АВТОМОБИЛЬНЫЙ ТЕРМОСТАТ С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
AUTOMOTIVE ELECTRONIC TEMPERATURE CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в системах жидкостного охлаждения поршневых двигателей.
Известны автомобильные термостаты с электронным управлением, содержащие электроуправляемый пропорциональный клапан, регулирующий распределение потоков теплоносителя (охлаждающей жидкости) в каналах системы охлаждения (патент США 6 539 899, заявка Германии 3713 496 и др.). Указанные термостаты позволяют с помощью специального алгоритма, заложенного в контроллер двигателя, гибко управлять распределением потоков охлаждающей жидкости в системе охлаждения и, таким образом, поддерживать тепловое состояние двигателя в зависимости от режима его работы (нагрузки, частоты вращения вала, температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя и др.). Оптимизация теплового состояния двигателя позволяет улучшить его энергетические и экологические показатели.
Общими недостатками указанных устройств являются конструктивная и технологическая сложность, повышенные габариты, необходимость приложения значительных усилий для перемещения запирающих элементов клапана, относительно большие перемещения запирающих элементов и др. Указанные недостатки не позволяют в полной мере использовать преимущества пропорциональных клапанов для регулирования потоков теплоносителя в системе охлаждения двигателя.
4
Известен автомобильный термостат с электронным управлением (заявка Германии №3711 949, МПК F16K 31/66), содержащий корпус с каналами подвода охлаждающей жидкости от двигателя и отвода охлаждающей жидкости к насосу через байпасный канал и к радиатору через радиаторный канал, имеющий дисковый клапан с электроприводом, состоящий из установленных в корпусе подвижного и неподвижного дисков, в каждом из которых имеются окна для прохода охлаждающей жидкости, при этом подвижный диск поджат к неподвижному диску пружиной и имеет возможность поворота от валика, связанного с электроприводом, до частичного или полного совмещения окон обоих дисков.
Устройство характеризуется значительным углом поворота (180°) подвижного диска от закрытого положения окон неподвижного диска до полного его открытия (совмещения окон), что, в свою очередь, снижает быстродействие клапана термостата. Кроме того, в данной конструкции термостата используются две пары дисков, одна из которых установлена на входе байпасного канала, а другая - на входе радиаторного канала. Дисковые клапаны имеют привод от единого валика, связанного с электроприводом. Такая конструкция усложняет устройство и увеличивает габаритные размеры термостата, а также повышает величину момента на приводном валике, необходимого для перемещения подвижного диска, вследствие значительной площади соприкасающихся поверхностей дисков. Поскольку площадь соприкасающихся поверхностей дисков клапана довольно велика, снижается его надежность за счет повышения вероятности заклинивания дисковых элементов клапана. При использовании дугообразной концентрической формы окон дисковых элементов клапанов термостата сами клапаны в открытом состоянии имеют достаточно большое гидравлическое сопротивление, обусловленное незначительной площадью окон по сравнению с сечением подводящих и отводящих каналов термостата.
Указанные недостатки ухудшают технические характеристики термостата, что снижает его быстродействие и надежность, а также энергетические и экологические показатели автомобильных двигателей.
Задачей изобретения является повышение быстродействия и надежности термостата, что способствует улучшению энергетических и экологических показателей автомобильных двигателей.
Техническим результатом, обеспечивающим решение поставленной задачи, является упрощение конструкции, уменьшение рабочего угла поворота дискового клапана и снижение гидравлического сопротивления термостата с электронным управлением.
Указанный технический результат достигается тем, что в автомобильном термостате с электронным управлением, содержащем корпус с каналами подвода охлаждающей жидкости от двигателя и отвода охлаждающей жидкости к насосу через байпасный канал и к радиатору через радиаторный канал, дисковый клапан, состоящий из установленных в корпусе подвижного и неподвижного дисков, в каждом из которых имеются окна для прохода охлаждающей жидкости, при этом подвижный диск поджат к неподвижному диску пружиной и имеет возможность поворота от приводного валика, связанного с электроприводом, до частичного или полного совмещения окон обоих дисков, окна обоих дисков выполнены в форме усеченных секторов, радиально расположенных на плоскости дисков, при этом в неподвижном диске окна выполнены с угловой величиной α и равномерно расположены на его плоскости, причем одно окно сообщено с байпасным каналом, а остальные - с радиаторным каналом, в подвижном диске выполнено на одно окно меньше, чем в неподвижном, причем одно из окон имеет угловой размер 2α, а остальные - угловой размер α, где α - полный рабочий угол поворота подвижного диска, при этом окно неподвижного диска, сообщенное с байпасным каналом термостата, имеет возможность взаимодействия только с окном с угловым размером 2α подвижного диска и в одном из крайних его положений указанные окна совмещены, а остальные окна неподвижного диска, сообщенные с радиаторным каналом, имеют возможность взаимодействия со всеми окнами подвижного диска и в другом крайнем его положении эти окна совмещены.
