ТЕРМОСТАТ ДЛЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F01P7/16 

Изобретение относится к термостату парафинового типа для регулирования температуры охлаждающей жидкости автомобильного двигателя.

Традиционная система охлаждения для автомобильного двигателя, раскрываемая в ЕРА 0653554 A1, имеющая термостат 1, расположенный во впускном боковом канале водяных рубашек 20, показана на фиг. 6.

Система охлаждения включает в себя первый канал 24 охлаждающей жидкости, расположенный между верхним выпускным каналом 21 водяных рубашек 20 и верхним впускным каналом 23 радиатора 22 и вторым каналом 30 для охлаждающей жидкости, предусмотренным между нижним выпускным каналом 25 радиатора 22 и нижним впускным каналом 29 водяных рубашек 20, включая крышку 26 термостата, корпус 27 термостата и водяной насос 28. Перепускной канал 31 предусмотрен между соединением j первого канала 24 и корпусом 27 термостата, с тем чтобы соединить первый канал 24 со вторым каналом 30 без прохождения через радиатор 22. Термостат 1 герметически прикреплен к корпусу 27 крышкой 26 термостата. Термостат 1 имеет главный клапан 12 для закрытия второго канала 30 и перепускной клапан 15 для закрытия перепускного отверстия 32 перепускного канала 31.

На фиг. 6 ссылка A' обозначает измерительную точку для измерения температуры охлаждающей жидкости в корпусе 27 и В' обозначает измерительную точку, предусмотренную во втором канале 30, граничащую с крышкой 26 термостата и расположенную в начале потока термостата 1 для измерения температуры охлаждающей жидкости во втором канале 30. Номер 33 для ссылки обозначает охлаждающий вентилятор.

Термостат 1 приводится в действие термоисполнительным механизмом. Термоисполнительный механизм включает в себя исполнительный стальной стержень и упругую уплотняющую оболочку, которая при скольжении входит в зацепление со стержнем. Уплотнительная катушка вставляется в теплочувствительный цилиндр, наполненный парафиновыми гранулами.

Как показано на фиг.7, на фланце 16 термостата 1 образована перфорация 19а и механизм 17 качающегося клапана, имеющий качающийся клапан 18, при движении входит в зацепление с перфорацией 19а.

В процессе работы двигателя качающийся клапан 18 закрывается под действием давления охлаждающей жидкости во втором канале 30, как показано на фиг. 7. При останове двигателя качающийся клапан открывается. Таким образом, охлаждающая жидкость может добавляться в направлении, указанном стрелкой.

Когда двигатель находится в холодном состоянии, главный клапан 12 термостата 1 закрыт, как показано на фиг. 6, и качающийся клапан 18 также закрыт под действием давления охлаждающей жидкости, в то время как перепускной клапан 15, сведенный в одно целое с главным клапаном 12, полностью открыт. Таким образом, охлаждающая жидкость из выпускного канала 21 водяных рубашек 20 не проходит через радиатор 22. Охлаждающая жидкость циркулирует при помощи водяного насоса 28 через соединение j первого канала 24, перепускной канал 31, корпус 27 и впускной канал 29 водяных рубашек, как указано стрелками. Таким образом, температура охлаждающей жидкости в корпусе 27 быстро повышается.

Однако ввиду того, что охлаждающая жидкость в радиаторе 22 и в крышке 26 термостата не циркулирует, скорость повышения температуры охлаждающей жидкости "B" в них является медленной. Поэтому, как показано на фиг. 8, даже если температура A в точке A' становится 87^oC, что является температурой открывания главного клапана 12, температура В точке В' - около 45^oC. Между температурами A и B существует разница 42^oC.

В случае, когда главный клапан 12 термостата 1 открывается, охлаждающая жидкость с низкой температурой подается из нижнего выпускного канала 25 радиатора 22 в корпус 27 термостата через второй канал 30. Следовательно, температура "B" охлаждающей жидкости в точке B' еще ниже на 13^oC. В результате этого разница между температурой "В" охлаждающей жидкости в канале 30 и температурой А охлаждающей жидкости в корпусе 27 повышается до 55^oC. Площадь заштрихованной части указывает потерю энергии в периоде. Отсюда следует, что время абсциссы указывает истекание от времени при 60^oC температуры А.

