Brevet FR2420661A1 — publié le 19791019

L'invention se rapporte à un moteur à combustion interne, à réchauffage du mélange d'air et de carburant au moyen d'au moins un échangeur de chaleur fermé qui contient un liquide de transfert et comprend au moins une zone tubulaire d'absorption de chaleur disposée dans le canal d'échappement et au moins une zone cédant la chaleur et placée dans le canal d'arrivée du mélange de carburant et d'air. Une méthode connue de réchauffage du mélange des moteurs à combustion interne consiste à utiliser des échangeurs de chaleur constitués de tubes calorifiques dont la zone d'absorption de chaleur estbalayée transversalement par le flux des gaz d'échappement et dont la zone qui cède la chaleur est disposée dans le canal d'arrivée du mélange. La chaleur des gaz d'échappement vaporise le fluide de transfert présent dans le tube calorifique fermé et qui se condense dans la zone cédant la chaleur en réchauffant le mélange, le produit de condensation retournant par gravité ou capillarité dans la zone d'absorption de chaleur.Cette disposition connue a en particulier l'inconvénient que le balayage transversal de la zone d'absorption de chaleur a pour conséquence que le prélèvement de chaleur sur les gaz d'échappement n'est pas optimal et, de plus, la simplicité de la conformation de la zone cédant la chaleur a pour conséquence que la transmission de chaleur au mélange n'est pas optimale. L'invention a donc pour objet un moteur à combustion interne du type tel que spécifié en préambule et dont le réchauffage du mélange d'air et de carburant a lieu rapidement et intensivement,en particulier après démarrage à froid du moteur. De plus, le réchauffage du mélange s'effectue avec un appareillage qui n'est pas complexe et qui satisfait intégralement aux critères tels qu'imposés en particulier a la marche des moteurs à combustion interne des véhicules. Selon une particularité essentielle de l'invention, la zone tubulaire d'absorption de chaleur de l'nchungeur est disposée dans le canal d'évacuation des gaz d'échappement de manière que le gaz situé à l'intérieur du flux balaie de toute part une aire d'enveloppement extrêmement grande de CeX zone et la zone cédant la chaleur présente au moins localement un élargissement, formé par exemple d'ailettes, de la surface de transmission de chaleur. L'aire d'enveloppement de la zone d'absorption de chaleur étant exposée de toute part à l'échange de chaleur avec la veine interne et donc la plus chaude des gaz d'échappement, le fluide de transfert du tube calorifique se vaporise rapidement même lorsque le moteur démarre à froid et, de son côté, l'élargissement de la surface de l'échangeur dans la zone cédant la chaleur améliore également le réchauffage du mélange et donc ce réchauffage a lieu très rapidement et de manière efficace après démarrage à froid du moteur, la préparation du mélange étant ainsi améliorée. Ce facteur permet de réduire à brève échéance la forte proportion, nécessaire au démarrage du moteur, du carburant dans le mélange.Les régimes du moteur à forte proportion de carburant dans le mélange sont à éviter ou tout au moins à réduire à un minimum, car pendant ces périodes les gaz contiennent une forte proportion de substances nocives, par exemple d'oxyde de carbone. Selon un mode de réalisation avantageux permettant de faire correspondre l'absorption de chaleur de l'aire d'enveloppement placée à l'intérieur du flux de gaz d'échappement aux dimensions du tube calorifique, cette aire est disposée de manière à être balayée de toute part par la veine interne du flux des gaz d'échappement sur une longueur qui correspond à la section maximale de la zone d'absorption de chaleur. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention destiné à un moteur à combustion interne dont le canal d'évacuation des gaz d'échappement est tubulaire, l'aire d'enveloppementbalayée de toute part est disposée à peu près centralement dans ce canal. Cette disposition permet en effet de mettre en oeuvre de manière très simple la caractéristique fondamentale, spécifiée plus haut, de l'invention. Une autre simplification peut consister à placer ladite aire d'enveloppement en aval d'une déviation du flux de gaz d'échappement suivant un angle pouvant avantageusement être compris entre 60 et 90 . La déviation provoquant un fort tourbillonnement des gaz d'échappement, la transmission de chaleur à l'échangeur est ainsi améliorée et le temps nécessaire jusqu'au moment où débute la vaporisation est abrégé. Selon un mode de réalisation avantageux permettant de concentrer et de limiter le réchauffage du mélange d'air et de carburant essentiellement à la période de démarrage du mow teur, la zone cédant la chaleur ou tout au moins l'élargisse- ment de la surface est disposé dans une région dans laquelle circule le mélange destiné à la charge partielle du moteur. Cette disposition permet de limiter de manière simple le réchauffage du mélange à la