Brevet FR2669962A1 — publié le 19920605

PROCEDE DE REFRO DISSEMENI' PAR EVAPORA 11 ON POUR MOT El UR A COMBUSTION INTERNE ET DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE. L'invention concerne un procédé de refroidissement pour un moteur à combustion interne et en particulier un procédé assurant le refroidissement d'un moteur automobile par évaporation d'un liquide de refroidissement. L'invention concerne également un circuit de refroidissement pour la mise en oeuvre du procédé. Le rôle des systèmes de refroidissement est essentiel dans le bon fonctionnement des moteurs à combustion interne Le rendement de ces moteurs, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie apportée par la combustion est faible: environ 30 %o pour les moteurs à allumage commandé La majeure partie de l'énergie apportée par la combustion est donc dissipée sous forme de chaleur. Une partie de cette chaleur, environ la moitié, est emportée par les gaz d'échappement L'autre moitié doit être évacuée par les parois des chambres de combustion sous peine d'entraîner de grave disfonctionnements: serrage des pistons dans les cylindres (à cause de la différence des coefficients de dilatation), déformation de la culasse et fuites au niveau du joint, fissurations de la chambre de combustion etc L'évacuation des calories par un système de refroidissement est donc nécessaire. Le refroidissement d'un moteur à combustion interne est généralement assuré par convection forcée: un fluide de -2- refroidissement: eau, air, huile balaye les parois des chambres de combustion. Classiquement les systèmes de refroidissement utilisent une circulation forcée d'eau (mélangée à des inhibiteurs de rouille et à de l'antigel) dans un circuit en boucle fermée L'eau entraînée par une pompe absorbe la chaleur des parties chaudes du moteur principalement dans une chambre d'eau entourant les cylindres, puis est refroidie à son tour dans un radiateur, o circule rair ambiant, avant de retourner au moteur On améliore ce fonctionnement par des moyens assurant la régulation de la température, par des moyens de dégazage, par des moyens de mise en pression du circuit d'eau pour éviter la cavitation de la pompe ou encore par des moyens de montée rapide en température lors des démarrages moteur froid. De tels systèmes de refroidissement présentent cependant un certain nombre d'inconvénients. La quantité de liquide introduite dans le circuit de refroidissement est importante. En effet, compte tenu de la faible valeur du nombre de Prandt I l'eau (Pr= P k avec / viscosité dynamique, Cp: chaleur spécifique à pression constante et k: coefficient de conductivité); il est nécessaire d'utiliser une assez grande quantité d'eau pour assurer un refroidissement correct du moteur à pleine charge. Cette quantité d'eau est pénalisante: en terme de poids: elle -3 alourdit le moteur et en terme de montée en température lors des démarrages à froid: elle freine cette montée d'o des émissions d'imbrûlés et de polluants. Par ailleurs, en certains points de la chambre d'eau, notamment dans les zones à fort flux de chaleur, les températures des parois atteignent des valeurs assez élevées pour provoquer une ébullition locale non contrôlée, Il se créé alors des poches de vapeur qui séparent la paroi et le liquide et entraînent une chute brutale du coefficient de transfert de chaleur De ce fait des points chauds apparaissent localement Ces points chauds accentuent la production de certains polluant NO et HC en particulier et peuvent provoquer des fissurations des parois. Pour ces raisons d'autres systèmes de refroidissement ont été développés et notamment les systèmes de refroidissement diphasiques du type eauvapeur On peut citer à ce sujet parmi les plus récentes publications les brevets US 4 572 115, US 4 570 579 et US 4 367 699. Le principe de ces systèmes est simple: utiliser l'évaporation de l'eau pour absorber grâce au phénomène de la chaleur latente de vaporisation de l'eau d'importante quantités de chaleur du moteur. Dans un système typique de refroidissement par évaporation (ou encore par ébullition), pour un moteur à combustion interne, le liquide de refroidissement s'évapore à l'intérieur de la chambre d'eau Par l'intermédiaire du système de prélèvement, dans la partie supérieure de la chambre d'eau, la vapeur parvient en traversant des canalisations tubulaires et par exemple des séparateurs de phases liquide-vapeur, jusqu'au radiateur, o la -4 - vapeur est condensée par le refroidissement dû au ventilateur. Le condensat est renvoyé, à partir du collecteur de condensat, à la chambre d'eau du moteur de façon appropriée en un point bas, soit sous laction de la force de pesanteur (dans la mesure o le condenseur est disposé au-dessus de la chambre d'eau) soit au moyen d'une petite pompe de relevage. De nombreux