Так как тепловая чувствительность термостата 1 является низкой, реагирование термостата задерживается по отношению к изменению температуры охлаждающей жидкости. Поэтому главный клапан 12 открывается после того, как температура стала значительно выше, чем заранее заданная температура открывания 87^oC. Когда главный клапан 12 открывается, температура охлаждающей жидкости понижается. Главный клапан 12 закрывается, после того как температура охлаждающей жидкости значительно уменьшилась ниже, чем заданная температура закрывания. Затем температура охлаждающей жидкости повышается. То есть отмечается значительный выход теплоты за установленные пределы при регулировании температуры охлаждающей жидкости, что приводит к многократному открыванию и закрыванию главного клапана. Когда главный клапан 12 закрывается, имеет место пиковое давление в начале потока главного клапана.

Выход тепла за установленные пределы вызывает трещины в блоке цилиндров и головке блока цилиндров двигателя, и пиковое давление приводит к разрушению термостата 1 и радиатора 22.

Ввиду того, что вышеупомянутый механизм качающегося клапана является причиной потери энергии и неисправностей двигателя, механизм качающегося клапана удален из данного термостата. Во фланце термостата образовано небольшое отверстие. Поэтому давления, прилагаемые к наружной стороне и внутренней стороне главного клапана, становятся равными друг другу. Постоянная пружины возвратной пружины уменьшается. В результате этого скорость подъема увеличивается в диапазоне низких температур. Более того, толщина уплотняющей оболочки является крайне небольшой (толщина составляет от 25% до 5% диаметра приводного стержня), таким образом давление парафина на подъем клапана уменьшается.

На фиг. 4 представлена диаграмма, показывающая подъем по отношению к температуре охлаждающей жидкости. Линия Х - это подъем клапана в данном изобретении и линия Y - подъем традиционного клапана. Линия W для ссылки показывает подъем перепускного клапана 15. Пределом крутой кривой линии является состояние твердого парафина.

Главный клапан традиционного клапана Y открывается при температуре 72^oC, подъем при конечной температуре 87^oC твердого парафина составляет около 9,6 мм. Затем степень подъема уменьшается из-за жидкого состояния парафина, и когда подъем становится 12 мм, температура охлаждающей жидкости достигает такой высокой температуры, как 123^oC.

Главный клапан изобретения также открывается при 72^oC, подъем становится 6 мм при небольшом повышении температуры 9^oC. Когда подъем достигает 12 мм, температура охлаждающей жидкости составляет 85^oC, как показано линией X, которая является повышением только на 4^oC. Температура охлаждающей жидкости 85^oC находится в пределах твердого состояния парафина.

Когда автомобиль с установленным на нем термостатом данного изобретения движется со скоростью 80 км/час, температура охлаждающей жидкости повышается до 77,5^oC. Однако когда скорость достигает 150 км/час, температура охлаждающей жидкости понижается до 70,5^oC, т.к. радиатор охлаждается сильным ветром. Поэтому создана такая система охлаждения, в которой вентилятор охлаждения включается при верхней предельной температуре 81^oC и выключается при 75^oC.

Линия Z'-Z на фиг. 4 показывает верхний предел 81^oC. Заштрихованная площадь показывает разницу между скоростью потока охлаждающей жидкости, проходящей через главный клапан изобретения, и скоростью потока в традиционном клапане. Подъем линии X при 81^oC составляет 6 мм, подъем линии Y - 3 мм. Таким образом, скорость потока X в два раза больше, чем скорость потока Y.

Скорость потока при подъеме 6 мм линии X, которая находится в твердом состоянии парафина, соответствует скорости потока при подъеме 12 мм линии Y, которая включена в жидкое состояние парафина. Таким образом, термостат изобретения использует только 50% своей энергии при подъеме 12 мм. Поэтому даже если автомобиль с установленным на нем термостатом изобретения движется со скоростью 150 км/час, остаются 50% энергии.

Однако традиционный термостат линии Y входит в пределы жидкого состояния парафина после 86^oC (подъем 9,3 мм), где степень увеличения подъема значительно уменьшается. Температура охлаждающей жидкости 37^oC (123^oC - 86^oC) расходуется напрасно при подъеме от 9,3 до 12 мм. Термостат изобретения демонстрирует двойную энергию при использовании половины источника, остающаяся энергия составляет 50%.

