Brevet FR2554505A1 — publié le 19850510

L'invention concerne un circuit de refroidissement pour un moteur à combustion interne, dans lequel le refroidis- sement est obtenu par évaporation d'un liquide de refroidisse- ment et la vapeur est ensuite ramenée à l'état liquide par soutirage de chaleur dans un dispositif de refroidissement (condenseur), et dans lequel en aval du condenseur se trouve branché un réservoir de compensation dans lequel se trouve dis- posée une poche élastique, qui est reliée à l'atmosphère. I1 est connu depuis longtemps d'utiliser le phéno- mène d'ébullition d'un fluide de refroidissement pour évacuer de la chaleur, la chaleur d'évaporation du fluide de refroi- dissement étant prélevée des composants devant être refroidis, par exemple des cylindres, des soupapesetc, d'un moteurà combus- tion interne. Dans le cas de ce type de refroidissement, il apparaît d'une manière tout à fait générale une uniformisation des températures des composants étant donné que l'ébullition et par conséquent le prélèvement de chaleur s'effectuent unique- ment aux endroits qui sont charges de façon correspondante par une quantité de chaleur élevéepar le processus de travail, du côté de la chambre de combustion. Dans un système typique de refroidissement à éva- poration pour moteurs à combustion interne, le liquide de re- froidissement s'évapore à l'intérieur de la chemise de refroi- dissement du moteur à combustion interne. Par l'intermédiaire du système de prélèvement de vapeur dans la partie supérieure de la chemise de refroidissement, la vapeur parvient en tra- versant des canalisations tubulaires et par exemple des sépa- rateurs de gouttes du liquide de refroidissement, jusqu'au radiateur, o la vapeur est condensée par le refroidissement produit par le courant d'air de circulation ou par le refroi- dissement dé au ventilateur. Le condensat est renvoyé, à par- tir du collecteur de condensat, à la chemise de refroidisse- ment du moteur - de façon appropriée en un point bas - soit sous l'action de la force de pesanteur (dans la mesure o le condenseur est disposé au-dessus de la chemise de refroidis- sement), soit au moyen d'une pompe (dans la mesure o le con- denseur est disposé à la nmme hauteur ou au-dessous de la che- mise de refroidissement). Afin d'éviter des pertes trop importantes de liqui- de de refroidissement, on choisit en général un système de refroidissement fermé, auquel cas les pressions élevées appa- raissant dans le système sont réduites par l'intermédiaire d'une soupape combinée de surpression/dépression existante. Mais on n'évite pas complètement les pertes de liquide de refroidissement. En outre il se produit un vieillissement trop rapide du liquide de refroidissement qui résulte du fait que lors de chaque processus de refroidissement à travers la sou- pape à dépression, de l'air frais et riche en oxygène parvient dans le système, ce qui a pour effet que les inhibiteurs de rouille présents dans le système de refroidissement perdent de façon précoce leur efficacité. Ces inconvénients ne sont pas compatibles avec un système de refroidissement moderne dont on attend qu'il soit exempt d'entretien pendant un long intervalle de temps. Dans le cas d'un refroidissement par évaporation, contrairement au refroidissement par liquide, le circuit de refroidissement n'est pas rempli complètement par le liquide de refroidissement. De ce fait, il apparait des problèmes de refroidissement dans le cas de positions en pente, notamment dans le cas de véhicules possédant un moteur dont la longueur hors tout est assez importante (par exemple dans le cas de véhicules utilitaires). L'invention a pour but, dans un système de refroi- dissement par évaporation du type décrit plus haut, d'éviter totalement les pertes de fluide de refroidissement et de garan- tir l'action de longue durée des inhibiteurs de rouille, conte- nus dans le liquide de refroidissement, par suppression de l'arrivée de l'oxygène de l'air. En outre ce système particu- lier de refroidissement doit être également approprié pour des véhicules possédant des moteurs ayant une longueur hors tout assez importante et qui doivent pouvoir même monter à plei- ne puissance des pentes de 