Brevet FR2721655A1 — publié le 19951229

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT PAR EVAPORATION POUR UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne équipant un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de refroidissement par évaporation dans lequel on utilise un fluide de refroidissement qui est porté à ébullition dans le moteur. Le rôle des systèmes de refroidissement est essentiel pour le fonctionnement des moteurs à combustion interne. En effet, le rendement des moteurs à combustion interne multicylindres actuels étant d'environ 30 %, la majeure partie de l'énergie apportée par la combustion est donc dissipée sous forme de chaleur. Cette chaleur doit être évacuée sous peine d'entraîner de graves dysfonctionnements : serrage des pistons dans les cylindres, déformation de la culasse et fuites au niveau des joints, fissurations de la chambre de combustion, etc. L'évacuation des calories par un système de refroidissement est donc une nécessité. Le refroidissement d'un moteur à combustion interne est généralement assuré par convection forcée : un fluide de refroidissement approprié (eau, air, huile...) balaye les parois extérieures 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 alors la chaleur des parties chaudes du moteur principalement dans une chambre de refroidissement ou chambre d'eau agencée dans le bloc moteur autour des cylindres, puis est refroidie à son tour dans un radiateur, avant de retourner au moteur. Malgré les nombreux perfectionnements apportés à un tel procédé, le refroidissement par circulation d'eau actuellement utilisé présente encore certains inconvénients. En effet, compte tenu de la faible valeur de la capacité calorifique de l'eau, la quantité d'eau requise pour assurer le refroidissement d'un moteur à combustion de véhicule automobile est relativement importante. Cette quantité d'eau est pénalisante, elle alourdit le moteur ce qui accroît la consommation en carburant de ce dernier et elle retarde la montée en température de ce dernier lors des démarrages à froid, d'où des émissions de polluants. Par ailleurs, en certains points du circuit de refroidissement, notamment dans les zones à fort flux de chaleur de la chambre d'eau, les températures au droit des parois peuvent atteindre des valeurs suffisamment élevées pour provoquer une ébullition locale non contrôlée. Cette ébullition non contrôlée génère la formation de poches de vapeur séparant le liquide des parois, qui empêchent alors le refroidissement correct de ces dernières et provoquent l'apparition de points chauds susceptibles d'entraîner la destruction du moteur. Pour ces raisons, d'autres systèmes de refroidissement ont été étudiés et notamment des systèmes de refroidissement diphasiques du type eau-vapeur. On peut citer à ce sujet parmi les plus récentes publications le brevet US-4.572.115 ou encore le brevet Us-4.367.699 Le principe de ces systèmes est simple utiliser l'ébullition, cette fois contrôlée de l'eau, pour absorber grâce à la chaleur latente de vaporisation de l'eau d'importantes quantités de chaleur. Dans un refroidissement typique de refroidissement par évaporation (ou ébullition), le liquide de refroidissement s'évapore à l'intérieur de la chambre d'eau. Par l'intermédiaire d'un système de soutirage adapté, la vapeur est évacuée dans un séparateur de phases puis dans un radiateur où la vapeur est condensée. Le condensat est ensuite renvoyé dans la chambre d'eau. De tels systèmes de refroidissement diphasiques présentent donc des avantages importants : la quantité de liquide nécessaire est réduite, peu ou pas de gradients de température car l'ébullition se fait à température constante pour une pression donnée. Toutefois, la mise en oeuvre de ces systèmes est freinée par des difficultés de réalisation pratique. La vaporisation provoque une forte pressurisation du circuit de refroidissement. Pour contrôler la pression du circuit les solutions existantes sont soit la mise à l'air libre du circuit soit encore l'utilisation d'un réservoir à volume variable. La première solution n'est pas acceptable car il n'est pas possible d'éviter une perte progressive de liquide qui compromet l'autonomie du véhicule et nécessite un entretien régulier et la seconde pose un problème d'encombrement car le vase à volume dilatable nécessaire est de grande dimension, difficilement logeable dans les compartiments des moteurs actuels. Par ailleurs, beaucoup de ces systèmes sont à ébullition stagnante, de tels systèmes nécessitent un contrôle rigoureux de la surface libre en haut du moteur pour éviter d'assécher les parois chaudes de la chambre d'eau notamment au droit de la culasse. Dès que le niveau est bas, le condensat provenant du radiateur est remis à l'entrée du moteur, or la détection de la surface libre nécessite des moyens sophistiqués et onéreux, qui, malheureusement, s'avèrent peu fiables car la surface libre d'un liquide en ébullition est mal définie et les fonctionnements en pente induisent des dysfonctionnements. De plus, les systèmes de