CN1231381A - 汽车发动机的冷却*** - Google Patents

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Abstract

汽车发动机的冷却***,包括:冷却发动机冷却剂的散热器;冷却散热器中冷却剂的冷却风扇;自动调温器,有一壳体,上有一突缘,连接一导管,一致动杆第一端固定于壳体,一导向件装在致动杆上,一密封短管围绕致动杆的第二端,一热敏筒容纳密封短管,热敏筒中有蜡丸包围密封短管,在密封短管和致动杆之间的空间有润滑油,导向件上有一主阀,一回位弹簧将主阀压向突缘上的阀座,突缘上有孔用于通过冷却剂,使回位弹簧的弹簧常数减少,密封短管的厚度为致动杆直径的25%－5%之间;风扇开关连接于自动调温器,以在低于81℃的冷却剂温度开启风扇,从而降低冷却剂上限温度至一很低的温度。

Description

汽车发动机的冷却***
本发明涉及一种用于控制汽车发动机冷却剂温度的冷却***。
参见图6，其中显示了一种用于汽车发动机的普通的冷却***，其有一自动调温器1，其设置于水套20的入口侧通道内。
冷却***包括一第一冷却剂通道24，其设置在水套20上出口21和散热器22的上入口23，一第二冷却剂通道30设置在散热器22的下出口25和水套20的下入口29之间，包括一自动调温器盖26，一自动调温器壳27和一水泵28。一支路通道31设置在第一通道24的接头J和自动调温器壳27之间，以连接第一通道24与第二通道30而不通过散热器22。自动调温器1通过盖26密封地固定于外壳27。自动调温器1有一主阀12，用于关闭第二通道30，和一旁通阀15用于关闭支路通道31的旁通口32。
在图6中，A’表示一测量点，用于测量外壳27中冷却剂的温度，B’表示一测量点，其位于与自动调温器盖26相邻的并在自动调温器1上游的第二通道30中，用于测量第二通道30中的冷却剂温度。C表示一测量点，用于测量第二通道30中的冷却剂的流率。标号33表示一冷却风扇。
自动调温器1由一热致动器操作。热致动器包括一致动钢杆，和一柔性密封短管，其与钢杆可滑动地接合。密封短管***充满蜡丸的热敏筒中。
如图7所示，在自动调温器1的突缘16上形成一孔19a，和一摇阀(jiggle valve)机构17，其有一摇阀18可动地与孔19a接合。
在发动机操作时，第二冷却剂通道30中的冷却剂压力使摇阀18关闭，如图7所示。当发动机停止时，摇阀打开。于是，冷却剂能在箭头方向补充。
在发动机冷机状态，自动调温器1的主阀12关闭，如图6所示，摇阀18也由冷却剂压力关闭，同时与主阀12一体的旁通阀15完全打开。于是，于是，从水套20的出口21抽出的冷却剂不经过散热器22。通过水泵28使冷却剂经第一通道24的接头J、支路31、外壳27和水套20的入口29循环，如箭头所示。于是，在外壳27中的冷却剂的温度迅速升高。
然而，因为在散热器22中和自动调温器盖26中的冷却剂不循环，冷却剂温度B的升温率是低的。所以，如图8中的记录所示，即使在点A’的温度A达到87℃(这是主阀12的打开温度)之后，在点B’的温度B仅是45℃。在温度A和B之间有一42℃的温度差。
当自动调温器1的评论主阀12打开时，低温的冷却剂从散热器22的下出口25抽出，并通过第二通道30供入自动调温器的外壳27。所以，在点B’的冷却剂的温度B进一步降低13℃。于是，在通道30中的冷却剂温度B和在外壳27中的冷却剂温度A之间的差增加到55℃。由阴影线显示部分的面积表示这个时间内的能量损失。可以理解，横座标的时间表示从60℃的温度A的时间流逝。
因为自动调温器1的热敏性低，自动调温器相对于冷却剂温度变化的响应延迟了。所以，在温度已比预定打开温度87℃高的多之后，主阀12打开。当主阀12打开时，冷却剂温度降低。当冷却剂温度已大大下降低于预定关闭温度之后，主阀12关闭。然后，冷却剂温度升高。即，在冷却剂温度控制中，有一个大的过热，从而使主阀12反复地打开和关闭。当主阀12关闭时，在主阀上游产生一骤增的压力。
热的过量使发动机的缸体和缸盖出现裂纹，并且，骤增的压力使自动调温器1和散热器22失效。