30 % ou plus, c'est-à-dire que même dans le cas de ces pentes extrêmes, un refroidissement sûr de tels moteurs doit être garanti en permanence et qu'il ne doit apparaître aucun échauffement excessif dû à un refroidissement défectueux. Ce problème est résolu grâce au fait que, lorsque le moteur à combustion interne est à l'état refroidi, la po- che élastique est appliquée contre les parois intérieures du réservoir de compensation, et que la chemise de refroidisse- ment du moteur à combustion interne est subdivisée en plusieurs unités, dans lesquelles un niveau déterminé de consigne du liquide de refroidissement est maintenu en permanence à l'aide d'organes appropriés de réglage. Grâce à ces dispositions, on peut stocker l'air qui est présent dans le système de refroidissement et circule dans les canalisations de liaison en passant par la chemise de refroidissement du moteur à combustion interne, ainsi que dans le condenseur et qui est refoulé pendant le fonctionnement par la vapeur produite. Il peut s'établir dans le système soit une surpression, soit une dépression. Etant donné que le système de refroidissement proprement dit ne possède aucune sorte de liaison avec l'atmosphère, il n'apparaît par conséquent aucune perte de fluide de refroidissement ni aucun vieillissement prématuré des inhibiteurs de rouille. Grâce à la subdivision de la chemise de refroidissement ou plusieurs unités, notamment en fonction du nombre des cylindres, les variations du niveau du fluide de refroidissement, qui est rapporté au milieu des cylindre, sont quasiment nulles, et ce presque indépendamment du trajet parcouru - route montante, route descendante ou route horizontale. Cela signifie par ailleurs que le niveau du fluide de refroidissement peut être maintenu à une hauteur nettement plus faible, ce qui réduit le volume total de l'ins- tallation. Assurément dans le cas d'une installation de refroidissement à évaporation de ce type (brevet US. 3.168.080) il est connu de disposer en aval du condensateur un réservoir de compensation dans lequel est disposée une poche élastique qui est reliée à l'atmosphère. Mais également le réservoir de compensation comporte un système d'aération muni d'une soupape et sert, pendant le fonctionnement, à collecter ou à stocker le fluide de refroidissement qui en définitive revient, par l'intermédiaire du condensateur, au moteur à combustion in- terne. La soupape d'aération mentionnée (qui est présente sur ce qu'on appelle un réservoir de liquide de refroidissement) est commandée en fonction du niveau du liquide de refroidis- sement dans ce réservoir, et est ouverte pendant le fonction- nement jusqu'à ce qu'un niveau déterminé du liquide de refroi- dissement soit atteint dans le réservoir. En utilisant cet état connu de la technique on ne peut pas résoudre le problème indiqué dans l'invention étant donné que d'une part de l'air riche en oxygène pénètre dans le système de refroidissement et que d'autre part le "système d'étanchéité du liquide de re- froidissement" présent dans la partie supérieure du condeD- seur ou dans le réservoir du liquide de refroidissement em- pêche ou tout au moins complique le refoulement du volume d'air présent dans le système, dans le réservoir du liquide de re- froidissement, existant. Il s'ensuit que l'on doit utiliser un condenseur de taille plus importante. En outre il n'est prévu aucun moyen permettant d'améliorer la tenue en côte dans le cadre de l'état de la technique. Conformément à la présente invention, le réservoir monté en aval du condenseur agit à la manière d'un pur réser- voir de compensation. Ce réservoirn'a pas à réaliser une fonction de stockage du liquide de refroidissement, étant don- né que ce dernier retourne par un autre moyen à la chemise de refroidissement du moteur à combustion interne. Il est avantageux de prévoir un ou plusieurs sépa- rateurs de gouttes du liquide de refroidissement entre la chemise de refroidissement du moteur à combustion interne et le condenseur. Afin de réduire les dimensions du réservoir de compensation, il est proposé en tant que variante de l'inven- tion de prévoir également une poche élastique au moins dans le dernier séparateur de gouttes du liquide