refroidissement diphasiques connus utilisent un séparateur de phase en sortie de moteur. Cet organe est nécessaire pour s'assurer que toute la vapeur sortant du moteur passe par le condenseur et ne soit pas remise directement dans la chambre d'eau du moteur. La conception et le fonctionnement de cet organe volumineux ne sont jamais aisés et la séparation n'est jamais totale or la vapeur non condensée entraîne la cavitation de la pompe de circulation. Le but de la présente invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif de refroidissement par évaporation d'un liquide qui soit de réalisation particulièrement simple et qui assure un refroidissement performant quelles que soient les conditions d'utilisation. Le dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne équipant notamment un véhicule automobile, objet de l'invention est du type comprenant un radiateur formant condenseur, un réservoir à volume variable et une pompe d'entraînement pour mettre en circulation un débit donné de fluide de refroidissement, ce débit étant ajusté suivant les conditions de fonctionnement du moteur de façon à limiter la quantité de fluide vaporisée en sortie de moteur. Selon l'invention, le dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne est caractérisé en ce -qu'il comprend une vanne trois voies pilotée apte à diriger le débit de fluide sortant du moteur sélectivement à travers le radiateur formant condenseur et/ou une conduite de dérivation permettant de bipasser ce radiateur. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne objet de l'invention, le dispositif comprend des moyens séparateurs de phase disposés à l'entrée de la conduite de dérivation du radiateur, de façon à diriger dans cette dernière une partie du fluide de refroidissement à l'état liquide lorsque la vanne trois voies pilotée autorise le passage du fluide à travers le radiateur et la conduite de dérivation, ce qui améliore la condensation de la phase vapeur. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne objet de l'invention, les moyens séparateurs sont formés par un simple élément de canalisation tubulaire de diamètre suffisant pour abaisser la vitesse de l'écoulement et à la partie inférieure duquel est située l'entrée de la conduite de dérivation. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne objet de l'invention, le dispositif comprend un échangeur de chaleur servant au refroidissement de l'huile de lubrification du moteur, cet échangeur étant disposé en amont du radiateur dans le sens de l'écoulement du fluide et étant traversé par la totalité du fluide mis en circulation. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne objet de l'invention, le dispositif comprend un aérotherme destiné au chauffage de l'habitacle du véhicule automobile, , [ cet aérotherme étant disposé en aval du réservoir à volume variable dans le sens de l'écoulement du fluide. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne objet de l'invention, le dispositif comprend une conduite de dérivation munie d'une vanne thermostatée permettant de bipasser l'aérotherme tant que la température du fluide n'a pas atteint une valeur prédéterminée. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne objet de l'invention, la vanne trois voies est pilotée en fonction de la température du fluide de refroidissement de façon à diriger la totalité du fluide en circulation à travers la conduite de dérivation tant que la température du fluide n'a pas atteint une valeur prédéterminée. 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 appliqué 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 dispositif de refroidissement selon l'invention. Le dispositif de refroidissement par évaporation illustré est donc destiné à refroidir le moteur à combustion interne 1 du type multicylindres d'un véhicule automobile. Il utilise un fluide de refroidissement qui circule dans un circuit adapté. Seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été figurés. Le circuit comporte classiquement des passages agencés dans le moteur, encore appelés chambres d'eau, entourant les parois des chambres de combustion. Le fluide de refroidissement entraîné par une pompe 9, entre dans le moteur 1 en phase liquide par une entrée 10 et ressort par une ou plusieurs sorties 11 sous la forme d'un mélange diphasique liquide-vapeur. Une conduite collectrice 12 amène le fluide de la sortie 11 du moteur à l'entrée d'un système échangeur de chaleur 2, du type fluide de refroidissement/huile, servant au refroidissement de l'huile de lubrification du moteur 1. Une conduite 23 relie ensuite la sortie de l'échangeur 2 à un séparateur de phase liquide/vapeur 3. Ce séparateur 3 est constitué par un simple élément de canalisation tubulaire de diamètre prédéterminé à la partie inférieure duquel tout ou partie de la phase liquide peut être dirigée dans une conduite de dérivation 36. Le fluide résiduel et notamment la phase vapeur est ensuite amenée par une conduite 34, du séparateur 3 à l'entrée 40 d'un radiateur 4 formant un échangeur de chaleur