего герметичности места сопряжения жесткого основания вакуумного клапана и его эластичной прокладки. При этом сокращается количество деталей, упрощается сборка и снижается себестоимость изделия. Выполнение клапана давления из эластичного материала грибообразной формы позволяет обеспечить повышение точности и стабильности его срабатывания, сокращение количества деталей клапана и упрощение технологической сборки.
Исполнение клапана давления в виде единой детали из эластичного материала повышает надежность пробки расширительного бачка, благодаря исключению из изделия требующего герметичности места сопряжения жесткого основания клапана давления и его эластичной прокладки. Кроме того, исполнение клапана в виде единой эластичной детали позволяет применить для него более высокую с уменьшенным диаметром проволоки пружину, в результате чего уменьшается вес пружины и изделия в целом, что также обеспечивает повышение точности и стабильности срабатывания клапана давления, поскольку  большее соотношение между высотой пружины клапана в свободном и нагруженном состоянии позволяет получить более стабильные характеристики срабатывания, так как большее соотношение между высотой пружины клапана в свободном и нагруженном состоянии позволяет получить более стабильные характеристики срабатывания. Известно, что наибольшее влияние на усилие срабатывания пружины имеет отклонение размера её длины, так как технологические отклонения характеристики материала, диаметра проволоки, диаметра пружины и термообработки имеют существенно меньшее влияние на характеристики пружины при условии, что длина пружины больше её диаметра. Поэтому примем условие, что на отклонение величины усилия срабатывания пружины влияет отклонение её длины. Примем условную погрешность отклонения длины пружины 10% и рассмотрим две аналогичные пружины с сжатием до рабочего усилия на 1/2 и 1/4 длины. Из этого соотношения видно, что в случае сжатия пружины на 1/2 длины отклонение усилия срабатывания будет равно 10% х на ½ = 5%, а в случае сжатия до 1/4 длины эта погрешность будет равна 10% х на ¼ = 2,5 %. Отсюда можно сделать вывод, что большее соотношение между длиной пружины в свободном состоянии и длиной сжатой до рабочего состояния пружины позволяет получить более точное усилие срабатывания или поставить более свободный допуск на длину пружины, упростив и удешевив стоимость её изготовления. Более высокая и более эластичная пружина клапана давления позволяет изменить алгоритм срабатывания клапана, сделав срабатывание, в отличие от известных конструкций, двухступенчатым. При достижении расчетного давления происходит срабатывание клапана: он на первой ступени работы начинает плавно приоткрываться, стравливая избыток давления постепенно, исключая, таким образом, эффект бутылки шампанского, когда при резком открытии пробки и вскипании газа внутри жидкости происходит её лавинообразный выброс со значительной потерей. В ДВС такой процесс приводит к значительной потере охлаждающей жидкости и тепловому удару в головке двигателя, так как охлаждающая жидкость вытесняется паром, что ведет к перегреву деталей двигателя и их повреждению. В предлагаемой конструкции, в отличие от известных, этот эффект минимизирован, повышена в целом надежность работы ДВС, снижены последствия возможного перегрева и сокращены потери охлаждающей жидкости. На второй ступени работы клапана давления при резком нарастании давления в системе охлаждения клапан открывается полностью до ограничителя в крышке пружины так, как это происходит в большинстве известных систем, сбрасывая избыток давления в атмосферу.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена пробка расширительного бачка в исходном положении, на фиг.2 – пробка расширительного бачка в положении вакуумный клапан открыт, на фиг. 3 - пробка расширительного бачка в положении клапан давления открыт.