de refroidissement, située en amont du condenseur. Selon une autre réalisation de l'invention, il est prévu, sur le côté froid du condenseur, une soupape correspon- dante de surpression utilisée en tant que soupape de sécurité. Cette dernière est réglée à une pression absolue égale à au moins 1,1.105 Pa et est disposée soit sur le réservoir de com- pensation, soit dans la canalisation de liaison condenseur- réservoir de compensation, dont le volume doit être alors di- mensionné de façon appropriée. Grâce à une telle soupape il est possible d'évacuer de façon sûre les gaz de combustion par- venant éventuellement dans le circuit (une fois que la pression d'ouverture réglée est atteinte). Etant donné que le même phénomène se produit sur le côté froid du condenseur, il n'ap- parait aucune perte de liquide de refroidissement. La soupape de sécurité mentionnée n'est pas compa- rable à la soupape d'aération du brevet US indiqué, étant donné que cette dernière est commandée en fonction du niveau du li- quide de refroidissement dans le réservoir de liquide de refroi- dissement, si bien qu'il n'existe aucune fonction de sécurité et que la pression dans le système de refroidissement peut augmenter d'une manière incontrôlée dans le cas d'un éventuel gonflement produit par les gaz de combustion (dans le cas o la soupape d'aération est fermée). Le niveau de consigne du liquide de refroidissement dans les différentes unités de la chemise de refroidissement est détecté par des capteurs correspondantsqui agissent mécani- quement, pneumatiquement ou électriquement sur les soupapes disposées dans les circuits d'arrivée du condensat des unités de refroidissement respectives. Comme variante avantageuse de réalisation de l'in- vention il est proposé,dans le cas o le moteur à combustion interne fonctionne sous charge partielle, d'accroStre la pres- sion de l'espace d'évaporation (à l'intérieur de la chemise de refroidissement du moteur à combustion interne) au-delà de la pression atmosphérique. On obtient de ce fait l'accroisse- ment connu de la température d'ébullition du liquide de re- froidissement. Par suite de l'accroissement de la pression d'évaporation il se produit un accroissement des températures des composants, situés du côté de l'espace de travail, par exemple des cylindres, de la culasse, des soupapes et analo- gues. Ces composants sont par conséquent maintenus, lors du fonctionnement sous charge partielle,à une même température ou à une température approximativement identique à celle obtenue lors de la puissance maximum. La formation du mélange et la can- bustion s'en trouvent amélioréE ainsi que la consommation de carburant et la qualité des gaz d'échappement. Le réglage de la pression de vapeur entre la pression atmosphérique et une valeur limite supérieure s'effectue en fonction d'une tempé- rature représentative des composants, par exemple de la tempé- rature des cylindres, par l'intermédiaire d'un régulateur de de pression de la vapeur. La température des composants est obtenue en fonc- tion de la charge du moteur, représentée par un signal de la vitesse de rotation et un signal de charge, ou en fonction de la température des gaz d'échappement. Afin que la limite su- périeure de pression ne soit jamais dépassée, il est approprié de prévoir, indépendamment de la-commande effectuée en fonc- tion de la charge ou de la température, une soupape de sécuri- té qui peut être intégrée dans le régulateur de pression de la vapeur. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente le schéma de l'installa- tion de refroidissement par évaporation ici utilisée; - la figure 2 représente schématiquement une va- riation du niveau du liquide de refroidissement dansle cas d'un moteur à combustion interne à plusieurs cylindres pour des véhicules circulant en montagne ou sur une route horizon- tale, d'une part dans le cas o la chemise de refroidissement n'est pas subdivisée (figure 2a) et d'autre part dans le cas o la chemise de refroidissement est subdivisée (figure 2b); - la figure 3 représente également de façon pure- ment schématique le circuit de refroidissement par évaporation pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne sous charge