fluide de refroidissement/air où s'opère la condensation de la phase vapeur du fluide de refroidissement. Un ventilateur 5 destiné à produire un courant d'air forcé est agencé devant le radiateur 4. Le ventilateur peut être entraîné en rotation par un moteur électrique piloté notamment en fonction de la température du fluide de refroidissement à partir de l'information délivrée par un thermocontact disposé dans le circuit (cf le circuit de commande représenté en trait pointillé sur la figure). Le fluide de refroidissement sous forme liquide est évacué hors du radiateur 4 par une sortie 41. Une conduite 47 amène alors le fluide dans un réservoir à volume variable 7, tel qu'un vase à soufflet. Un tel système permet l'ajustement de la pression du circuit de refroidissement de manière simple et rapide. Une conduite 78 relie ensuite la sortie du réservoir à volume variable 7 à un aérotherme 8 pour le chauffage de l'habitacle du véhicule automobile. Le réservoir à volume variable 7 est partiellement rempli de fluide de refroidissement sous forme liquide et les deux conduites 47 et 78 débouchent dans le réservoir 7 au-dessous du niveau de liquide dans celui-ci. Cette disposition permet de piéger dans le réservoir les éventuelles bulles de vapeur échappées du radiateur 4. Une conduite 89 assure la liaison entre l'aérotherme 8 et la pompe de circulation 9 et enfin, une conduite 91 ramène le liquide de la pompe 9 à l'entrée 10 du moteur 1. Une conduite 79 sur laquelle est montée une vanne thermostatique 80 est branchée entre la conduite 78 et la conduite 89, cette conduite permet de bipasser l'aérotherme 8 en fonction de la température atteinte par le fluide de refroidissement. La conduite de dérivation 36, débouchant dans la partie inférieure de l'élément de canalisation 3, rejoint à son autre extrémité la conduite 47 par l'intermédiaire d'une vanne thermostatique 6 à trois voies pilotée qui contrôle par ailleurs la circulation entre la radiateur 4 et le réservoir 7. Cette vanne trois voies 6, pilotée en fonction de la température du liquide de refroidissement, permet d'autoriser sélectivement la circulation du fluide sortant du moteur 1, à travers la conduite 34 et le radiateur 4 et/ou à travers la conduite de dérivation 36 en bipassant le radiateur 4. Le fonctionnement du dispositif de refroidissement qui vient d'être décrit est donc le suivant. Lors du fonctionnement du moteur, la pompe 9 permet la mise en circulation à travers le circuit de refroidissement d'un débit donné de fluide de refroidissement, ce débit étant ajusté suivant les conditions de fonctionnement du moteur de façon à limiter la quantité de fluide sous forme vapeur produite en sortie du moteur 1. Pendant la phase dite de démarrage du moteur, le fluide de refroidissement contenu dans le circuit de refroidissement est alors essentiellement sous forme liquide. La vanne thermostatique à trois voies 6 ferme donc la sortie du radiateur 4 tandis que la vanne 80 ouvre la conduite 79, la totalité du fluide de refroidissement qui est circulé sous l'action de la pompe 9 traverse alors la conduite 36 puis la conduite 79. Cette configuration en circulation restreinte évite le passage du fluide de refroidissement à travers le radiateur 4 et l'aérotherme 8, ce qui permet une montée extrêmement rapide de la température du liquide de refroidissement. Lorsque la température du fluide atteint la valeur de consigne de la vanne thermostatique à trois voies 6, qui peut correspondre ou non avec celle de la vanne 80, la sortie du radiateur 4 est alors ouverte, le débit de fluide peut alors traverser la conduite 34 et le radiateur 4 ce qui permet la condensation de la phase vapeur. Le seuil de déclenchement du thermostat 6 est fixé en fonction des caractéristiques du circuit et notamment du seuil de cavitation de la pompe 9. La présence du séparateur de phase 3 à l'entrée de la conduite de dérivation 36 permet de maintenir également ouvert cette dernière à travers laquelle ne passe plus qu'une partie de la phase liquide du fluide en circulation. Durant cette phase de fonctionnement, le fluide de refroidissement circule alors dans la totalité du circuit de refroidissement. Lorsque la température du fluide de refroidissement continue d'augmenter, du fait d'une importante production de vapeur, pour atteindre une seconde valeur de seuil le thermostat 6 ferme alors la conduite de dérivation 36 de façon à forcer la totalité du débit de fluide à travers le radiateur 4 et obtenir toute la condensation du fluide. Le dimensionnement et la disposition des composants du dispositif de refroidissement selon l'invention permet donc de résoudre les problèmes des dispositifs connus rappelés en préambule. La valeur du débit de fluide circulant à travers le circuit de refroidissement détermine la quantité de vapeur produite et par conséquent, fixe la taille du réservoir à volume variable en considérant que la pression maximum dans le circuit ne doit pas excéder une valeur de pression donnée, par exemple 1,5 bar, fonction des caractéristiques du