ТЕРМОСТАТ С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
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 6539899, заявка Германии 3713496 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, 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 №3711949, МПК F16K 31/66, F01P 7/16), 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 неподвижного диска и подвижного запирающего элемента, в которых имеются окна для прохода охлаждающей жидкости, при этом подвижный запирающий элемент поджат к неподвижному диску пружиной и имеет возможность поворота от приводного валика, связанного с электроприводом, до полного закрытия или открытия окон неподвижного диска.
Устройство характеризуется относительно большой площадью соприкасающихся поверхностей дисков, что приводит к значительной силе трения (особенно в начале движения диска) и повышает величину момента на приводном валике, необходимого для перемещения подвижного диска. Кроме того, данное устройство обладает усложненной конструкцией и значительными габаритными размерами. При использовании дугообразной концентрической формы окон дисковых элементов клапана термостата сам клапан в открытом состоянии имеет относительно 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 надежность, а также энергетические и экологические показатели автомобильных двигателей.
Задачей изобретения является повышение надежности термостата, а также улучшение энергетических и экологических показателей автомобильных двигателей.
Техническим результатом, обеспечивающим решение поставленной задачи, является повышение безотказности, упрощение конструкции и снижение массы термостата с электронным управлением при одновременном уменьшении его гидравлического сопротивления.
Указанный технический результат достигается тем, что в термостате с электронным управлением для автомобильного двигателя, содержащем корпус с каналами подвода охлаждающей жидкости от двигателя и отвода охлаждающей жидкости к насосу через байпасный канал и к радиатору через радиаторный канал, а также дисковый клапан, состоящий из установленных в корпусе неподвижного диска и подвижного запирающего элемента, в каждом из которых имеются окна для прохода охлаждающей жидкости, при этом подвижный запирающий элемент поджат к неподвижному диску пружиной и имеет возможность поворота от приводного валика, связанного с электроприводом, до частичного или полного совмещения окон неподвижного диска и подвижного запирающего элемента, в неподвижном диске выполнено n окон, имеющих форму усеченных секторов с угловой величиной α, радиально и равномерно расположенных на плоскости неподвижного диска, причем одно окно сообщено с байпасным каналом, а остальные - с радиаторным каналом, а подвижный запирающий элемент выполнен в виде радиально несимметрично расположенных лепестков в количестве (n-1) в форме секторов, образующих окна в виде прорезей, при этом один из лепестков имеет угловой размер 2β, а остальные лепестки - угловой размер β, где β - полный рабочий угол поворота подвижного запирающего элемента, причем β>α, при этом одно из окон неподвижного диска, сообщенное с байпасным каналом и взаимодействующее только с лепестком с угловым размером 2β подвижного запирающего элемента, одним из крайних положений подвижного запирающего элемента сообщено с каналом подвода охлаждающей жидкости, а остальные окна неподвижного диска, сообщенные с радиаторным каналом и взаимодействующие со всеми лепестками подвижного запирающего элемента, сообщены с каналом подвода охлаждающей жидкости в другом крайнем положении подвижного запирающего элемента.
Угол кромок лепестков подвижного запирающего элемента дискового клапана, прилегающих к рабочей плоскости подвижного запирающего элемента, может быть выполнен острым.
Упрощение конструкции и снижение массы термостата с электронным управлением достигается тем, что подвижный запирающий элемент выполнен в виде радиально несимметрично расположенных лепестков в форме секторов, между которыми образованы окна в виде прорезей.
Повышение безотказности термостата достигается за счет обеспечения самоочищения дискового клапана, для чего у каждого лепестка подвижного запирающего элемента клапана угол кромок, прилегающих к рабочей плоскости подвижного запирающего элемента, выполнен острым. Безотказность повышается также за счет обеспечения минимальной площади соприкосновения между подвижным запирающим элементом и плоскостью неподвижного диска с окнами, что позволяет снизить силу трения между ними и уменьшить при этом усилие, необходимое для перемещения подвижного запирающего элемента.
Снижение гидравлического сопротивления дискового клапана
обеспечивается подбором количества и расположения лепестков подвижного запирающего элемента, что позволяет максимально эффективно использовать поперечное сечение корпуса термостата для прохода жидкости и увеличить при этом сечение проточных каналов термостата и его клапана.
На Фиг.1 представлена конструкция термостата с электронным управлением
для автомобильного двигателя.
На Фиг.2 представлена конструкция неподвижного диска.
На Фиг.3 представлена конструкция подвижного запирающего элемента.
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.
