CN1197156A - 汽车发动机冷却系统的恒温器 - Google Patents

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    • G05D23/1333—Control of temperature without auxiliary power by varying the mixing ratio of two fluids having different temperatures for liquids with temperature sensing element measuring the temperature of incoming fluid

Abstract

一种恒温器具有一有一法兰的外壳;一在其第一端固定于外壳的启动杆;一滑动安装在启动杆上的导向件;一围绕着启动杆的第二端部并固定于导向件的弹性密封阀芯;一容纳密封阀芯并固定于导向件的热敏筒体;诸多装在热敏筒体内以包裹住密封阀芯的蜡粒。法兰上有一孔使通过冷却剂,弹性密封阀芯的厚度设定为启动杆直径的25%—5%,从而减小该恒温器的复位弹簧的弹性常数。

Description

汽车发动机冷却系统的恒温器
本发明涉及一种用于控制汽车发动机的冷却剂的温度的蜡型恒温器。
现来参阅图6，该图表示了一汽车发动机的传统的冷却系统，该系统有一设置在水套20的一入口侧通道上的恒温器1。
该冷却系统包括一设置在水套20的一上出口21与一散热器22的一上入口23之间的第一冷却剂通道24和一设置在散热器22的一下出口25与水套20的一下入口29之间的第二通道30，还包括一恒温器罩26、一恒温器座27和一水泵28。在第一通道24的一接合点J与恒温器座27之间设有一旁路通道31，使第一通道与第二通道连通而不用通过散热器22。恒温器1通过恒温器罩26气密固定于座27。该恒温器1有一用于关闭第二通道30的主阀12和一用于关闭旁路通道31的旁路口32的旁路阀15。
在图6中，标号“A’”表示一用于测量座27内的冷却剂的温度的测量点，标号“B’”表示一设在第二通道30上并邻近于恒温器罩26和恒温器1上游、用于测量第二通道30里的冷却剂的温度的测量点。标号“C”表示用于测量第二通道30里的冷却剂的流速的测量点。标号33表示一冷却剂风扇。
恒温器1由一热启动器操作。该热启动器包括一启动钢杆和一可滑动地啮合于该杆的弹性密封阀芯(seal spool)。该密封阀芯插入一充填了诸多蜡粒的热敏筒体。
如图7所示，在该恒温器1的一法兰16上形成有一通孔19a，具有一摇阀(jiggle valve)18的一摇阀机构17可移动地啮合于该通孔19a中。
在发动机工作期间，该摇阀18受到第二冷却剂通道30中的冷却剂的压力而关闭(如图7所示)。当该发动机停车后，该摇阀就打开。如此，可沿箭头的方向补充该冷却剂。
在发动机冷态期间，恒温器1的主阀12是关闭的(如图6所示)，摇阀18也受冷却剂压力而关闭，此时的与主阀12整体连接的旁路阀15是全开的。如此，来自水套20的出口21的冷却剂不通过散热器22。冷却剂由水泵28循环而沿诸箭头的方向通过第一通道24的接合点J、旁路通道31、座27和水套20的入口29。这样，座27内的冷却剂的温度就上升了。
但是，由于散热器22和恒温器罩26内的冷却剂是不循环的，其中的冷却剂温度B的上升速率较慢。所以，如图8中记录的所示，在即使A’点的温度A是为主阀12的开启温度，即87℃后，在B’点的温度B仅为45℃。温度A与B间相差42℃。
当该恒温器1的主阀12打开时，低温冷却剂从散热器22的下出口25流出而通过第二通道30流入恒温器座27中。所以，B’点的冷却剂的温度B又下降了13℃。其结果是，通道30中的冷却剂的温度B与座27中的冷却剂的温度A的差值增大到55℃。用阴影线表示的那部分面积表示在该周期的能量损失。可以理解的是，时间横坐标表示从温度为60℃时的时间开始所经过的时间。