partielle. Sur la figure 1, la référence 1 désigne le moteur à combustion interne. Ce dernier possède une chemise de refroi- dissement la (voir les figures 2 et 3), dans laquelle est pré- sent un liquide de refroidissement convenant pour le refroidis- sement par évaporation. Ce liquide remplit la chemise jusqu'à une hauteur déterminée (niveau 12 du liquide de refroidissement). La vapeur formée pendant le fonctionnement (qui apparaît en premier lieu au niveau des composants soumis à une forte charge thermique, tels qu'une queue de soupape, un conduit d'échappement ainsi que la partie supérieure de la chemise de cylindre) parvient par l'intermédiaire des canalisations 2a de la vapeur d'échappement au premier séparateur 3 de gouttes du liquide de refroidissement et y est collectée. Après qu'une partie du liquide de refroidissement entraîné ait été déposée parl'intermédiaire de la canalisation 5a, la vapeur parvient par l'intermédiaire de la canalisation 2b au second séparateur 4 de gouttes du liquide de refroidissement. Là, la vitesse d'écoulement est réduite par suite d'un élargissement local de la section transversale et il se produit le dépÈt d'une quanti- té supplémentaire de liquide de refroidissement, qui est ren- voyée par la canalisation de retour 5b à la chemise de refroi- dissement du moteur à combustion interne 1. Une conduite tubu- laire 2c répartit la vapeur entre un ou plusieurs condenseurs 6, dans lesquels la vapeur est ramenée à l'état liquide au moyen de ventilateurs 7. Le condensat du liquide de refroidis- dement parvient alors par l'intermédiaire de la canalisation c au réservoir de compensation 8 et, à partir de là, revient par l'intermédiaire de la canalisation 5d à lachemise de re- froidissement la du moteur à combustion interne 1. A l'état froid, l'ensemble de l'espace situé au- dessus du niveau 12 du liquide de refroidissementqui correspond approximativement au bord supérieur de la culasse,est rempli d'air; mais pour la puissance nominale (pleine charge) cet espace est rempli complètement de vapeur. Cela signifie que l'air présent auparavant doit être accumulé en un emplacement quelconque. Cette fonction est assurée par le réservoir de compensation 8. En raison de l'exigence imposant un fonction- nement sans pression avec un système à circuit de refroidis- sement fermé (cela signifie qu'il n'existe aucun contact direct entre le liquide de refroidissement et l'air ambiant), dans le réservoir de compensation 8 se trouve insérée une poche plas- tique 9a constituée par une feuille de polyuréthane résistant à la température et présentant une grande élasticité qui est fixée par vissage au couvercle du réservoir de compensation 8 de telle sorte qu'elle ferme le système de refroidissement en direction de l'atmosphère. Mais la poche elle-même est reliée à l'atmosphère (référence 10). A l'état froid, la poche est complètement remplie d'air et par conséquent est appliquée contre les parois du réservoir de compensation; lorsque le moteur est chaud, elle est dans une large mesure vidée. De même le second séparateur 4 de gouttes du li- quide de refroidissement est également muni d'une poche étant donné que, par ailleurs, ce volume devrait être également logé dans le réservoir de compensation. On peut par conséquent réaliser le réservoir de compensation avec des dimensions plus faibles. Pour remplir l'installation de refroidissement, on charge le c8té,relié à l'atmosphère, de la poche élastique 9a avec une légère surpression (environ 5.103 Pa) et donc ce côté s'applique contre la paroi du réservoir de compensa- tion, sur le côté du liquide de refroidissement. Une compensa- tion de pression s'établit après la fermeture du système de refroidissement. Ceci garantit que l'ensemble du volume du réservoir de compensation est disponible pour loger l'air pré- sent dans le système. On procède de la même manière en ce qui concerne le second séparateur 4 de gouttes du liquide de re- froidissement. Cependant le rôle de la membrane consiste ici à réduire, aussi largement que cela est possible, le volume d'air dans le système. Pour des raisons de sécurité, il est également pré- vu une soupape de surpression 11 sur le réservoir de compensa- tion 8. En