plage de charge partielle du moteur car, lorsque ce dernier est chaud, le réchauffage du mélange à pleine charge n'est plus nécessaire. Il est possible d'utiliser d'autres éléments que des ailettes pour élargir la surface de la zone cédant la cha lieur, par exemple des tiges, mais il est préférable, lorsque la circulation du fluide balayant la zone cédant la chaleur est avantageusement axiale, que l'élargissement consiste essentiellement en au moins un feuillard métallique replié approxi mativement en zigzag. Finalement, selon une autre particularité avantageuse de l'invention permettant de réduire à un minimum l'influence des organes de fixation de l'échangeur sur le transfert de chaleur, cet échangeur peut se fixer à la canalisation d'évacuation des gaz d'échappement au moyen d'une collerette extérieure fixée sur lui et d'une bride de préférence divisée qui enserre cette collerette ; par ailleurs, l'échangeur supporte à sonpoint de pénétration dans le canal d'admission une autre collerette comportant au moins une rainure périphérique dans laquelle est logée une garniture qui empêche une seconde bride et la cloison du canal d'admission d'entrer directement en contact de manière à maintenir en cet emplacement les pertes de chaleur à une faible valeur. L'échangeur de chaleur n'est donc fixé' que sur des éléments chauds ou s'échauffant rapidement et il est simplement guidé avec interposition d'une garniture calorifuge sur les éléments froids ou plus froids tels que la cloison du canal d'évacuation des gaz d'échappement. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels - la figure 1 est une élévation schématique partielle d'un moteur à combustion interne avec coupe axiale partielle du canal d'admission du mélange de carburant et d'air et du canal d'évacuation des gaz d'échappement dans la région de l'échangeur de chaleur - la figure 2 est une représentation à échelle agrandie et en coupe axiale du détail entouré par un cercle portant la référence II sur la figure 1 - la figure 3 représente à échelle agrandie le détail entouré par un cercle portant la référence III sur la figure 2 - la figure 4 représente à échelle agrandie le détail entouré par un cercle portant la référence IV sur la figure 2 - la figure 5 est une vue du détail de la figure 4 dans le sens de la flèche V - la figure 6 est une coupe transversale d'une variante de réalisation selon la ligne VI-VI de la figure 2 - la figure 7 est une représentation d'un moteur à combustion interne analogue à celle de la figure 1 et représente une variante de réalisation du canal d'évacuation des gaz d'échappement et de l'échangeur de chaleur - la figure 8 représente à échelle agrandie et en coupe axiale le détail entouré par un cercle portant la référence VIII sur la figure 7 ; et - la figure 9 est une coupe transversale de l'échangeur de chaleur selon la ligne IX-IX de la figure 8. La figure 1 représente en élévation un moteur à combustion interne et à carburateur. Un canal vertical 12 d'admission du mélange d'air et de carburant est formé d'un tuyau descendant du carburateur 10 et se subdivisant en deux embranchements tubulaires horizontaux 14 qui débouchent dans les différents cylindres du moteur. La figure 1 représente par ailleurs un canal sensiblement horizontal et tubulaire 16 d'évacuation des gaz d'échappement, canal auquel les différents cylindres sont raccordés par des tubulures 18. La préparation du mélange dans un carburateur pourrait aussi être remplacée par exemple par injection du carburant dans le canal d'admission. Un échangeur 20, dont la zone 22 d'absorption de chaleur est disposée dans le canal 16 d'évacuation des gaz d'échappement et dont la zone 24 cédant la chaleur est placée dans le canal d'admission 12, transfère la chaleur entre les gaz d'échappement et le mélange. L'échangeur consiste en un corps métallique creux et fermé constituant un tube calorifique (tube de transfert de chaleur) partiellement rempli de fluide vaporisable, par exemple d'eau. L'échangeur 20, tel que représenté à échelle agrandie sur la figure 2,est tubulaire et coudé et donc sa zone 22 d'absorption de chaleur est à angle droit par rapport à sa partie qui contribue à former la zone 24 cédant la chaleur. La zone tubulaire 22 d'absorption de chaleur est disposée à proximativement au centre du canal tubulaire 16 d'évacuation des gaz d'échappement et donc une aire d'enveloppement extérieure 32 extrêmement grande de cette zone 22 peut être balayée par la veine interne du flux des gaz d'échappement. Les flèches 26 indiquent le balayage de toute part de l'aire d'enveloppement 32. de la zone d'absorption de chaleur. La zone 24 cédant la chaleur est disposée au point de branchement 34 des embranchements 14 et parvient jusque dans le canal 12 d'admission du mélange d'air et de carburant. Cette zone 24 comprend dans la région du canal 12 un élargissement 28 de la surface cédant la chaleur. Cet élargissement peut consister de manière classique en