Brevet FR2736687A1 — publié le 19970117

Procédé et dispositif d'accélération du réchauffage, au démarrage à froid, de moteurs à combustion interne à refroidissement par liquide. La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif d'accélération du réchauffage, au démarrage à froid, de moteurs à combustion interne à refroidissement par liquide. On connaît à l'heure actuelle plusieurs techniques de stockage d'énergie destinées à améliorer le démarrage à froid de moteurs à combustion interne, par accélération du réchauffage du moteur froid. La technique de stockage par accumulation de chaleur à sels fondus consiste à prévoir un accumulateur de chaleur calorifugé qui est relié au circuit de refroidissement du moteur et contient un milieu accumulateur tel qu'un mélange de sels eutectique. Les inconvénients de cette technique utilisant un accumulateur de chaleur consistent, outre dans le coût élevé, dans la grande inertie thermique, l'accumulateur ne pouvant en effet stocker qu'une partie de la chaleur véhiculée par le circuit de refroidissement (celle se trouvant dans l'accumulateur). Lors de l'arrêt du moteur, la chaleur contenue dans le reste du circuit de refroidissement n'est donc pas accumulée et se trouve donc dissipée. De plus, cette partie du liquide extérieure à l'accumulateur ralentit d'une façon significative la montée en température du moteur lors de son démarrage à froid.Un autre inconvénient de l'utilisation d'un accumulateur de chaleur du type à sels fondus est la difficulté d'opérer la recharge dans certaines circonstances, et notamment lors d'un roulage de court trajet et par grand froid. L'isolation du circuit de refroidissement, en particulier du vase d'expansion, ne donne pas non plus de résultat satisfaisant dans la mesure où elle ne concerne toujours qu'une partie du circuit de refroidissement. La présente invention a pour but de fournir un procédé et un dispositif permettant, d'une manière particulièrement simple et efficace, d'accélérer le réchauffage, au démarrage à froid, de moteurs à combustion interne à refroidissement par liquide. Selon l'invention, à l'arrêt du moteur, on transfère le liquide du circuit de refroidissement dans un réservoir calorifugé, pour le stocker à l'état chaud. Au démarrage du moteur, on transfère de nouveau le liquide dudit réservoir dans le circuit de refroidissement. Il s'avère que ce procédé étonnamment simple est applicable, moyennant un coût réduit, même à des moteurs de faible puissance et à un roulage de court trajet, et permet une augmentation de température beaucoup plus rapide que les techniques connues de stockage d'énergie. Ce résultat est obtenu principalement par une diminution importante de l'inertie thermique de l'ensemble moteur-circuit de refroidissement et une augmentation importante de l'énergie emmagasinée. Le tableau ci-après donne la répartition de l'inertie thermique d'un moteur et de son circuit de refroidissement. Métaux moteur Eau-Glycol 35% Huile Fonte Aluminium Volume (1) 7 3,5 Masse (kg) 90 30 7 3,1 Cp (J/kg/ C) 500 890 3560 1879 MCp (kJ/ C) 45 26,7 24,92 5,82 MCp (%) 44% 26% 24,4% 5,6% On reconnaît que l'inertie thermique du liquide du circuit de refroidissement représente 24% de l'inertie totale du moteur. Le fait de vider de son liquide le circuit de refroidissement du moteur permet de réduire de 24% l'inertie totale du moteur. Pour un démarrage à -180C, l'énergie emmagasinée dans le liquide de refroidissement ayant une température de 60"C est de 1900kJ, soit 3kw en 10 mn.Le réchauffage du moteur se trouve donc accéléré dans les mêmes proportions par le procédé selon la présente invention. Si cela est nécessaire, il est possible d'effectuer une purge du circuit de refroidissement après chaque transfert de liquide du réservoir dans le circuit de refroidissement. Suivant un mode de réalisation, on prévoit une temporisation au démarrage du moteur pour transférer le liquide de refroidissement du réservoir dans le circuit de refroidissement avant le démarrage du moteur. Suivant un autre mode de réalisation, on ne transfère le liquide de refroidissement du réservoir dans le radiateur du circuit de refroidissement qu'après la montée en température du moteur. Le dispositif conforme à l'invention d'accélération du réchauffage, au démarrage à froid, de moteurs à combustion interne comprend, outre un circuit de refroidissement à liquide avec radiateur, pompe et vase de purge, un réservoir calorifugé relié au moins côté liquide au circuit de refroidissement. Ce dispositif comprend, de plus, des moyens de pompage pour transférer le liquide du circuit de refroidissement dans le réservoir calorifugé et du réservoir calorifugé dans le circuit de refroidissement. De préférence, les moyens de pompage sont disposés dans le réservoir calorifugé. Ces moyens de pompage peuvent avantageusement comprendre une pompe à piston, de préférence avec soufflet d'étanchéité. Avantageusement, une vanne est disposée entre le réservoir calorifugé et le côté aspiration de la pompe du circuit de refroidissement. Le réservoir calorifugé peut également être relié côté gaz au circuit de refroidissement, auquel cas au moins une vanne est prévue dans la liaison côté gaz entre le réservoir calorifugé et le vase de purge du circuit de