Brevet FR2728622A1 — publié le 19960628

DISPOSITIF DB REFROIDISSEMENT PAR EVAPORATION POUR MOTIOR A COKBU8TIO INTERNE La présente invention concerne un dispositif de refroidissement pour un moteur à combustion interne destiné à équiper notaient un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de refroidissement fonctionnant en mode diphasique caractérisé par l'évaporation et la condensation en circuit fermé d'un liquide de refroidissement. I1 est connu depuis longtemps d'utiliser le phénomène d'ébullition d'un liquide tel que de l'eau, pour évacuer la chaleur d'un moteur à combustion interne. De tels dispositifs de refroidissement par évaporation pour moteur à combustion interne sont notamment décrits dans les brevets US 4.572.115 et US 4.570.579. Dans ces dispositifs typiques de refroidissement par évaporation (ou ébullition), le liquide de refroidissement est maintenu à un niveau sensiblement constant, laissant une surface libre au liquide à l'intérieur de la chambre d'eau du moteur entourant les cylindres. Par l'intermediaire d'un système de soutirage adapté, la vapeur produite est évacuée dans un séparateur de phases puis dans un radiateur où la vapeur est condensée, le condensat étant ensuite renvoyé dans la chambre d'eau du moteur. De tels dispositifs de refroidissement diphasiques présentent 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. Ces dispositifs dits w ébullition stagnante" présentent toutefois, certaines difficultés de réalisation qui freinent leur industrialisation. En effet, les dispositifs a ébullition stagnante requierent l'utilisation de capteurs de niveau qui pilotent le fonctionnement de la pompe à eau quand cela s'avère nécessaire, or la puise au point de ces capteurs pose probleme car la surface libre d'un liquide en ébullition n'est pas clairement définie. Par ailleurs, ces dispositifs provoquent un fort dégagement de vapeur, notaient lors des fonctionnements à pleines charges, ce qui entraîne une pressurisation importante du dispositif et une montée en température susceptible d'endommager le moteur. Des soupapes de sécurité doivent donc être prévues entraînant des rejets de vapeurs à l'extérieur du dispositif d'où une consommation progressive du liquide compromettant l'autonomie du véhicule et nécessitant un entretien régulier. Pour remédier à ces inconvénients, la Demanderesse a développé un nouveau dispositif de refroidissement par évaporation qui a fait l'objet de la demande de brevet européen EP-A-489.628. Ce nouveau dispositif est caractérisé par une circulation forcée du liquide de refroidissement à l'intérieur de la chambre d'eau du moteur et par l'utilisation d'un réservoir d'expansion à volume variable (vase à membrane ou soufflet) permettant de compenser automatiquenent l'augmentation du volume des fluides en circulation tout en évitant les rejets de vapeurs à 1 'atmosphère. Grâce à un tel dispositif, le refroidissement est opéré par ébullition circulante contrairement au procédé classique d'ébullition stagnante, ce qui supprime le recours à des capteurs de niveau et permet un refroidissenent efficace quelle que soit l'inclinaison du moteur. Bien que la production de vapeur engendrée par un dispositif de refroidissement à ébullition circulante soit sensiblement moindre que celle d'un dispositif à ébullition stagnante, il s'avère toutefois nécessaire de pouvoir contrôler tout risque de pressurisation importante du dispositif lors des points de fonctionnement critiques du moteur, pressurisation qui empecherait un refroidissement efficace de ce dernier et entraînerait sa destruction. Pour prévenir ce risque, le dispositif précité offre deux solutions : ou bien augmenter les dimensions du réservoir à volume variable ainsi d'ailleurs que celles du condenseur nais cela pose ensuite des problèmes d'encombrement dans le compartiment moteur, ou bien encore ajuster le débit du liquide à travers le moteur suivant le fonctionnement de ce dernier, ce qui toutefois complexifie le dispositif de refroidissement et donc en renchérit le coût. Le but de la présente invention est donc de remédier à ces derniers inconvénients en proposant un dispositif de refroidissement par évaporation pour un moteur à combustion interne du type à ébullition circulante d'un liquide qui soit de réalisation particulierement simple et qui assure un refroidissement performant quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur. 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'entralnement pour mettre en circulation un débit donné de fluide de refroidissement. Selon l'invention, le dispositif de refroidissement par évaporation 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-condenseur et/ou une conduite de dérivation permettant de bipasser ledit radiateur-condenseur et en ce que la pompe maintient le débit de fluide sensiblement constant quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par évaporation objet de l'invention, la valeur du débit de fluide est déterminée suivant les besoins d'échanges thermiques du moteur et est comprise entre 500 et 1500 litres/heure. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par évaporation objet de l'invention, ce dernier 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 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. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par évaporation objet de l'invention, le volume V du réservoir à volume variable est ajusté de façon à obtenir une pression d'équilibre, obtenue une fois le réservoir entierement rempli, qui soit comprise entre 1,2 et 3 bars. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par évaporation objet de l'invention, le volume V du réservoir à volute variable est ajusté de façon à obtenir une pression d'équilibre comprise entre 2 et 2,5 bars. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'apres 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 par évaporation selon l'invention. Conformément à la figure 1, le dispositif de refroidissement par évaporation d'un liquide caloporteur, tel que de l'eau mélangée à un antigel et un inhibiteur de corrosion (par exemple un mélange eau-éthylene-glycol à 35 %), est plus particulièrement destiné à refroidir un moteur à combustion interne 1 de type multicylindre destiné notamment à équiper un véhicule automobile. Seuls les éléments du dispositif nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. Le dispositif comprend classiquement des passages agencés dans le moteur, encore appelés chambres d'eau, entourant les parois des chambres de combustion. Le liquide de refroidissement entraîné par une pompe à eau électrique 9 selon un débit constant prédéterminé Q fonction du moteur considéré, entre dans le moteur 1 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 alors ce mélange liquide-vapeur de la sortie 11 du moteur à 1 'entrée d'un systeme échangeur de chaleur 2, du type eau/air, servant au chauffage de l'air d'admission du moteur 1. Une conduite 23 relie ensuite la sortie de l'échangeur 2 à un élénent de canalisation 3 en forme de T à la partie inférieure duquel est connectée une conduite de dérivation 36. Le fluide est ensuite amené par une conduite 34, de l'élément de canalisation 3 à 1 'entrée 40 d'un radiateur-condenseur 4 formant un échangeur de chaleur 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 radiateurcondenseur 4. Le ventilateur peut être entraîné en rotation par un moteur électrique piloté notanent en fonction de la température du liquide de refroidissement à partir de l'information délivrée par un thermocontact disposé dans le dispositif (cf le dispositif de commande représenté en trait pointillé sur la figure). Le condensat est évacué hors du radiateurcondenseur 4 par une sortie 41. Une conduite 47 amene alors le liquide dans un réservoir à volume variable 7, tel qu'un vase à soufflet, dont les dimensions prédéterminées et notamment le volume maximal V sont caractérisées ci-apres. Un tel système permet l'ajustement de la pression du dispositif 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 étant plus ou moins rempli de liquide de refroidissement suivant la température atteinte et la vapeur produite, les deux conduites 47 et 78 débouchent dans le réservoir 7 au-dessous du niveau minimal de liquide dans celui-ci. Cette disposition permet de piéger dans le réservoir d'éventuelles bulles de vapeur résiduelles. Une conduite 89 assure la liaison entre l'aérotherme 8 et la pompe de circulation 9 et enfin, une conduite 91 ramene le liquide de la pompe 9 à l'entrée 10 du moteur 1. 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 le radiateurcondenseur 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 mélange liquidevapeur sortant du moteur 1, à travers la conduite de dérivation 36 et/ou le radiateur-condenseur 4. Le fonctionnement du dispositif de refroidissement qui vient d'être décrit est donc le suivant. Lors du fonctionnement du moteur, la pompe 9 assure la mise en circulation à travers le dispositif de refroidissement d'un débit donné Q constant de liquide de refroidissement. Pendant la phase dite de démarrage du moteur, la vanne thermostatique à trois voies 6 ferme la sortie du radiateur-condenseur 4, la totalité du liquide de refroidissement qui est circulé sous l'action de la pompe 9 traverse alors la conduite 36. Cette configuration en circulation restreinte évite le passage du fluide de refroidissement à travers le radiateur-condenseur 4, ce qui permet une montée rapide de la température du liquide de refroidissement. Lorsque la température du liquide atteint la valeur de consigne de la vanne thermostatique à trois voies 6, la sortie du radiateur-condenseur 4 commence alors à s'ouvrir, une partie du liquide sortant du moteur peut alors traverser la conduite 34 et le radiateur-condenseur 4 ce qui permet de ralentir la montée en température du liquide. Ce seuil de déclenchement du thermostat 6 est déterminé en fonction des caractéristiques du dispositif et notamment du seuil de cavitation de la pompe 9. Puis, lorsque la température du liquide de refroidissement continuant d'augmenter atteint une seconde valeur de seuil, proche de la température de saturation de la vapeur, le