Brevet FR2740172A1 — publié le 19970425

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT PAR LIOUIDE POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE MULTICYLINDRE La présente invention se rapporte à un dispositif de refroidissement par liquide pour un moteur à combustion interne destiné notamment à équiper un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de refroidissement adapté pour permettre une montée rapide en température du moteur au démarrage à froid et accélérer ainsi le réchauffement des parois des chambres de combustion, du lubrifiant ou encore de l'habitacle. Il est connu de favoriser au démarrage le réchauffement d'un moteur à combustion interne à refroidissement par liquide, de façon à réduire la période de fonctionnement à froid pendant laquelle la consommation en carburant et les émissions de polluants sont très élevées. En effet, tant que la température du moteur n'a pas atteint une valeur suffisante, le carburant injecté tend à se condenser sur les parois des chambres de combustion et l'huile pas encore assez fluide ne permet pas de réduire significativement les frottements de l'équipage mobile. De nombreux dispositifs ont donc vu le jour pour réduire la période de fonctionnement à froid des moteurs à combustion interne à refroidissement 2 2740172 par liquide, on peut ainsi citer l'utilisation de vannes thermostatées équipant les circuits de refroidissement de façon à limiter temporairement la quantité d'eau mise en circulation à travers les blocs moteurs, ou encore l'utilisation de thermo- plongeurs ou résistances chauffantes électriques. On peut également citer la technique de stockage par accumulation de chaleur à sels fondus qui 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 eutectiques. Les inconvénients des différentes techniques précitées résident dans des performances insuffisantes en terme de rapidité de montée en température du moteur, dans les difficultés de recharge de l'accumulateur et dans des coûts extrêmement élevés de mise en oeuvre. La présente invention a donc pour objet de fournir un dispositif permettant, d'une manière particulièrement simple et efficace, d'accélérer le réchauffement des moteurs à combustion interne à refroidissement par liquide et plus précisément d'accélérer le réchauffement des parois des chambres de combustion ainsi que du lubrifiant de façon à réduire la consommation en carburant et les émissions de polluants. Le dispositif de refroidissement par liquide selon l'invention pour moteur à combustion interne est du type comportant un circuit principal comprenant la chambre d'eau du moteur, un 3 2740172 radiateur, un aérotherme, une pompe et un vase de purge. Selon l'invention, le dispositif de refroidissement est caractérisé en ce qu'il comporte également un circuit auxiliaire relié au circuit principal, ce circuit auxiliaire comprenant des moyens de stockage calorifugés, des électrovannes et des moyens de pompage (28) pilotés par des moyens de commande pour transférer le liquide de refroidissement du circuit principal dans les moyens de stockage calorifugés à l'arrêt du moteur et des moyens de stockage calorifugés dans le circuit principal avant le démarrage du moteur de façon à accélérer le réchauffement de ce dernier lors du démarrage. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne objet de la présente invention, celui-ci comporte un moto-ventilateur piloté par les moyens de commande, ce moto- ventilateur coopérant avec l'aérotherme du circuit principal. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne objet de la présente invention, les électrovannes et les moyens de pompage sont pilotés par les moyens de commande pour, après avoir transféré le liquide de refroidissement des moyens de stockage calorifugés dans le circuit principal, faire circuler le liquide à travers le circuit principal avant le démarrage du moteur de façon à accélérer le réchauffement de ce dernier lors du démarrage. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne objet de la présente invention, le circuit auxiliaire comprend un échangeur eau-huile et les électrovannes ainsi que les moyens de pompage sont pilotés par les moyens de commande pour, après avoir transféré le liquide de refroidissement des moyens de stockage calorifugés dans le circuit principal, faire circuler le liquide à travers cet échangeur eau- huile avant le démarrage du moteur de façon à réduire les frottements de ce dernier lors du démarrage. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne objet de la présente invention, les moyens de stockage sont formés par une vessie souple disposée dans la cavité intérieure d'un boîtier calorifugé. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne objet de la présente invention, la cavité intérieure du boîtier calorifugé est connectée à la partie haute du vase de purge par l'intermédiaire d'un conduit muni d'une électrovanne. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne objet de la présente invention, les moyens de pompage sont formés par une pompe électrique pouvant fonctionner dans les deux sens. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description présentée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel: la figure 1 est une vue schématique du dispositif de refroidissement selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un dispositif de refroidissement par liquide, tel qu'un mélange eau-glycol, d'un moteur à combustion interne 1 de véhicule automobile, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été figurés. Le dispositif de refroidissement comporte un circuit principal 9 représenté en trait discontinu. Ce circuit principal 9 de conception classique comprend la chambre d'eau du moteur 1 non figurée qui est ménagée autour des chambres de combustion à travers le bloc-cylindres et la culasse, un radiateur 2, un aérotherme 3 pour le chauffage de l'habitacle du véhicule monté en parallèle du radiateur 2 et coopérant avec un moto- ventilateur piloté 36, un vase de purge 4 en position haute entre le moteur 1 et l'aérotherme 3, une vanne thermostatique 5 permettant de shunter le radiateur 2 pendant la phase de montée en température du moteur, une pompe mécanique 6 et 6 2740172 différentes tubulures ou durites pour assurer la circulation du liquide entre ces différents éléments. La pompe 6 entraînée par l'arbre moteur, assure dès le démarrage du moteur une circulation permanente en boucle fermée du liquide de refroidissement dans le circuit principal 9, à travers donc la chambre d'eau du moteur 1, l'aérotherme 3 et, selon la position de la vanne 5, le radiateur 2. Conformément à l'invention, le dispositif de refroidissement comporte en plus un circuit auxiliaire 11 relié au circuit principal 9. Ce circuit auxiliaire 11 comprend des moyens de stockage calorifugés et de transfert pilotés, adaptés pour permettre à l'arrêt du moteur 1, le transfert du liquide de refroidissement du circuit principal 9 dans les moyens de stockage calorifugés et au démarrage du moteur le transfert du liquide des moyens de stockage calorifugés dans le circuit de refroidissement principal 9. Ces moyens de stockage sont formés par un boîtier calorifugé 8 présentant une cavité intérieure o est disposée une vessie souple 25 formant un réservoir à volume variable. L'unique orifice d'entrée et de sortie de la vessie 25, qui se trouve de préférence au point bas de la vessie , est relié au circuit principal 9 par l'intermédiaire d'une pompe électrique 28 pilotée fonctionnant dans les deux sens de rotation et d'un conduit de liaison 10 qui débouche dans le circuit principal 9 du côté aspiration de la pompe 7 2740172 mécanique 6 en n'importe quel point à l'exception toutefois du point le plus haut du circuit 9.. Le conduit 10, qui est par ailleurs, muni à son extrémité opposée au circuit principal, d'une électrovanne pilotée 27 et d'un détecteur de débit 26 fonctionnant par repérage du mouvement du liquide dans la partie de conduit 10 o il est implanté, est également connecté au circuit principal 9 par l'intermédiaire d'un conduit de dérivation 31 muni d'une électrovanne pilotée 34. Le conduit 31 débouche dans le conduit 10, entre l'entrée de la vessie 25 et la pompe électrique 28, et dans le circuit principal 9 au voisinage du conduit 10. Entre les embranchements des conduits 10 et 31, une électrovanne pilotée 33 est disposée sur le circuit principal 9 de façon à dériver le liquide du circuit principal 9 à travers la boucle constituée par les conduits 31 et 10. Cette disposition permet d'inclure la pompe 28 dans le circuit principal 9 et de lui permettre ainsi d'entraîner l'eau à travers ce dernier en remplacement de la pompe mécanique 6 pendant notamment une phase de préchauffage avant démarrage du moteur 1. Par ailleurs, un conduit 12 muni d'une électrovanne pilotée 13 met en communication la cavité intérieure du boîtier 8 à la partie haute du vase de purge 4. Une électrovanne pilotée 14 équipe également le conduit 7 reliant la partie haute du vase de purge 4 à la partie haute du radiateur 2. Cette disposition permet de réduire le volume du vase de purge 4. En effet, le vase de purge 4 ne 8 2740172 sert plus qu'à purger l'air et à stocker le surplus de liquide dû à sa dilatation, sa fonction de limiteur de pression nécessitant un important volume vide est alors assurée à travers le boîtier 8 et la vanne 13. Le circuit auxiliaire 11 comporte également des moyens de préchauffage de l'huile de lubrification du moteur 1. Ces moyens, qui se substituent ou s'ajoute à un éventuel échangeur eau-huile pouvant être installé sur le circuit principal de refroidissement 9, se composent d'un conduit 30 formant échangeur traversant le bac à huile 29 du moteur et venant se connecter directement sur le conduit 10 de part et d'autre de la pompe électrique 28. L'ensemble des électrovannes 13, 14, 27, 33, 34 et 35, la pompe électrique 28 ainsi que le détecteur