Термостат: устройство и принцип работы

Принцип работы автомобильного термостата основан на способности специального термочувствительного элемента переключать поток охлаждающей жидкости в зависимости от её температуры:

1. Пока мотор холодный, термостат находится в закрытом состоянии и жидкость в системе охлаждения движется по малому кругу (только вокруг цилиндров и головки блока).
2. После того, как двигатель нагревается до определенной температуры (обычно в пределах 75 – 95 °C), термостат открывается и охлаждающая жидкость выходит на большой круг (радиатор, помпу и рубашку охлаждения двигателя), тем самым предотвращая перегрев мотора.

Устройство автомобильного термостата не очень сложное, его основными частями являются:

• корпус;
• два входных патрубка (малого и большого круга);
• выходной патрубок;
• термочувствительный элемент;
• основной клапан;
• байпасный (перепускной) клапан малого круга.

Большинство автомобильных термостатов производят из латуни, меди или пластика. Рабочий материал термочувствительного элемента в термостате – технический воск. При нужной температуре он расширяется, давит на основной клапан и открывает его. Так быстро таять воску помогают входящие в его состав порошки меди, графита и алюминия.

Переходя из твердого состояния в жидкое, воск расширяется и своим давлением выталкивает головку, которая открывает клапан, пропуская поток охладителя от термостата к радиатору системы охлаждения двигателя.

Кстати, вы можете самостоятельно провести небольшой эксперимент, который наглядно продемонстрирует работу термостата. Для этого достаточно погрузить термостат в кастрюлю с водой и поставить ее на огонь. По мере нагревания воды клапан термостата откроется приблизительно на 2-3 см.

Как проверить термостат на работоспособность

Перед тем, как проверять термостат на работоспособность, нужно понимать какие неисправности у него могут возникнуть в принципе, и в чём они проявляются. Всего таких неисправностей может быть три:

1. Термостат постоянно открыт. Если основной клапан термостата вследствие поломки остается все время открытым, то охладитель будет постоянно проходить через радиатор и рубашку охлаждения двигателя. При этом мотору потребуется довольно много времени для достижения оптимальной рабочей температуры.

В летнее время года такая поломка, как правило, остается даже незамеченной, а вот зимой, особенно в сильный мороз, прогреть мотор до рабочей температуры будет крайне тяжело.

2. Термостат постоянно закрыт. Если основной клапан термостата не открывается, то жидкость в системе охлаждения постоянно циркулирует по малому кругу. При этом двигатель очень быстро перегревается, в результате чего его может и вовсе заклинить.

В этом случае ездить на автомобиле до замены термостата мы не рекомендуем. Добраться же к ближайшему автомагазину или СТО своим ходом можно включив печку в салоне на максимальный обдув. При этом нужно постоянно следить за тем, чтобы стрелка указателя температуры двигателя не переходила в красную зону.

3. Термостат открывается слишком рано. Обычно это происходит либо с контрафактными автомобильными термостатами, сделанными народными умельцами из комплектующих низкого качества, либо с термостатами с характеристиками не подходящими для данной комплектации автомобиля.

Если клапан термостата открывается при слишком низкой температуре (ниже +75 °C), тогда двигатель, как правило, прогревается значительно дольше положенного времени. При этом мотор не может выйти на оптимальный тепловой режим, что приводит к увеличению расхода топлива.

Проверка термостата в автомобиле

Алгоритм проверки термостата, не снимая его с автомобиля, очень прост. Чтобы проверить, открывается ли термостат, от вас потребуется выполнить лишь несколько действий:

1. Разогрейте двигатель до рабочей температуры, после чего заглушите мотор.
2. Откройте капот и найдите шланг в верхней части радиатора. Как правило – это черный резиновый шланг диаметром 5-7 см с железным хомутом на концах, или же с пластиковыми скобами.
3. После этого найдите нижний шланг – примерно такой же, как и верхний. Обычно он крепится в нижней части радиатора.
4. Прикоснитесь к обоим шлангам рукой, но крайне осторожно, потому как они могут быть сильно нагреты.

Если стрелка указателя температуры двигателя находится у красной зоны, но при этом один из шлангов горячий, а второй холодный, то с высокой вероятностью можно утверждать о том, что термостат не открывается и его необходимо заменить на новый.