因为，上面已提到，摇阀机构是能量损失和发动机故障的原因，摇阀机构从自动调温器上去掉了。在自动调温器突缘上形成一小孔。所以，施加在主阀外侧和内侧的压力相互相等。回位弹簧的弹簧常数减少了。于是，在一个低温度范围内升高率增加了。并且，密封短管的厚度很簿(为致动杆直径的25％-5％之间)，所以使阀升高的蜡的压力减少了。
图1是一曲线图，显示了相对于冷却剂温度的提升。线X是本发明的阀的提升，线Y是普通阀的提升。陡的曲线范围是固体蜡的状态。普通阀Y的主阀在72℃打开，在固体蜡状态结束温度87℃的提升仅是9.6mm.。之后，由于液体蜡状态，提升率减少了。并且当提升到达12mm时，冷却剂温度高达123℃。
本发明的主阀也在72℃打开，9℃的小的温度升高使提升达到6mm。当提升达到12mm时，冷却剂温度是85℃，如线X所示，其仅增加了4℃。85℃的冷却剂温度是在固体蜡状态范围中。
当安装有本发明的自动调温器的汽车以80Km/h的速度行驶时，冷却剂温度达到77.5℃。然而，当速度达到150Km/h时，由于散热器由强风冷却，冷却剂温度降低到70.5℃。所以，使用本发明的自动调温器的冷却***被提供，使在81℃的温度上限冷却风扇开关闭合而开动冷却风扇。
图1中的Z-Z’线显示了81℃的上限。阴影区域表示通过本发明主阀的冷却剂流速和普通阀冷却剂流速的差。线X在81℃的升高是6mm，在线Y处的升高为3mm。所以，X的流速是Y的两倍。
在X线的6mm升高处的流速(是在固体蜡状态)对应于在Y线的12mm升高处的流速(包括在液体蜡状态)。于是，本发明的自动调温器在12mm的升高处仅使用本身功率的50％。
然而，在86℃(升高9.3mm)之后，Y线的普通自动调温器进入液体蜡状态范围，在该处升高增加率大大减少了。在从9.3至12mm的升高期间，37℃(123℃-86℃)的冷却剂温度无效地消耗了。本发明的自动调温器显示了有一半能源的双倍功率，节省了50％的能量。
因为冷机状态燃料喷射器在由计算机控制的节气门体中补偿了怠速的时间损失，所以不需要担心流过突缘的小孔的冷却剂有更多的怠速加温时间。
在冷却***中，本发明的风扇开关与自动调温器相连，当冷却剂温度达到81℃时，冷却风扇打开。因为在81℃时，冷却剂的流速是普通自动调温器的两倍，所以冷却剂的温度快速下降。所以，冷却剂的温度保持在81℃。
冷却风扇的上限不限于81℃。希望根据试验将温度调到一尽可能低的有效值。
普通自动调温器的高冷却温度引起各种问题，例如增加油耗和排气恶化。
本发明的一个目的是提供一种有蜡式自动调温器的冷却***，其主阀有普通自动调温器的双倍的流速，从而提高汽车发动机的热效率。
另外，提供一冷却风扇开关，其在冷却剂温度低于81℃时闭合而启动冷却风扇，于是，大大降低了冷却剂上限温度至一很低的温度。
本发明提供了一种汽车发动机的冷却***，包括：
一用于冷却发动机冷却剂的散热器；
一用于冷却散热器中冷却剂的冷却风扇；
一自动调温器，有一壳体，其上有一突缘，用于连接一导管，一致动杆第一端固定于壳体，一导向件可滑动地装在致动杆上，一弹性密封短管围绕致动杆的第二端，一热敏筒容纳密封短管，热敏筒中有蜡丸包围密封短管，在密封短管和致动杆之间的空间有润滑油，在导向件上有一主阀，一回位弹簧将主阀压向突缘上形成的阀座，其改进包括：
突缘上有至少一个孔用于通过冷却剂，使回位弹簧的弹簧常数减少，并且弹性密封短管的厚度为致动杆直径的25％-5％之间；
一冷却风扇开关连接于自动调温器，以在低于81℃的冷却剂温度开启冷却风扇，从而大大降低冷却剂的上限温度至一很低的温度。
下面通过实施例并参照附图对本发明进行描述。
图1是一曲线图，显示了本发明的自动调温器的阀和普通阀的提升相对于温度的变化；
图2和图3是本发明自动调温器的剖视图；
图4是本发明自动调温器的侧视图；
图5是一阀提升试验机的剖视图；
图6是汽车发动机的普通冷却***的示意图；
图7是一普通自动调温器的侧视图；
图8是普通***的冷却剂温度和流速相对于时间变化的曲线图；
图9a是冷却风扇开关的侧视图；
图9b是图9a的冷却风扇开关的全尺寸的侧视图；
图10是冷却剂温度相对于经过的时间变化的曲线图；
图11a是一IC冷却风扇开关的侧视图；
图11b是一开关全尺寸的侧视图；
图12是本发明冷却***的示意图。
图2显示了一主阀的关闭状态，图3显示了主阀的打开状态。本发明的自动调温器1a有一外壳10，其形成一阀座9(图3)，一支架11固定在外壳10的突缘16上。
