Brevet FR2697869A1 — publié le 19940513

SYSTEME DE REFROIDISSEMENT POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne un système de refroidissement pour un moteur à combustion interne équipant un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un système de refroidissement par vaporisation de l'agent de refroidissement comportant des moyens de pré-chauffage de ce dernier. Les normes concernant la pollution et la consommation des moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles, se sévérisent chaque jour davantage dans l'ensemble des pays industrialisés. L'industrie automobile est donc aujourd'hui occupée à trouver des solutions techniques pour répondre à ces obligations et ce, sans trop pénaliser ni les performances des moteurs ni leur prix de revient. Les systèmes de refroidissement jouent un rôle important sur le bon fonctionnement des moteurs à combustion interne et donc sur les émissions de polluants. Classiquement les systèmes de refroidissement utilisent une circulation d'eau (mélangée à des inhibiteurs de rouille et à de l'antigel) dans un circuit en boucle fermée. L'eau entrainée par une pompe absorbe alors 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 où circule l'air ambiant, avant de retourner au moteur. On améliore ce fonctionnement par des moyens assurant la régulation de la température, par des moyens de mise en pression du circuit d'eau pour éviter la cavitation de la pompe, etc... Toutefois de tels systèmes présentent l'inconvénient de nécessiter une grande quantité d'eau, ce qui implique un alourdissement du véhicule et une montée en température relativement longue : d'où des émissions d'imbrûlées et de polluants. Par ailleurs, en certains points de la chambre d'eau, les températures peuvent atteindre des valeurs assez élevées pour provoquer une ébullition locale non contôlée et donc l'apparition de points chauds générateurs de certains polluants, NO et HC en particulier. Pour ces raisons d'autres systèmes de refroidissement ont donc été développés et notamment des systèmes de refroidissement diphasique du type eau-vapeur. On peut citer à ce sujet parmi les plus récentes publications, les brevets US-A-4.572.115, US-A-4.570.115 et US-A4.367.699 qui décrivent plus particulièrement des systèmes de refroidissement dits à niveau constant ou à ébullition stagnante. Le principe de ces systèmes est simple : utiliser l'évaporation de l'eau pour absorber grâce à la chaleur latente de vaporisation de l'eau d'importantes quantités de chaleur du moteur. Cette technique permet avec une quantité de liquide réduite d'opérer un refroidissement efficace du moteur. La demanderesse a donc développé un nouveau système de refroidissement diphasique, plus particulièrement décrit dans la demande de brevet EP-A-489.628. Cette invention vise à supprimer certains des problèmes résiduels des circuits de refroidissement diphasiques, tels que les rejets de vapeur à l'atmosphère qui entrainent une consommation progressive du fluide de refroidissement compromettant l'autonomie du véhicule. Ce système est basé sur une circulation forcée du fluide de refroidissement où les caractéristiques de cette circulation, débit et pression, sont régulées en fonction d'un ou plusieurs paramètres de marche du moteur. Le système de refroidissement permet de réguler la température des parois des chambres de combustion à une valeur optimum déterminée en fonction des caractéristiques du moteur. Le but de la présente invention est d'améliorer encore l'efficacité d'un tel système de refroidissement et plus particulièrement la montée rapide en température du moteur lors du démarrage de ce dernier de façon à atteindre le plus tôt possible la température optimale, et ce en utilisant notamment des moyens de préchauffage intégrés commandés sélectivement. Le système de refroidissement selon l'invention est plus particulièrement destiné aux moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles. Ce système comporte un premier circuit de refroidissement par ébullition circulante de l'agent de refroidissement qui comprend le circuit interne du moteur, un séparateur de phase, au moins un échangeur de chaleur-condenseur, une pompe d'alimentation, des vannes pilotées et un système de contrôle permettant d'adapter le débit et la pression