Термостат с электронным управлением для автомобильного двигателя содержит корпус 1 (см. Фиг.1), в котором размещены неподвижный диск 2 и подвижный запирающий элемент 3 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 запирающий элемент 3 приводится в движение от приводного валика 7, связанного с приводящим электродвигателем (на фиг.1 не показан). Пружина 8, установленная соосно с приводным валиком 7, обеспечивает определенное усилие прижатия подвижного запирающего элемента 3 к неподвижному диску 2. В неподвижном диске 2 выполнены окна 9. Подвижный запирающий элемент 3 выполнен в виде трех радиально несимметрично расположенных лепестков в форме секторов, имеющих различную угловую величину, причем между лепестками образованы окна в виде прорезей. Лепестки при повороте запирающего элемента открывают и закрывают окна 9 неподвижного диска 2.
Для герметизации стыков при установке диска 2 в корпусе 1 применены уплотнительные элементы 10 из специальной резины.
В неподвижном диске 2 (см. Фиг.2) выполнено четыре окна 9а, 9b, 9c, 9d, имеющих форму усеченных секторов с угловой величиной α, радиально расположенных на плоскости диска под углом 90° относительно друг друга. Внутренние углы окон скруглены. На периферии неподвижного диска 2 имеется отверстие 11 под штифт 12 для однозначной ориентации диска 2 при монтаже в корпусе термостата. В центре неподвижного диска 2 имеется цилиндрическое отверстие 13 для приводного валика 7.
Подвижный запирающий элемент 3 (см. Фиг.3) выполнен в виде трех радиально несимметрично расположенных лепестков 14, 15, 16 в форме секторов, сходящихся в центральной части подвижного запирающего элемента 3 и имеющих различную угловую величину, причем между лепестками образованы окна в виде прорезей. Лепестки 15 и 16 имеют угловой размер β, а лепесток 14 - размер 2β, где β - полный рабочий угол поворота подвижного запирающего элемента 3.
Угловое расположение лепестка 14 с размером 2β относительно двух других лепестков с размерами β на плоскости подвижного запирающего элемента 3 соответствует угловым координатам 112° и 158°. Такое расположение лепестков подвижного запирающего элемента 3 и окон неподвижного диска 2, а также соотношение угловых размеров β>α, обеспечивает гарантированное перекрытие окон лепестками при повороте подвижного запирающего элемента 3 на рабочий угол β. Разность (β-α) в конкретных конструкциях может составлять, например, от 2° до 10°.
В других вариантах исполнения устройства количество окон n неподвижного диска и их угловой размер α могут быть иными. При этом следует учитывать, что с увеличением количества окон n будет уменьшаться рабочий угол β поворота подвижного запирающего элемента, то есть сужаться диапазон регулирования дискового клапана. При уменьшении количества окон n неподвижного диска, соответственно, будет увеличиваться рабочий угол β поворота подвижного запирающего элемента.
Для ограничения поворота подвижного запирающего элемента 3 на внешней кромке его лепестка 14 выполнена дугообразная лыска 17, угловая величина которой соответствует рабочему углу β поворота подвижного элемента. Лыска 17 обеспечивает ограничение поворота подвижного запирающего элемента 3 за счет того, что в нее входит штифт 12, установленный в корпусе термостата и располагающийся в отверстии 11 неподвижного диска 2 (см. Фиг.2). В центре подвижного запирающего элемента 3 выполнено отверстие 18 квадратной формы для обеспечения привода подвижного запирающего элемента 3 от приводного валика 7.
Для повышения надежности термостата путем обеспечения самоочищения элементов клапана от возможных загрязнений в процессе работы (отложения солей, твердых частиц, гелеобразных веществ и т.п.) на соприкасающихся рабочих поверхностях неподвижного диска 2 и подвижного запирающего элемента 3 лепестки подвижного запирающего элемента 3 выполнены с заостренной кромкой вблизи плоскости, скользящей по поверхности неподвижного диска 2. На Фиг.3 представлено поперечное сечение Б-Б одного из лепестков подвижного запирающего элемента. Как видно, угол у кромок лепестка, прилегающих к рабочей плоскости подвижного запирающего элемента 3, выполнен острым, то есть имеет величину менее 90°.
Острая кромка лепестков подвижного запирающего элемента 3 позволит эффективно удалять загрязнения с рабочих плоскостей неподвижного диска 2 и подвижного запирающего элемента 3 при повороте последнего в процессе работы. Кроме того, выполнение таких кромок позволит несколько снизить гидравлические потери при проходе жидкости через клапан.