Больше о неисправностях системы охлаждения двигателя и профилактике их появления читайте в нашей статье о техническом обслуживании системы охлаждения.

Виды терморегуляторов

Исходя из принципа действия, термостаты делятся на два типа:

• механические;
• электронные.

В свою очередь, каждый тип подразделяется на подвиды.

Механические термостаты

В механических термостатах используют датчики с различной технологией срабатывания, но все они основаны на едином принципе. Чтобы понять, как работает механический терморегулятор, надо обратить внимание на физические свойства многих веществ расширяться при нагревании и сжиматься, когда их охлаждают (вода является заметным исключением, расширяясь при охлаждении). Механические термостаты используют это свойство, называемое термическим расширением.

Механический термостат

Биметаллические пластины

Принцип работы терморегулятора, наиболее часто применяющегося, состоит в использовании пластины из двух полос различных металлов, соединенных болтами.

Включение и отключение биметаллического термостата:

1. Внешний диск устройства позволяет установить температуру, при которой оно включается и отключается;
2. Циферблат диска подключен через цепь к датчику температуры – биметаллической пластине, которая замыкает и размыкает электроцепь, в зависимости от большего или меньшего изгиба;
3. Биметаллическая полоса состоит из разных металлов, скрепленных вместе;
4. Один металл расширяется меньше, чем другой при нагреве, в связи с этим пластина изгибается внутрь при поднятии температуры;
5. Пластина – часть электроцепи, поэтому, когда полоса холодная, она прямая, и цепь замкнута. Система включена и нагревается. Нагреваясь до определенной температуры, пластина изгибается и разрывает цепь. Схема отключается.

Работа биметаллической пластины

Важно! Поскольку на расширение и сжатие пластины требуется время, датчик имеет инерцию срабатывания.

Газонаполненные датчики

Из-за медленной реакции металлов на температурные изменения разработаны альтернативные конструкции терморегуляторов. Одна из них – использование газонаполненного сильфона между парой металлических дисков. Большая площадь поверхности этих дисков позволяет им быстро реагировать на нагрев. Кроме того, они упругие и имеют гребни.

Механический термостат с газонаполненным датчиком

1. При повышении температуры газ в междисковом пространстве расширяется и разъединяет диски. При этом тот из них, что находится внутри, нажимает на микропереключатель в средней части термостата, размыкая цепь. Нагрев прекращается;
2. Когда температура снижается, сжимается и газ, вновь приближая диски друг к другу. Внутренний диск отдаляется от микропереключателя. Контакт замыкается, включая нагрев.

Газонаполненные терморегуляторы используются для систем отопления домов, они применялись в старых моделях автомобилей. Иногда в них используются не газы, а летучие жидкости с низкой температурой кипения. Например, разбавленный спирт.

Важно! Конкретный химический состав жидкостей подбирается, исходя из диапазона регулируемых температур.

Восковые терморегуляторы

Данный вид термостатов имеет герметичную камеру с восковой пробкой и свободно ходящим металлическим стержнем внутри. По мере повышения температуры воск расплавляется, расширяется и выталкивает стержень из этой камеры. Одновременно стержень действует на включение и отключение электроцепи. Пружина возвращает механизм на место, когда воск остывает.

Устройство воскового термостата

Восковые термостаты используются в системах управления охлаждением автомобильных двигателей, в смесителях и т. д. Термостат с простой конструкцией хорошо подходит для тяжелых условий работы внутри двигателя и отличается высокой надежностью.

На радиаторах центрального отопления устанавливают клапаны, где часто используются именно восковые термостаты. При нагреве радиатора до установленного уровня восковые регуляторы уменьшают поток воды через радиатор.

Электронные термостаты

Цифровой термостат является электронной версией механического термостата. Вместо механического датчика может быть установлен термистор – резистор, меняющий свое сопротивление по отношению к температуре, или термопара. Сигнал поступает в электронный модуль, где обрабатывается, и оттуда поступают команды на включение и отключение нагрева или охлаждения. Преимуществом электронного термостата является более точный контроль температуры.