de l'agent de refroidissement en fonction d'un ou plusieurs paramètres de marche dudit moteur. Selon l'invention, le système de refroidissement est caractérisé en ce qutil comporte également un second circuit de refroidissement comprenant un échangeur de chaleur connecté au circuit de lubrification du moteur ou de la boîte de vitesses, une pompe d'alimentation, des moyens de chauffage autonomes, des vannes pilotées et un système de contrôle permettant d'adapter le débit et la température de l'agent de refroidissement en fonction d'un ou plusieurs paramètres de marche dudit moteur. Selon une autre caractéristique du système de refroidisement selon l'invention, le premier circuit de refroidissement comporte également des moyens de chauffage pilotés par le système de contrôle du circuit pour permettre d'adapter la température de l'agent de refroidissement en fonction d'un ou plusieurs paramètres de marche dudit moteur et notamment pour accélérer la montée en température de l'agent de refroidissement lors du démarrage du moteur. Selon une autre caractéristique du système de refroidissement selon l'invention, les moyens de chauffage pilotés sont communs aux deux circuits de refroidissement. Selon une autre caractéristique du système de refroidissement selon l'invention, un seul et même système de contrôle pilote le fonctionnement des deux circuits de refroidissement. Ce système pouvant être par exemple le système électronique de contrôle moteur. Selon une autre caractéristique du système de refroidissement selon l'invention, les moyens de chauffage sont constitués par un dispositif de stockage d'énergie apte à libérer de l'énergie calorifique au contact de l'agent de refroidissement lorsque ce dernier est encore froid et à en emmagasiner au contact de l'agent de refroidissement, lorsque ce dernier a atteint une certaine température. Selon une autre caractéristique du système de refroidissement selon l'invention, le dispositif de stockage d'énergie utilise des éléments renfermant des sels à chaleur latente de fusion, tels que des sels d'hydroxyde de baryum. Selon une autre caractéristique du système de refroidissement selon l'invention, les deux circuits de refroidissement communiquent et utilisent de ce fait le même agent de refroidissement. Selon une autre caractéristique du système de refroidissement selon l'invention, les deux circuits de refroidissement sont totalement distincts et ne communiquent donc pas entre eux. Ils peuvent de ce fait utiliser des agents de refroidissement de type différents. 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 appliqués à un moteur à combustion interne, ce mode de réalisation étant donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 représente schématiquement un système de refroidissement selon l'invention ; - les figures 2 à 5, similaires à la figure 1, précisent le fonctionnement du système de refroidissement selon l'invention. La figure 1 présente donc un système de refroidissement d'un moteur à combustion interne du type multicylindre, repéré par la référence 1 sur les dessins, équipant un véhicule automobile. Seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été figurés. Le système de refroidissement présenté se compose principalement de deux circuits distincts C1 et C2 assurant la circulation sélective d'un fluide de refroidissement caloporteur, tel qu'un mélange eau, inhibiteurs de rouille et antigel. Le premier circuit C1 est principalement destiné au refroidissement des parois chaudes du moteur. Ce circuit est plus particulièrement agencé pour la mise en oeuvre du procédé de refroidissement par ébullition circulante décrit dans la demande de brevet nO EP-A-489.628 précitée. Ce premier circuit C1 comprend donc un le circuit interne du moteur ou "chambre d'eau". Cette chambre d'eau se compose classiquement d'une enceinte définie dans le carter cylindres, entourant les parois des chambres de combustion, et se prolongeant dans la culasse. L'orifice de sortie de la chambre d'eau, disposé dans la partie supérieure de cette dernière, communique avec un séparateur de phase 3 comportant des moyens compensateurs de pression pilotés par des moyens de contrôle et un clapet de détarage. Une conduite de retour relie la partie inférieure du séparateur de phase 3, où est recueilli