Выполнение окон неподвижного и подвижного дисков в форме радиально расположенных усеченных секторов и их взаимное расположение обеспечивают при поворотном движении подвижного диска постепенное перекрытие байпасного канала термостата с одновременным открытием радиаторного канала, что позволяет использовать один дисковый клапан для регулирования двух потоков охлаждающей жидкости - байпасного и радиаторного и, тем самым, упростить конструкцию и снизить нагрузку на приводной валик.
Форма, количество и расположение окон дискового клапана позволяют максимально использовать поперечное сечение корпуса термостата для прохода охлаждающей жидкости, что существенно снижает гидравлическое сопротивление термостата и позволяет повысить его быстродействие за счет обеспечения небольшого рабочего угла поворота подвижного диска.
На Фиг.1 представлена конструкция автомобильного термостата с электронным управлением.
На Фиг.2 представлена конструкция неподвижного диска.
На Фиг.3 представлена конструкция подвижного диска.
На Фиг.4 представлен вид части корпуса с радиальными перегородками, разделяющими радиаторный и байпасный каналы.
На Фиг.5 представлены различные положения дискового клапана (два крайних и промежуточное) автомобильного термостата с электронным управлением, соответствующие разным режимам его работы:
а) режим прогрева двигателя - открыт только байпасный канал;
б) режим частичных нагрузок двигателя - частично открыты как байпасный, так и радиаторный каналы;
в) режим полной нагрузки двигателя - открыт только радиаторный канал.
Автомобильный термостат с электронным управлением содержит корпус 1 (см. Фиг.1), в котором размещены неподвижный 2 и подвижный 3 диски дискового клапана. Корпус 1, состоящий из двух частей, соединенных с помощью фланцев, включает канал 4 подвода охлаждающей жидкости от двигателя, байпасный канал 5 для отвода охлаждающей жидкости на вход насоса и радиаторный канал 6 для направления охлаждающей жидкости к радиатору. Подвижный диск 3 приводится в движение от приводного валика 7, связанного с электроприводом 8 (шаговый, моментный или другой электродвигатель), при этом имеет возможность поворота до частичного или полного совмещения окон обоих дисков для прохода охлаждающей жидкости. Пружина 9 обеспечивает определенное усилие прижатия подвижного диска 3 к неподвижному диску 2.
В неподвижном диске 2 выполнено четыре одинаковых окна 10 (см. Фиг.1 и 2), имеющих форму усеченных секторов с угловой величиной α, радиально расположенных на плоскости неподвижного диска 2 под углом 90° относительно друг друга - 10а, 10b, 10с, 10d. Внутренние углы окон скруглены.
В подвижном диске 3 выполнено (см. Фиг.1 и 3) три радиально расположенных окна 11 (е, f, g) в форме усеченных секторов, причем два окна (1f, 11g) имеют угловой размер α, а одно окно (11e) - угловой размер 2α, где α - рабочий угол поворота подвижного диска. Два окна с угловым размером α и ближайшая к ним половина окна с угловым размером 2α расположены под углом 90° относительно друг друга. Внутренние углы окон скруглены. В данном конкретном примере исполнения угловое расположение окна с угловым размером 2α относительно двух других окон с угловым размером α на плоскости подвижного диска 3 соответствует угловым координатам 112 и 158° (см. Фиг.3). Взаимное расположение неподвижного 2 и подвижного 3 дисков обеспечивает совмещение окон при полном перемещении подвижного диска 3 на рабочий угол α, который в данном примере конкретного исполнения составляет 45°.
В других вариантах исполнения устройства количество окон дискового клапана и их угловой размер α могут быть иными. При этом следует учитывать, что с увеличением количества окон будет уменьшаться рабочий угол α поворота подвижного диска, то есть сужаться диапазон регулирования дискового клапана. При уменьшении количества окон дискового клапана, соответственно, будет увеличиваться рабочий угол α поворота подвижного диска.
Для герметизации стыков при установке неподвижного диска 2 в корпусе 1 применены уплотнительные элементы 12 из специальной резины. На внешней кромке неподвижного диска 2 имеется выемка 13 (см. Фиг.2) под штифт 14 (см. Фиг.4) для однозначной ориентации неподвижного диска 2 в корпусе термостата. В центре неподвижного диска 2 имеется цилиндрическое отверстие 15 для приводного валика 7. На внешней кромке подвижного диска 3 выполнена дугообразная лыска 16 (см. Фиг.3), угловая величина которой соответствует рабочему углу α поворота подвижного диска 3. Дугообразная лыска 16 обеспечивает ограничение поворота подвижного диска 3 за счет взаимодействия со штифтом 14, установленным в корпусе термостата (см. Фиг.4) и располагающемся в выемке 13 неподвижного диска 2. В центре подвижного диска 3 выполнено отверстие 17 квадратной формы (см. Фиг.3) для обеспечения поворота диска 3 с помощью приводного валика 7.