Цифровые регуляторы бывают:

1. Непрограммируемые. Приборы с простым набором функций, имеющие цифровой дисплей и кнопки управления для установки выбранного температурного значения;
2. Программируемые. Устройства, представляющие собой мини-компьютер, позволяющие устанавливать дни недели, часы, временное поддержание температуры, ручную отмену и т. д.;

Программируемый терморегулятор

1. Беспроводные. С развитием современных технологий термостатические устройства стали «умнее» и освободились от проводов. Такие приборы связаны с использованием различных порталов беспроводной связи, например, WiFi или Bluetooth. Самым распространенным является WiFi-подключение. В таких связях эффективность соединений увеличивается, и снимаются проблемы, связанные с проводкой.

Некоторые дополнительные функциональные возможности электронных устройств:

1. Интеграция оконных контактов для снижения температуры с открытыми окнами;
2. Координация работы нескольких радиаторов;
3. Отдельное крепление измерительных датчиков в оптимальном месте;
4. Дистанционное управление системой по телефону, интернету или смартфону. На значительном удалении от дома всегда можно внести корректировку в настройки;
5. Сигнал тревоги, если температура слишком низкая или высокая. При желании владелец получает сообщение по электронной почте;
6. Интеграция аварийных сигналов для датчиков дыма и датчиков разрыва трубы.

Кроме этого, беспроводные термостаты последнего поколения обладают приятным современным внешним видом. Они могут предоставлять подробные энергетические отчеты, доступна система голосового управления.

Беспроводной термостат

Двухзонные термостаты

Двухзонный терморегулятор позволяет одновременно управлять разными системами отопления и выполнять программирование на два жилых помещения (например, спальня и кухня, гостиная и прихожая). Возможна установка разных уровней желаемой температуры в каждой комнате или области дома.

Модель прибора обычно содержит несколько записанных программ, можно вносить и свои корректировки. Часто применяемый диапазон температур – от 7 до 30 градусов. Ступень регулирования – полградуса.

Двухзональный терморегулятор подходит почти для всех видов отопления: электрического напольного и потолочного, газового с помощью водяных радиаторов и других систем.

Устройство состоит из нескольких элементов:

• электронного программируемого модуля;
• датчиков температуры;

Датчики должны быть установлены в местах, исключающих сквозняки и прямые солнечные лучи, которые могут исказить данные, передаваемые в электронный управляющий модуль.

Кроме двухзонных, существуют двухступенчатые терморегуляторы, применяемые, например, в установках кондиционирования воздуха, где требуется автоматическое управление в холодных и теплых циклах с промежуточной мертвой зоной. Электрически он состоит из двойного переключаемого контакта. Возможно его использование и для обычного контроля температуры с применением одного контакта.

Термостат 12 В

В целом электронные приборы значительно дороже механических, особенно программируемые и беспроводные устройства. Однако существует дешевый цифровой прибор, который можно использовать для простого контроля нагревания или охлаждения разных помещений и устройств. Например, применять в инкубаторах, теплицах, аквариумах, для теплого пола и т. д.

Терморегулятор на 12 В

Для питания терморегулятора 12 вольт можно использовать и сеть 220 В, но для этого его надо включить через специальный БП, с выходом 12 В постоянного тока. Второй вариант – подключить напрямую к 12-вольтовому аккумулятору. Никаких дополнительных функций у прибора нет, что сказывается на его низкой цене. Но со своим предназначением обычного температурного регулирования он справляется.

В конструкции терморегулятора – температурный датчик (терморезистор) и контроллер с переключающим устройством для выставления требуемой температуры.

Без использования терморегуляторов невозможно нормальное функционирование нагревательных и охлаждающих систем. Не имея обратной связи, они могут быть слишком энергоемкими и неспособными сохранять устойчивую температуру.

Строение и основные функции

Термостат необходим для того, чтобы перед началом работы мотора обеспечить быстрый его прогрев, не давая жидкости двигаться по системе охлаждения до тех пор, пока мотором не будет достигнута необходимая температура. После этого у термостата возникает новая задача – поддержание нормального уровня температуры.

Принцип функционирования данного клапана простой: он основывается на плавлении воска, который располагается в маленьком цилиндрообразном отверстии по устремлению к мотору. Расплавляется воск исключительно при температуре не менее 80 градусов по Цельсию.

При этом он модифицируется, становится шире и способствует выдавливанию штыря блокировки из цилиндра. Результатом данного процесса является разблокировка термостата, а также запуск остужающей системы в момент работы транспортного средства.