circuit et du fluide utilisés. Par ailleurs, l'ajustement du débit du fluide de refroidissement permet de se passer d'un véritable séparateur de phase, par exemple de type cyclonique, contrairement aux dispositifs connus. En effet, lors du fonctionnement à chaud du moteur, la totalité du fluide de refroidissement est dirigée à travers le radiateur 4 en fermant la conduite de dérivation 36. Il est à noter, que l'absence de séparation préalable lors d'un fonctionnement à chaud, améliore sensiblement le refroidissement du fluide sans accroître de façon notable le fonctionnement du ventilateur 5. La séparation de la phase liquide nécessaire au dispositif objet de la présente invention peut donc être avantageusement assurée par un séparateur rudimentaire tel que l'élément de canalisation tubulaire 3 décrit pour lequel il suffit de prévoir une section transversale suffisante de façon à abaisser la vitesse de l'écoulement du fluide de refroidissement. Par ailleurs, comme cela a été rappelé cidessus, le réservoir 7 filtre la vapeur où les incondensables non traités par le radiateur 4. L'utilisation d'une pompe 9 directement entraînée par le moteur permet de lier la puissance développée par le moteur et la valeur de débit. Dans le cas de l'utilisation d'une pompe 9 électrique, une commande électronique de la pompe est possible afin d'élever le débit du fluide circulé pour limiter le volume du réservoir 7. La valeur du débit aux points de fonctionnement critiques où le moteur est fortement sollicité (en montagne, etc...) détermine le volume maximum de liquide nécessaire au bon refroidissement du moteur. Avec le dispositif selon l'invention et pour un moteur à quatre cylindres à allumage commandé d'environ deux litres de cylindrée, deux litres d'un mélange eau-éthylène glycol à 35 t suffisent. La disposition en série dans la circulation du fluide de refroidissement du moteur 1, de l'échangeur 2 et de l'aérotherme 8 est possible du fait des faibles valeurs de débit utilisé, ce qui simplifie par ailleurs le circuit. Par ailleurs, le passage à travers l'échangeur 2 en sortie du moteur présente l'avantage d'élever le taux de vapeur de l'écoulement vers celui-ci et d'améliorer ainsi les échange dans le radiateur 4. Il est toutefois envisageable de disposer l'échangeur 2 à l'entrée du moteur 1 ou encore en parallèle avec ce dernier. Ainsi le dispositif de refroidissement proposé reprend un grand nombre d'éléments présents dans un dispositif de refroidissement classique à circulation d'eau et peut donc être réalisé de façon particulièrement économique. 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. REVENDICATIONS [1] Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne (l) équipant notamment un véhicule automobile, du type comprenant un radiateur (4) formant condenseur, un réservoir à volume variable (7) et une pompe d'entraînement (9) pour mettre en circulation un débit prédéterminé d'un fluide de refroidissement, ledit débit étant ajusté suivant les conditions de fonctionnement du moteur (1), caractérisé en ce qu'il comprend une vanne trois voies (6) pilotée apte à diriger le débit de fluide sortant du moteur sélectivement à travers le radiateur (4) et/ou une conduite de dérivation (36) permettant de bipasser ledit radiateur (4). [23 Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens séparateurs de phase (3) disposés à l'entrée de ladite conduite de dérivation (36) de façon à diriger dans cette dernière une partie du fluide de refroidissement à l'état liquide lorsque ladite vanne trois voies (6) pilotée autorise le passage du fluide à travers le radiateur (4) et la conduite de dérivation (36). [3] Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens séparateurs sont formés par un simple élément de canalisation tubulaire (3) de diamètre suffisant pour abaisser la vitesse de l'écoulement et à la partie inférieure duquel est située l'entrée de la conduite de dérivation (36). [4] Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur (2) servant au refroidissement de l'huile de lubrification du moteur (1), ledit échangeur (2) étant disposé en amont du radiateur (4) dans le sens de l'écoulement du fluide et étant traversé par la totalité du fluide mis en circulation. [5] Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un aérotherme (8) destiné au chauffage de l'habitacle du véhicule automobile, ledit aérotherme (8) étant disposé en aval du réservoir à volume variable (7) dans le sens de l'écoulement du fluide. [6] Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une conduite de dérivation (79) munie d'une vanne thermostatée (80) permettant de bipasser ledit aérotherme (8) tant que la température du fluide n'a pas atteint une valeur prédéterminée. [7] Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite vanne trois voies (6) est pilotée en fonction de la température du fluide de refroidissement de façon à diriger la totalité du fluide en circulation à travers la conduite de dérivation (36) tant que la température du fluide n'a pas atteint une valeur prédéterminée.