Охлаждающая жидкость, проходящая через небольшое отверстие на фланце, не требует более продолжительного нагревания на холостом ходу, т.к. предусмотрен топливный инжектор при запуске холодного двигателя в корпусе дросселя, регулируемого компьютером, который компенсирует потерю времени при холостом ходе.

В системе охлаждения, использующей термостат изобретения, когда температура охлаждающей жидкости превышает 81^oC, работает охлаждающий вентилятор. Ввиду того что скорость потока охлаждающей жидкости при 81^oC в два раза превышает скорость потока в традиционном термостате, температура охлаждающей жидкости быстро понижается. Поэтому температура охлаждающей жидкости поддерживается на уровне 81^oC.

Верхний предел для охлаждающего вентилятора не ограничен температурой 81^oC. Желательно установить температуру на эффективную величину, как можно меньшую в зависимости от испытаний.

Высокая температура охлаждающей жидкости в традиционном термостате создает различные проблемы, такие как увеличение расхода топлива и ухудшение эмиссии.

Целью изобретения является создание термостата для системы охлаждения автомобильного двигателя, который может понижать верхнюю предельную температуру охлаждающей жидкости.

В соответствии с изобретением предусмотрен термостат для системы охлаждения автомобильного двигателя, имеющий корпус с фланцем для крепления его к элементу трубопровода, приводной стержень, прикрепленный к корпусу на его первом конце, элемент направляющей, установленной при скольжении на приводном стержне, упругая уплотняющая оболочка, расположенная вокруг второго конца приводного стержня и герметично прикрепленная к элементу направляющей, чувствительный к теплу цилиндр, вмещающий уплотняющую оболочку и прикрепленный к элементу направляющей, парафиновые гранулы, предусмотренные в чувствительном к теплу цилиндре для того, чтобы закрыть уплотняющую оболочку, смазочное масло, предусмотренное в пространстве между уплотняющей оболочкой и приводным стержнем, главный клапан, предусмотренный на элементе направляющей, и возвратная пружина для принудительного возвращения главного клапана в седло клапана, выполненное на фланце, причем усовершенствование содержит фланец, имеющий отверстие для пропускания по нему охлаждающей жидкости, в результате чего постоянная пружины возвратной пружины может быть уменьшена, а толщина упругой уплотняющей оболочки установлена в пределах от 25% до 5% диаметра приводного стержня.

Отверстие фланца имеет диаметр с тем, чтобы уравнять давление охлаждающей жидкости снаружи главного клапана с давлением охлаждающей жидкости внутри главного клапана.

Эти и другие цели и конструктивные особенности становятся более очевидными из нижеследующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи.

фиг. 1 и 2- сечения сбоку термостата изобретения;
фиг. 3 - вид термостата сбоку;
фиг. 4 - изменения подъема клапана традиционного клапана в термостате изобретения и подъем традиционного клапана по отношению к температуре;
фиг. 3 - сечение, показывающее машину для испытания подъема клапана;
фиг. 6 - схематический чертеж традиционной системы охлаждения для автомобильного двигателя;
фиг. 7 - термостат, используемый в системе фиг. 6;
фиг. 8 - изменения температуры и скорости потока охлаждающей жидкости традиционной системы по отношению ко времени.

На фиг.1 показан главный клапан в закрытом состоянии, на фиг. 2 показан главный клапан в открытом состоянии. Термостат 1a изобретения имеет корпус 10, образующий гнездо 9 клапана, раму 11, прикрепленную к фланцу 16 корпуса 10, и термоисполнительный механизм 2.

Термоисполнительный механизм 2 включает в себя стальной приводной стержень 3, элемент 4 направляющей, установленный со скольжением на стержень 3, и упругую уплотняющую оболочку 5, которая герметически прикреплена к элементу 4 направляющей и при скольжении входит в зацепление с приводным стержнем 3. Толщина части с оболочкой уплотняющей оболочки 5 составляет от 25% до 5% диаметра приводного стержня 3. Смазочное масло 6 заполняет пространство между уплотняющей оболочкой 5 и приводным стержнем 3.