de débit 26 sont tous reliés à une commande 22 formée de préférence par un système électronique de contrôle pouvant être intégré au système électronique de pilotage de l'injection du carburant. Cette commande 22 comprend classiquement un calculateur du type comportant une unité centrale ou CPU, une mémoire vive ou RAM, des mémoires mortes ROM et EEPROM, ainsi que des convertisseurs analogiques-numériques et différentes interfaces d'entrées et de sorties. Il reçoit des signaux d'entrée relatifs notamment au fonctionnement du moteur et plus particulièrement au démarrage et à l'arrêt de ce dernier. Il effectue des opérations et génère des signaux de sortie à destination donc des différentes électrovannes 13, 14, 27, 33, 34, , de la pompe électrique 28 et du moto- ventilateur 36, suivant des stratégies préprogrammées décrites ci-après. Conformément à la description qui précède, on va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif de refroidissement selon l'invention. a) Remplissaqe initial du dispositif Pour le premier remplissage du dispositif, ou pour le remplissage du dispositif après une vidange, on verse classiquement le liquide de 1S refroidissement dans le dispositif à travers le vase de purge 4. Les électrovannes 27 et 13 sont alors en position fermée, la vessie 25 est dans sa position naturelle dégonflée, et les autres électrovannes 14, 33, 34 et 35 sont en position ouvertes. Une fois que l'on a introduit la quantité d'eau prédéterminée nécessaire au fonctionnement du dispositif de refroidissement, la purge de l'air résiduel présent dans le dispositif peut alors être opérée. Trois façons d'opérer peuvent être mises en oeuvre: 1) On ferme d'abord les électrovannes 34 et 35, et on fait tourner alternativement plusieurs fois la pompe électrique 28 dans les deux sens de rotation de façon à transvaser alternativement l'eau du circuit principal 9 dans la vessie 25 et vice versa. Le détecteur 26 fournit un signal lorsque la vessie 25 est complètement vidée ou 2740172 remplie qui est utilisé par le système de commande 22 pour arrêter ou changer le sens de rotation de la pompe après une temporisation prédéterminée. On ouvre ensuite la vanne 35 et on fait tourner alternativement plusieurs fois la pompe électrique 28 dans les deux sens de rotation de façon à purger l'air dans l'échangeur 30. 2) On ferme d'abord les électrovannes 13, 14, 27, 33 et on ouvre les électrovannes 34 et 35, puis on actionne la pompe électrique 28 de façon à faire circuler le liquide à travers le circuit principal 9 pour faire une première purge de tout le circuit à l'exception de la vessie 25. On purge ensuite l'air contenu dans la vessie 25 en ouvrant toutes les électrovannes sauf les électrovannes 34 et 35 et en faisant tourner la pompe électrique 28 dans les deux sens de rotation conformément à la stratégie 1) précitée. 3) On ferme les électrovannes 13, 14, 27 et 34, et la purge de l'air présent dans le dispositif à l'exception de celui présent dans la vessie 25 s'effectue alors après le démarrage du moteur comme dans un circuit classique (mise en température, mise en régime, etc.), on purge ensuite l'air contenu dans la vessie 25 en ouvrant toutes les électrovannes sauf les électrovannes 34 et 35 et en faisant tourner la pompe électrique 28 dans les deux sens de rotation conformément à la stratégie 1). b) Démarraqe et fonctionnement du véhicule Le démarrage et le fonctionnement du véhicule s'effectuent comme sur un véhicule à circuit de refroidissement par liquide classique. c) Transfert et stockage du liquide dans la vessie En cas d'arrêt prolongé du moteur, l'ensemble du liquide contenu dans le dispositif est transféré dans la vessie 25 à l'intérieur du boîtier isotherme 8 de façon à conserver les calories qu'il renferme. A cet effet, la commande 22 provoque la fermeture des électrovannes 34 et , et l'ouverture de toutes les autres, puis actionne la pompe électrique 28 de façon que cette dernière aspire tout le liquide du dispositif pour le refouler dans la vessie 25. Lorsque le liquide a été transféré dans la vessie 25, ce qui est détecté par le détecteur 26, la commande 22 arrête la pompe 28 et referme toutes les électrovannes, de sorte que tout le liquide de refroidissement se trouve alors stocké dans le bottier calorifugé 8 et peut ainsi conserver sa chaleur. d) Remplissage du circuit principal 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 toutes les électrovannes à l'exception des électrovannes 34 et , et actionne la pompe électrique 28 de façon à transférer le liquide de la vessie 25 vers le circuit principal 9 à travers le conduit 10. Une fois la vessie vidée, la commande 22 arrête la pompe 28 et ferme les électrovannes à l'exception de l'électrovanne 33 avant d'autoriser le démarrage du moteur 1. Le circuit principal 9 se trouve donc rempli conformément à l'invention, avant même le démarrage du moteur, par de l'eau à une température encore élevée proche de celle atteinte