Функция дугообразной лыски 16 заключается в ограничении угла поворота подвижного диска 3 (при взаимодействии его со штифтом 14) в пределах рабочего угла α для обеспечения двух крайних положений подвижного диска 3. Эта функция может быть реализована и с помощью других технических средств, например периферийных выступов, специально ориентированных штифтов и т.п.
В качестве материала обоих дисков могут быть применены специальная керамика или пластик, нержавеющая сталь, латунь, бронза, композиционные материалы и т.п.
Неподвижный диск 2 установлен в корпусе термостата таким образом, что одно из его окон (окно 10а), взаимодействующее с окном 11е подвижного диска 3 в одном из крайних его положений, сообщается только с байпасным каналом 5 термостата, а три других окна (10b, 10 с, 10d) неподвижного диска 2, взаимодействующие с тремя окнами подвижного диска (11e, 11f, 11g), в другом крайнем его положении сообщены только с радиаторным каналом. Радиальные перегородки 18 в корпусе 1 термостата (см. Фиг.4) обеспечивают разделение потоков охлаждающей жидкости между байпасным 5 и радиаторным 6 каналами термостата.
Автомобильный термостат с электронным управлением работает следующим образом (см. Фиг.5). В крайнем левом положении подвижного диска 3 (см. Фиг.5, а) открыто только окно 10а неподвижного диска 2, сообщающееся с байпасным каналом 5 термостата. Это положение дискового клапана термостата соответствует режиму прогрева двигателя, когда вся охлаждающая жидкость направляется термостатом из рубашки охлаждения двигателя на вход насоса, минуя радиатор.
После завершения прогрева двигателя по сигналам контроллера (на чертежах не показан) с помощью электропривода 8 через приводной валик 7 (см. Фиг.1) осуществляется поворот подвижного диска 3 по часовой стрелке (см. Фиг.5, б) таким образом, что окно 10а неподвижного диска 2 постепенно закрывается, а окна 10b,
10 с, 10d этого же диска открываются, то есть происходит постепенное перекрытие байпасного канала 5 и открытие радиаторного канала 6 (охлаждающая жидкость начинает поступать в радиатор и далее - на вход насоса).
После упора штифта 14 в буртик дугообразной лыски 16 подвижного диска 3 (крайнее правое положение подвижного диска 3) перемещение последнего прекращается (см. Фиг.5, в), при этом оказываются полностью открытыми окна 10b, 10е, 10d неподвижного диска 2, а окно 10а этого диска - закрытым, то есть радиаторный канал термостата полностью открывается (охлаждающая жидкость поступает из двигателя в радиатор и далее опять в двигатель), а байпасный канал термостата полностью закрывается.
Таким образом, при определенном угле поворота подвижного диска 3 (для данной конструкции α=45°) происходит совмещение определенных окон подвижного и неподвижного дисков и, тем самым, обеспечивается максимальное проходное сечение радиаторного канала термостата (подача охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения двигателя к радиатору) при полном перекрытии байпасного канала. Обеспечение максимального проходного сечения каналов поворотом подвижного диска на угол 45° (в устройстве прототипа 180°) позволяет повысить быстродействие клапана термостата по сравнению с прототипом в несколько раз.
Поскольку работа автомобильного термостата с электронным управлением осуществляется по специальной программе, заложенной в контроллер двигателя, обеспечивается определенное позиционирование подвижного диска 3 относительно неподвижного диска 2 в зависимости от режимных параметров работы двигателя. Изменением углового положения подвижного диска 3 осуществляется распределение потоков охлаждающей жидкости в системе охлаждения.
Данное техническое решение обладает рядом преимуществ - простотой и компактностью конструкции, широкими возможностями регулирования распределения потоков теплоносителя в системе охлаждения двигателя, достаточно высоким быстродействием. Заявленные форма, количество и расположение окон дискового клапана позволяют максимально использовать поперечное сечение корпуса термостата для прохода охлаждающей жидкости, что существенно снижает гидравлическое сопротивление термостата в целом и повышает его надежность.
Регулирование температуры охлаждающей жидкости в рубашке охлаждения двигателя в зависимости от режимов работы двигателя с использованием заявленной конструкции термостата позволяет ускорить прогрев двигателя и каталитического нейтрализатора отработавших газов при холодном пуске и снизить эксплуатационный расход топлива при одновременном уменьшении выброса токсичных компонентов. За счет ускорения прогрева холодного двигателя повышается комфорт в салоне автомобиля в зимнее время года.
Применение заявленного технического решения позволит повысить быстродействие и надежность, что обеспечивает улучшение энергетических и экологических показателей автомобильных двигателей, повышая в целом технический уровень автомобилей.