Составляющими термостата являются:

• входной и выходной патрубок — первый подключается к системе охлаждения мотора, второй к насосу;
• перепускная заслонка, которая в момент надобности перекрывает меньший круг охлаждения;
• пружины для перепускного и основного клапана — их предназначение — удержание клапанов;
• входной патрубок, который подключается к радиатору;
• шарик воска;
• поршень;
• корпус;
• основная створка, которая необходима для перекрытия основного передвижения жидкости.

При разогревании двигателя вращение по остужающей системе полностью не прекращается. Жидкость передвигается по маленькому кругу, где она проходит сквозь помпу, рубашку остужения и радиатор печи. Таким образом система не застаивается. Когда открывается главный клапан, малый круг уже недоступен для жидкости.

Термостат состоит по сути из нескольких основных деталей: цилиндр, воск и штырь, а также из элементов менее важного значения. Такая схема считается простой, но в то же время надежной. Поэтому уже достаточно давно ее не модифицируют и используют даже в новых версиях транспортных средств.

Они отличаются друг от друга в зависимости от модели машины. Их могут настраивать на разную температуру открытия. Ее в основном указывают на корпусе прибора. В разных автомобилях могут быть встроены как корпусные термостаты, так и те, в которых он отсутствует.

Но это не основное отличие. Главное то, где именно будет установлен термостат: либо в блоке мотора, либо в отдельно предназначенном корпусе, который представляет собой сложные двухуровневые контуры.

Как определить функциональность термостата?

Чтобы понять работает термостат или нет, необязательно знать, где он располагается. Достаточно разогреть немного мотор, но не доводить разогрев до красной отметки. После этого машину можно выключить и открыть капот. Возле двигателя важно найти два шланга радиатора.

Прикасаясь к ним можно точно понять, как функционирует термостат. Если верхний шланг остается горячим, в то время как нижний так и не нагрелся, – это свидетельствует о том, что клапан так и не открылся. Значит термостат испорчен. Не стоит думать, что его дешевле отремонтировать.

Данная деталь недорогая, поэтому для большинства моделей авто ее проще заменить, чем отремонтировать. Несколько критериев повреждения термостата:

1. Функциональная температура мотора долго поднимается до нормального уровня.
2. Мотор слишком быстро становится горячим.
3. Стрелка температуры мотора опускается во время поездки и поднимается после притормаживания.

Внимание стоит обратить и на патрубок. Он говорит о неполадках термостата. Если он стал теплым уже через несколько минут после начала работы двигателя, это говорит о том, что клапан в открытом состоянии.

Когда патрубок остается холодным в момент того, когда все другие приборы находятся под высокой температурой, при этом двигатель функционирует длительное время, это может говорить о том, что клапан закрыт, и охлаждающая жидкость не двигается по двигателю.

Но можно предположить, что показатель вентилятора радиатора мог поломаться. Данные признаки могут свидетельствовать о механических повреждениях элемента, а также об использовании жидкости низкого качества.

Помните! Из-за неправильной температуры при работе авто двигатель сильно страдает, что приводит к его более быстрому изнашиванию.

Проанализировать работу термостата можно и благодаря кипяченой воде. Так как на оболочке указанная приемлемая температура для его нормального функционирования, его можно опустить в емкость с нагретой водой, где также находится термометр.

Благодаря этому можно посмотреть, как функционирует данный элемент. По показаниям термометра можно определить исправность детали.

Термостат отвечает за перераспределение потока охлаждающей жидкости, что позволяет ускорить прогрев двигателя и дальнейшее поддержание оптимального температурного диапазона.

Термостат является термочувствительным клапаном, так как его принцип работы основан на свойстве изменения линейных размеров формы тела при изменении его температуры. В качестве наполнителя, расширяющегося при нагреве, использует смесь гранулированного воска и меди. Именно «твердый» наполнитель используется в конструкции современных механических термостатов.

Устройство

Конструктивно механизм состоит из следующих элементов.