outre la figure 1 représente également le cir- cuit de chauffage utilisé pour chauffer la cabine du conduc- teur. Ce circuit contient un échangeur de chaleur de chauffage 14 ainsi qu'une pompe de chauffage 15. On a également indiqué le circuit de refroidissement pour l'huile de lubrification, dans lequel est présent un refroidisseur d'huile 13. Sur la figure 2 on a représenté les variations du liquide de refroidissement dans le cas d'une chemise de refroi- dissement non subdivisée (figure 2a) ainsi que dans le cas d'une chemise de refroidissement subdivisée (figure 2b). Dans le cas de moteurs à combustion interne à plusieurs cylindres, on peut utiliser une subdivision de la chemise de refroidisse- ment, en particulier lorsque l'on utilise encore des culasses monocylindre comme dans le cas présent. Dans le cas extrême on peut se passer du refroidissement pour chaque cylindre, auquel cas on peut utiliser un circuit commun pour la vapeur et le condensat. Mais on pourrait également imaginer de subdi- viser l'ensemble du système de refroidissement en plusieurs circuits séparés pour la vapeur et le condensat. La figure 2 représente schématiquement un moteur à combustion interne 1 à six cylindres, qui est disposé au- dessous d'une cabine 16 du conducteur. Le niveau du liquide de refroidissement dans le cas d'une circulation sur une route horizontale est désigné par 12a, tandis que ce-niveau est désigné par 12b dans le cas d'une circulation en montagne. On va représenter en partie en coupe la chemise de refroidisse- ment la du moteur à combustion interne; le liquide de refroi- dissement peut être envoyé à la chemise de refroidissement la par exemple uniquement à l'aide d'un seul perçage lb (sur le premier cylindre) et se répartit alors entre les autres cylin- dres (voir figure 2a). Comme cela est visible, il pourrait apparaître ici aisément des problèmes d'échauffement excessif au niveau des cylindres situés les plus haut, lors d'une mon- tée, ce qui est imputable notamment à la longueur hors tout nettement plus importante que pour des trains moteurs de voi- tures de tourisme. Une autre raison se situe dans la hauteur de montage plus faible du train moteur, qui est souvent exigée. Dans le cas de la figure 2b, la chemise de refroi- dissement la est subdivisée en fonction du nombre des cylindres. Chaque unité de refroidissement possède un perçage lb d'amenée du liquide de refroidissement. Afin d'empêcher que, dans le cas d'une chemise de refroidissement ainsi subdivisée, on n'obtien- ne pas un niveau moyen du liquide de refroidissement sur toute la longueur du moteur, un organe de réglage correspondant est nécessaire au niveau de chaque perçage d'admission lb des dif- férentes unités de la chemise de refroidissement. Ceci est agencé de telle sorte qu'à la hauteur du niveau de consigne 12a du liquide de refroidissement de chaque unité de refroi- dissement, se trouve disposé un capteur ou un transmetteur 17 qui ouvre ou ferme mécaniquement, pneumatiquement ou électrique- ment une soupape 18 disposée dans le circuit d'arrivée de l'u- nité de refroidissement respective. Les différents circuits d'arrivée se ramifient à partir d'un circuit commun lc d'arri- vée du condensat. De ce fait on peut obtenir, moyennant une faible dépense, le même résultat que si l'on prévoyait pour chaque unité de refroidissement un circuit complet pour la vapeur et le condensat, et il n'apparaît pratiquement aucune variation du liquide de refroidissement en fonction des iné- galités de la route parcourue. La figure 3 représente un circuit de refroidisse- ment par évaporation, dans lequel, pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne sous charge partielle, il se produit une régulation de la pression d'évaporation permettant d'obtenir une régulation des températures correspondantes des composants, situés du côté de la chambre de combustion, afin d'aboutir à un rendement amélioré de combustion. Ceci peut être obtenu de façon simple grâce à une modification de la section transversale d'évacuation de la vapeur. Un accroisse- ment de la pression d'évaporation à l'intérieur de la chemise de refroidissement la provoque l'apparition de l'accroissement connu de la température