Brevet FR2772426A1 — publié le 19990618

La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne et a plus particulièrement pour objet un dispositif de refroidissement de tels moteurs. Un moteur à combustion interne comporte un bloc moteur et une culasse, chacun d'entre eux comportant au moins une chambre dans laquelle circule un liquide de refroidissement. De plus, des pistons et des soupapes d'admission et de refoulement leur sont respectivement associés. Le circuit de refroidissement comporte principalement une pompe, un radiateur et des canalisations qui les relient entre eux et au moteur et à l'intérieur desquelles circule un liquide de refroidissement. Ce demier s'échauffe dans le moteur et est refroidi dans le radiateur qui est un échangeur du type liquide de refroidissement/air ambiant auquel est généralement associé un ventilateur. Celui-ci permet de généré une circulation forcée, au travers du radiateur, de l'air de refroidissement dudit liquide. Les liquides de refroidissement généralement utilisés comportent 50 à 75% en volume d'eau, le reste étant constitué par des glycols tel l'éthylène glycol ou le propylène glycol pour abaisser le point de congélation et quelques additifs aptes à limiter la corrosion tels que des phosphates/amines, des nitrites/benzoateslsilicates, des phosphates alcalins ou des sels d'acides carboxyliques. En fonctionnement, le liquide de refroidissement s'échauffe jusqu'à une température d'équilibre d'environ I000C et le débit du liquide de refroidissement est déterminé de telle sorte que l'écart de température entre l'entrée et la sortie du radiateur est de l'ordre de quatre degrés. Dans le but d'accroître le rendement énergétique du moteur, il est connu d'utiliser des moyens de suralimentation de l'air de combustion. Cette suralimentation consiste à prélever une partie de l'énergie contenue dans les gaz d'échappement et de la transférer à l'air destiné à alimenter le moteur permettant, après mélange avec le combustible d'obtenir un meilleur taux de remplissage des cylindres du moteur et par suite un accroissement de la puissance disponible. Ces moyens de suralimentation comportent un turbocompresseur. D'une part il est entraîné par les gaz d'échappement et d'autre part, il comprime l'air destiné à la combustion. Du fait de l'accroissement de la température de l'air lors de sa compression, cet accroissement conduisant à une diminution de la densité de l'air et finalement à une diminution du taux de remplissage molaire de l'air dans les cylindres, il est d'usage d'utiliser des moyens de refroidissement de l'air ainsi comprimé. En outre, il peut s'avérer nécessaire de refroidir l'huile de la boîte de vitesse et/ou l'huile moteur afin qu'elles conservent leurs propriétés. Ainsi le brevet EP512307 décrit un dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion comprenant une branche principale et une branche secondaire. La branche principale comporte une pompe de circulation d'un liquide de refroidissement, un radiateur air/liquide, le liquide alimentant les chambres du moteur et un échangeur haute température apte à refroidir l'air sortant du turbocompresseur. La seconde branche comporte une pompe de circulation d'un liquide de refroidissement, un radiateur air/liquide, le liquide alimentant un échangeur basse température apte à refroidir l'air sortant de l'échangeur haute température ainsi que des échangeurs aptes à refroidir l'huile moteur et l'huile de la boîte de vitesse. Un tel dispositif permet d'obtenir une température relativement basse de l'air comprimée d'alimentation du moteur (70 à 80 C). Cependant, il nécessite l'utilisation de deux radiateurs air/liquide. Or, dans ce type d'échangeur, le coefficient d'échange global est sensiblement égal à celui coté air, et, ce dernier étant faible, les surfaces nécessaires aux échanges thermiques sont grandes et conduisent à des radiateurs volumineux. En outre, comme un ventilateur est généralement associé à chacun des radiateurs, I'encombrement global est accru et la puissance disponible diminue puisqu'il est nécessaire de prélever du travail pour faire fonctionner ces ventilateurs. Or, dans de nombreux cas, comme par exemple dans celui de l'utilisation d'un moteur à combustion interne utilisé dans un véhicule blindé tel un char d'assaut, il est nécessaire de réduire le volume du groupe motopropulseur constitué d'un moteur de préférence suralimenté, de la transmission et d'une poutre de refroidissement comportant l'ensemble des moyens de refroidissement du moteur et éventuellement de l'air de suralimentation et de l'huile moteur ainsi que de celle de la boîte de vitesse. II est à noter que dans les groupes motopropulsés actuels, le moteur représente environ 46% en volume, la boîte de vitesse (transmission) 24% et la poutre de refroidissement 30%. L'un des buts de l'invention est de remédier à ces problèmes en permettant de limiter l'encombrement des moyens de refroidissement d'un moteur à combustion interne. La solution proposée est un procédé de refroidissement d'un moteur à combustion interne comportant une culasse et un bloc moteur, chacun d'entre eux possédant au moins une chambre dans laquelle circule un liquide de refroidissement, ladite chambre faisant partie d'un circuit de refroidissement comportant au moins une pompe et des moyens de refroidissement du liquide de refroidissement, caractérisé en ce que la température du liquide de refroidissement