由于恒温器1的热灵敏度较低，该恒温器的响应比起冷却剂的温度的变化要迟些。所以，在温度明显高于预定的开启温度87℃后主阀12才打开。当该主阀打开后，冷却剂的温度就下降了。在冷却剂温度明显低于一预定的关闭温度后该主阀12就关闭。然后。冷却剂温度上升。也就是说。在冷却剂温度的控制中有一大的热超调，这样，使主阀重复打开和关闭。当主阀12关闭时，在主阀的上游产生一浪涌压力。
该热超调造成发动机的汽缸体和汽缸头裂开，而流涌压力造成恒温器1和散热器22破坏。
如上所指出的，由于该摇阀机构是能量损失和发动机故障的根源，所以从本恒温器中除去该摇阀机构，并在该恒温器的法兰上形成一小孔。所以，加在该主阀的内、外侧的压力相等。复位弹簧的弹性常数减小了。其结果，在低温范围的提升速度增大了。另外，密封阀芯的厚度十分薄(是启动杆的直径的25％-5％)，这样，降低了用于提升阀的腊的压力。
图4表示了升程与冷却剂温度的关系。线X是本发明的阀的升程，线Y是传统的阀的升程。字母“W”表示旁路阀15的一升程。陡的曲线段是固态蜡的情况。
传统阀Y的主阀在72℃打开，在固态蜡的终了温度(end temperature)87℃时的升程只有9.6毫米。此后，由于蜡成液态使提升速度降低，当升程为12毫米时，冷却剂温度达到如123℃这样的高温。
本发明的主阀也在72℃打开，温度仅提高9℃而升程变为6毫米。当升程达到12毫米时，如曲线X所示的冷却剂温度为85℃，仅仅增高了4℃。85℃这一冷却剂温度在蜡的固态范围内。
当安装了本发明的恒温器的汽车以80公里/小时速度行驶时，冷却剂温度提高到77.5℃。但是，当速度达到150公里/小时时，由于散热器被强风冷却而使冷却剂温度降到70.5℃。所以，该冷却系统设置得使冷却风扇在上限温度81℃启动而在75℃时停转。
图4的连线Z-Z’表示出上限温度81℃。阴影区表示出通过本发明的主阀的冷却剂的流速与通过传统阀的冷却剂的流速之间的差值。曲线X在81℃时的升程是6毫米，而曲线Y的升程是3毫米。所以，曲线X的流速是Y的两倍。
在蜡的固态中的曲线X的6毫米升程时的流速相当于在包括在蜡的液态中的曲线Y的12毫米升程时的流速。如此，在12毫米升程时本发明的恒温器只需耗用50％的自用功率(own power)。所以，安装了本发明的恒温器的汽车即使以150公里/小时的速度行驶，仍然剩余了50％的功率。
但是，曲线Y的传统的恒温器在86℃(升程9.3毫米)后进入液蜡态范围，此时的升程提高速率大大减小了。在升程9.3毫米-12毫米范围内无用地耗用了37℃(123℃-86℃)的冷却剂温度。本发明的恒温器表明以一半的能源而获得两倍的功率，保留了50％的功率。
流经在法兰上的一小孔的冷却剂不必担心要为一种空载状态而经历一较长时间段的加热，因为在节流体上设置有一冷启动燃料喷嘴，该喷嘴是受一计算机控制而补偿一段在空载状态时的时间损失。
在使用本发明的恒温器的冷却系统中，当冷却剂的温度超过81℃时，冷却风扇就工作。由于在81℃时的冷却剂的流速是传统恒温器的两倍，冷却剂的温度很快就降低。所以，冷却剂的温度保持在81℃。
对于冷却风扇的上限并不限于81℃。希望根据测试情况将此温度设定在一尽可能低的有效值。
传统恒温器的高冷却剂温度带来了很多问题，诸如燃料消耗的增多和有害气体的释放情况的恶化。
本发明的一目的在于提供一种汽车发动机冷却系统用的恒温器，它能降低冷却剂的上限温度。
按照本发明，提供一种汽车发动机冷却系统用的恒温器，该恒温器具有：一外壳，它有一将该外壳连接于一管道件用的法兰；一启动杆，它在其第一端固定于该外壳；一导向件，它可滑动安装在该启动杆上；一弹性密封阀芯，它围绕着该启动杆的一第二端部设置，并气密固定于该导向件；一热敏筒体，它容纳了该密封阀芯，并固定于该导向件；诸多蜡粒，它们装在该热敏筒体内以包裹住该密封阀芯；一种润滑油，它装在该密封阀芯与启动杆之间的一空隙内；一主阀，它设置在该导向件上；以及，一复位弹簧，它用来将该主阀压紧于一在该法兰上形成的阀座。
法兰有一孔可供通过冷却剂，弹性密封阀芯的厚度设定在启动杆直径的25％-5％。
复位弹簧的弹性常数是传统的一半。
法兰的孔的大小设定得使位于主阀内、外的冷却剂的压力相等。
