Программируемый термостат

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств, в том числе в автомобильной промышленности. В устройстве, содержащем корпус с патрубками подвода охлаждающей жидкости из двигателя, отвода на перепуск (в двигатель) и на радиатор, два клапана, установленные внутри корпуса на штоке, связанном с блоком управления, вход которого соединен с датчиком температуры двигателя, причем шток установлен в полости твердого наполнителя с возможностью взаимодействия с термоэлектрическим модулем, подсоединенным к выходу блока управления, упомянутый блок управления выполнен программируемым и содержит микроконтроллер, вход которого подключен к датчикам температуры и нагрузки, установленным на двигателе и связанным с программируемым блоком управления, выход через ключи, реле, регулятор источника тока связан с контактами включения и выключения термоэлектрического модуля и с контактами изменения направления электрического тока, а датчик тока связан с термоэлектрическим модулем и с регулятором источника тока. Изобретение обеспечивает поддержание оптимального температурного режима на номинальных нагрузках и повышение температуры охлаждающей жидкости на частичных нагрузках в пределах определенной зоны неравномерности. 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств, в том числе в автомобильной промышленности.

Известен термостат с электрическим подогревом [1]. Предложенный термостат содержит твердый наполнитель и электрический подогреватель. В период прогрева термостат обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости по малому кругу, минуя радиатор, способствуя ускорению прогрева охлаждающей жидкости. При включении электрического подогрева управляющий элемент термостата открывает трубопровод к радиатору раньше, вследствие чего максимальная температура жидкости снижается, исключая опасность перегрева. Температуру жидкости контролируют датчики, по сигналам которых электронный блок управляет работой термостата.

Недостатком данного термостата является то, что при включении электрического подогрева встроенный в термостат обогревательный элемент начинает греть как чувствительный элемент (твердый наполнитель), так и охлаждающую жидкость. При этом нагрев охлаждающей жидкости обогреваемым элементом приводит к снижению эффективности охлаждающей жидкости.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является "Устройство для регулирования охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания" [2]. Устройство содержит корпус с патрубками подвода охлаждающей жидкости из двигателя, отвода на перепуск и радиатор, два клапана, установленных на штоке, связанном с блоком управления, вход которого соединен с датчиком температуры двигателя. Шток установлен в полости твердого наполнителя, который связан с термоэлектрическим охладителем-нагревателем (термоэлектрическим модулем), подсоединенным к выходу блока управления.

Однако известное устройство имеет следующие недостатки:

- регулирование этого устройства направлено на поддержание постоянного уровня температуры охлаждающей жидкости на всех режимах работы двигателя. Однако, как показывает анализ литературы [3], значительного технико-экономического и экологического эффекта можно добиться от повышения температуры в системе охлаждения при переходе от номинальных нагрузок к частичным. В данном устройстве такое регулирование отсутствует.

Заявляемое изобретение решает задачу создания программируемого термостата, обладающего целенаправленным увеличением температуры охлаждающей жидкости при работе двигателя на частичных нагрузках.

Техническим результатом при этом является поддержание оптимального температурного режима на номинальных нагрузках и повышение температуры охлаждающей жидкости на частичных нагрузках в пределах определенной зоны неравномерности.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем корпус с патрубками подвода охлаждающей жидкости из двигателя, отвода на перепуск (в двигатель) и на радиатор, два клапана, установленных внутри корпуса на штоке, связанном с блоком управления, вход которого соединен с датчиком температуры двигателя, причем шток установлен в полости твердого наполнителя с возможностью взаимодействия с термоэлектрическим модулем, подсоединенным к выходу блока управления, упомянутый блок управления выполнен программируемым и содержит микроконтроллер, вход которого подключен к датчикам температуры и нагрузки, установленным на двигателе и связанным с программируемым блоком управления, выход через ключи, реле, регулятор источника тока связан с контактами включения и выключения термоэлектрического модуля и с контактами изменения направления электрического тока, а датчик тока связан с термоэлектрическим модулем и с регулятором источника тока.

На прилагаемых чертежах (фиг.1, 2) представлены схемы программируемого термостата и программируемого блока управления для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя. На фиг.3 - зависимость температуры от нагрузки (мощности) двигателя.