refroidissement. Pour permettre une purge du circuit de refroidissement, si cela est nécessaire, après transfert du liquide de refroidissement du réservoir calorifugé dans le circuit, préalablement au démarrage du moteur, une pompe électrique est avantageusement montée en partie basse dans le circuit de refroidissement. En se référant aux dessins schématiques annexés, on va décrire ci après plus en détail plusieurs modes de réalisation illustratifs et non limitatifs de l'invention; sur les dessins la figure 1 représente le schéma d'un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 représente le schéma d'un deuxième mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on reconnaît un circuit classique de refroidissement par liquide d'un moteur 1 de véhicule automobile, comprenant un radiateur 2, un échangeur (aérotherme) 3 pour le chauffage de l'habitacle, monté en parallèle avec le radiateur 2, un vase de purge 4 en position haute entre le moteur 1 et l'échangeur 3, une soupape thermostatique (calorstat) 5 permettant de shunter le radiateur 2 pendant la phase de montée en température du moteur, et une pompe 6 mécanique (c'est-à-dire entraînée mécaniquement par le moteur 1) pour refouler le liquide de refroidissement à travers le moteur 1 et de là à travers le radiateur 2 et/ou l'échangeur 3, selon la position de la soupape 5. La partie du circuit remplie de liquide pendant le fonctionnement normal, est représentée en grisé, et on reconnaît qu'un conduit 7 relie la partie haute du radiateur 2 à la partie haute du vase de purge 4. Ce conduit permet la vidange, le remplissage et la purge du radiateur 2. Selon l'invention, ce circuit de refroidissement est complété par un dispositif permettant, à l'arrêt du moteur 1, le transfert du liquide du circuit de refroidissement dans un réservoir de stockage calorifugé et, au démarrage, le retransfert du liquide du réservoir calorifugé dans le circuit de refroidissement. Ce dispositif comprend un réservoir calorifugé 8 renfermant des moyens de pompage 9 et relié par un conduit 10 renfermant une électrovanne 11 au côté refoulement de la pompe mécanique 6, de préférence au point le plus bas du circuit, et par un conduit 12 renfermant une électrovanne 13 à la partie haute (gaz) du vase de purge 4. Une électrovanne 14 est également montée dans le conduit 7 reliant le point le plus haut du radiateur 2 à la partie haute du vase de purge 4. Les moyens de pompage 9 comprennent un soufflet 15 divisé en deux compartiments par une plaque rigide 16 mobile en translation en va-et-vient, comme indiqué par une flèche double, à la manière d'un piston, sous l'action du vissage d'un cylindre 17 avec filetage intérieur, ce cylindre étant entraîné par un moteur électrique 18 avec un pignon en prise avec une denture du cylindre. Deux roulements à billes 19 sont prévus pour faciliter le mouvement de rotation du cylindre 17. Deux à quatre tiges de guidage 20 on été prévues pour empêcher la rotation de la plaque 16 et guider cette dernière dans son mouvement de translation. Les positions extrêmes de la plaque mobile 16 sont déterminées par deux détecteurs 21. Les trois vannes 11, 13, et 14, le moteur électrique 18 et les détecteurs de position 21 sont reliés à une commande 22, de préférence une commande par calculateur. On va décrire ci-après le fonctionnement du circuit de refroidissement par liquide avec transfert. a) Remplissage du circuit. Pour le premier remplissage du circuit, ou pour le remplissage du circuit après une vidange, on verse le liquide de refroidissement dans le vase de purge 4, comme dans le cas d'un circuit classique, la plaque 16 se trouvant en position basse et toutes les vannes 11, 13 et 14 étant en position ouverte. Une fois le circuit rempli de liquide, on ferme toutes les vannes 11, 13 et 14. La purge du circuit s'effectue comme pour un circuit classique (mise en température, mise en régime, etc.). b) Démarrage et fonctionnement du véhicule. Le démarrage et le fonctionnement du véhicule s'effectuent comme sur un véhicule à circuit classique. c) Transfert et stockage du liquide dans le réservoir. En cas d'arrêt prolongé du moteur, l'ensemble du liquide contenu dans le circuit de refroidissement est transféré dans le réservoir 8. A cet effet, la commande 22 provoque d'abord l'ouverture des vannes 11, 13 et 14, et actionne le moteur électrique 18 qui fait déplacer la plaque 16 de bas en haut dans le cylindre 17, de sorte que le liquide se trouve transféré dans le réservoir 8 par l'effet de la pesanteur (dans le cas où le réservoir 8 se trouve en position plus basse que le circuit), par l'effet d'aspiration du compartiment inférieur du soufflet 15, et par l'effet de poussée de l'air refoulé du compartiment supérieur du soufflet 15 dans le circuit de refroidissement.Lorsque la plaque 16 arrive en position haute détectée par le détecteur 21 et que tout le liquide du circuit de refroidissement a été transféré dans le compartiment inférieur du soufflet 15, la commande 22 arrête le moteur 18 et ferme les vannes 11, 13 et 14, de sorte que tout le liquide de refroidissement du circuit se trouve stocké dans le réservoir calorifugé 8 et conserve ainsi sa chaleur. d) Remplissage du circuit avant démarrage du moteur. Lorsque le conducteur actionne le contacteur