Brevet FR2541377A1 — publié le 19840824

La présente invention a pour objet un procédé et un disposi- tif d'échange thermique, en particulier pour le réchauffage du carburant dans les moteurs à combustion interne, notamment Diesel. Dans un brevet précédent (No 82 13066 du 22 juillet 1982), la demanderesse a exposé que sous certaines conditions, le réchauffage du carburant, en particulier le gazole, permet- tait des économies de consommation notables, sans perdre sur la puissance ni sur les autres caractéristiques de fonction- nement du moteur. Selon ce brevet, le réchauffage doit porter le carburant à une température d'au moins 70 à 80 'C ou même davantage L'eau du circuit de refroidissement du moteur apparaît d'abord comme une source de calories commode ou tout au moins gratuite. On a en effet déjà pensé à utiliser l'eau de refroidissement du moteur pour réchauffer le carburant par temps froid (voir le B FR 81 13417 du 8 juillet 1981 au nom de la demanderesse). Conformément à la présente invention, pour réchauffer le car- burant, on procède à des échanges thermiques simultanément entre le carburant à réchauffer, l'huile de lubrification et l'eau de refroidissement du moteur On sait que l'huile de lubrification peut atteindre pendant le fonctionnement normal du moteur des températures de l'ordre de 100 à 140 'C On dispose ainsi d'une plage de températures chaudes très étendue. En déterminant l'importance des surfaces d'échange relatives et des débits, on peut choisir à volonté la température de ré- chauffage du carburant à une température égale ou supérieure à celle de l'eau du circuit de refroidissement, et jusqu'à une température supérieure à 100 'C. L'invention a également pour objet un dispositif pour le ré- chauffage du carburant incorporant un échangeur thermique comportant trois circuits: un circuit d'eau (ou autre li- quide) de refroidissement du moteur, un circuit de carburant (gazole) et un circuit d'huile, des surfaces d'échange ther- mique étant prévues entre le circuit d'huile et le circuit de carburant, et entre le circuit d'eau et le circuit de car- burant Dans un mode de réalisation de l'invention, des sur- faces d'échange thermique sont également prévues entre le circuit d'huile et le circuit d'eau. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, d'un mode de réali- sation donné à titre d'exemple non limitatif en regard des dessins ci-joints, et qui fera bien comprendre comment l'in- vention peut être réalisée et mise en oeuvre. Sur les dessins, la figure 1 est un schéma de circulation générale du car- burant dans le cas d'un moteur Diesel équipé-d'un disposi- tif selon la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un dispositif selon l'invention, permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la figure 3 est une vue en coupe suivant le plan indiqué III-III sur la figure 1 la figure 4 est une vue en coupe suivant le plan indiqué IV-IV sur la figure 1; et la figure 5 est un schéma des circulations d'huile et de carburant dans une zone externe de l'échangeur. Le dispositif selon l'invention sert simultanément au réchauf- fage du carburant, plus particulièrement du gazole pour les moteurs Diesel et au refroidissement de l'huile Cette ap- plication n'est pas limitative, le dispositif peut par exemr- ple être utilisé dans d'autres moteurs à injection Il est placé sur le circuit du gazole Selon les cas, il peut être placé en amont ou en aval de la pompe d'injection comme cela est expliqué dans le brevet précédent de la demanderesse, référencé ci-dessus Dans l'exemple suivant, le dispositif selon l'invention est monté en amont du système d'injection. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un moteur 1, équipé d'un dispositif selon l'invention Le réservoir de gazole 2 est relié par une conduite 3 à l'entrée 4 d'un dis- positif échangeur 5 selon l'invention Le gazole réchauffé sort en 6 et est envoyé par la canalisation 7 d'abord à la pompe d'alimentation 8, puis à la pompe d'injection 9 après avoir traversé le filtre 10 Une canalisation de retour 11 ramène à l'entrée 12 l'excédent de gazole provenant de la pompe d'injection, et une canalisation 13 renvoie dans le réservoir l'excédent de gazole provenant de la sortie 14 de l'échangeur. L'échangeur comporte encore une entrée 15 et une sortie 16 d'eau, et une entrée 18 et une sortie 19 d'huile Ces entrées et sorties 15, 16, 18, 19 sont raccordées convenablement aux circuits correspondants Enfin une prise électrique 21 permet de brancher une résistance de chauffage prévue à l'intérieur du dispositif. En effet, selon une caractéristique de l'invention, un réser- voir est associé à l'échangeur Ce réservoir qui peut compor- ter un serpentin chauffant 27 ou tout autre moyen de réchauf- fage permet de maintenir une quantité de gazole à bonne tem- pérature quand le moteur est à l'arrêt, pour permettre le démarrage dans les meilleures conditions Il permet également un réchauffage additionnel quand la température extérieure est très basse. Le dispositif 5 tel que représenté sur les figures 2 à 4 comporte deux parties un échangeur 22, à gauche de la fi- gure et un réservoir 23 de préchauffage à droite Ces deux parties sont sensiblement cylindriques-et disposées à la suite l'une de l'autre suivant le même axe Il ne s'agit là que d'un exemple Les deux parties pourraient avoir des formes diffé- rentes du cylindre, et différentes l'une de l'autre Le réser- voir pourrait être placé autour de l'échangeur par exemple. Dans la forme de réalisation représentée, l'eau (ou autre li- quide de refroidissement du moteur) traverse successivement l'échangeur 22 et le réservoir 23 en passant au centre de ceux-ci L'eau entré chaude (en-régime de marche du moteur) en 15 à gauche et sort à droite en 16. Le réservoir de préchauffage comprend un volume 24 disposé autour du tube d'eau 25 Une entrée 4 de carburant est prévue de préférence à un point écarté de l'échangeur pour éviter les zones de stagnation, et une-sortie 26 fait communiquer le volume 24 avec l'échangeur 22 Un serpentin chauffant 27, avec une connexion appropriée 21, est disposé à l'intérieur du réservoir 23 Le serpentin chauffant comporte une résis- tance électrique et une régulation thermique assurant le maintien à une température choisie du gazole renfermé dans le réservoir 24 Cette température sera avantageusement inférieure à la température de réchauffage du gazole en régime normal. Le démarrage sera facilité, et le serpentin se mettra à chauf- fer automatiquement, si par exemple par suite de conditions climatiques très dures, le réchauffage par l'échangeur n'était pas suffisant. Dans l'exemple de réalisation représenté, l'échangeur com- prend un faisceau de canaux parallèles (A-X) avec des con- nexions aux extrémités du faisceau pour déterminer trois cir- cuits pour l'entrée 57, 58 et la sortie 76, 71 de l'huile, l'entrée 15 et la sortie 16 de l'eau, l'entrée 26 bis et la sortie 47 du carburant, chacun des circuits comportant au moins un parcours du faisceau de canaux sur sa longueur et le cas échéant des connexions 41, 42, 44, 59, 61, 72, 73, 74 aux extrémités du faisceau pour constituer au moins un circuit comprenant au moins deux parcours de la longueur Dans la forme de réalisation représentée, l'échangeur comprend un canal central 31 délimité par une paroi sensiblement circu- laire 32, munie d'ailettes 33 orientées vers le centre du canal 31 Comme représenté sur les figures 3 et 4, les ailet- tes ont une surface striée, rainurée ou moletée pour accrot- tre la surface d'échange thermique L'échangeur est délimité par une enveloppe 35, qui peut être cylindrique L'espace compris entre la paroi 32 du canal central et l'enveloppe est divisé en vingt quatre-canaux, référencés A à X, dont certains servent à la circulation de l'huile et d'autres à la circulation du gazole Les parois séparant les canaux sont striées pour accroître la surface d'échange thermique Les extrémités de l'échangeur sont obturées par des brides en forme de plaques ou de flasques 37 à gauche et 38 à droite. Pour réaliser la circulation de l'huile et du gazole, on peut ménager des ouvertures, aux deux extrémités de l'échan- geur dans les