Программируемый термостат (фиг.1) содержит корпус термостата 1, патрубки: 9 - для подвода охлаждающей жидкости из двигателя (не показан) в термостат, 10 - для отвода охлаждающей жидкости на перепуск (в двигатель), 11 - для отвода охлаждающей жидкости на радиатор, шток 2, основной клапан 3, баллон 4, пружину 5, перепускной клапан 6, пружину 7, термоэлектрический модуль 8, твердый наполнитель 12, датчики температуры 14 и нагрузки 15 (фиг.2) и программируемый блок управления 13, включающий в себя (фиг.1, 2) микроконтроллер 16, реле 17, 18, ключи 19, 20, регулятор источника тока 21, контакты включения и выключения 22 термоэлектрического модуля 8, контакты изменения направления электрического тока 23 и датчик тока 24.

Датчик температуры 14 установлен на трубопроводе на выходе из двигателя, текущее значение с которого в виде аналогового сигнала подается на микроконтроллер 16. Датчик нагрузки 15 установлен на двигателе (не показан), текущее значение с которого в виде аналогового сигнала также подается на микроконтроллер 16.

Термоэлектрический модуль 8 установлен к баллону 4, горячие (холодные) спаи которого с помощью конвективного теплообмена взаимодействуют с охлаждающей жидкостью системы охлаждения и с твердым наполнителем 12.

Микроконтроллер 16 выполнен на основе однокристальной микросхемы, например типа PIC ф. Microchip. В микроконтроллере 16 реализуется программируемый алгоритм управления температурой охлаждающей жидкости путем включения термоэлектрического модуля 8, изменения направления электрического тока и изменения величины силы тока, например, восьмиразрядным преобразователем. При этом взаимодействие спаев термоэлектрического модуля 8 и охлаждающей жидкости с твердым наполнителем 12 позволяет осуществить открытие и закрытие перепускного 6 и основного 3 клапанов термостата.

Регулятор источника тока 21 в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и нагрузки двигателя получает сигнал Uрег. от микроконтроллера 16 и устанавливает величину силы тока, которая определяет величину мощности термоэлектрического модуля 8.

Показания датчика тока 24 учитываются при регулировании производительности термоэлектрического модуля 8.

Программируемый термостат позволяет создать систему автоматического регулирования температуры с "отрицательной" статической характеристикой (фиг.3), т.е. обеспечивать на малых нагрузках более высокую температуру, например 99°С, нежели на номинальных, например 80°С, в пределах зоны неравномерности.

Программируемый термостат работает следующим образом.

После запуска двигателя программируемый термостат начинает работать. При этом:

1. Если нагрузка двигателя Р_m ≤ Р_ном (Р_m - текущее значение нагрузки (мощности), Р_ном - номинальное значение нагрузки (мощности)), то при этом:

а) Температура охлаждающей жидкости Т_о.ж ≤ 80°С, то аналоговые сигналы с датчиков температуры 14 и нагрузки 15 соответственно поступают на аналого-цифровые преобразователи (АЦП, АЦП2) однокристального микроконтроллера (МК) 16, в котором программно реализуется оптимальный алгоритм управления температурой охлаждающей жидкости (фиг.2).

В соответствии с данным алгоритмом микроконтроллер 16 управляет сигналами включения U_вкл и изменения направления электрического тока U_напр. Высокий уровень логического сигнала U_вкл открывает ключ 19, тем самым запитывает катушку реле 17, которая в свою очередь включает контакты 22 цепи питания термоэлектрическим модулем 8. Одновременно высокий уровень логического сигнала U_напр открывает ключ 20, запитывает катушку реле 18, которая в свою очередь включает контакты 23 изменения направления (полярности) электрического тока. Микроконтроллер 16 также формирует, например, восьмиразрядный сигнал управления регулятором тока U_рег, который поступает в регулятор источника тока 21, где определяется величина тока и включается термоэлектрический модуль 8.

При этом холодные спаи термоэлектрического модуля 8 охлаждают твердый наполнитель 12 через баллон 4, а горячие спаи, взаимодействуя с охлаждающей жидкостью, подогревают жидкость системы охлаждения. Шток 2 под действием твердого наполнителя 12 и пружины 5 закрывает основной клапан 3 и весь поток охлаждающей жидкости направляется через перепускной клапан 6 по малому кругу в двигатель и происходит повышение температуры охлаждающей жидкости до заданного значения.

