Автомобильный термостат в системе жидкостного охлаждения ДВС: устройство и принцип работы
Содержание
1 Появление и модернизация устройства
1.1 Наполнитель термостата
1.2 Функции и место расположения
2 Виды терморегулирующих устройств в автомобиле
2.1 Одноклапанный, двухклапанный и двухступенчатый термостат
2.2 Устройство с электронным управлением
3 Конструкция термостата с твердотельным наполнителем
3.1 Принцип работы
4 Распространенные неисправности
4.1 Диагностика поломки
4.2 Обслуживание, профилактика и ремонт
4.3 Стоимость детали
Термостат является одним из важнейших элементов, который устанавливается в жидкостной системе охлаждения бензинового или дизельного силового агрегата. В стандартном исполнении это маленькое устройство имеет диаметр около пяти сантиметров и расположено между двигателем и радиатором. Основной задачей термостата является управление потоком охлаждающей жидкости, которая циркулирует по рубашке двигателя и радиатору охлаждения. Результатом работы устройства становится возможность быстрого и эффективного прогрева ДВС при холодном пуске и дальнейшее поддержание оптимального температурного баланса во всех режимах работы и при любых нагрузках на мотор.
Появление и модернизация устройства
Одним из первых термостатов считается появление ртутного устройства для поддержания оптимального температурного баланса в инкубаторе для кур, который изобрел в 1620 году мистер Корнелий Дреббел из Великобритании.
Термостат активно используется в системе жидкостного охлаждения ДВС с 1922 года, когда появились первые и относительно мощные установки с большим выделением тепла в процессе работы. На раннем этапе было несколько безуспешных попыток применить устройство в системе охлаждения. Далее конструкцию усовершенствовали, инженеры подобрали оптимальные материалы изготовления и добились таких характеристик и надежности, что термостат стал повсеместно используемым элементом в жидкостной системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания.
Рекомендуем также прочитать статью об устройстве центробежного насоса жидкостной системы охлаждения ДВС. Из этой статьи Вы сможете узнать об особенностях конструкции насоса, его функциях в системе охлаждения, особенностях эксплуатации и ремонта помпы.
В системах охлаждения автомобилей используют два вида термостатов. Существуют решения с твердым или жидкостным наполнителем. Гелевый термостат для автомобильной жидкостной системы охлаждения двигателя был изобретен французом по имени Серж Вернье в 1963 году. Компания Vernet специализируется на производстве термостатов и сегодня, а продукция этого бренда пользуется заслуженным авторитетом на рынке автозапчастей для различных марок автомобилей по всему миру.
Наполнитель термостата
Термостат может иметь различные виды наполнителя в основе своей конструкции. Мы уже упоминали, что выделяют жидкостной наполнитель и твердотельный. Принцип работы и устройство этих решений практически одинаково. Отличия заключаются только в повышенной герметизации жидкостной конструкции, а также в индивидуальных физических свойствах самого наполнителя и его чувствительности к температурным колебаниям зависимо от состава.
Современные двигатели получили такой тип устройства, который имеет в основе твердый наполнитель. Под таким наполнителем стоит понимать основной термоэлемент, который внутри термостата находится изначально в твердом физическом состоянии.
Функции и место расположения
После того как мотор выходит на оптимальную рабочую температуру, становится необходимым поддерживать этот показатель в строгих рамках до самого момента остановки двигателя, а в ряде случаев и некоторое время после прекращения работы ДВС. Главной задачей устройства является контроль и распределение потока нагретой жидкости охлаждения внутри системы по отводу тепла от двигателя.
Термостат может быть расположен в различных местах, зависимо компоновки двигателя в подкапотном пространстве, а также место его установки напрямую зависит от модели силового агрегата. Также на место установки устройства влияют и конструктивные особенности реализации самой охлаждающей жидкостной системы. В большинстве случаев термостат находится в месте выхода охлаждающей жидкости из головки блока цилиндров. Вторым наиболее распространенным местом его установки считается вход центробежного насоса охлаждающей жидкости (помпы).
Виды терморегулирующих устройств в автомобиле
Давайте подробнее поговорим о различных видах автотермостатов с учетом особенностей их конструкции. Двигатель может быть оборудован различными вариантами исполнения терморегулятора, среди которых отмечают:
термостат с одним клапаном (одноклапанный);
двухступенчатый термостат;
устройство с двумя клапанами (двухклапанный термостат);
термостат с электронным управлением;
Одноклапанный, двухклапанный и двухступенчатый термостат
Решение с одним клапаном отличается простотой конструкции и связанной с этим надежностью. Автопроизводители по всему миру отдают предпочтение такому виду конструкции и оборудуют большинство своих автомобилей именно таким устройством.
