Brevet FR2697580A1 — publié le 19940506

SYSTEME DE REFROIDISSEMENT PAR EVAPORATION POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne un système de refroidissement par évaporation de l'agent de refroidissement pour un moteur à combustion interne équipant notamment les véhicules automobiles. L'invention concerne plus particulièrement le circuit de refroidissement s'étendant à travers le bloc moteur. Il est connu depuis longtemps d'utiliser le phénomène d'ébullition d'un fluide de refroidissement tel que de l'eau pour évacuer de la chaleur d'un moteur à combustion interne. Dans un système de refroidissement à évaporation pour moteur à combustion interne, tel que décrit dans les publications US 4.572.115 et US 4.570.579, le liquide de refroidissement s'évapore à l'intérieur du circuit de refroidissement du moteur. La vapeur est alors extraite par un système de prélèvement disposé dans la partie supérieure du circuit de refroidissement et envoyée dans un radiateur où elle est condensée. Le condensat est ensuite renvoyé dans le circuit de refroidissement du moteur.De tels systèmes de refroidissement du moteur dits à ébullition stagnante" présentent certains inconvénients que la Demanderesse a résolu en proposant un nouveau système de refroidissement par évaporation à circulation forcée décrit dans la demande de brevet français N"90/15002. La présente invention concerne un circuit de refroidissement spécifique pour la mise en oeuvre d'un système de refroidissement diphasique à circulation forcée tel que le système susmentionné. Classiquement les circuits de refroidissement comprennent une première chambre où arrive le fluide de refroidissement, définie dans le carter cylindres et enveloppant les fats. Cette première chambre communique à travers un ou plusieurs passages verticaux avec une seconde chambre définie dans la culasse où elle entoure les différentes chambres de combustion. La circulation du fluide diphasique est alors du type "en U" ou "en diagonale". Dans le premier cas, l'entrée du fluide dans le moteur et sa sortie se font du même côté, tandis que dans le second cas, l'entrée et la sortie du fluide se font de deux côtés différents. Ces deux types de circulation donnent des resultats satisfaisants mais ils ne permettent toutefois pas d'évacuer la totalité de la vapeur formée au fur et à mesure où cette dernière se forme, ce qui peut provoquer l'éventuelle formation de points chauds préjudiciables au bon fonctionnement du moteur. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un nouveau de circuit de refroidissement à l'intérieur du moteur dit "vertical", qui permet une bonne extraction de toute la vapeur formée. Le système de refroidissement par évaporation de l'agent de refroidissement selon l'invention concerne un moteur à combustion interne multicylindre comprenant un circuit de refroidissement entourant les parties chaudes du moteur. Le circuit comporte un orifice d'entrée de l'agent de refroidissement disposé sur une face latérale du moteur, une première chambre située dans le carter-cylindres disposée autour des alésages cylindriques et une seconde chambre située dans la culasse et un orifice de sortie de l'agent de refroidissement. Selon l'invention le système de refroidissement est caractérisé en ce que la première chambre comprend deux passages s'étendant latéralement de part et d'autre des cylindres, sur à peu près toute la longueur du carter et sur toute ou partie de la hauteurs des cylindres, ces deux passages longitudinaux étant parcourus par l'agent de refroidissement suivant le même sens de circulation, de la face latérale d'entrée à la face latérale opposée, et communique avec la seconde chambre par une série de conduits sensiblement verticaux dont la section augmente de l'amont vers l'aval en considérant le sens d'écoulement de l'agent de refroidissement. Selon une autre caractéristique du système de refroidissement selon l'invention, la seconde chambre comprend un réseau de passages s'étendant au-dessus des chambres de combustion, certains de ces passages étant disposés transversalement au voisinage des pontets inter-soupapes. Selon une autre caractéristique du système de refroidissement selon l'invention, le circuit de refroidissement comporte une troisième chambre s'étendant au-dessus de la seconde chambre, cette seconde chambre communicant avec la troisième par une série de conduits sensiblement verticaux. Selon une autre caractéristique du système de refroidissement selon l'invention, la troisième chambre est formée par un conduit cylindrique s'étendant au-dessus de la culasse. Selon une autre caractéristique du système de refroidissement selon l'invention, les passages de la seconde chambre disposés au voisinage des pontets inter-soupapes sont inclinés pour permettre l'évacuation de la phase vapeur de l'agent de refroidissement. Selon une autre caractéristique du système de refroidissement selon l'invention, les conduits sensiblement verticaux reliant ladite seconde chambre à ladite troisième chambre débouchent dans la partie haute desdits passages transversaux de la seconde chambre disposés au voisinage des pontets inter-soupapes. Selon une autre caractéristique du système de refroidissement selon l'invention, la circulation de l'agent de refroidissement dans ladite troisième chambre s'effectue dans le même sens que dans ladite première chambre. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, présenté à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel la figure 1 est une vue schématique en coupe partielle, du moteur à combustion interne selon l'invention Conformément à la figure 1, seuls les éléments du moteur nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. Le système de refroidissement présenté à la figure 1, concerne un moteur à combustion interne, à essence ou diesel, à cylindres en ligne. Ce moteur comprend un carter-cylindres 1 et une culasse 2 dans lesquelles sont agencés un circuit de refroidissement amenant l'agent de refroidissement au contact des parties chaudes du moteur. Le système de refroidissement utilise la vaporisation de l'eau pour absorber grâce au phénomène de la chaleur latente de vaporisation de l'eau d'importantes quantités de chaleur du moteur. Le système de refroidissement comprend donc un circuit externe au moteur, non figuré, où le fluide diphasique sortant du moteur est traité par des moyens séparateurs de phase et des moyens condenseurs. Ce circuit externe communique avec un circuit interne au moteur où s'opère la vaporisation de l'eau. Ce circuit interne se compose d'un orifice d'entrée de l'eau disposé sur une face latérale 4 du bloc cylindre 1. L'orifice d'entrée débouche dans une première chambre 10 agencée dans le carter-cylindres 1 et destinée à la circulation de l'eau eu le long des parois des cylindres 3. Cette première chambre d'eau 10 comprend deux passages s'étendant latéralement de part et d'autre de la ligne des cylindres 3, sur à peu près toute la longueur de carter 1 et sur toute ou partie de la hauteur des cylindres 3. La première chambre communique avec une seconde chambre 20 disposée dans la culasse 2 par une série de conduits verticaux 6. Les conduits verticaux 6 débouchent de façon sensiblement symétrique dans chacun des passages longitudinaux. Ces conduits 6 présentent par ailleurs des sections croissantes au fur et à mesure que l'on s'éloigne de l'orifice d'entrée. Du fait de cet agencement, l'agent de refroidissement circule dans chacun des deux passages de la première chambre 10 suivant le même sens de circulation de la face latérale d'entrée 4 à la face latérale opposée 5 ce qui assure un refroidissement homogène des cylindres 3. Par ailleurs l'augmentation de la taille des conduits verticaux 6 de l'amont vers l'aval en considérant le sens d'écoulement de l'agent de refroidissement, permet une extraction optimum de la vapeur produite en hauts des fûts 3 et un équilibrage des débits locaux entre les cylindres 3. La seconde chambre 20 comprend un réseau de passages s'étendant au-dessus des différentes chambres de combustion. Cette seconde chambre communique à son tour, avec une troisième chambre disposée au-dessus d'elle par une série de conduits verticaux 7. Ces conduits 7 débouchent dans la partie supérieure de la seconde chambre 20 et plus particulièrement au niveau des pontets intersoupapes. L'agencement des passages de la première chambre 10 à la seconde chambre 20 puis à la troisième 8, permet un écoulement transversal à l'intérieur de la culasse 2 et donc une bonne irrigation des pontets intersoupapes situés entre les pipes d'échappement et d'admission. La troisième chambre est constituée par un tube cylindrique 8 de fort diamètre disposé audessus de la culasse et s'étendant sur pratiquement toute la longueur de la culasse. Ce tube est, dans l'exemple illustré, fermé à l'extrémité disposée du côté de la face latérale 4 où est agencé l'orifice d'entrée de l'agent de refroidissement et débouche à l'autre extrémité par un orifice de sortie permettant la mise en communication avec le circuit externe. Ainsi la circulation du fluide diphasique s'opère dans le même sens de circulation que dans la première chambre 10, de la face latérale d'entrée 4 à la face latérale opposée 5. La mise en place de cette troisième chambre 8 permet de supprimer l'écoulement horizontal à l'intérieur de la seconde chambre 20 qui s'effectue alors dans le tube collecteur 8. Il en résulte une meilleure évacuation de la vapeur produite dans la culasse 2 et une suppression de l'échauffement progressif du liquide puisqu'il s'écoule verticalement vers la chambre 8 laquelle n'est sujette à aucun flux de chaleur. La circulation de l'agent de refroidissement proposée permet un écoulement vertical particulièrement adapté au refroidissement diphasique, contrairement aux circulations d'eau classiques "diagonale" ou en "U". Conformément au circuit décrit précédemment la circulation du fluide de refroidissement est la suivante. Le fluide essentiellement sous forme liquide en provenance du collecteur du condenseur et/ou du séparateur, est