一热致动器2包括一钢致动杆3，一导向件4可滑动地装在杆3上，和一弹性的密封短管(滑阀)5，其密封地固定在导向件4上，并可滑动地与杆3接合。密封短管5袋部厚度是在杆3直径的25％-5％之间。在密封短管5和杆3之间的空间中充以润滑油6。密封短管5***充以蜡丸7的热敏筒8中。筒8的端部与导向件4固定接合，从而形成热致动器2。
热致动器的杆3固定在外壳10的顶部14，主阀12固定在导向件4上。一绕筒8设置的螺旋回位弹簧13位于主阀12和支架11底部之间。一旁通阀15可滑动地装在固定于筒8的轴14A上，并通过螺旋弹簧14a弹性地固定在轴14A上。突缘16上有一孔19a(图4)用于连通自动调温器外壳的空间(图12中的A’)与自动调温器盖的通道(图12中的B’)。孔19a的直径确定为一个值，使在主阀12外侧通道(图12的第二通道30)冷却剂的压力与内侧通道(即外壳10中)的冷却剂的压力相等。
于是，回位弹簧13的弹簧常数能减少到普通弹簧的一半。
图2显示了在关闭状态的主阀。当冷却剂温度升高超过自动调温器的预定值时，在导热筒8的蜡7膨胀。这就迫使密封短管5压杆3。因为杆3固定在外壳10上，筒8克服弹簧13的力向下移动，从而打开主阀12，并用旁通阀15关闭支路口32(图3)。
当冷却剂温度下降时，蜡收缩。于是，螺旋弹簧13使主阀12移动到关闭位置。
自动调温器相对于蜡7温度的操作范围可分为主阀的一大提升范围和一小提升范围。在大提升范围中，蜡是在固体状态，蜡的体积有较大的变化。在小提升范围，蜡是在液体状态，液体蜡的体积以一小的比率变化。
为了增加汽车发动机的热效率，必须增加相对于冷却剂温度的阀提升率，从而降低冷却剂温度的上限。
在本发明的自动调温器中，密封短管的厚度很簿(厚度为杆3直径的25％-5％之间)，以致用于阀提升的蜡的压力减少了。另外，在自动调温器的突缘上形成小孔(19a)，使施加在主阀内侧和外侧的压力相等。所以，回位弹簧的弹簧常数减少了。于是，在低温范围内的提升率增加了。
如上所述，本发明的主阀在72℃时打开。当提升达到12mm时，冷却剂温度是85℃，如图1中X线所示。
在X线的6mm升高处的流速(在固体蜡状态)对应于Y线12mm升高处的流速(这包括在液体蜡状态)。于是，本发明的自动调温器在12mm的升高处仅使用自身能量的50％。所以，即使安装了本发明自动调温器的汽车以150Km/h行驶，还剩余了50％的动力。
因为在81℃的冷却剂的流速是普通自动调温器的两倍，所以冷却剂温度迅速降低了。所以，冷却剂温度保持在81℃。
图5显示了用于测量主阀相对于施加在密封短管上压力的提升的试验机。在该机中，用油压代替蜡的压力。
热致动器36连接于试验机，切掉了热敏筒以观察弹性密封短管39。密封短管39和杆40之间的空间充以润滑油41。通过开口37和透明塑料管38可以观察弹性密封短管39。试验机有一滑动杆34，由一弹簧42向下偏压。杆34的顶部与一刻度指示器(未示)的杆43接触。油从入口35提供。
表1显示了由图5的试验机得到的油压和主阀提升之间关系的实际测定值。
表1
    压力-提升
    压力Kg/cm2 致动器(A)提升mm 致动器(B)提升mm 致动器(C)提升mm
    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
    回位弹簧的弹簧常数：0.55Kg/mm
在表1中，热致动器(A)的杆3直径为3.8mm，密封短管5的厚度为1.7mm(直径的45％)，热致动器(B)的杆直径为4.5mm，密封短管5的厚度为1.25mm(直径的25％)，热致动器(C)的杆直径为4.5mm，密封短管5的厚度为0.225mm(直径的5％)。回位弹簧13的弹簧常数是0.55kg/mm。
如果密封短管5的厚度很簿，如热致动器(C)，在密封短管中的润滑油6的压力与润滑油41的压力相等。因为弹性的密封短管是通过相等的内外压力而固定在一飘浮状态，在密封短管和杆之间的摩擦阻力为零。杆3由施加在杆下端面的润滑油41的压力相对提升。
因为热致动器(A)有一大的厚度1.7mm，在80lg/cm2的初始压力处的提升是0.6mm。为了克服15.1kg的弹簧负载使杆提升10mm，需要140kg/cm2的压力，这是无问题的。