Пробка расширительного бачка системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания содержит пробку горловины 1 (фиг. 1), на внутренней стенке которой отформованы резьбовые участки 2. В пробку горловины установлен корпус клапанов 3, на котором размещен вакуумный клапан 4, клапан давления 5, пружина 6 клапана давления 5 и крышка пружины 7. Между пробкой горловины 1 и горловиной расширительного бачка (на фигуре не показано) установлена эластичная прокладка 8. Габаритные размеры пробки горловины 1 могут быть различными в зависимости от условий эксплуатации и объема системы охлаждения ДВС. Вакуумный клапан 4, клапан давления 5 и прокладка горловины 8 изготовлены из эластичных материалов. Материалом для изготовления может быть резина, ПВХ или иной материал, обладающий необходимыми рабочими характеристиками, основными из которых является достаточная эластичность.  Пробка 1, корпус клапанов 3 и крышка пружины 7 изготовлены из твердых материалов, например, пластика. Пробка горловины 1 служит для герметичного монтажа всего узла на расширительный бачок системы охлаждения с помощью резьбовых участков 2 на внутренней стенке и уплотнителя 8. Внутри пробки горловины 1 смонтирован корпус клапанов 3 в виде чашеобразной детали с двумя отдельными посадочными гнездами (на фигуре не показано) для установки вакуумного клапана 4 и клапана давления 5 с пружиной 6 и крышкой пружины 7. Вакуумный клапан 4 выполнен из эластичного материала в виде гриба с тонкой шляпкой и с утолщением 9 у основания ножки. Вакуумный клапан 4 установлен со стороны системы охлаждения в центральное отверстие посадочного гнезда (на фигуре не показано) вакуумного клапана 4 и зафиксирован от выпадения утолщением 9 у основания ножки, которое может быть выполнено в виде заостренного пояска или иной формы. Поясок на ножке служит также упором, который обеспечивает поджатие шляпки вакуумного клапана 4 к уплотнительному буртику 10, выступающему под корпусом клапанов 3. Вокруг центрального отверстия гнезда вакуумного клапана 4, внутри его уплотнительного буртика 10 выполнены сквозные отверстия 11 для прохода воздуха. Форма отверстия может быть любой, а размер должен быть достаточным для обеспечения герметичного прилегания вакуумного клапана 4 при воздействии на него давления со стороны системы охлаждения ДВС. В корпусе клапанов 3 смонтирован в виде отдельного узла клапан давления 5, выполненный в виде гриба из эластичного материала. Клапан давления 5 поджат к уплотнительному поясу 12 пружиной 6, которая зафиксирована при помощи крышки пружины 7. Крышка пружины 7 зафиксирована в корпусе клапанов 3 посредством выступающего над ней пояска 13, который защелкнут в кольцевую канавку 14 корпуса клапанов 3. Для прохода пара в крышке пружины 7 выполнены окна и центральное отверстие 15, диаметр центрального отверстия 15 для работы клапана давления 5 выполнен больше, чем диаметр клапана давления. При этом для исключения перекосов при работе клапана давления на внутренней стенке его канала выполнены продольные направляющие буртики 16, вдоль которых клапан давления 5 скользит при срабатывании. Для сообщения с атмосферой в пробке горловины 1 в зоне резьбы 2 выполнены каналы (на фигуре не показано), которые могут иметь различную форму и разное количество.
Устройство используется следующим образом. Пробка расширительного бачка системы охлаждения ДВС, смонтированная на его горловину, находится в исходном положении при отсутствии перепадов давления между системой охлаждения и атмосферой (фиг. 1). Клапан давления 5 и вакуумный клапан 4 при этом находятся в положении «закрыто». При работе двигателя происходит повышение температуры и давления внутри системы охлаждения. Повышенное давление позволяет повысить температуру закипания охлаждающей жидкости, повышая, таким образом, теплоотдачу радиатора и системы охлаждения в целом. При достижении определенного расчетного значения давления в системе охлаждения происходит частичное открывание клапана давления 5 (фиг. 3) и уменьшения давления до расчетного. При резком повышении давления в системе охлаждения происходит полное открытие клапана давления 5 и максимальный сброс пара и жидкости. Вакуумный клапан 4 при срабатывании клапана 5 закрыт и дополнительно поджимается к уплотнительному поясу корпуса клапанов 3 внутренним давлением системы охлаждения. При охлаждении жидкости в системе давление в ней понижается и может достигнуть величины меньше атмосферной. При этом, при достижении определенного расчетного значения атмосферное давление через каналы в пробке горловины и отверстия 11 в корпусе клапанов воздействует на эластичный вакуумный клапан 4, отклоняет его уплотнительную часть (фиг. 2), и в систему поступает атмосферный воздух. Для полного слива жидкости из системы пробка расширительного бачка должна быть снята.