通过参阅诸附图后的下述的详细说明就能清楚地理解本发明的其他目的和特点。
图1和2是本发明的恒温器的侧剖视图；
图3是该恒温器的侧视图；
图4是一记录曲线图，该图表示了在本发明的恒温器中的一阀的升程和一传统阀的升程相对于温度的关系；
图5是一表示一测试阀升程的机器的剖视图；
图6是汽车发动机的一传统的冷却系统的示意图；
图7表示了一用于图6系统的恒温器；以及
图8所示的曲线图表示了传统系统的冷却剂的温度和流速的变化相对于时间的关系。
图1表示一主阀关闭状态，图2表示一主阀打开状态。本发明的一恒温器1a有一形成一阀座9的外壳10、一固定于该外壳10的法兰16的框架11和一热启动器2。
该热启动器2包括一启动钢杆3、一滑动安装在该钢杆3上的导向件4和一气密固定于该导向件4并滑动配合于钢杆3的弹性密封阀芯5。该密封阀芯5的袋状部分的厚度是钢杆3的直径的25％-5％。在该密封阀芯5与该钢杆3之间充填了一种润滑油6。
密封阀芯的厚度是这样确定的，即使施加在它的里侧与外侧的压力相等，即润滑油的压力与蜡的压力相等。
密封阀芯5插入一充填了许多蜡粒7的热敏筒体8。该筒体8的一端固定配合于导向件4，从而形成热启动器2。
该热启动器的钢杆3在一顶部14固定于外壳10，主阀12固定于导向件4。围绕筒体8的一复位螺旋弹簧13装在主阀12与框架11的底部之间。另有一旁路阀15滑动安装在一固定于筒体8的轴14A上，并通过一螺旋弹簧14a弹性保持在轴14A上。法兰16上有一连通恒温器座(图6中的“27”)与恒温器罩(图6中的“26”)的孔19a。该孔19a的尺寸是这样确定的，即主阀12的外侧通道(图6中的第二通道30)内的冷却剂的压力等于在里侧通道内，即在座10内的冷却剂上所加的压力。
其结果，复位弹簧13的弹性常数能减小为传统的弹簧的一半。
图1表示了处在关闭状态的主阀。当冷却剂的温度上升超过恒温器的一预定值时，在导热筒体8中的蜡7就会膨胀。这样迫使密封阀芯5贴住钢杆3。由于钢杆3是固定于外壳10的，筒体8向下移动而对抗该弹簧13的力，从而打开主阀12，并通过旁路阀15关闭旁通口32(图2)。
当冷却剂温度降低时，蜡就收缩。如此，螺旋弹簧13使主阀移到关闭位置。
相对于蜡7的温度，恒温器的操作范围可分为主阀的一较大的提升范围和一较小的提升范围。在该较大的提升范围，蜡呈固态，此时的蜡的体积变化很大。在较小提升范围时，蜡呈液态，此时的蜡体积的变化率较小。
为了提高汽车发动机的热效率，必须相对于冷却剂温度提高阀提升速度，从而降低冷却剂温度的上限。
在本发明的恒温器中，密封阀芯的厚度十分薄(为钢杆3的直径的25％-5％)，使为提升阀所需的蜡的压力降低。另外，在恒温器的法兰上形成一小孔(19a)，这样，施加在主阀的里侧和外侧的压力彼此相等。所以，复位弹簧的弹性常数减少了。其结果，在低温范围的提升速度降低了。
如前面所指出的，本发明的主阀在72℃时打开。当升程达到12毫米时，冷却剂温度是85℃(如图4中的曲线X所示)。
在固态蜡如X曲线所示的、升程为6毫米时的流速相当于包括在蜡呈液态时的如Y曲线所示的、升程为12毫米时的流速。如此，本发明的恒温器在升程为12毫米时只使用了50％的自用功率。所以，即使安装了本发明的汽车以150公里/小时的速度行驶，还保留了50％的功率。
由于在81℃时的冷却剂的流速是传统恒温器的两倍，故冷却剂的温度很快降低了。因此，冷却剂温度保持在81℃。
图5表示了一用来测量主阀的升程与施加于密封阀芯上的压力之间的关系的测试机器。在该机器中，使用的是油压力，而不是蜡压力。
在该测试机器中安装了一热启动器36，以切割(cutting)热敏筒体，使监视一弹性密封阀芯39。在该密封阀芯39与一杆40之间的空隙里装填了一种润滑油41。经过孔37和一透明塑料管38可监视到密封阀芯39。测试机器有一依靠一弹簧42向下施力的可滑动的杆44。该杆44的顶部接触于一数字显示器(为图示)的一杆43。油从一入口35供入。
表1列出了用图5所示的该测试机器对油压与主阀的升程之间的关系所侧到的实际数值。
表1