虽然对于热致动器(B)和(C)，杆3的开始压力是50kg/cm2，提升同样是0.4mm，由于很小的厚度0.225mm，杆(C)由90kg/cm2的压力提升至10mm。但对于(B)，需要100kg/cm2的大的压力。
如果密封短管5的厚度超过(B)的厚度，则开始压力大于50kg/cm2。所以，厚度的上限是杆3直径的25％。
热致动器(C)的密封短管的厚度是足够的。如果厚度更小，则难于制造这种簿的密封短管，制造成本也增加了。所以，厚度的下限是杆3直径的5％。
表2显示了实测的值。
表2
    压力-提升
    压力     热致动器(D)提升
    Kg/cm2     mm
     0102030405060 0.34.09.513.5
    回位弹簧的弹簧常数：0.27Kg/mm
热致动器(D)与热致动器(C)有相同的杆直径和密封短管厚度，但弹簧常数从0.55kg/mm的普通值减少到0.27kg/mm，其为普通值的一半。
在30kg/cm2的开始压力时杆提升0.3mm，和在60kg/cm2的压力时为13.5mm。通过将弹性密封短管的厚度减少到一很小的值，并将弹簧常数减少到普通值的一半，促进了蜡的熔解，从而使熔化的蜡的量迅速增加，从而通过小厚度密封短管和小弹簧常数的良好的协作作用，能迅速使主阀提升。
因为本发明的自动调温器是在自己的全功率的50％工作，其能平稳和快速地操作，使发动机能减少工作震动，和能延长发动机的寿命。
表3显示了本发明的4个自动调温器的耐久试验的结果，表4显示了普通的4个自动调温器的耐久试验的结果。
表3
    No.     循环 开阀温度 提升mm     初始状态差
  340 SEC.     ℃   AT98℃   开阀温度       提升
    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
    No.     循环 开阀温度 提升mm     初始状态的差
   340SEC.     ℃  AT98℃ 开阀温度 提升
    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 -0.2-0.6--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
交替进行第一和第二试验，每个试验进行40,000次。在第一试验中，40℃以下的冷却剂流动120秒，在第二试验中，98℃以上的冷却剂流动220秒。
对自动调温器耐久性最重要的因素是提升的变化值。本发明的变化值比一个图上的普通变化值小的多。在初始状态的提升和最终状态的提升之间的差几乎是零。
通过对本发明的自动调温器进一步的改进，能进一步提高自动调温器的功能。
如果弹性密封短管的厚度减少至一很簿的值，热敏筒的热容量增加了，而使蜡压力减少了。所以，其能减少筒的厚度，这就使内容量进一步增加。所以，能通过增加直径使蜡压力以杆直径平方的反比减少。于是，能进一步减少冷却剂温度的上限温度81℃。
另外，如果使用有在69℃熔化的蜡X线(图1)的自动调温器，则上限温度减少到78℃。
根据本发明，提供了冷却风扇33，其在冷却剂温度为81℃或更小时启动。为此，一个冷却风扇开关设于发动机的冷却***中。
图9a是一冷却风扇开关的剖视图，图9b是图9a中冷却风扇开关的全尺寸的侧视图。
冷却风扇开关44连接于一小尺寸的热致动器45上。热致动器45包括一杆46，一导向件47可滑动地安装在杆46上。一密封短管48可滑动地与杆46接合，并固定在导向件47上。在密封滑阀48和杆46之间的空间充以润滑油49。这三个部件被组装并***充以蜡丸50的热敏筒51中。筒51的端部固定和密封地和导向件47接合，并***体52中，和固定在其上，从而构成热致动器45。
一止动环53在杆46上部啮合在其一个环槽中。一推杆55的下端与杆46接合，一回位弹簧54位于推杆55的突缘和体52的内壁之间，从而使突缘的下侧靠在止动环53上。
推杆55可滑动地接合在体52的中心孔中，推杆上部从体52中伸出。