В начале работы двигателя клапан термостата находится в закрытом положении – тарелка основного клапана плотно прижата к корпусу возвратной пружиной. Забор ОЖ через радиатор перекрыт, открытый перепускной клапан позволяет жидкости циркулировать по малому контору. При повышении температуры термоэлемент начинает расплавляться. Увеличение в объеме создает давление на корпус основного клапана, заставляя его преодолевать усилие возвратной пружины и перемещаться в направлении входного патрубка. Перемещения провоцирует закрытие перепускным клапаном магистрали от двигателя и открытия магистрали от радиатора. Таким образом, выходной патрубок (к насосу) сочленяется с входным патрубком №7 (от радиатора).

Температура открытия термостата зависит от состава наполнителя. В среднем термостат начинает открываться при температуре 80-90ºС, полное открытие достигается при температуре 95-105ºС. Точные показатели можно узнать в технической документации к автомобилю; часто температура открытия указывается непосредственно на корпусе изделия. Для наглядного представления принципа работы предлагаем посмотреть видео работы термочувствительного клапана.

Виды

• Двухклапанный. Именно принцип работы двухклапанного термостата был рассмотрен выше. Такой вид термочувствительных клапанов популярен у производителей отечественной грузовой и легковой техники.
• Одноклапанный. Имеет наиболее простую конструкцию, в которой не предусмотрен перепускной клапан. Именно такой вид чаще всего можно встретить на авто иностранного производства.
• Одноклапанный двухступенчатый. Из-за высокого давления в контуре охлаждения некоторых двигателей клапану достаточно сложно открыться, что увеличивает инерционность при срабатывании. Для лучшей работы конструкция одноклапанного двухступенчатого термостата предполагает наличие двух тарелок разных размеров. Первоначально открывается малая тарелка, освобождая доступ небольшой части потока охлаждающей жидкости, после чего открывается основная тарелка.

Термостат с электронным управлением

Электронные термостаты устанавливаются на современные двигатели для более точного регулирования температурного режима в тех либо иных условиях работы двигателя.

Для получения наибольшего КПД температура двигателя должна поддерживаться примерно на отметке в 110 ºС. Поскольку обычный механический термостат пропускает жидкость к большому контуру уже при температуре около 95ºС, то двигатель так и не выходит в режим оптимальной температуры и максимальной эффективности. Механизм с электронным управлением позволяет уменьшить инерционность срабатывания, что позволяет двигателю больше времени работать в высокотемпературном диапазоне. Электронное управление помогает повысить эффективность мотора, уменьшить вредные выбросы в атмосферу.

В целом конструкция напоминает обычный механический термостат, в который дополнительно вмонтирован нагревательный элемент. Электронный термостат рассчитан на большую температуру двигателя. В момент пиковых нагрузок для предотвращения перегрева в работу включается нагревательный элемент. Ускоренный нагрев твердого наполнителя позволяется уменьшить время открытия клапана. Нагревательным элементом управляет ЭБУ двигателя, который с датчиковой аппаратуры считывает количество оборотов коленчатого вала, температуру поступающего воздуха, степень нажатия педали акселератора и другие необходимые данные.

Неисправности

Устранения последствий перегрева двигателя часто требуют немалых финансовых вложений. У механического термостата может быть всего 2 поломки:

• движение клапана с подклиниванием. В таком случае замедляется его быстродействие. Причина может быть в механическом износе элементов либо образовании на поверхности штока налета. К образованию налета, продуктов коррозии приводит некачественный антифриз, использование в качестве ОЖ воды, смешивание несовместимых по составу жидкостей;
• заклинивание термостата в одном из положений. Если клапан замирает в открытом положении, ОЖ постоянно циркулирует по большому кругу, что значительно увеличивает время прогрева двигателя и салона автомобиля. Заклинивание в закрытом положении обязательно приведет к перегреву двигателя, так как ОЖ не охлаждается в радиаторе набегающим потоком воздуха.

Кроме неисправностей, характерных для механических термочувствительных клапанов, в электронных термостатах возможны проблемы с питанием нагревательного элемента, подтекание ОЖ в месте прилегания корпуса к блоку двигателя. Учитывая специфику каждого из видов механизмов и условий эксплуатации, предречь ресурс термостата довольно сложно. Можно встретить утверждения о необходимости профилактической замены каждые 100 тыс.км. либо 5 лет эксплуатации, но в то же время практика знает случаи, когда механические термостаты служили более 10 лет.