avantages des systèmes de refroidissement diphasiques ont été montrés: la quantité de liquide nécessaire est réduite, les points chauds sont limités, peu ou pas de gradients de température car l'ébullition se fait à température constante pour une pression donnée. Néanmoins, certains problèmes demeurent: Une production de vapeur importante, notamment lors des fonctionnements à fortes charges, provoque une forte pressurisation du circuit qui peut endommager le moteur Pour éviter des niveaux de pression trop important des soupapes de sécurité doivent être prévues Ces rejets de vapeurs à l'extérieur entraîne une consommation progressive du liquide ce qui compromet l'autonomie du véhicule et nécessite un entretien régulier. Une pressurisation du circuit peut également se produire si l'évacuation de la vapeur en sortie de moteur n'est pas bien aménagée Dans ce cas un écoulement inverse peut se produire et provoquer un assèchement des zones situées en haut du moteur. La plupart des systèmes de refroidissement par ébullition -5 - sont mis en oeuvre en laissant une surface libre au liquide. C'est-à-dire que le moteur est refroidi par ébullition stagnante La quantité de liquide vaporisé est alors systématiquement renouvellée. Pour cela des capteurs de niveaux sont mis en place pour permettre la mise en marche d'une pompe quand cela s'avère nécessaire. La mise au point de ces capteurs pose énormément de problèmes la surface libre d'un liquide en ébullition n'étant pas clairement définie. L'ébullition stagnante est par ailleurs mal adaptée à un refroidissement en pente. Le but de la présente invention est de pallier ces inconvénients en proposant un procédé et un circuit de refroidissement par évaporation d'un liquide qui assurent un refroidissement performant quelques soient les conditions d'utilisation du moteur et ce de manière assez simple. Le procédé pour refroidir 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, est caractérisé en ce qu'il consiste d'une part, à faire circuler le liquide de refroidissement de manière forcée suivant un circuit d'écoulement comprenant la chambre d'eau du moteur et d'autre part, à adapter le débit du liquide de refroidissement et la pression régnant dans le circuit d'écoulement en fonction d'un ou plusieurs paramètres de marche du moteur. -6 - Grâce à ce procédé le refroidissement s'opère par ébullition circulante contrairement au procédé classique d'ébullition stagnante, ce qui supprime le problème des capteurs de niveau et permet un refroidissement efficace quelque soit l'inclinaison du moteur tout en conservant l'avantage d'une quantité de liquide réduite L'adaptation des caractéristiques physiques de l'ébullition circulante: débit et pression, permet une adéquation des moyens de refroidissement et des besoins du moteur en refroidissement Grâce à l'invention on limite fortement les refroidissements excessifs ou insuffisants qui pénalisent le fonctionnement du moteur en terme notamment d'émissions de produits polluants. Selon une variante du procédé selon l'invention, le débit du liquide de refroidissement et la pression régnant dans le circuit d'écoulement évoluent avec la puissance développée par le moteur. Selon une autre variante du procédé selon l'invention, tant que la puissance du moteur est inférieure à une valeur prédéterminée, le débit du liquide de refroidissement et la pression régnant dans le circuit d'écoulement sont maintenus constants à des valeurs prédéterminées respectivement Q 1 et Pl et lorsque la puissance du moteur dépasse ladite valeur prédéterminé, ledit débit et ladite pression sont portés à de nouvelles valeurs prédéterminées Q 2 et P 2 avec Q 2 > Q 1 et P 2 refroidissement avec le fonctionnement du moteur. Selon un mode de réalisation du dispositif de refroidissement, les moyens pour assurer la circulation forcée du liquide comprennent un circuit primaire et en dérivation un circuit secondaire pour le traitement de la vapeur. Selon une caractéristique de l'invention, le circuit primaire de circulation du liquide de refroidissement se compose de la chambre d'eau du moteur, d'un collecteur, d'un séparateur de phase et d'une conduite de retour à la chambre d'eau munie d'une pompe hydraulique. Selon une caractéristique de l'invention, le circuit secondaire de dérivation comprend un échangeur de chaleur refroidi par un ventilateur et relié au sérarateur de phase par une conduite d'amenée, un réservoir de stockage du liquide et une conduite de retour au circuit primaire. Selon une caractéristique de l'invention, la conduite de retour assurant la jonction entre le circuit secondaire de dérivation et le circuit primaire est munie de moyens obturateurs commandés par le niveau de liquide dans le réservoir de stockage. Selon une autre caractéristique, le réservoir de stockage est muni d'une