envoyé sous pression dans le circuit de refroidissement interne du moteur au moyen d'une pompe. Le flux de liquide pénètre dans le circuit par orifice d'entrée pour se diviser en deux flux distincts alimentant les passages longitudinaux de la première chambre 10 de façon à balayer chacun un côté du carter-cylindres 1. au contact des parois des cylindres 3, une certaine quantité de liquide se transforme en vapeur absorbant grâce au phénomène de chaleur latente d'importantes quantités de chaleur.Le mélange diphasique est emporté alors vers la seconde chambre 20 agencée dans la culasse 2 par les différents conduits verticaux 6 de montée de fluide agencés le long des deux passages longitudinaux. A l'intérieur de la seconde chambre 20, le fluide diphasique est amené au contact des parois des chambres de combustion et notamment des pontets inter-soupapes, puis est évacué par les conduits verticaux 7 vers la chambres 8. Ainsi le flux de fluide diphasique traverse les deux premières chambres ou s'effectue la vaporisation de l'eau de manière sensiblement verticale ce qui permet l'élimination de toutes la vapeur et évite la formation de points chauds. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. Ainsi la sortie du circuit interne agencée à une extrémité de la chambre 8 peut être disposée du même côté que l'orifice d'entrée sans dysfonctionnement du système de refroidissement. De même la chambre 8 peut être intégrée à la culasse ou au couvre culasse. Par ailleurs, par une augmentation de la surface extérieure de la chambre 8, à l'aide d'ailettes par exemple, on peut l'utiliser comme un étage de précondensation de la vapeur sortant du moteur, ce qui permet de réduire la taille du radiateur de condensation. De même, la chambre 6 peut être utilisée aussi comme un échangeur, eau - huile, à tubes concentriques. l'huile circulant dans l'espace annulaire peut être réchauffée rapidement lors des démarrages à froid et refroidie aux fortes puissances c'est- -dire lorsque sa température dépasse celle de l'agent de refroidissement. REVENDICATIONS El] Système de refroidissement par évaporation de l'agent de refroidissement pour un moteur à combustion interne multicylindre comprenant un circuit de refroidissement entourant les parties chaudes du moteur, ledit circuit comportant un orifice d'entrée de l'agent de refroidissement disposé sur une face latérale (4) du moteur, une première chambre (10) située dans le cartercylindres disposée autour des alésages cylindriques (3) et une seconde chambre (20) située dans la culasse (2) et un orifice de sortie de l'agent de refroidissement, caractérisé en ce que la première chambre (10) comprend deux passages s'étendant latéralement de part et d'autre des cylindres (3), sur à peu près toute la longueur du carter (1) et sur toute ou partie de la hauteurs des cylindres (3), ces deux passages longitudinaux étant parcourus par l'agent de refroidissement suivant le même sens de circulation, de la face latérale d'entrée (4) à la face latérale opposée (5), et communicant avec la seconde chambre (20) par une série de conduits sensiblement verticaux (6) dont la section augmente de l'amont vers l'aval en considérant le sens d'écoulement de l'agent de refroidissement. [2] Système de refroidissement par évaporation de l'agent de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite seconde chambre (20) comprend un réseau de passages s'étendant au-dessus des chambres de combustion, certains de ces passages étant disposés transversalement au voisinage des pontets intersoupapes. [3] Système de refroidissement par évaporation de l'agent de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ledit circuit comporte une troisième chambre (8) s'étendant au-dessus de ladite seconde chambre (20), cette seconde chambre (20) communicant avec la troisième (8) par une série de conduits sensiblement verticaux (7). [4] Système de refroidissement par évaporation de l'agent de refroidissement selon la revendication 3, caractérisé en ce que la troisième chambre est formée par un conduit cylindrique (8) s'étendant au-dessus de la culasse (2). [5] Système de refroidissement par évaporation de l'agent de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que les passages de la seconde chambre (20) disposés au voisinage des pontets inter-soupapes sont inclinés pour permettre l'évacuation de la phase vapeur de l'agent de refroidissement. [6] Système de refroidissement par évaporation de l'agent de refroidissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que les conduits sensiblement verticaux (7) reliant ladite seconde chambre (20) à ladite troisième chambre (8) débouchent dans la partie haute desdits passages transversaux de la seconde chambre (20) disposés au voisinage des pontets inter-soupapes. [7] Système de refroidissement par évaporation de l'agent de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la circulation de l'agent de refroidissement dans ladite troisième chambre (8) s'effectue dans le même sens que dans ladite première chambre (10).