Толщина уплотняющей оболочки определяется таким образом, чтобы давление, оказываемое на внутреннюю сторону уплотняющей оболочки, становилось равным давлению на наружную сторону, то есть давление смазочного масла становится равным давлению парафина.

Уплотняющая оболочка 5 вставляется в чувствительный к теплу цилиндр 8, заполненный парафиновыми гранулами 7. Конец цилиндра 8 надежно входит в зацепление с элементом 4 направляющей, таким образом образуя термоисполнительный механизм 2.

Приводной стержень 3 термоисполнительного механизма прикреплен к корпусу 10 в верхней части 14, и главный клапан 12 прикреплен к элементу 4 направляющей. Возвратная пружина 13 катушки, окружающая цилиндр 8, расположена между главным клапаном 12 и нижней частью рамы 11. Перепускной клапан 15 установлен со скольжением на валу 14A, прикрепленному к цилиндру 8, и упруго удерживается на валу 14A спиральной пружины 14a. Фланец 16 имеет отверстие 19a (фиг. 3) для сообщения пространства в корпусе (27 на фиг. 6) с каналом в крышке термостата (26 на фиг. 6). Диаметр отверстия 19a определяется таким образом, чтобы давление охлаждающей жидкости в наружном боковом канале главного клапана 12 (второй канал 30 на фиг. 6) становилось равным давлению охлаждающей жидкости во внутреннем боковом канале, то есть в корпусе 10.

В результате этого постоянная пружины 13 может быть уменьшена до половины постоянной традиционной пружины. На фиг.1 показан главный клапан в закрытом состоянии. Когда температура охлаждающей жидкости повышается больше заданной величины термостата, парафин 7 в цилиндре 8, проводящем тепло, расширяется. В результате этого уплотняющая оболочка 5 прижимается к приводному стержню 3. Ввиду того, что приводной стержень 3 прикреплен к корпусу 10, цилиндр 8 движется в нижнем направлении против действующей силы пружины 13, таким образом открывая главный клапан 12 и закрывая перепускное отверстие 32 перепускным клапаном 15 (фиг.2).

При понижении температуры охлаждающей жидкости парафин сжимается. Таким образом, пружина 13 заставляет главный клапан 12 двигаться в закрытое положение.

Рабочий диапазон термостата по отношению к температуре парафина 7 разделен на диапазон большого подъема главного клапана и диапазон малого подъема. В диапазоне большого подъема парафин находится в твердом состоянии, при котором объем парафина изменяется в значительной степени. В диапазоне малого подъема парафин находится в жидком состоянии, при котором объем жидкого парафина изменяется в незначительной степени.

Для того чтобы повысить термический коэффициент полезного действия автомобильного двигателя, необходимо увеличить скорость подъема клапана по отношению к температуре охлаждающей жидкости, таким образом уменьшая верхний предел температуры охлаждающей жидкости.

В термостате изобретения толщина уплотняющей оболочки исключительно небольшая (толщина от 25% до 5% диаметра приводного стержня 3), таким образом, давление парафина при подъеме клапана уменьшается. Более того, небольшое отверстие (19a) образуется на фланце термостата, таким образом давления, прилагаемые к наружной стороне и внутренней стороне главного клапана, становятся равными друг другу. Поэтому постоянная пружины возвратной пружины уменьшается. В результате этого скорость подъема повышается в низком диапазоне температур.

Как указано выше, главный клапан изобретения открывается при 72^oC. Когда подъем достигает 12 мм, температура охлаждающей жидкости составляет 85^oC, как показано линией X на фиг.4.

Скорость потока при подъеме 6 мм по линии X находится в состоянии твердого парафина и соответствует скорости потока при подъеме 12 мм по линии Y, которая включена в состояние жидкого парафина. Таким образом, термостат изобретения использует всего лишь 50% собственной энергии при подъеме 12 мм. Поэтому даже если автомобиль с установленным термостатом изобретения движется со скоростью 150 км/час, остается 50% энергии.

Ввиду того, что скорость потока охлаждающей жидкости при 81^oC в два раза больше, чем скорость потока в традиционном термостате, температура охлаждающей жидкости быстро понижается. Поэтому температура охлаждающей жидкости поддерживается на уровне 81^oC.