d'ébullition du liquide de refroidis- sement, ce qui entratne un accroissement des températures de paroi du côté de la chambre de travail. Par conséquent, les températures, présentes du côté de la chambre de travail, des composants, tels que par exemple les chemises dés cylindres, mais également la température de l'huile (paliers, lubrifica- tion des cylindres, refroidissement des pistons) peuvent être maintenues, dans la gamme des charges partieiles, à la même valeur ou à une valeur approximativement identique à celle présente dans le cas de la puissance maximale. La régulation de la pression de vapeur s'effectue en fonction de la température d'un composant représentatif (par exemple la chemise du cylindre sur la figure) à l'aide du capteur de température 21, qui agit sur un régulateur de pression 22. En outre cette figure montre une soupape à flot- teur 20 qui commande une pompe 19 d'entraînement du condenseur. REVENDICATIONS 1. Circuit de refroidissement pour un moteur à combustion interne, dans lequel le refroidissement est obtenu par évaporation d'un liquide de refroidissement et la vapeur est ensuite ramenée à l'état liquide par soutirage de chaleur dans un dispositif de refroidissement (condenseur 6), et dans lequel en aval du condenseur (6) se trouve branché un réservoir de compensation (8) dans lequel se trouve disposée une poche élastique (9a), qui est reliée à l'atmosphère, ca- ractérisé en ce que,lorsque le moteur à combustion interne est à l'état refroidi, la poche élastique (9a) est appliquée contre les parois intérieures du réservoir de compensation (8), et que la chemise de refroidissement (la) du moteur à combustion interne (1) est subdivisée en plusieurs unités, dans lesquelles un niveau déterminé de consigne du liquide de refroidissement est maintenu en permanence à l'aide d'organes appropriés de réglage (17, 18). 2. Circuit de refroidissement selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs séparateurs de gouttes du liquide de refroidissement (3, 4) se trouvent dis- posés entre la chemise de refroidissement (la) du moteur à combustion interne et le condenseur (6), et qu'une poche élas- tique (9b) est également prévue au moins dans le dernier sépa- rateur de gouttes du liquide de refroidissement (4) situé en amont du condenseur (6). 3. Circuit de refroidissement selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il est prévu, sur le côté froid du condenseur (6), une soupape de surpression (11)'en tant que soupape de sécurité. 4. Circuit de refroidissement selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que la soupape de sécurité (11) est disposée dans la canalisation de liaison (5c) située entre le condenseur (6) et le réservoir de compensation (8). 5. Circuit de refroidissement selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que la soupape de sécurité (11) est disposée sur le réservoir de compensation (8). 6. Circuit de refroidissement selon les revendica- tions 3 à 5 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que la soupape de sécurité (11) est réglée à une pression absolue égale à au moins 1,1. 10 Pa. 7. Circuit de refroidissement selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'à la hauteur du niveau de consigne du liquide de refroidissement de chaque unité de refroidisse- ment se trouve disposé un capteur ou un transmetteur (17) qui ouvre ou ferme mécaniquement, pneumatiquement ou électriquement, une soupape (18) montée dans le circuit d'amenée du condensat de l'unité de refroidissement respective. 8. Circuit de refroidissement selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que pendant le fonctionnement du mo- teur à combustion interne sous charge partielle, une régula- tion de la pression de vapeur est réalisée, à l'intérieur de la chemise de refroidissement (la) du moteur à combustion interne, en fonction d'une température représentative de com- posants. 9. Circuit de refroidissement selon la revendica- tion 8, caractérisé en ce que la régulation de la pression de vapeur entre la pression atmosphérique et une valeur limite supérieure est obtenue à l'aide d'un régulateur de pression (22) -qui est commandé par un capteur de température correspondant (21).