Отдельным видом термостата с одним клапаном является двухступенчатая конструкция. Установка такого решения обусловлена тем, что некоторые системы охлаждения в процессе работы создают очень высокое давление охлаждающей жидкости. Клапану термостата сложно преодолеть такое давление. По этой причине конструкция двухступенчатого терморегулятора получила решение, которое подразумевает наличие двух тарелок клапана, которые называют малой и большой. Первой в термостате открывается малая тарелка, которой необходимо заметно меньшее усилие для преодоления созданного в системе давления. Малая тарелка открывается легче, а уже при открытии взаимодействует с большой тарелкой и попросту тянет её за собой. Открытие большой (основной) тарелки термостата до конца открывает канал прохода охлаждающей жидкости.
Если в первом случае термостат имеет один клапан с двумя тарелками, то двухклапанный регулятор получил два отдельных клапана, которые находятся в едином корпусе. Первый клапан является основным и служит для перекрытия большого круга при движении охлаждающей жидкости в системе. Второй клапан является перепускным и отвечает за циркуляцию жидкости по малому кругу. Работа клапанов синхронизирована. Когда один из них перекрывает канал ОЖ, другой осуществляет открытие нужного контура. Указанная конструкция термостата нашла широкое применение в конструкции легковых авто и грузовиков, которые являются продуктами автоиндустрии из стран СНГ.
Устройство с электронным управлением
Наиболее совершенным и относительно сложным конструктивно, но при этом максимально точным и эффективным является терморегулятор, оборудованный управлением при помощи электроники. Главным преимуществом такого устройства является обеспечение разных температурных показателей для достижения оптимальной температуры применительно к динамично изменяющимся режимам работы двигателя в процессе его работы.
Конструкция устройства напоминает обычный термостат с одним клапаном, но в его термоэлемент добавлено дополнительное нагревательное сопротивление. Управляет нагревом указанного сопротивления электронный блок управления двигателем (ЭБУ). Благодаря такой конструкции становится возможным реализовать гибкий температурный режим. Поддерживается показатель 95-110°С при небольших нагрузках на мотор и 85-95°С при максимальной нагрузке. Основным достижением от применения электронного устройства является ощутимое снижение расхода горючего, а также небольшой прирост мощности на «низах» за счет лучшего охлаждения воздуха на впуске.
Встречаются также двигатели, которые имеют сразу два термостата в системе жидкостного охлаждения. Такие системы называют двухконтурными. Один термостат в такой системе контролирует температуру в контуре головки блока цилиндров и отвечает за поддержание в нем показателя на отметке 87°С. Второй терморегулятор находится в контуре блока цилиндров.
Температурный порог в области БЦ выше и находится на отметке 105°С. Такая реализация управления температурой в системе охлаждения нашла применение в конструкции высокопроизводительных турбомоторов и обеспечивает итоговый прирост мощности силового агрегата за счет улучшенного охлаждения воздуха.
Конструкция термостата с твердотельным наполнителем
Современные системы жидкостного охлаждения ДВС получили наиболее распространенную версию с одним клапаном, а также двухклапанный термостат с твердым наполнителем в подавляющем большинстве случаев. Данный элемент системы охлаждения ДВС является термочувствительным клапаном, который заключен в рамку из латуни. Клапан имеет также тарелку, которая крепится на корпусе. Сам корпус представляет собой своеобразный цилиндр. В этот цилиндр вставляется специальный шток. Указанный шток получил упор одним своим концом в верхнюю часть рамки термостата, а другой конец опирается на полость из резины в корпусе устройства. Корпус и резиновая полость разделены термочувствительным элементом.
Если сказать проще, то распространенный двухклапанный термостат имеет корпус, два входных патрубка, выходной патрубок, основной и дополнительный клапан, а также чувствительный к температуре ОЖ элемент. Устройство зачастую устанавливается перед местом входа рабочей жидкости в корпус центробежного насоса и соединено с ним специальным выходным патрубком. Один входной патрубок соединяет термостат с головкой блока цилиндров, а другой реализует соединение с нижним бачком радиатора.
Чувствительный к нагреву ОЖ элемент представляет собой медный баллон, резиновую диафрагму и шток. Твердый наполнитель находится между диафрагмой и стенкой баллона. Элемент представляет собой смесь меди и гранулированного воска.
Главным требованием к материалу становится высокий коэффициент его объемного расширения. Для выполнения требуемых функций отлично подходит мелкокристаллический воск или смесь медного порошка и церезина.
Воск применили в конструкции благодаря его свойству значительно расширяться под действием тепла и переходить из твердого в жидкое состояние и обратно. Указанный воск или парафин, который применяют в конструкции автомобильных термостатов, является искусственным и отличается от привычного нам материала. Такой воск получил ряд специфических свойств, которые он приобретает после прохождения процесса дистилляции.