В качестве материала неподвижного диска 2 и подвижного запирающего элемента 3 могут быть применены специальные виды керамики или пластиков, нержавеющая сталь, латунь, композиционные материалы и т.п.
Неподвижный диск 2 установлен в корпусе термостата таким образом, что одно из его окон (окно 9а), взаимодействующее с лепестком 14 подвижного запирающего элемента 3 при его повороте, сообщено с байпасным каналом 5 термостата. На Фиг.4 показан вид части корпуса 1 со стороны фланца. Однозначная ориентация неподвижного диска 2 относительно корпуса 1 обеспечивается с помощью цилиндрического штифта 12, установленного в корпусе термостата и входящего в отверстие 11 неподвижного диска 2. За счет радиальных перегородок 19 в корпусе 1 термостата обеспечивается сообщение окна 9а неподвижного диска 2 только с байпасным каналом 5 термостата. Три других окна неподвижного диска 9b, 9c, 9d, взаимодействующие с тремя лепестками подвижного запирающего элемента 3, сообщены только с радиаторным каналом.
Работает устройство следующим образом (см. Фиг.5). В крайнем левом положении подвижного запирающего элемента 3 (см. Фиг.5а) открыто окно 9а неподвижного диска 2, сообщающееся с байпасным каналом 5 термостата. Указанное 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 его контроллера (на чертежах не показан) с помощью электропривода через приводной валик 7 (см. Фиг.1) осуществляется поворот подвижного запирающего элемента 3 по часовой стрелке (см. Фиг.5б) таким образом, что окно 9а неподвижного диска 2 постепенно закрывается, а окна 9b, 9c и 9d этого же диска плавно открываются, т.е. происходит постепенное перекрытие байпасного и открытие радиаторного канала (охлаждающая жидкость начинает поступать в радиатор).
После упора штифта 12 в буртик дугообразной лыски 17 подвижного запирающего элемента 3 перемещение последнего прекращается (крайнее правое положение) и при этом оказываются полностью открытыми окна 9b, 9c и 9d неподвижного диска 2, а окно 9а этого диска - закрытым (см. Фиг.5в). 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 повороте подвижного запирающего элемента 3 в пределах рабочего угла β происходит открытие/закрытие определенных окон неподвижного диска 2 и обеспечивается распределение потоков охлаждающей жидкости между байпасным и радиаторным каналами термостата. Поскольку работа электронного термостата осуществляется по специальной программе, заложенной в контроллер двигателя, обеспечивается определенное позиционирование подвижного запирающего элемента 3 относительно неподвижного диска 2 в зависимости от режимных параметров работы двигателя. Изменением углового положения подвижного запирающего элемента 3 осуществляется распределение потоков охлаждающей жидкости в системе охлаждения.
Термостат с электронным управлением для автомобильного двигателя обладает рядом преимуществ - простотой и компактностью конструкции, повышенной надежностью, широкими возможностями регулирования распределения потоков теплоносителя в системе охлаждения двигателя, достаточно высоким быстродействием.
Заявленная лепестковая форма подвижного запирающего элемента позволяет предельно уменьшить массу этого элемента и обеспечить минимальную площадь соприкосновения между подвижным запирающим элементом и плоскостью неподвижного диска с окнами, что дает возможность снизить силу трения между ними и уменьшить усилие, необходимое для перемещения подвижного элемента (момент на приводном валике). В целом это приводит к упрощению привода, поскольку уменьшается необходимая мощность привода и требуемый момент на приводном валике, а также к повышению надежности термостата в процессе эксплуатации за счет снижения вероятности заклинивания клапана вследствие пониженного трения между его подвижными элементами.
Минимальная площадь торцевого сечения подвижного запирающего элемента значительно уменьшает силу прижатия последнего к неподвижному диску, обусловленную динамическим напором потока жидкости на торцевую площадь лепесткового элемента, что также позволяет снизить необходимый момент на приводном валике.
Способность дискового клапана к самоочищению за счет выполнения острой кромки лепестков подвижного запирающего элемента повышает надежность термостата в процессе эксплуатации.
Количество и расположение лепестков запирающего элемента позволяют максимально использовать поперечное сечение корпуса термостата для прохода жидкости, что существенно снижает гидравлическое сопротивление термостата в целом.
Регулирование температуры жидкости в рубашке охлаждения двигателя в зависимости от режимов работы двигателя позволяет ускорить прогрев двигателя и каталитического нейтрализатора отработавших газов при холодном пуске, а также 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 заявляемой конструкции термостата позволит улучшить энергетические и экологические показатели автомобильных двигателей, повысив в целом технический уровень автомобилей.