le liquide, à l'orifice d'entrée de la chambre d'eau par l'intermédiaire d'une pompe d'alimentation 8 permettant d'assurer une vitesse de circulation suffisante. La phase vapeur peut être traitée par deux radiateurs de condensation distincts 5 et 6. La partie supérieure du séparateur de phase 3, où circule la vapeur, est reliée à un premier condenseur 5. Cet échangeur de chaleur 5, du type eau/air, coopère avec un ventilateur piloté non figuré, le condensat est recueilli dans un réservoir intégré muni d'une soupape permettant d'en ajuster la pression ; une conduite munie d'une vanne, relie ce réservoir à la conduite de retour à la chambre d'eau, en amont de la pompe 8. Le séparateur de phase 3 est également connecté à un second condenseur ou aérotherme assurant le transfert de calories à l'habitacle du véhicule pour assurer le chauffage de ce dernier. Une vanne pilotée 10 permet de diriger le flux de vapeur vers l'un et/ou l'autre des deux condenseurs 5 et 6. La vanne 10 ainsi que les autres moyens pilotés, à savoir la pompe 8, le ventilateur et les différents moyens de régulation de la pression équipant le circuit C1, sont commandés par un calculateur électronique non figuré, qui peut être le calculateur du système électronique de contrôle moteur. Ce calculateur détermine alors en fonction de différents paramètres représentatifs du fonctionnement du moteur, tels que le régime, la charge, la pression collecteur, etc..., les caractéristiques de fonctionnement de chacun, suivant des stratégies prédéterminées précisées ciaprès. Le système de refroidissement comporte également un second circuit de refroidissement C2 coopérant étroitement avec le premier circuit C1 susmentionné. Ce second circuit C2, qui est notamment destiné à réguler la température de l'huile utilisée pour lubrifier le moteur 1 et/ou la bote de vitesses, non figurée, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur eau/huile 2, a également pour fonction d'accélérer la montée en température de l'huile et/ou des parois des chambres de combustion en utilisant des moyens de préchauffage autonomes et rechargeables tel qu'un dispositif de stockage d'énergie 4. Le dispositif de stockage d'énergie 4 permet d'emmagasiner de l'énergie calorifique, prélevée sur le circuit de refroidissement, lors du fonctionnement du moteur et de restituer ensuite cette énergie lors de phases de fonctionnement prédéterminées, telle que la phase de démarrage. Il se compose essentiellement d'une enceinte calorifugée dans laquelle sont disposées des réservoirs étanches, bons conducteurs thermiques, renfermant des sels à chaleur latente de fusion dont la liquéfaction est endothermique et donc la solidification est fortement exothermique.On peut par exemple utiliser des sels d'hydroxyde de baryum dont la température de fusion est de 780C et dont la chaleur latente de fusion à cette température est de 320 kJ/Kg Les ouvertures de l'enceinte sont commandées par des vannes pilotées autorisant sélectivement le passage de fluide de refroidissement à l'intérieur de l'enceinte. Le second circuit C2 comprend donc un échangeur de chaleur du type eau/huile 2 connecté au circuit de lubrification du moteur. Cet échangeur de chaleur 2 est relié par une conduite d'arrivée et une conduite de retour à l'enceinte du dispositif de stockage d'énergie 4. Une pompe d'alimentation 7 permet d'assurer la circulation du fluide caloporteur utilisé dans ce second circuit. Une conduite de dérivation permet également de faire circuler ce fluide dans l'aérotherme 6 utilisé pour chauffer l'habitacle du véhicule. L'aérotherme comprend deux parties distinctes correspondant respectivement au premier et au second circuit et permettant ainsi de ne pas mélanger les deux fluides caloporteurs utilisés dans chacun des deux circuits C1 et C2. On peut toutefois prévoir dans un autre mode de réalisation de l'aérotherme 6 une seule partie commune aux deux circuits ce qui implique alors l'utilisation d'un même fluide. Une vanne pilotée 9 permet de diriger le fluide caloporteur du second circuit à travers l'échangeur 2 et/ou l'aérotherme 6. Indépendamment des boîtes à eau éventuellement communes de l'aérotherme 6, le rapprochement des circuits C1 et C2 est opéré au niveau du dispositif de stockage d'énergie 4. Une conduite de