flasques 37, 38 et/ou dans l'enveloppe 35 et on connecte convenablement ces ouvertures entreelles et aux circuits correspondants On peut ainsi disposer l'huile et le gazole alternativement dans un canal sur deux ou par paires de canaux en alternance On peut prévoir une circulation d'en- semble à contre courant et disposer plusieurs canaux ou paires de canaux en parallèle, et l'on peut organiser des circulations alternatives de droite à gauche et vice-versa Ainsi, il est possible de prévoir des cavités dans les faces internes des flasques, à cheval sur deux ou plus de deux canaux Les cavités peuvent être des perforations obturées vers l'extérieur par des bouchons 37 bis et 38 bis. Dans la forme de réalisation représentée, le circuit du car- burant sort du réservoir par l'orifice 26 dans le bouchon 38 bis et entre dans le canal A par l'orifice 26 bis dans le flasque 38, en regard de l'orifice 26, et à l'intérieur du profil du canal A, comme on peut le voir sur la figure 4 A l'autre extrémité de l'échangeur, un alésage 41 est percé dans le flasque 37 à cheval sur les canaux A et B Le circuit du carburant comprend donc le canal A dans le sens de la droite vers la gauche, passe par l'alésage 41 et repart vers la droite par le canal B Sur le flasque 38 (figure 4) un alésage 42 est percé à cheval sur les canaux B et C Le circuit du carburant arrivant à droite par le canal B repart vers la gauche par le canal C Dans le flasque 37 (figure 3) un alésage 43 est percé en regard du canal C et cet alésage communique par une saignée 44 formée sur la face externe du flasque 37, avec un alésage formé à travers le flasque 37 à l'intérieur du profil du canal G Le circuit de carburant empruntant la saignée 44 se prolonge par le canal G dans le sens de la gauche vers la droite Le circuit de carburant se prolonge ainsi jusqu'à la sortie par l'alésage 47, percé dans le flasque 37 en regard du canal V et qui correspond à la sortie référencée en 6 sur la figure 1. Le circuit d'huile pourrait être réalisé de la même façon. A titre d'exemple, dans une-variante de réalisation,des com- munications sont établies entre des canaux disposés dans la zone extérieure de l'échangeur, au moyen d'ouvertures telles que 63, 64, 81, 82 percées dans la paroi latérale de ces canaux, ces ouvertures étant mises en communication par des passages convenables 59, 74 Les passages du circuit d'huile d'un canal à un autre se font par des alésages percés aux deux extrémités droite et gauche de l'échangeur, à travers l'enveloppe 35 et l'échangeur et les communications entre ces alésages sont assurées par des cavités formées dans les parois internes de manchons entourant l'échangeur dans les zones correspondantes Ces manchons peuvent être les jupes 51 et 52, des flasques 37 et 38 remontant à partir des extrémités sur la paroi latérale ou cylindrique de l'enveloppe 35 Dans un but de technologie de construction, ces cavités peuvent être obturées vers le milieu de l'échangeur par des rondelles soudées 53, 54 ou fixées autrement, le cas échéant avec des joints appropriés Les manchons peuvent être en une seule pièce, et les communications peuvent être creusées dedans par usinage. L'arrivée du circuit d'huile (entrée huile chaude) se fait par la cavité 57, dans le flasque gauche 37 (figure 3) en communication avec l'alésage 58 dans la paroi de l'enveloppe faisant communiquer cette cavité avec les deux canaux W, X. On peut voir sur la figure 3 les cavités 57, 59, 60 et 61 formées dans la paroi interne de la jupe 51 du flasque gauche 37 Ces cavités communiquent avec les canaux par les alésages 63, 64, 65, 66, 67 et 68 De la même façon, dans la surface interne de la jupe 52 du flasque 38 de droite, ont été formées les cavités 71, 72, 73 et -74 Ces cavités communiquent avec les canaux par des alésages 76, 77, 78, 79, 80, 81 et 82, pratiqués à travers l'enveloppe 35 de l'échangeur La sortie de l'huile est faite à partir de la cavité 71, l'huile sortant des trois canaux D, E, F, par l'alésage 76 On peut ainsi suivre le trajet de l'huile dans l'échangeur Le circuit com- mence par la