Принцип работы
Когда осуществляется запуск двигателя, термостат в этот момент находится в закрытом состоянии и перекрывает доступ ОЖ к большому кругу. Охлаждающая жидкость циркулирует по такому маршруту, который заставляет её выходить из блока цилиндров и немедленно возвращаться обратно. Такая особенность работы системы охлаждения обеспечивает максимально эффективный прогрев силового агрегата и последующий его выход на оптимальный для его работы под нагрузкой температурный режим в кратчайшие сроки.
Когда нагрев охлаждающей жидкости достигает температурного порога в 80-90°С, тогда термостат начинает открываться. Это происходит по той причине, что твердотельный элемент в корпусе устройства при такой температуре начинает плавиться. Происходит закономерное увеличение термоэлемента в объеме. Увеличение объема инициирует перемещение корпуса термостата по штоку. Сам же шток перемещаться не способен, так как жестко закреплен конструктивно на верхней рамке. Тарелка клапана преодолевает усилие возвратной пружины и начинает открываться. Так охлаждающая жидкость получает возможность пройти через полностью или частично открытый клапан и начать циркулировать через радиатор. Эффективность охлаждения ОЖ в радиаторе существенно возрастает.
При максимально допустимом увеличении температуры охлаждающей жидкости термостат открыт полностью, позволяя охлаждающей жидкости проходить через радиатор в полном объеме. Термостат полностью открывается при температуре около 95-105°С. Когда двигатель автомашины работает в различных режимах, которые постоянно меняются, происходит постоянное изменение степени открытия термостата.
Если рассмотреть принцип работы двухклапанного термостата с учетом более привычных понятий движения ОЖ по «большому» и «малому» кругу, тогда получаем следующее. Представим, что температура охлаждающей жидкости в системе превысила отметку в 80 градусов по Цельсию. Твердый наполнитель термостата начинает плавление и увеличивается в объеме, затем надавливает на шток, который выходит из баллона. Баллон начинает смещаться вверх, тем самым закрывая дополнительный клапан устройства. Доступ охлаждающей жидкости к малому кругу получается закрытым.
Когда ОЖ достигнет температуры около 94 градусов, дополнительный клапан полностью закроется. Основной клапан все равно остается открытым и охлаждающая жидкость свободно циркулирует по большому кругу, что подразумевает её движение через каналы радиатора охлаждения.
В том случае, когда наблюдается понижение температуры ОЖ ниже отметки в 80 градусов, объем наполнителя сокращается, основной клапан термостата начинает постепенно закрываться. Поток жидкости в радиаторе уменьшается. Одновременно с этим начинает параллельно открываться дополнительный клапан, который открывает доступ охлаждающей жидкости к циркуляции по малому кругу.
Возможность открываться полностью или частично позволяет максимально эффективно и гибко поддерживать оптимальные температурные показатели для работы ДВС в различных режимах нагрузки. Дополнительно термостат позволяет снизить физический износ деталей и узлов силового агрегата, а также уменьшить степень токсичности выхлопных газов. Наиболее распространёнными и качественными производителями термостатов считаются компании Gates, Wahler и Vernet.
Распространенные неисправности
Главной и наиболее распространенной причиной неисправности устройства является нарушение подвижности клапанов термостата. Причины бывают разные, но в большинстве случаев такое явление становится следствием загрязнения термостата накипью, а также образования коррозии.
Особенно быстро термостат выходит из строя по той причине, что многие водители пренебрегают регулярной заменой охлаждающей жидкости в системе и эксплуатируют ОЖ намного больше положенного срока. Многие используют некачественную и самую дешевую продукцию неизвестных производителей, разбавляют концентрат ОЖ обычной водой вместо дистиллированной, пропускают важнейший этап промывки системы охлаждения перед очередной плановой заменой охлаждающей жидкости и т.п.
Автолюбителям прекрасно знакомо выражение «заклинил термостат». Результатом загрязнения термостата становится то, что клапаны устройства могут попросту застывать в определенном положении. Наиболее часто это случается в открытом или немного приоткрытом их положении. Второй распространенной причиной поломки термостата является потеря твердотельным наполнителем его важнейших физико-химических свойств. Если произойдет снижение коэффициента расширения твердого наполнителя, это будет означать, что в расширенном состоянии изменится также и его конечный объем.
Следовательно, нужного давления на шток наполнитель термостата оказывать не будет. Конструкция частично или полностью не сможет сдвинуться с места, один или сразу оба клапана перестанут функционировать должным образом. Охлаждающая жидкость в системе при неисправности термостата будет либо перегреваться, либо постоянно оставаться холодной, а также возможны промежуточные температуры, отклоняющиеся от расчетной нормы.
Диагностика поломки
На серьезные неполадки в системе охлаждения Вам укажет явное отклонение от нормальных показаний указателя температуры ОЖ на панели приборов в салоне. При нормальной работе системы охлаждения ДВС и температуре воздуха за бортом около ноля градусов Цельсия, силовой агрегат должен выходить на рабочую температуру под нагрузкой в движении за 5–10 минут.