冷却风扇开关44包括一绝缘体63，有一固定于壳体57上的正极62。一由磷青铜制造的U形导板60与正极62电连接，并由一止动件61的刃片弹性固定。一固定触点59固定于导板60上。一活动触点58固定于磷青铜制造的卡盘64上，以面对固定触点59。卡盘64是弯曲的，以具有快速闭合作用。卡盘64的周边部分通过止动环65和一弹簧66固定在壳体57上。壳体57上部压靠在绝缘体63上，从而形成卡合作用开关44。
当冷却剂温度升高时，在热敏筒51中的蜡50膨胀。这迫使密封短管48压杆46，使杆向下移动。于是，推杆55克服弹簧54的力上升，因此推杆55的顶部56推活动触点58与固定触点59接触，从而使卡合开关闭合。
当冷却剂温度下降时，在热敏筒51中的蜡收缩。于是，螺旋弹簧54使推杆55向下移动。于是，活动触点58与固定触点59脱离，以断开开关。
冷却风扇开关44通过螺纹52a连接于冷却剂通道的适当位置，使热敏筒51浸没在冷却剂中。于是，活动触点58接地。正极62连接于冷却风扇电机76(图12)的正极。所以，当冷却剂温度达到75.5℃时，冷却风扇开启。
图10是一曲线图，显示了冷却剂温度相对于所经过时间的变化。当冷却剂温度A(图12中的A’)达到75.5℃时，冷却风扇开关闭合，使冷却风扇开启。所以，冷却剂温度下降和上升，因此，温度在75.5℃和一更低温度之间以一恒定振幅循环变化，如图中所示。温度不超过75.5℃.温度B固定在大约75.5℃。
在当冷却风扇开关44关闭时，冷却风扇由于其惯性而连续转动。所以，用于启动电机的转矩很小，从而使震动和噪音减少。
图11a是一IC冷却风扇开关67的剖视图，其有一热传感器，图11b是一全尺寸的开关侧视图。IC冷却风扇开关67包括一体71，一壳体69和固定于绝缘体71a上的正极70。在体71中，提供一IC热传感器72。传感器72的正极73连接于正极70，一负极74连接于壳体69。绝缘树脂例如环氧树脂从孔75中注入开关67的内侧，以使内部部件固化。冷却风扇开关例如在75.5℃关闭。
图12是本发明的冷却***，与图6相同的部件标以相同的标号。
一自动调温器盖26a装在IC冷却风扇开关67上。开关67通过螺纹68固定地装在盖26a上，使开关的感应部分位于盖26a中。正极70连接于一继电器75。继电器开关77的触点连接于冷却风扇33的驱动电机76。于是，当冷却剂温度达到75.5℃时，继电器开关77闭合。从而启动冷却风扇33，并使冷却剂温度保持在75.5℃。
在图12中由虚线包围的部件，例如水泵28，冷却风扇电机76，冷却风扇33，自动调温器1和散热器22组装为一体。
通过下述方式调整冷却风扇开关的开启温度，使开启温度一度一度下降，证实冷却***和发动机的操作，并确定在最佳操作状态的温度。
根据本发明，通过很簿的密封短管、回位弹簧的小弹簧常数、与冷却风扇开关相连的自动调温器的叠加作用，本发明的冷却剂上限减少到81℃或低于普通自动调温器的123℃，从而减少了发动机的燃料消耗，延长了发动机寿命，减少了NOx和CO2的排出，从而有助于防止地球变暖。
本发明有许多变型，都在本发明精神范围之中。

Claims (4)

1．一种汽车发动机的冷却***，包括：
一用于冷却发动机冷却剂的散热器；
一用于冷却散热器中冷却剂的冷却风扇；
一自动调温器，有一壳体，其上有一突缘，用于连接一导管，一致动杆第一端固定于壳体，一导向件可滑动地装在致动杆上，一弹性密封短管围绕致动杆的第二端，一热敏筒容纳密封短管，热敏筒中有蜡丸包围密封短管，在密封短管和致动杆之间的空间有润滑油，在导向件上有一主阀，一回位弹簧将主阀压向突缘上形成的阀座，其改进包括：
突缘上有至少一个孔用于通过冷却剂，使回位弹簧的弹簧常数减少，并且弹性密封短管的厚度为致动杆直径的25％-5％之间；
一冷却风扇开关连接于自动调温器，以在低于81℃的冷却剂温度时开启冷却风扇，从而大大降低冷却剂的上限温度至一很低的温度。
2．如权利要求1所述的***，其特征在于：冷却风扇开关包括一固定触点，一活动触点，和一热致动器，其由冷却剂温度操作以闭合开关。
3．如权利要求1所述的***，其特征在于：冷却风扇开关与自动调温器组装成一体。
4．如权利要求1所述的***，其特征在于：冷却风扇开关包括一IC热传感器。
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