dérivation permet de faire circuler le fluide de refroidissement du premier circuit à travers le dispositif de stockage d'énergie 4. Cette conduite est connectée d'une part à la sortie supérieure du séparateur de phase et d'autre part à l'entrée amont de la pompe 8 d'alimentation. Une vanne pilotée 11 permet d'opérer sélectivement la circulation du fluide de refroidissement du premier circuit à travers le dispositif de stockage d'énergie 4. Là encore deux possibilités peuvent être envisagées : soit enceinte du dispositif de stockage de l'énergie est compartimentée pour empêcher la mise en communication des deux circuits, soit 11 enceinte n'est pas compartimentée et les deux circuits C1,C2 sont à même de communiquer. Les vannes 9 et 11 ainsi que les autres moyens pilotés équipant le second circuit C2, à savoir la pompe 7 et les vannes commandant les ouvertures de l'enceinte calorifugée du dispositif de stockage d'énergie sont commandés comme pour le premier circuit C1 par un calculateur-électronique non figuré, qui peut être le calculateur du système électronique de contrôle moteur. Le calculateur détermine en fonction de différents paramètres représentatifs du fonctionnement du moteur, tels que le régime, la charge, la pression collecteur, etc..., les caractéristiques de fonctionnement de chacun, suivant des stratégies prédéterminées précisées ci-après. Conformément au figures 2 à 5, le fonctionnement du circuit de refroidissement selon l'invention est le suivant. Sur ces figures les parties non utilisées des circuits C1 et C2 sont figurées de façon hachurées. Lors du démarrage du moteur, Cf les figures 2 et 3, le système électronique qui contrôle le circuit de refroidissement selon l'invention déclenche la circulation du fluide de refroidissement à travers le second circuit, entre l'échangeur eau/huile 2 et le dispositif de stockage d'énergie 4, en activant la pompe 7 et en commandant notamment la vanne 9 et les vannes du dispositif 4. Le contact de l'eau froide à l'intérieur de l'enceinte avec les réservoirs de sels fondus provoquent la solidification de ces derniers et un fort dégagement de chaleur. Il en résulte une montée extrêmement rapide de la température du liquide de refroidissement et grâce à l'échangeur 2, une montée correspondante de la température de l'huile qui ainsi atteint très rapidement sa température optimale de lubrification, ce qui permet de réduire les frottements du moteur. Pour ce qui est du pilotage du premier circuit C1, deux stratégies sont possibles. Soit, figure 3, le premier circuit est inactivé de façon à accélérer naturellement la montée en température du moteur, en n'opérant pas la circulation de l'agent de refroidissement à l'intérieur de la chambre d'eau. Soit, figure 2, pour accélérer encore plus la montée en température, le premier circuit est activé en envoyant l'agent de refroidissement à travers le dispositif de stockage d'énergie 4 de façon à rapidement réchauffer ce dernier et ainsi à réchauffer les parois du moteur. Parallèlement à la montée en température du moteur, tant des chambres de combustion que de l'huile de lubrification, il peut être important de chauffer l'habitacle du véhicule, il suffit alors, Cf figure 3, de diriger via la vanne 9 la circulation d'une partie de l'agent de refroidissement du second circuit C2, vers l'aérotherme 6, pour obtenir très rapidement la température souhaitée dans l'habitacle du véhicule. Lorsque le moteur est en fonctionnement à chaud, Cf figure 4, le second circuit C2 continue à assurer une circulation de l'agent de refroidissement, mais alors c'est l'agent de refroidissement qui restitue l'énergie calorifique prélevée au niveau de l'échangeur de chaleur 2, au dispositif de stockage d'énergie 4 en opérant la fusion des sels, de façon que ce dernier reconstitue ces réserves pour le prochain démarrage. On peut également prévoir que le circuit C1 participe, Cf figure 5, à la recharge du dispositif de stockage d'énergie 4, en dérivant l'agent de refroidissement à travers le dispositif 4. Lorsque le moteur est arrêté, le dispositif de stockage d'énergie 4 est immédiatement isolé en opérant la fermeture des ouvertures de l'enceinte renfermant les sels, de façon à conserver le plus longtemps possible ces derniers liquéfiés. 