                             压力-升程
  压力 热启动器(A)升程 热启动器(B)升程 热启动器(C)升程
公斤/厘米2     毫米     毫米     毫米
    0     0     0     0
    102030405060708090100110120130140     00000000.61.62.55.58.09.510.0     00000.41.52.86.29.510.0     00000.42.65.07.810.0
                    复位弹簧的弹性常数：0.55公斤/毫米
在表1中，一热启动器(A)有一3.8毫米直径的杆3和一1.7毫米厚度(直径的45％)的密封阀芯5；一热启动器(B)有一4.5毫米直径的杆和一1.25毫米厚度(直径的25％)的密封阀芯；以及，一热启动器(C)有一4.5毫米直径的杆和一0.225毫米厚度(直径的5％)的密封阀芯。复位弹簧13的弹性常数为0.55公斤/毫米。
如密封阀芯5的厚度像热启动器(C)那样十分薄，密封阀芯中的润滑油6的压力就等于蜡的压力。由于该弹性密封阀芯靠内、外相等的压力保持在飘浮状态，则使密封阀芯与杆直径的摩擦力为零。杆3靠着施加于该杆的下端面上的润滑油6的压力相对地被提升。
由于热启动器(A)有一为1.7毫米的较厚的厚度，在起始压力为80公斤/厘米2时的升程是0.6毫米。为了提起杆10以对抗15.1公斤的弹性负荷，毫无疑问压力必须是140公斤/厘米2。
尽管对于热启动器(B)和(C)，杆3的起始压力为50公斤/厘米2而升程同样是0.4毫米，热启动器(C)的杆被90公斤/厘米2的压力提升10毫米，这是因为其厚度十分薄，仅为0.225毫米。但是，对于热启动器(B)，100公斤/厘米2的压力是必需的。
如密封阀芯5的厚度超过热启动器(B)的厚度，起始压力就大于50公斤/2。所以，厚度的上限是杆3的直径的25％。
热启动器(C)的密封阀芯的厚度是足够的。如果厚度变小了，就难以制造这样薄的密封阀芯，且制造成本也增加了。所以，厚度的下限是杆3的直径的5％。
表2列出了实际测到的数值。
一热启动器(D)具有与热启动器(C)相同的杆径和一样的密封阀芯厚度，但是，弹性常数从传统值的0.55/毫米减少到0.27/毫米，后者是传统值的一半。
表2
               压力-升程
    压力 热启动器(C)升程
 公斤/厘米2    毫米
    0102030405060 0.34.09.513.5
  复位弹簧的弹性常数：0.27公斤/毫米
该杆在起始压力为30公斤/厘米2时提升0.3毫米，而在压力为60公斤/厘米2时提升13.5毫米。如将弹性密封阀芯的厚度减小到一十分小的值并将弹性常数减少到传统值的一半时，促进了蜡的熔化，这样，液化蜡的数量迅速增多，从而由于密封阀芯的薄厚度和小的弹性常数的显著的叠加作用使主阀被迅速地提起。
由于本发明的恒温器以全部自用功率的50％操作，它能平稳而迅速地操作，使发动机工作时的振动较小，其寿命也加长了。
表3列出了本发明的四个恒温器的耐久试验的结果，表4列出了四个传统的恒温器的耐久试验的结果。
每次测试交替对第一和第二测试进行40,000次。在第一测试中，低于40℃的冷却剂流动了120秒。在第二测试中，超过98℃的冷却剂流动了220秒。
表3
 序号 周期  阀打开温度   升程，毫米     从起始阶段的差值
340秒     ℃    在98℃时  阀打开温度     升程
  1 010,00020,00030,00040,000     87.286.886.385.886.9     10.7410.7810.7710.7610.77 -0.4-0.9-1.4-0.3 +0.04+0.03+0.02+0.03
  2 010,00020,00030,00040,000     86.586.085.886.086.6     11.0111.0211.0011.0211.00 -0.5-0.7-0.5+0.1 +0.01-0.01+0.01-0.01