soupape permettant d'ajuster la pression dans le réservoir et par communication à l'ensemble des circuits primaire et secondaire. Selon une autre caractéristique, les moyens pour adapter le débit et la pression du liquide de refroidissement avec le fonctionnement du moteur comprennent un calculateur électronique qui en fonction de la puissance fournie par le moteur et la 8- température du liquide dans le séparateur pilote le ventilateur, la soupape et la pompe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description donnée à titre d'exemple non limitatif d'un mode de réalisation de l'invention en référence au dessins annexé dans lequel: La figure 1 est une vue schématique, en coupe partielle du dispositif de refroidissement. Conformément à la figure 1, le dispositif de refroidissement comprend un circuit primaire de circulation du fluide de refroidissement C 1 Ce circuit primaire comprend la "chambre d'eau" 20 du moteur à combustion interne 1 Cette chambre d'eau se compose classiquement d'une enceinte entourant les parois des chambres de combustion, définie dans le carter cylindres et se prolongeant dans la culasse La partie supérieure de la chambre d'eau 20 communique par un collecteur 2, avec un séparateur de phase 3 Le circuit primaire C 1 se poursuit ensuite par une conduite 5 qui relie la partie basse du séparateur de phase 3, o est recueillie le liquide à une pompe d'alimentation 4 et la pompe 4 à la chambre d'eau Le circuit primaire C 1 constitue donc une boucle de circulation pour le liquide de refroidissement. Ce circuit primaire C 1 admet un circuit secondaire C 2 de dérivation pour le traitement de la phase vapeur Ce second circuit C 2 comprend une conduite reliant la partie haute du séparateur de phase 3 o est accumulée la vapeur, à un échangeur de chaleur 6 ou radiateur dont les parois extérieures sont refroidies par un ventilateur 7 La partie basse de l'échangeur -9 - 6, o est recueilli le condensat, communique avec un réservoir 11 par la conduite 13 Ce réservoir 11 est muni d'une soupape 10 permettant d'ajuster la pression qui y règne La dérivation générée par le second circuit se termine par la conduite 15 reliant le réservoir 11 à la pompe 4, la conduite 15 est équipée d'une vanne 8 commandée par le niveau de liquide dans le réservoir 11 grâce à un dispositif à flotteur 9. La mise en oeuvre de la pompe 4, du ventilateur 7 et de la soupape 10 est pilotée par un calculateur électronique 17 en fonction de différents paramètres: la température du liquide dans le séparateur de phase, la puissance du moteur, la température au niveau des parois des chambres de conbustion Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit est le suivant: Avant le démarrage du moteur 1, le fluide de refroidissement se présente sous forme liquide et n'est présent que dans le circuit primaire C 1 exceptée une petite quantité retenue dans le réservoir 11, la vanne 8 est en position fermée, interdisant le passage du liquide du circuit primaire C 1 vers le réservoir 11 et l'échangeur 6 Lors du démarrage le calculateur 17 génère une valeur de consigne Pl pour la pression régnant dans le réservoir 11 et donc dans l'ensemble du dispositif de refroidissement via l'échangeur 6 et la conduite 12 Cette pression est générée grâce à la manoeuvre de la soupape 10 Le calculateur 17 détermine également une valeur de débit Q 1 pour la pompe 4 Le fluide de refroidissement circule selon le circuit primaire C 1 jusqu'au moment o le liquide se met à bouillir dans la chambre d'eau 20 au contact des parois chaudes des chambres de combustion Dès lors le collecteur 2 évacue un mélange liquide-vapeur La séparation des phases s'opèrent dans le séparateur 3 Le liquide poursuit sa circulation en boucle - fermée dans le circuit primaire C 1 La vapeur empreinte le second circuit C 2 dit circuit de dérivation et passe dans l'échangeur 6 chassant l'air qui s'y trouve et le comprimant dans le réservoir 11. Le condensat alimente le réservoir 11 et élève ainsi le niveau du liquide Lorsqu'un seuil de niveau est dépassé, le dispositif à flotteur 9 formant capteur de niveau ouvre la vanne 8 ce qui permet de remettre en circulation dans le circuit ou boucle primaire C 1 une certaine quantité de liquide Le dispositif à flotteur 9 referme la vanne 8 dès que le niveau à suffisamment baissé. Si la pression augmente dans le circuit, le calculateur 17 commande la marche du ventilateur afin d'accélérer la condensation au niveau du radiateur 6 et si la condensation n'est pas suffisante, manoeuvre la soupape 10 de façon à échapper l'air comprimé préalablement emmagasiné dans le réservoir 11 Le suivi de la pression régnant dans le circuit est réalisé grâce à un capteur de température 18 disposé dans la partie basse -du séparateur de phase 3 en contact avec la phase liquide. Cette régulation permet donc de conserver une pression quasiment constante et donc une température de vaporisation fixe, ce qui ne nécessite pas une ouverture fréquente de la soupape de régulation. Lorsqu'au cours du fonctionnement la puissance du moteur dépasse un seuil prédéterminé, le calculateur 17 génère alors une seconde valeur de consigne P 2 pour la pression régnant dans le circuit de refroidissement avec P 2 ventilateur 7 et la soupape 10. 