На фиг. 5 показана испытательная машина для измерения подъема главного клапана по отношению к давлению, прилагаемому к уплотняющей оболочке. В данной машине вместо давления парафина используется давление масла.

Термоисполнительный механизм 36 прикреплен в испытательной машине, разрезая цилиндр чувствительный к теплу, с тем, чтобы была видна упругая уплотняющая оболочка 39. В пространстве между уплотняющей оболочкой 39 и стержнем 40 находится смазочное масло. Уплотняющая оболочка 39 может быть видна через отверстие 37 и прозрачную пластмассовую трубку 38. Испытательная машина имеет скользящий стержень 44, принудительно направляемый в нижнем направлении пружиной 42. Верхняя часть стержня 44 соприкасается со стержнем 43 индикатора с круговой шкалой (не показан). Масло подается из внутреннего отверстия 35.

В таблице 1 показаны фактически измеренные величины, определяющие соотношение между давлением масла и подъемом главного клапана испытательной машины на фиг. 5.

В таблице 1 термоисполнительный механизм (А) имеет приводной стержень 3 диаметром 3,8 мм и уплотняющую оболочку 5 толщиной 1,7 мм (45% диаметра), термоисполнительный механизм (В) имеет приводной стержень диаметром 4,5 мм и уплотняющую оболочку 1,25 (25%), и термоисполнительный механизм (С) имеет приводной стержень диаметром 4,5 мм и уплотняющую оболочку 0,225 мм (5%). Постоянная пружины возвратной пружины 13 составляет 0,55 кг/мм.

Если толщина уплотняющей оболочки 5 чрезвычайно небольшая как термоисполнительного механизма (С), то давление смазочного масла 6 в уплотняющей оболочке становится равным давлению парафина. Ввиду того, что упругая уплотняющая оболочка находится в плавающем состоянии и удерживается внутренним и наружным равными давлениями, фрикционное сопротивление между уплотняющей оболочкой и стержнем становится нулевым. Приводной стержень 3 относительно поднимается давлением смазочного масла 6, приложенного к нижней торцевой поверхности стержня.

В виду того, что термоисполнительный механизм (А) имеет большую толщину (1,7 мм), подъем составляет 0,6 мм при начальном давлении 80 кг/см². Для того чтобы поднять стержень на 10 мм при противодействующей нагрузке пружины 15,1 кг, необходимо давление 140 кг/см², о чем не может быть речи.

Несмотря на то что начальное давление для приводного стержня 3 составляет 50 кг/см², для термоисполнительных механизмов (В) и (С) и подъем является одним и тем же 0,4 мм, стержень (С) поднимается на 10 мм давлением 90 кг/см² из-за исключительно небольшой толщины 0,225 мм. Однако для (B) требуется большое давление в 100 кг/см².

Если толщина уплотняющей оболочки 5 превышает толщину (B), начальное давление становится больше, чем 50 кг/см². Поэтому верхний предел толщины составляет 25% диаметра приводного стержня 3.

Толщина уплотняющей оболочки термоисполнительного механизма (С) является достаточной. Если толщина становится меньше, то трудно изготавливать такую тонкую уплотняющую оболочку и заводские расходы возрастают. Поэтому нижний предел толщины составляет 5% диаметра приводного стержня 3.

В таблице 2 показаны фактически измеренные величины.

Термоисполнительный механизм (D) имеет такой же диаметр приводного стержня и толщину уплотняющей оболочки, как и термоисполнительный механизм (С), но постоянная пружины уменьшена от традиционной величины 0,55 кг/мм до 0,27 кг/мм, что составляет половину традиционной величины.

Стержень поднимается на 0,3 мм при начальном давлении 30 кг/см² и на 13,5 мм при давлении 60 кг/см². Путем уменьшения толщины упругой уплотняющей оболочки до исключительно небольшой величины и уменьшения постоянной пружины до половины традиционной величины, разжижение парафина ускоряется, таким образом количество разжиженного парафина быстро увеличивается, что быстро поднимает главный клапан под действием исключительно синергического эффекта небольшой толщины уплотняющей оболочки и небольшой постоянной пружины.

Ввиду того что термостат изобретения работает с использованием 50 процентов своей полной энергии, он работает спокойно и быстро, таким образом двигатель работает с незначительной вибрацией и срок службы двигателя продлевается.