de démarrage pour mettre en marche le moteur 1, il déclenche une temporisation pendant laquelle la commande 22 ouvre les vannes 11, 13 et 14 et actionne le moteur électrique 18 pour déplacer la plaque 16 de haut en bas, de sorte que la plaque 16, à la manière d'un piston de pompe, transfère dans le circuit de refroidissement le liquide préalablement stocké dans le réservoir 8, tandis que l'air qui se trouvait au préalable dans le circuit est aspiré dans le compartiment supérieur du soufflet 15. Après remplissage du circuit de refroidissement, ce qui est détecté par le détecteur 21, la commande 22 arrête le moteur 18 et ferme toutes les vannes 11, 13 et 14 avant d'autoriser le démarrage du moteur 1. Le dispositif suivant la figure 2 diffère du dispositif de la figure 1 uniquement par la prévision, en amont de la pompe mécanique 6, d'une électrovanne 23 supplémentaire et d'une pompe électrique 24 en parallèle avec la vanne 23, ces deux éléments étant également reliés à la commande 22. Le dispositif illustré par la figure 2 présente la particularité qu'il permet, après chaque transfert de liquide de refroidissement du réservoir 8 dans le circuit, une purge d'air du circuit avant démarrage du moteur 1, par mise en route de la pompe électrique 24 et fermeture de la vanne 23. Après cette purge, la pompe 24 est arrêtée et la vanne 23 est ouverte sous l'action de la commande 22. Il va de soi que les modes de réalisation illustrés et décrits n'ont été donnés qu'à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs et que de nombreuses modifications et variantes sont possibles dans le cadre de l'invention. Ainsi, le dispositif de transfert est également utilisable sur des circuits de refroidissement diphasiques. Dans ce cas, la pompe électrique 24 et la vanne 23 du mode de réalisation de la figure 2, ne sont plus nécessaires, ni la vanne 13. Le vase à membrane que comporte normalement le circuit diphasique n'est plus non plus nécessaire, le volume du soufflet 15 jouant le même rôle. Il est également possible, dans le cadre de l'invention, de ne procéder au remplissage du radiateur 2 qu'après la montée en température du moteur 1, ce qui permet d'économiser 10 à 20% de l'énergie thermique emmagasinée par le liquide de refroidissement. Par ailleurs, le dispositif de pompage 9 avec le soufflet et la plaque 16 formant piston, déplacée en translation en va-et-vient par le moteur électrique 18, peut être remplacé par des moyens assumant la même fonction. Ainsi, un simple piston mobile dans un cylindre calorifugé pourrait être utilisé pour assurer le transfert du liquide, mais le soufflet constitue un moyen particulièrement simple pour assurer l'étanchéité. Le dispositif conforme à l'invention est applicable en particulier aux moteurs de véhicules automobiles. REVENDICATIONS 1. Procédé d'accélération du réchauffage, au démarrage à froid, de moteurs à combustion interne à refroidissement par liquide, caractérisé par le fait qu'à l'arrêt du moteur, on transfère le liquide du circuit de refroidissement dans un réservoir calorifugé pour le stocker à l'état chaud et qu'au démarrage du moteur, on transfère de nouveau le liquide dudit réservoir dans le circuit de refroidissement. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on effectue une purge du circuit de refroidissement après chaque transfert de liquide du réservoir dans le circuit de refroidissement. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on prévoit une temporisation au démarrage du moteur pour transférer le liquide du réservoir dans le circuit de refroidissement avant le démarrage du moteur. 4. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on ne remplit le radiateur (2) du circuit de refroidissement qu'après la montée en température du moteur. 5. Circuit de refroidissement à liquide pour moteur à combustion interne, comprenant un radiateur, une pompe et un vase de purge, caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, un réservoir calorifugé (8) relié au moins côté liquide au circuit de refroidissement, et des moyens de pompage (9,16,17,18) pour transférer le liquide du circuit de refroidissement dans le réservoir calorifugé à l'arrêt du moteur et du réservoir calorifugé dans le circuit de refroidissement au démarrage du moteur. 6. Circuit suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens de pompage sont disposés dans le réservoir calorifugé (8). 7. Circuit suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que les moyens de pompage comprennent une pompe à piston (16), de préférence à soufflet d'étanchéité (9). 8. Circuit suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, une vanne (11) disposée entre le réservoir calorifugé (8) et le côté aspiration de la pompe (6) du circuit de refroidissement. 9. Circuit suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait que le réservoir calorifugé (8) est également relié côté gaz par un conduit (12) au vase de purge (4) du circuit de refroidissement et qu'au moins une vanne (13) est disposée dans ledit conduit (12). 10. Circuit suivant l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé par le fait qu'une pompe électrique (24) est montée en partie basse dans le circuit de refroidissement, en vue de la purge du circuit avant démarrage du moteur.