ailettes, nodules, tiges ou nervures disposés de manière à présenter une faible résistance à la circulation et à céder une très grande quantité de chaleur au mélange passant dans le canal d'admission 12 et indiqué par des flèches 30. Une collerette circulaire 36 fixée à l'échangeur 20 à son point de pénétration dans le canal 16 d'évacuation des gaz d'échappement prend appui contre une surface de la cloison 38 de ce canal, éventuellement avec interposition d'une garniture 40 (voir aussi figures 4 et 6). Une bride 42 subdivisée radialement et fixée par des boulons 44 sur la cloison 38 enserre la collerette 36 de manière à immobiliser cette collerette avec l'échangeur 20. La figure 4 représente les détails de cette fixation et la figure 5 représente cette dernicre en plan et montre en particulier la subdivision de la bride 42. L'échangeur 20 comporte à son lieu de pénétration dans le point de branchement 34 une seconde collerette circulaire 44 guidée dans un trou convenable de la cloison 46 avec interposition d'une garniture calorifuge 48. La figure 3, qui représente en détail cette pénétration de l'échangeur dans le canal d'admission illustre en particulier la seconde collerette 44 comportant à la périphérie une rainure 50 dans laquelle est guidée une garniture 48 qui comble l'interstice radial séparant cette collerette et cette cloison et l'obture de manière hermétique. Lorsque le moteur à combustion interne est en marche, la chaleur des gaz d'échappement vaporise le liquide se trouvant dans le volume interne 52 de l'échangeur 20 au voisinage de la zone 22 d'absorption de chaleur, la vapeur passe dans la zone plus froide 24 cédant la chaleur et dans laquelle elle abandonne cette dernière en se condensant et en réchauffant le mélange d'air et de carburant. Cette zone comportant un élargissement 28 de sa surface extérieure cédant la chaleur , le transfert de cette dernière au mélange en est amélioré.Les gaz d'échappement balayant de toute part sur une grande surface la zone 22 d'absorption de chaleur, le transfert de cette dernière est aussi amélioré et donc la transmission de chaleur des gaz d'échappement au mélange s'effectue très rapidement, ce facteur étant en particulier avantageux pour le démarrage à froid des moteurs à combustion interne de ce type. Il ne serait pas avantageux d'utiliser des ailettes dans le canal d'évacuation des gaz d'échappement à l'intérieur de la zone 22 d'absorption de chaleur, car les températures élevées des gaz d'échappement les exposeraient à la corrosion. Le calorifugeage du point de pénétration de l'échangeur 20 dans le canal d'admission 12 au moyen d'une garniture 48 est très avantageux, car ainsi la cloison 46 du canal d'admission du mélange qui est encore froide au moment du démarrage ne peut pas avoir une influence notable sur l'échangeur de chaleur. Il est avantageux, dans ce mode de réalisation, que la surface de la seconde bride 44 en contact avec le mélange soit très petite ou soit revêtue d'une couche isolante. I1 est avantageux, pour éviter les pertes de chaleur, de revêtir d'une isolation la partie de l'échangeur qui se trouve entre le canal 16 d'évacuation des gaz d'échappement et le point de branchement 34 et qui est balayée par l'air ambiant Les dessins ne représentent pas cette isolation par souci de clarté. La figure 6 illustre une variante de disposition de la zone 24 cédant la chaleur dans le canal d'admission 12 et montre que la section des embranchements 14 est plus faible que celle de ce canal 12. Par ailleurs, les embranchements 14 sont raccordés de manière excentrée au canal 12. De même, la zone 24 cédant la chaleur est disposée excentriquement dans le canal d'admission 12 de la même manière et sensiblement dans la même mesure que les embranchements 14. Cette disposition est avantageuse lorsque le carburateur ou le dispositif d'injection de carburant qui alimente le canal d'admission 12 est au moins à deux étages.En effet, dans la variante de réalisation de la figure 6, la zone 24 cédant la chaleur, c'est-à-dire l'élargis- sement 28 se trouve dans la région 54 dans laquelle passe le mélange provenant de l'étage du carburateur destiné à la charge partielle, en particulier à la charge partielle lors du départ ou du démarrage, mais par contre les autres étages du carburateur ou d'injection alimentent principalement la région 56 que l'échangeur 20 ne chauffe pas ou pas notablement. Cette dispo sitiona l'avantage de ne provoquer un réchauffage notable du mélange qu'en charge partielle, en particulier au démarrage du moteur, mais par contre aux autres régimes, en particulier à pleine charge, le réchauffage du carburant qui est à éviter n'a pratiquement pas lieu.Cette disposition permet donc de faire suivre au réchauffage du mélange les variations de régime du moteur sans grande complexité de l'appareillage. Le faible transfert de chaleur à pleine charge suffit dans le cas particulier à assurer un refroidissement suffisant de la