thermostat 6 ferme alors la conduite de dérivation 36 de façon à forcer la totalité du débit de liquide à travers le radiateur-condenseur 4. De la sorte, la totalité de la phase vapeur qui se forme avec l'élévation de la température dans le circuit, est dirigée directement à travers le radiateur-condenseur 4. Au fur et à mesure de l'élévation de la température à travers le dispositif, le réservoir 7 se remplit de liquide de façon à compenser automatiquement l'augmentation du volume des fluides (par dilatation et par vaporisation), ce qui permet de maintenir la pression constante jusqu'au remplissage complet du réservoir 7. Une fois le réservoir entièrement rempli, si la production de vapeur demeure supérieure à la vitesse de condensation, la masse de vapeur continue à augmenter, ainsi que la pression et la température, tandis que la différence entre la puissance thermique cédée à 1' eau par le moteur et la puissance thermique évacuée par le radiateurcondenseur 4, elle diminue. Ce processus se poursuit donc jusqu'à ce qu'un équilibre entre les échanges s'opere entraînant alors la stabilité de la pression et de la température. Ce point d'équilibre est contrôlé par le choix du volume V du réservoir 7 et le débit Q pour optimiser le fonctionnement du dispositif. Les performances du dispositif de refroidissement diphasique qui vient d'être décrit sont, en effet, essentiellement déterminées par les valeurs de pression et de température, respectivement Pr et T, au point d'équilibre défini ci-dessus lorsque la puissance évacuée par le radiateur-condenseur 4 est égale à la puissance thermique transmise à l'eau par le moteur 1. Or, il s'avère que ces valeurs de pression et de température au point d'équilibre résultent essentiellement des valeurs des paramètres débit Q du fluide à travers le circuit fermé défini par le dispositif et volume maximal V du réservoir à volume variable 7 et qu'en particulier les valeurs de la pression et de la température d'équilibre dépendent directement du volume V du réservoir 7 pour un débit Q donné. I1 en résulte que si le réservoir 7 est sous-dimensionné, la pression et la température d'équilibre sont alors trop importantes ce qui entraîne un risque de refroidissement insuffisant du moteur et donc un risque de destruction de ce dernier et que si le réservoir 7 est surdimensionné, la pression et la température d'équilibre sont alors trop faibles ce qui dégrade les performances du radiateur-condenseur 4 avec le risque de ne pas arriver à condenser la totalité de la vapeur produite et donc d'entralner la cavitation de la pompe 9 à moins de surdimensionner à son tour ce radiateur-condenseur 4, mais alors le dispositif est d'un coQt et d'un encombrement importants. I1 est donc essentiel d'ajuster au mieux le volume V du réservoir 7 pour en limiter 1 'encombrement et pour produire une valeur de pression d'équilibre Pr qui permette d'assurer un rendement élevé du radiateur-condenseur 4 et ce, sans nécessiter de recourir à des moyens complexes d'adaptation du débit comme dans l'art antérieur cité ci-dessus. La Demanderesse a pu établir que cette valeur de pression devait s'établir entre 1,2 et 3 bars et préférentiellement entre 2 et 2,5 bars pour les moteurs à combustion interne équipant les vehicules automobiles dont les puissances thermiques maximales cédées à l'eau sont inférieures à 100 kW. Pour ce qui est du débit d'eau Q à l'intérieur du circuit défini par le dispositif selon l'invention, celui-ci doit être relativement faible pour provoquer une ébullition satisfaisante dans les chambres d'eau du moteur 1, mais suffisamment important pour satisfaire aux besoins d'échanges thermiques de ce dernier (aérotherme 8, chauffage du collecteur d'admission 2, ou encore échangeur eau/huile non figuré, etc.) et pour limiter la température de l'eau en entrée moteur de façon à prévenir toute cavitation de la pompe 9. De façon préférentielle ce débit est choisi entre 500 et 1500 litres/heure pour ce qui est des moteurs précités. La valeur du débit Q ayant été choisie directement en fonction des caractéristiques du moteur concerné, le volume V optimal correspondant du réservoir 7 est alors établi pour obtenir une pression d'équilibre Pr dans la fourchette précitée dans les conditions de fonctionnement critiques du moteur (forte charge moteur, faible vitesse véhicule et température de l'air de 350C). Pour ce faire, on utilise un procédé de dimensionnement programmable simple à mettre en oeuvre et qui permet de déterminer pour une valeur donnée du volume V la pression d'équilibre Pr correspondante et ainsi d'en déduire par balayage de valeurs successives, le volume adéquat correspondant à une valeur de pression Pr souhaitée. Le procédé de dimensionnement retenu permet d'obtenir de façon simple à partir des valeurs du débit Q choisi et du volume V considéré, la pression d'équilibre Pr en résultant, par itérations successives sur le temps t à partir d'un certain nombre d'équations représentatives du fonctionnement du dispositif selon l'invention. Les équations caractéristiques sont les suivantes. Tout