  3 010,00020,00030,00040,000     87.487.287.286.686.5     10.5710.6310.7010.6610.64 -0.2-0.2-0.8-0.9 +0.06+0.13+0.09+0.07
  4 010,00020,00030,00040,000     86.685.685.685.886.4     11.0911.1211.1611.1411.16 -1.0-1.0-0.8-0.2 +0.03+0.07+0.05+0.07
表4
 序号 周期 阀打开温度 升程，毫米     从起始阶段的差值
340秒     ℃   在98℃时   阀打开温度     升程
  1 010,00020,00030,00040,000     80.681.080.980.379.8     8.058.278.268.298.46 +0.4+0.3-0.3-0.8 +0.22+0.21+0.24+0.41
  2 010,00020,00030,00040,000     81.082.080.680.480.6     8.138.138.458.168.45 +1.0-0.4-0.6-0.4 0+0.32+0.03+0.32
  3 010,00020,00030,00040,000     82.782.582.182.781.5     7.757.857.787.457.80 -0.2-0.60-1.2 +0.10+0.03-0.30+0.05
  4 010,00020,00030,00040,000     76.878.378.581.582.6     9.008.938.607.958.07 +1.5+1.7+4.7+5.8 -0.07-0.40-1.05-0.93
与该恒温器的耐久性有关的最重要的因素是升程的变化值。本发明的恒温器的变化值比传统的变化值小一位数。在起始阶段的升程与在最后阶段的升程之间的差值几乎为零。
如对本发明的恒温器进行如下的改进，就能进一步提高该恒温器的效果。
如将弹性密封阀芯的厚度减小到一十分小的值，热敏筒体的内容量就增大了，这样，蜡的压力就降低。因此，能减小筒体的厚度，这样可进一步增加内容量。所以，通过增大直径，使蜡压力与杆的直径的平方成反比地降低。如此，能进一步降低冷却剂温度的上限温度81℃。
另外，如果使用了具有在69℃熔化的蜡X曲线(图4)的恒温器，上限温度降低到78℃。
按照本发明，由于取决于密封阀芯的很小的厚度和复位弹簧的小的弹性常数的叠加作用，上限可降低到81℃或更低，这样，发动机的燃料消耗减少了，NOx和CO2的释放量也减少了，从而有助于防止全球的升温。

Claims (3)

1.一种汽车发动机冷却系统用的恒温器，该恒温器具有：一外壳，它有一将该外壳连接于一管道件用的法兰；一启动杆，它在其第一端固定于该外壳；一导向件，它可滑动安装在该启动杆上；一弹性密封阀芯，它围绕着该启动杆的一第二端部设置并气密固定于该导向件；一热敏筒体，它容纳了该密封阀芯，并固定于该导向件；诸多蜡粒，它们装在该热敏筒体内以包裹住该密封阀芯；一种润滑油，它装在该密封阀芯与启动杆之间的一空隙内；一主阀，它设置在该导向件上；以及，一复位弹簧，它用来将该主阀压紧于一在该法兰上形成的阀座，其改进包括：
法兰有至少一孔使可通过冷却剂，致使能减小复位弹簧的弹性常数，并使弹性密封阀芯的厚度减小到为启动杆直径的25％-5％。
2.如权利要求1所述的恒温器，其特征在于，法兰的孔的大小设定得使位于主阀内、外的冷却剂的压力相等。
3.如权利要求1所述的恒温器，其特征在于，该冷却系统设置得使冷却风扇可在与冷却剂温度的上限对应的某一较低温度时启动。
CN98106494A 1997-04-11 1998-04-10 汽车发动机冷却系统的恒温器 Expired - Lifetime CN1082611C (zh)

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