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, il est possible de prévoir des moyens de chauffage spécifiques à chacun des circuits de refroidissement. De même il est possible de prévoir des moyens de contrôles distincts pour chacun des circuits C1 et C2. Ainsi dans le cas où les circuits de refroidisement C1 et C2 sont totalement distincts, il est possible d'utiliser deux agents de refroidissement de caractéristiques distinctes. Pour ce qui est de la réalisation des moyens de contrôle pilotant le système de refroidissement du moteur qui vient d'être décrit, elle peut être réalisée sous diverses formes - soit avec des composants d'électronique analogique pour lesquels les sommateurs, comparateurs et autres filtres sont réalisés à l'aide d'amplificateurs opérationnels - soit avec des composants d'électronique numérique qui réaliseraient la fonction en logique câblée - soit par un algorithme de traitement du signal implanté sous forme d'un module logiciel composant d'un système logiciel de contrôle moteur faisant fonctionner le microcontrôleur d'un calculateur électronique - soit encore, par une puce spécifique (custom) dont les ressources matérielles et logicielles auront été optimisées pour réaliser les fonctions objet de l'invention : puce microprogrammable ou non, encapsulée séparément ou bien tout ou partie d'un coprocesseur implanté dans un microcontrôleur ou microprocesseur etc. De même l'invention comprend tous les équivalents techniques appliqués à un moteur à combustion interne quelque soit son cycle de combustion (2 temps,4 temps), le carburant utilisé diesel ou essence ou encore, le nombre de cylindres. REVENDICATIONS [1] Système de refroidissement pour moteur à combustion interne (1) équipant un véhicule automobile, comportant un premier circuit de refroidissement (C1) par ébullition circulante de l'agent de refroidissement comprenant le circuit interne du moteur, un séparateur de phase (3), au moins un échangeur de chaleur-condenseur (5,6), une pompe d'alimentation (8), des vannes pilotées (11,10) et un système de contrôle permettant d'adapter le débit et la pression de l'agent de refroidissement en fonction d'un ou plusieurs paramètres de marche dudit moteur (1), caractérisé en ce qu'il comporte également un second circuit de refroidissement (C2) comprenant un échangeur de chaleur (2) connecté au circuit de lubrification du moteur (1) ou de la boîte de vitesses, une pompe d'alimentation (7), des moyens de chauffage autonomes (4), des vannes pilotées (11,9) et un système de contrôle permettant d'adapter le débit et la température de l'agent de refroidissement en fonction d'un ou plusieurs paramètres de marche dudit moteur (1). [2] Système de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier circuit (C1) comporte également des moyens de chauffage (4) pilotés par le système de contrôle dudit circuit pour permettre d'adapter la température de l'agent de refroidissement en fonction d'un ou plusieurs paramètres de marche dudit moteur (1) et notamment pour accélérer la montée en température de l'agent de refroidissement au démarrage du moteur. [3] Système de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de chauffage pilotés (4) sont communs aux deux circuits (C1,C2). [4] Système de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que un seul et même système de contrôle pilote le fonctionnement des deux circuits de refroidissement (C1,C2). [5] Système de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de chauffage sont constitués par un dispositif de stockage d'énergie (4) apte à libérer de l'énergie calorifique au contact de l'agent de refroidissement lorsque ce dernier est encore froid et à en emmagasiner au contact de l'agent de refroidissement lorsque ce dernier a atteint une certaine température. [6] Système de refroidissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit dispositif de stockage d'énergie (4) utilise des éléments renfermant des sels à chaleur latente de fusion, tels que des sels d'hydroxyde de baryum. [7] Système de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les deux circuits (C1,C2) communiquent et utilisent le même agent de refroidissement. [8] Système de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les deux circuits (C1,C2) sont distincts et ne communiquent pas entre eux.