d'abord, le volume Vl(t) occupé par le liquide dans le réservoir 7 à l'instant t, est déterminé par la formule suivante V1 = Vdila + Vvmot + Vvrad + Vvtub (1) où Vdila, Vvmot, Vvrad, Vvtub sont respectivement l'augmentation du volume de liquide dans l'ensemble du circuit par sa dilatation, les volumes de vapeur dans le moteur 1, le radiateurcondenseur 4, et la partie de circuit reliant ce dernier au moteur 1.Ces différents volumes considérés à l'instant t, s'expriment chacun sous la forme suivante Vdila = s Vi/(rl(Ti) - rl(To)) (2) Vvmot = Vmot * A * B / Pmot (3) Vvrad = Vrad * A * B / Prad (4) A = Q * L * rl/(rl - rg) B = (X - C) * ln(l + X/C) C = rg/(rl - rg) Vvtub = Vtub * Tv (5) avec :Vi volume du liquide dans le composant i (moteur, pompe, tubes, etc..) ; To température initiale du circuit ; Ti température du liquide dans le composant i à l'instant t; Viot volume des chambres d'eau du moteur ; Vrad volume interieur du radiateurcondenseur ; Vtub volume du circuit reliant le moteur au radiateur-condenseur ; rl densité du liquide (fonction de la température) ; rg densité de la vapeur (fonction de la température et de la pression) Pmot puissance cédée au fluide de refroidissement par le moteur (dépend du point de fonctionnement moteur ); Prad puissance évacuée par le radiateur-condenseur (dépend de la conception du radiateur-condenseur, du débit du fluide, de la pression régnant dans le circuit et encore du taux de vapeur à l'entrée du radiateur-condenseur) ; Q débit massique du mélange ;; L chaleur latente de la vapeur (fonction de la pression) Tv taux volumique de vapeur (rapport du débit de vapeur par le débit total liquide et vapeur) ; X titre de vapeur. Le titre de vapeur X est fonction du temps t et du composant considéré (moteur et condenseur) considéré dans le circuit. On peut ainsi écrire Xmot(t) = (hs.mot(t) - hsat.mot(Pr))/L(Pr) (6) Xrad(t) = (he.rad(t) - hsat.rad(Pr))/L(Pr) (7) et mi * dhs.i/dt = (Q * (hs.i - he.i)) + Qi (8) avec : hs.i enthalpie massique du liquide en sortie du composant i ; hsat. i enthalpie massique du liquide en saturation dans le composant i ; he.i enthalpie massique du liquide en entrée du composant i ; Pr pression du mélange diphasique ; mi masse totale du mélange liquide vapeur dans le composant i ; Qi puissance échangée avec la paroi dans le composant i. Tant que le réservoir 7 n'est pas rempli (c'est-à-dire V1 inférieur à V le volume du réservoir 7) la pression à l'intérieur du réservoir est égale à la pression atmosphérique, et lorsque le réservoir est complètement rempli on a alors Pr = R * T * s Mvi(t) / s Vvi(t) (9) i i avec : R constante de gaz (vapeur pure) ; T température de la vapeur ; Mvi masse de la vapeur dans le composant i Vvi volume de la vapeur dans le composant i ; Par itération sur le temps et sur les équations (1) à (9) ci-dessus, on en déduit donc les valeurs de la pression Pr, de la température T en différents points du dispositif ainsi qu'également la puissance cédée au radiateurcondenseur Prad. En operant avec différentes valeurs de volume de réservoir 7, il est alors possible de déterminer avec exactitude les dimensions de ce dernier pour obtenir les valeurs de pression Pr et de température en entrée moteur souhaitées. 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. REVENDIQTIONs (1] Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne (1) équipant notamment un véhicule automobile, du type comprenant un radiateur (4) formant condenseur, un réservoir à volume variable (7) et une pompe d'entralnement (9) pour mettre en circulation un débit donné de fluide de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne trois voies pilotée (6), ladite vanne (6) étant apte à diriger le débit de fluide sortant du moteur sélectivement à travers le radiateur-condenseur (4) et/ou une conduite de dérivation (36) permettant de bipasser ledit radiateur-condenseur (4) et en ce que ladite pompe (9) maintient le débit de fluide sensiblement constant quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur (1). [2] Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur dudit débit de fluide est déterminée suivant les besoins d'échanges thermiques du moteur (1) et est comprise entre 500 et 1500 litres/heure. (3] Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur d combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend un aérotherme (8) destiné au chauffage de l'habitacle du véhicule automobile, ledit aérotherme (8) étant dispose en aval du réservoir à volume variable (7) dans le sens de l'écoulement du fluide. [4] Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 3, 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. [5] Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le volume V dudit réservoir à volume variable (7) est ajusté de façon à obtenir une pression d'équilibre comprise entre 1,2 et 3 bars. (6] Dispositif de refroidissement par évaporation d'un moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que le volume V dudit réservoir à volume variable (7) est ajusté de façon à obtenir une pression d'équilibre comprise entre 2 et 2,5 bars.