cavité-56, l'alésage 58, les deux canaux W,X en parallèle dans le sens de la gauche vers la droite A droite (figure 4) le circuit sort des canaux W, X passe par l'alésage 82, la cavité 74 dans la jupe 52 du flasque 38, l'alésage 81 et rentre dans les canaux T, U qu'il emprunte de la droite vers la gauche et ainsi de suite jusqu'à la cavité de sortie 71, le circuit se terminant par les trois canaux D, E, F en parallèle, ce qui permet une expansion de l'huile et un ralen- tissement de sa vitesse sur la fin du parcours. Le schéma de la figure 5 symbolise l'exemple de circuit dé- crit précédemment C'est le déroulement dans un plan des canaux A à X disposés à la périphérie de la paroi 32 du canal central 31 Le circuit d'huile comprend sept parcours de l'échangeur, les six premiers sont formés par deux canaux juxtaposés en parallèle, le dernier parcours comprend trois canaux en parallèle Le circuit de gazole, comporte également sept parcours de l'échangeur, un premier parcours dans les trois canaux A, B, C en parallèle, et six parcours dans un seul canal Les parcours des deux fluides sont à contre cou- rant et les deux fluides sont en échange thermique avec l'eau qui passe dans le canal central 31. Le nombre des canaux, ainsi que le choix des trajets n'est pas limitatif Les canaux peuvent avoir des dimensions dif- férentes Il peut y en avoir plus d'une couche périphérique autour du canal central Ce dernier n'est pas non plus une condition limitative, l'eau pouvant passer dans des canaux de formes et dispositions diverses. 254137 ? L'échangeur est réalisé de préférence en un métal bon conduc- teur de chaleur Il peut être réalisé par exemple par moulage, soudure, assemblage par vis, usinage, etc, avec le cas échéant des joints appropriés. - Un système de régulation thermique 90 est représenté en coupe, à droite et en haut de la figure 2 Il comprend une chambre 91 adjacente au réservoir de préchauffage 24, cette chambre comportant un organe de régulation thermique 92 sensible à la température du carburant et permettant de connecter la conduite de retour de carburant 11, 12 soit sur le réservoir de préchauffage 24, soit sur une conduite de renvoi 14, 13 vers le réservoir de carburant 2, en fonction de la tempéra- ture du carburant arrivant dans la chambre 91 Dans la forme de réalisation représentée, cette chambre 91 peut être séparée en deux parties 91 a et 91 b par un bouchon thermostatique 92. L'entrée 12 du gazole en excès revenant de la pompe d'injec- tion débouche dans la partie 91 b, adjacente au réservoir 24, et en communication avec celui-ci par l'orifice 93 La cana- lisation 13 de renvoi du gazole au réservoir 2 débouche dans la chambre 91 a Le bouchon thermostatique 92 assure une dou- ble action; quand il établit la communication entre les deux chambres 91 a, 91 b, il ferme l'orifice 93, et inversement quand il ouvre l'orifice 93, il ferme la communication entre les deux chambres 91 a et 91 b Le mouvement du bouchon thermo- statique 92 se fait pour une température de consigne T qui peut être la température choisie pour le réchauffage du gazole ou une température déterminée inférieure Tant que la tempé- rature du gazole revenant de la pompe d'injection 9 n'a pas atteint la valeur T, le bouchon est "en haut": l'orifice 93 est ouvert et la chambre-91 a est isolée de la chambre 92 a. Le gazole revenant de la pompe d'injection revient dans le réservoir 24 et de là passe dans l'échangeur pour se réchauf- fer et repart vers l'injection Quand la température du gazole revenant de la pompe d'injection 9 a atteint la valeur T, le bouchon prend la position "en bas" L'orifice 93 est fermé et les deux chambres 91 a et 91 b sont en communication Le gazole revenant de la pompe repart alors par la sortie 14 dans la conduite 13 pour retourner dans le réservoir 2 Ce système simple maintient la température du gazole à la valeur choisie Il est bien entendu que l'on pourrait utiliser d'au- tres types de régulations, avec des capteurs de températures et des systèmes électroniques. Le dispositif décrit est simple et fiable Il permet un ré- chauffage du gazole de façon sûre et économique. Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'il serait possible de le modifier notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. Revendications 1 Procédé pour le réchauffage du carburant dans les moteurs à combustion interne, notamment Diesel, caractérisé en ce que l'on procède à des échanges thermiques simultanément entre le carburant à réchauffer, l'huile de lubrification du moteur et le liquide de refroidissement du moteur. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois fluides sont mis en circulation dans des canaux parallèles. 3 Procédé selon une des revendications 1 ou 2, appliqué à un moteur à injection, caractérisé en ce que le carburant en excès revenant de la pompe d'injection est renvoyé au réser- voir si sa température est égale ou supérieure à une tempéra- ture de consigne, ou est repassé dans l'échangeur si sa tem- pérature est inférieure à la température de consigne. 4 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur thermique ( 22) comportant trois circuits: un cir- cuit d'eau (ou autre liquide) de refroidissement du moteur, un circuit de carburant (gazole) et un circuit d'huile, des surfaces d'échange thermique étant prévues entre le circuit d'huile et le circuit de carburant, et entre le circuit d'eau et le circuit de carburant. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que des surfaces ( 32, 33) d'échange thermique sont également pré- vues entre le circuit d'huile et le circuit d'eau. 6 Dispositif selon une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend un faisceau de canaux parallèles (A-X) avec des connexions aux extrémités du faisceau pour déterminer trois circuits et pour l'entrée ( 57, 58) et la sortie ( 76, 71) de l'huile, l'entrée ( 15) et la sortie ( 16) de l'eau, l'entrée ( 26 bis) et la sortie ( 47) du carburant, chacun des circuits comportant au moins un parcours du faisceau de canaux sur sa longueur et le cas échéant des connexions ( 41, 42, 44, 59, 60, 72, 73, 74) aux extrémités du faisceau pour constituer au moins un circuit comprenant au moins deux parcours de la lon- gueur du faisceau. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le faisceau de canaux est obturé à au moins une de ses extré- mités par une bride en forme de plaque ou de flasque ( 37, 37 bis, 38, 38 bis), comportant des cavités ( 41, 42, 44) ou des perforations assurant la communication entre au moins deux canaux. 8 Dispositif selon une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que des communications sont établies entre des canaux (Q, R, T, U) extérieurs de l'échangeur aux moyens d'ouvertures ( 63, 64, 81, 82) percées dans la paroi latérale de ces canaux, ces ouvertures étant mises en communication par des passages convenables ( 59, 74). 9 Dispositif selon une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les passages ( 59, 74) sont formés dans des manchons ( 51, 52) entourant l'échangeur, avantageusement des jupes de brides ( 37, 38) obturant les extrémités des canaux - Dispositif selon une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réservoir de préchauffage ( 24) en série sur le circuit de carburant en amont de l'échan- geur ( 22), le préchauffage étant obtenu au moyen d'une résis- tance électrique( 27). 11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le réservoir de préchauffage ( 24) a au moins une paroi ( 35) d'échange thermique en commun avec au moins un des circuits d'huile et d'eau. a 12 Dispositif selon une des revendications 10 ou 11, caracté- risé en ce qu'il comporte une conduite ( 11, 12) de retour de carburant de la pompe d'injection, connectée à une chambre ( 91) adjacente au réservoir de préchauffage ( 24), cette chambre comportant un organe de régulation thermique ( 92) sensible à la température du carburant et permettant de connecter la conduite de retour du carburant ( 11, 12) soit sur le réservoir de préchauffage ( 24), soit sur une conduite de renvoi ( 14, 13) vers le réservoir de carburant( 2) en fonction de la tempéra- ture du carburant arrivant dans la chambre ( 91).