б) Температура охлаждающей жидкости Т_о.ж ≥ 99°C, то высокий уровень логического сигнала U_напр открывает ключ 20, запитывает реле 18, которое в свою очередь переключает контакты 23 и меняет направление электрического тока. Далее аналогично включается термоэлектрический модуль 8 (фиг.1, 2). При этом горячие спаи модуля нагревают через баллон 4 твердый наполнитель 12. Шток 2 под действием твердого наполнителя 12 приходит в рабочее состояние и открывает основной клапан 3. При этом часть потока охлаждающей жидкости направляется на радиатор, а другая часть - в двигатель (на перепуск) и температура охлаждающей жидкости доводится до заданного значения (фиг.3).

При увеличении эксплуатационной нагрузки, например, Р_э ≥ Р_ном температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения поддерживается, например, Т_о.ж=80°С следующим образом:

1. Если Т_о.ж>80°С, то термоэлектрический модуль 8 по указанному выше алгоритму включается на подогрев твердого наполнителя 12. При этом холодные спаи модуля охлаждают жидкость системы охлаждения. Под действием штока 2 происходит ускоренное открытие основного клапана 3 и распределение в нужном количестве потоков жидкости на радиатор и двигатель до получения заданной температуры.

2. Если Т_о.ж=80°С, микроконтроллер 16 формирует низкий уровень U_вкл и устройство выключает работу термоэлектрического модуля 8.

3. Если Т_о.ж<80°С, то термоэлектрический модуль 8 по указанному выше алгоритму включается на охлаждение твердого наполнителя 12. При этом горячие спаи термоэлектрического модуля 8 нагревают охлаждающую жидкость системы охлаждения. При этом происходит ускоренное закрытие основного клапана 3 и температура охлаждающей жидкости системы охлаждения доводится до заданного значения.

Таким образом, у встроенного термоэлектрического модуля 8 при работе термостата эффективно используются как горячая, так и холодная сторона на всех режимах работы двигателя. Кроме того, программируемый термостат с использованием термоэлектрического модуля 8 позволяет применять комбинированное регулирование, т.е. сигнал, формирующийся на выходе блока управления, зависит от отклонений как регулируемой температуры, так и текущего значения нагрузки. Это позволяет уменьшить время запаздывания и повысить качество регулирования температурного режима на всех режимах работы двигателя, увеличивая его энергоэкономические и экологические показатели.

Также встроенный в термостат термоэлектрический модуль позволяет модернизировать термостат, с помощью которого целенаправленно можно влиять на температуру охлаждающей жидкости. Благодаря этому можно при частичных нагрузках поддерживать более высокую температуру охлаждающей жидкости, т.е. создать систему автоматического регулирования температуры с "отрицательной" статической характеристикой (фиг.3).

Источники информации

1. Заявка ФРГ №432478, МПК F 01 Р 7/16, опубл. 26.1.95.

2. Патент РФ №2165028, МПК F 01 Р 7/16, опубл. в бюл. №10/2001. "Устройство для регулирования охлаждающей жидкости ДВС".

3. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. Учеб. пособие для студентов высших учебных заведений. - М.: Машиностроение, 1995, с.271.

Формула изобретения

Программируемый термостат, содержащий корпус с патрубками подвода охлаждающей жидкости из двигателя, отвода на перепуск (в двигатель) и на радиатор, два клапана, установленные внутри корпуса на штоке, связанном с блоком управления, вход которого соединен с датчиком температуры двигателя, причем шток установлен в полости твердого наполнителя с возможностью взаимодействия с термоэлектрическим модулем, подсоединенным к выходу блока управления, отличающийся тем, что упомянутый блок управления выполнен программируемым и содержит микроконтроллер, вход которого подключен к датчикам температуры и нагрузки, установленным на двигателе и связанным с программируемым блоком управления, выход - через ключи, реле, регулятор источника тока связан с контактами включения и выключения термоэлектрического модуля и с контактами изменения направления электрического тока, а датчик тока связан термоэлектрическим модулем и с регулятором источника тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3