49398 1 16 -il- De même le débit de la pompe 4 est modifié et porté à une valeur Q 2 avec Q 2 > Q 1 En diminuant le point d'ébullition et en augmentant le débit du liquide de refroidissement, le circuit est à même de satisfaire les besoins accrus de refroidissement en utilisant le même dispositif et la même quantité de fluide de refroidissement. A l'arrêt du moteur, la dépression créée dans le radiateur 6 et le séparateur de phase 3 provoque la vidange de la réserve 11. Il est évident que l'invention n'est pas limitée à la réalisation décrite et qu'on peut y apporter des variantes d'exécution. Ainsi il est possible d'avoir une adaptation de la pression et du débit N-modale N> 2 et non pas seulement bimodale en décomposant le domaine d'évolution de la puissance du moteur en N segments. Ainsi il est possible d'avoir une adaptation de la pression et du débit qui tienne compte de la puissance du moteur mais également de la température au niveau des parois des chambres de combustion. 49338 ' e 12- REVENDICATIONS 1 Procédé pour refroidir 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, caractérisé en ce qu'il consiste d'une part, à faire circuler le liquide de refroidissement de manière forcée suivant un circuit d'écoulement (C 1, C 2) comprenant la chambre d'eau ( 20) du moteur et d'autre part, à adapter le débit du liquide de refroidissement et la pression régnant dans le circuit d'écoulement (C 1, C 2) en fonction d'un ou plusieurs paramètres de marche du moteur. 2 Procédé pour refroidir un moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit du liquide de refroidissement et la pression régnant dans le circuit d'écoulement (C 1, C 2) évoluent avec la puissance développée par le moteur. 3 Procédé pour refroidir un moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que tant que la puissance du moteur est inférieure à une valeur prédéterminée, le débit du liquide de refroidissement et la pression régnant dans le circuit d'écoulement (C 1, C 2) sont maintenues constantes à des valeurs prédéterminées respectivement Q 1 et Pl et en ce que lorsque la puissance du moteur dépasse ladite valeur prédéterminée, ledit débit et ladite pression sont portés à de nouvelles valeurs prédéterminées Q 2 et P 2 avec Q 2 >Ql et P 2 13 - 4 Dispositif de refroidissement pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (C 1, C 2) pour assurer la circulation forcée du liquide de refroidissement et des moyens ( 17) pour adapter le débit dans la chambre d'eau ( 20) du moteur et la pression du liquide de refroidissement avec le fonctionnement du moteur. Dispositif de refroidissement selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens pour assurer la circulation forcée du liquide de refroidissement comprennent un circuit primaire (C 1) et en dérivation un circuit secondaire (C 2) pour le traitement de la vapeur. 6 Dispositif de refroidissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit primaire (C 1) de circulation du liquide de refroidissement se compose de la chambre d'eau du moteur ( 20), d'un collecteur ( 2), d'un séparateur de phase ( 3) et d'une conduite de retour ( 5) à la chambre d'eau munie d'une pompe hydraulique ( 4). 7 Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que le circuit secondaire (C 2) de dérivation comprend un échangeur de chaleur ( 6) refroidi par un ventilateur ( 7) et relié au séparateur de phase par une conduite d'amenée ( 12), un réservoir de stockage ( 11) du liquide et une conduite de retour ( 15) au circuit primaire. 8 Dispositif de refroidissement selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladit conduite de retour ( 15) est munie de moyens obturateurs ( 8,9) commandés par le niveau de liquide dans ledit réservoir. 14- 9 Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que le réservoir de stockage ( 11) est muni d'une soupape ( 10) permettant d'ajuster la pression dans le réservoir et dans l'ensemble des circuits primaire et secondaire (C 1, C 2). Dispositif de refroidissement selon les revendications 6, 7 et 9, caractérisé en ce que les moyens pour adapter le débit et la pression du liquide de refroidissement avec le fonctionnement du moteur comprennent un calculateur électronique ( 17) qui en fonction de la puissance fournie par le moteur et la température du liquide dans le séparateur ( 3), pilote le ventilateur ( 7) la soupape ( 10) et la pompe ( 4).