zone d'ab absorption de chaleur. La figure 7 est une élévation analogue à celle de la figure 1 d'une variante de réalisation d'un moteur à combustion interne et à carburateur. Le prolongement du canal d'évacuation des gaz d'échappement ne se trouve pas à l'extrémité droite de ce dernier, comme dans la figure 1, mais à mi-longueur de ce canal 716 et donc ces gaz suivent une déviation 62. En conséquence, l'échangeur 720 peut être conformé en tube calorifique rectiligne dont la zone 722 d'absorption de chaleur se trouve, dans le cas particulier, à l'intérieur de la région dans laquelle les deux courants partiels de gaz d'échappement provenant de la droite et de la gauche se réunissent dans le canal 716. La figure 8 montre bien cette disposition à échelle agrandie.Le tourbillonnement produit par la réunion des flux des gaz d'échappement accentue le transfert de chaleur à la zone d'absorption 722 qui parvient jusque dans la région du canal 716 dans laquelle ces courants ont été réunis. La zone 724 cédant la chaleur est réalisée de la même manière que celle décrite en regard de l'exemple de réa- lisation précédent. La figure 9 illustre un mode de réalisation avantageux de l'élargissement 28. Celui-ci consiste en feuillards métalliques 58 repliés sensiblement en zigzag et disposés en étoile autour de l'échangeur 720 sur lequel ils sont fixés de manière à assurer une bonne conduction calorifique. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 8, trois de ces feuillards métalliques sont fixés à l'échangeur 720 à distance les uns des autres dans la direction de l'axe du tube calorifique. Le mélange peut ainsi passer d'une part à l'intérieur des endentures en épingle à cheveu et entre les endentures voisines. Les endentures 60 des feuillards 58 peuvent être alignées dans la direction de circulation du mélange, de la manière représentée sur la figure 9, ou être décalées de manière non représentée. REVENDICATIONS 1. - Moteur à combustion interne, à réchauffage du mélange d'air et de carburant au moyen d'au moins un échangeur de chaleur fermé contenant un fluide de transfert à l'état liquide et comprenant au moins une zone tubulaire d'absorption de chaleur disposée dans le canal d'évacuation des gaz d'échappement ainsi qu'au moins une zone cédant la chaleur et placée dans le canal d'admission du mélange, moteur caractérisé en ce que la zone tubulaire d'absorption de chaleur (22, 722) de l'échangeur (20, 720) est disposée dans le canal d'évacuation des gaz d'échappement (16, 716) de manière qu'une aire d'enveloppement (32, 732) aussi grande que possible de cette zone (22, 722) soit balayée de toute part par la veine interne du flux des gaz d'échappement et la zone cédant la chaleur (24, 724) présente au moins localement un élargissement (28), formé par exemple d'ailettes, de la surface de transfert de chaleur. 2. - Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite aire d'enveloppement (32, 732) est balayée de toute part par la veine interne du flux des gaz d'échappement sur une longueur (1) qui correspond à la section maximale de la zone d'absorption de chaleur (22, 722). 3. - Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 et 2, dont la canalisation d'évacuation des gaz d'échappement est tubulaire, caractérisé en ce que l'aire d'enveloppement (32, 732) est disposée à peu près centralement dans ce canal d'évacuation des gaz d'échappement (16, 716). 4. - Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite aire d'enveloppement (732) est disposée en aval d'une déviation (62) du flux des gaz d'échappement dont l'angle est avantageusement compris entre 60 et 900. 5. - Moteur à combustion interne selon la revendication 1 à 4 et dans lequel la préparation du mélange de carburant.et d'air s'effectue en plusieurs étages, caractérisé en ce que la zone cédant la chaleur (24, 724) ou tout au moins l'élargissement (28) de la surface de cette zone de l'l~~han(3eur est disposé. dans la région (54) du canal d'admission dans laquelle circule la partie du mélange destinée à la charge partielle du moteur. 6. - Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élargissement (28) de la zone de l'échangeur cédant la chaleur consiste essentiellement en au moins un feuillard métallique (58) replié approximativement en zigzag. 7. - Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et équipé d'un échangeur de chaleur tubulaire, caractérisé en ce que l'échangeur (20, 720) est fixé au canal d'évacuation des gaz d'échappement (16, 716) au moyen d'une collerette extérieure (36) fixée sur lui et d'une bride (42) de préférence divisée qui enserre cette collerette et cet échangeur comporte à son point de pénétration dans le canal d'admission du mélange (12, 712) une seconde collerette (44) dans la périphérie de laquelle est creusée au moins une rainure (50) dans laquelle est logée une garniture isolante (48) qui évite le contact de cette seconde collerette (44) et de la cloison (46) du canal d'admission.