В табл. 3 показаны результаты испытаний на усталость четырех термостатов изобретения, в табл. 4 показаны результаты испытаний на усталость четырех традиционных термостатов.

Каждое испытание проводилось 40000 раз, чередуя первое испытание и второе. В первом испытании охлаждающая жидкость подается 120 с при температуре менее 40^oC, во втором испытании охлаждающая жидкость подается 220 с при температуре более 98^oC.

Наиболее важным фактором для долговечности термостата является изменяющаяся величина подъема. Изменение в настоящем изобретении значительно меньше, чем традиционное изменение. Разница между подъемом на начальной стадии и подъемом на конечной стадии равна практически нулю.

Путем усовершенствования термостата изобретения возможно дополнительно повысить эффективность термостата.

Если толщина упругой уплотняющей оболочки уменьшена до исключительно небольшой величины, внутренняя вместимость цилиндра, чувствительного к теплу, увеличивается, таким образом давление парафина уменьшается. Следовательно, имеется возможность уменьшить толщину цилиндра, что приводит к дополнительному увеличению внутренней вместимости. Поэтому давление парафина может быть уменьшено обратно пропорционально квадрату диаметра стержня путем увеличения диаметра. Таким образом, имеется возможность дополнительно уменьшить верхний предел температуры 81^oC температуры охлаждающей жидкости.

Более того, если используется термостат, имеющий линию X парафина (фиг. 4), который плавится при 69^oC, верхняя предельная температура понижается до 78^oC.

В соответствии с изобретением при помощи синергического эффекта, который зависит от очень небольшой толщины уплотняющей оболочки и небольшой постоянной пружины возвратной пружины, верхний предел понижается до 81^oC или ниже, таким образом расход топлива двигателя уменьшается, срок службы двигателя увеличивается, выделение NO_x и CO₂ уменьшается, что способствует предотвращению общего нагревания.

Изобретение относится к приборам регулирования, а именно к термостатам, и может быть использовано для системы охлаждения двигателя. Термостат содержит корпус с фланцем для крепления его к трубопроводу системы охлаждения. К корпусу термостата прикреплен одним концом приводной стержень. Вокруг второго конца приводного стержня расположена упругая уплотняющая оболочка. Уплотняющая оболочка находится в цилиндре, чувствительном к теплу. Цилиндр заполнен гранулами парафина. Цилиндр и уплотняющая оболочка герметично прикреплены к элементу направляющей. Элемент направляющей установлен со скольжением на приводном стержне. На элементе направляющей расположен главный клапан с возвратной пружиной. Возвратная пружина прижимает главный клапан к седлу на фланце. Выполнение толщины уплотняющей оболочки в пределах от 25% до 5% диаметра приводного стержня позволяет уменьшить величину постоянной возвратной пружины главного клапана, что улучшает работу термостата. Термостат работает спокойной и быстро. 1 з.п.ф-лы, 8 ил., 4 табл.

1. Термостат для системы охлаждения автомобильного двигателя содержит корпус с фланцем для крепления его к элементу трубопровода, приводной стержень, прикрепленный к корпусу первым концом, элемент направляющей, установленный со скольжением на приводном стержне, упругую уплотняющую оболочку, расположенную вокруг второго конца приводного стержня и герметично прикрепленную к элементу направляющей, цилиндр, чувствительный к теплу, вмещающий уплотняющую оболочку и прикрепленный к элементу направляющей, гранулы парафина, предусмотренные в цилиндре, чувствительном к теплу, для закрытия уплотняющей оболочки, смазочное масло, предусмотренное в пространстве между уплотняющей оболочкой и приводным стержнем, главный клапан, предусмотренный на элементе направляющей, и возвратную пружину для принудительной подачи главного клапана в седло клапана, выполненное на фланце, при этом фланец имеет отверстие для пропускания по нему охлаждающей жидкости, отличающийся тем, что толщина упругой уплотняющей оболочки установлена в пределах от 25 до 5% диаметра приводного стержня. 2. Термостат по п.1, отличающийся тем, что отверстие фланца имеет диаметр, позволяющий уравнять давление охлаждающей жидкости в пространстве корпуса термостата с давлением охлаждающей жидкости в канале крышки термостата и уменьшить постоянную жесткость возвратной пружины.