Единственное условие-исправность самого температурного датчика, указателя на панели прибоов и системы охлаждения. Если герметичность системы и функциональность других элементов не нарушена, уровень ОЖ в расширительном бачке находится на нужной отметке, тогда явными признаками неисправности термостата являются:
долгий прогрев двигателя;
неспособность ДВС выйти на рабочую температуру под нагрузкой;
отсутствие теплого воздуха из отопителя;
постоянный перегрев двигателя независимо от окружающей температуры наружного воздуха;
периодическое возникновение указанных симптомов и последующее их исчезновение;
Выявить неисправность термостата достаточно просто. После запуска холодного мотора верхний патрубок радиатора должен быть холодным и оставаться таковым определенный период времени. Если все в норме, значит ОЖ циркулирует только по «рубашке охлаждения» мотора (малый круг) и доступ в режиме прогрева в радиатор для нее перекрыт клапаном термостата.
Когда верхний патрубок теплеет практически сразу, тогда налицо нарушенная циркуляция. Это означает, что главный клапан устройства открыт и охлаждающая жидкость сразу идет по большому кругу. В результате ДВС не способен прогреться до оптимальной рабочей температуры. Такое явление означает, что присутствует ускоренный износ деталей силовой установки. Трущиеся пары агрегата не получают смазки в должной мере, так как непрогретый мотор имеет отличные от нормы тепловые зазоры. Масло также остается слишком загущенным и теряет свойства, что приводит к повышенному расходу горючего и преждевременному износу ДВС.
Если клапан термостата постоянно находится в закрытом положении, тогда закономерно возникает перегрев и последующее закипание охлаждающей жидкости. Водители условно говорят, что двигатель «закипел». Это грозит не только сильным ростом давления в системе охлаждения и поломкой её отдельных функциональных элементов, но и выходом из строя самого двигателя.
Случается и так, когда клапаны термостата подклинивают только периодически. Неисправность исчезает сама по себе, потом проявляется вновь. В таких случаях говорят, что термостат «залипает». Эта поломка более коварна, так как неисправность при таких симптомах сложнее выявить. Следует проверить состояние системы охлаждения и произвести профилактическую замену термостата. Не следует дожидаться ухудшения ситуации.
Существует еще один способ проверки работоспособности термостата, но данное решение востребовано крайне редко. Речь идет о демонтаже и последующей проверке термостата в условиях, приближенных к реальной эксплуатации. Для этого термостат кладут в емкость с водой и начинают её нагревать. Когда температура воды достигнет порога открытия клапана термостата, тогда исправное устройство отреагирует должным бразом. Наполнитель расширится и откроет клапан приблизительно на 20 мм. Если этого не произошло совсем, клапан открылся только частично или не вернулся после охлаждения в исходное состояние, тогда можно говорить о неисправности устройства.
Обслуживание, профилактика и ремонт
Важным критерием при выборе нового термостата является температура его срабатывания и начала открытия клапана. Этот момент необходимо учесть и подбирать термостат применительно к конкретному двигателю. Дело в том, что устройства от разных производителей имеют свой температурный «порог». Если Вы поставите термостат, отличный от рекомендуемого порога в большую сторону, тогда может возникнуть перегрев ДВС. Раннее же срабатывание будет означать неспособность двигателя выйти на рабочую температуру.
Наиболее распространенной рекомендацией большинства специалистов и автомехаников является периодическая замена термостата с интервалом от 2-х до 5-и лет (пробег от 50 до 100 000 км). При этом вовсе необязательно дожидаться поломки устройства, а саму замену совмещают с плановой заменой помпы и/или ОЖ.
Стоимость детали
Многочисленные разновидности термостатов имеют ряд индивидуальных преимуществ и недостатков. Сильно варьироваться может также и цена тех или иных устройств. Термостат отечественного производства зачастую оказывается заметно дешевле сравнительно с импортными аналогами. Наиболее качественными и дорогостоящими считаются немецкие устройства. Существуют как универсальные термостаты, которые можно установить на большинство различных двигателей, так и модели, которые специально созданы для конкретного ДВС или ограниченной группы силовых агрегатов.
Зачастую термостат не является дорогостоящей деталью, его несложно заменить. Конечная стоимость замены будет напрямую зависеть от конструктивных особенностей ДВС и места расположения устройства, а также от марки и модели автомобиля. Термостат обычно не ремонтируют. Цена терморегулятора для автомобилей семейства ВАЗ может начинаться от 3 у.е. Для последних моделей АвтоВАЗ и большинства машин иностранного производства минимальная цена устройства начинается с приблизительной отметки в 9 долларов и выше.