lors de l'arrêt précédent, ce qui entraîne un réchauffement extrêmement rapide du moteur. Cette solution consistant à transvaser le liquide entre le circuit principal et le circuit auxiliaire et plus particulièrement le boîtier calorifugé 8, permet ainsi de réduire considérablement l'inertie thermique du moteur au démarrage et permet donc d'obtenir une montée en température de ce dernier extrêmement rapide contrairement aux solutions connues antérieurement qui nécessitent toutes de chauffer l'eau du circuit qui est alors à la température ambiante. Par ailleurs, cette technique permet d'emmagasiner beaucoup d'énergie contrairement aux techniques connues de stockage d'énergie. En variante de réalisation, on peut accompagner le transvasement du liquide de la vessie 25 vers le circuit principal 9, par le préchauffage de l'huile de lubrification et/ou celui des parois des chambres de combustion et/ou encore celui de l'habitacle du véhicule. Pour opérer le préchauffage de l'huile, il suffit que la commande 22 actionne la pompe électrique 28, après avoir vidé la vessie 25 et fermé les électrovannes 13, 14, 27, 33 et 34, et qu'elle ouvre 13 2740172 l'électrovanne 35, le liquide peut alors circuler à travers le conduit 30 et réchauffer l'huile contenue dans le carter d'huile 29. De même, pour préchauffer les parois des chambres de combustion, la commande ouvre l'électrovanne 34 et actionne la pompe 28 de façon à provoquer une circulation du liquide à travers le circuit principal et donc à travers la chambre d'eau du moteur de façon à favoriser les transferts thermiques avec les cylindres et la culasse. Pour opérer le préchauffage de l'habitacle, il suffit alors de déclencher le moto-ventilateur 36 coopérant avec l'aérotherme 3. On peut prévoir que cette prestation préchauffage habitacle, soit pilotée par le conducteur par l'intermédiaire d'un bouton de sélection disposé sur le tableau de bord. 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, le dispositif de refroidissement décrit est également utilisable dans le cas d'un système de refroidissement diphasique. Le volume de la cavité intérieure du bottier 8 sert alors de volume de compensation pour limiter la pression dans le dispositif. 14 2740172 REVENDICATIONS [1] Dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne du type comportant un circuit principal (9) comprenant la chambre d'eau du moteur (1), un radiateur (2), un aérotherme (3), une pompe (6) et un vase de purge (4), caractérisé en ce qu'il comporte également un circuit auxiliaire (11) relié audit circuit principal (9), ledit circuit auxiliaire (11) comprenant des moyens de stockage calorifugés (8,25), des électrovannes (13,14,27,33,34,35) et des moyens de pompage (28) pilotés par des moyens de commande (22) pour transférer le liquide de refroidissement du circuit principal (9) vers les moyens de stockage calorifugés (8,25) à l'arrêt du moteur (1) et des moyens de stockage calorifugés (8,25) vers le circuit principal (9) avant le démarrage du moteur (1) de façon à accélérer le réchauffement de ce dernier lors du démarrage. [2] Dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites électrovannes (13,14,27,33,34,35) et lesdits moyens de pompage (28) sont pilotés par lesdits moyens de commande (22) pour, après avoir transféré le liquide de refroidissement des moyens de stockage calorifugés (8,25) dans le circuit principal (9), faire circuler le liquide à travers le circuit 2740172 principal (9) avant le démarrage du moteur (1) de façon à accélérer le réchauffement de ce dernier lors du démarrage. [3] Dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en qu'il comprend un moto-ventilateur (36) piloté par lesdits moyens de commande (22), ledit moto- ventilateur (36) coopérant avec ledit aérotherme (3) dudit circuit principal (9). [4] Dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit circuit auxiliaire comprend un échangeur eau-huile (30) et en ce que lesdites électrovannes (13,14,27,33,34,35) et lesdits moyens de pompage (28) sont pilotés par lesdits moyens de commande (22) pour, après avoir transféré le liquide de refroidissement des moyens de stockage calorifugés (8,25) dans le circuit principal, faire circuler le liquide à travers ledit échangeur eau- huile (30) avant le démarrage du moteur de façon à réduire les frottements de ce dernier lors du démarrage. [5] Dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de stockage sont formés par une vessie souple (25) disposée dans la cavité intérieure d'un boîtier calorifugé (8). 16 2740172 [6] Dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite cavité intérieure du boîtier calorifugé (8) est connectée à la partie haute du vase de purge (4) par l'intermédiaire d'un conduit (12) muni d'une électrovanne (13). [7] Dispositif de refroidissement par liquide pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de pompage sont formés par une pompe électrique (28) pouvant fonctionner dans les deux sens.