en sortie des dites chambres est supérieure à 1200C. Selon une caractéristique particulière avantageuse, I'écart de température entre l'entrée et la sortie des moyens de refroidissement du liquide de refroidissement est supérieur à 10"C, et préférablement supérieur à 25"C. Selon une caractéristique additionnelle, le bloc moteur comporte au moins un cylindre dans lequel est mû cycliquement un piston entre un point mort bas et un point mort haut proche de la culasse, la partie du bloc proche du point mort haut et la culasse étant refroidis par le liquide de refroidissement avant la partie du bloc proche du point mort bas. L'invention consiste en outre en un dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne suralimenté du type comportant une culasse et un bloc moteur, chacun d'entre eux possédant au moins une chambre dans laquelle circule un liquide de refroidissement et constituant les moyens de refroidissement du moteur, un turbocompresseur et des moyens de refroidissement de l'air comprimé généré par le turbocompresseur, dispositif comportant en outre une pompe de circulation du liquide de refroidissement et des moyens de refroidissement de ce dernier et caractérisé en ce que la pompe, les moyens de refroidissement de l'air de suralimentation, les moyens de refroidissement du moteur et les moyens de refroidissement du liquide de refroidissement sont connectés en série coté liquide de refroidissement. Selon une caractéristique additionnelle, des moyens de refroidissement de l'huile de la boîte de vitesse et/ou des moyens de refroidissement de l'huile moteur sont connectés en série, coté liquide de refroidissement, entre les moyens de refroidissement de l'air de suralimentation et les moyens de refroidissement du moteur. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront dans la description d'un mode particulier de réalisation dans le cadre d'une exploitation à bord d'un engin blindé et au regard des figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 un schéma des moyens généraux de l'invention. la figure 2 présente une carte des températures aux bornes des moyens de refroidissement selon une première caractéristique de l'invention, la figure 3 illustre une carte des températures aux bornes des moyens de refroidissement selon une seconde caractéristique de l'invention. La figure 1 concerne les moyens de refroidissement d'un groupe motopropulseur d'un engin blindé, un tel groupe étant constitué d'un moteur suralimenté, de moyens de transmission et d'une poutre de refroidissement. Les moyens de refroidissement constitutifs de ladite poutre comportent une pompe 1 apte à faire circuler un liquide de refroidissement dans un circuit 2 comprenant des moyens 3 de refroidissement de l'air de suralimentation, des moyens 4 de refroidissement de l'huile de la boîte de vitesse, des moyens 5 de refroidissement de l'huile moteur, des moyens 6 de refroidissement du moteur et des moyens 7 de refroidissement dudit liquide de refroidissement auxquels sont associés des moyens de ventilation de type connu. Ils comportent en outre un vase d'expansion 8 et des moyens 9 aptes à permettre de bipasser les moyens 7 de refroidissement du liquide de refroidissement, ces moyens comprenant notamment une vanne thermostatique 10 à trois voies. Selon l'invention, les moyens de refroidissement 3, 4, 5 et 6, respectivement de l'air de suralimentation, de l'huile de la boîte de vitesse, de l'huile moteur et du moteur sont connectés en série côté liquide de refroidissement. Cette configuration permet de juxtaposer les moyens de refroidissement 3, 4, 5 et 6 et donc de réduire l'encombrement par rapport à un fonctionnement en partie au moins en parallèle. Dans le cadre de l'invention, la pompe 1 extrait, suivant la position de la vanne thermostatique 10, le liquide de refroidissement soit directement de la sortie du moteur, soit de la sortie des moyens 7 de refroidissement du liquide de refroidissement. La pompe refoule ensuite le liquide de refroidissement sous pression successivement dans les moyens de refroidissement 3 puis 4 puis 5 puis 6. Suivant la position de la vanne thermostatique 10, le liquide de refroidissement va ensuite soit directement à l'aspiration de la pompe 1 par la canalisation 9, soit en entrée des moyens de refroidissement 7, soit en partie vers l'un et l'autre. Selon une autre caractéristique, permettant de réduire la taille des moyens de refroidissement et notamment des moyens 7 de refroidissement du liquide de refroidissement, le liquide de refroidissement est échauffé dans le moteur à une température supérieure à 1200C. Tout comme dans le cadre du fonctionnement d'un moteur traditionnel, le débit du liquide est choisi de façon à assurer, en fonctionnement nominal un écart de température entre l'entrée et la sortie des moyens de refroidissement 7 de l'ordre de 5"C et dans tous les cas inférieur à 10 C. Des essais ont été réalisés à haute température, c'est-à-dire avec un liquide de refroidissement sortant à une température supérieure à 1200C du moteur, ce dernier étant un moteur Renault VI E9 750 turbosuralimenté à 2,9 bar et développant dans les conditions nominales de son utilisation une puissance de 550 kW à 2400 tours/mn. Comme le montre la figure 2, le débit de liquide de refroidissement a été fixé à 930 I/mn et les températures s'établissent à 140"C en entrée des moyens de refroidissement 7 et à 133"C à la sortie. Les températures du liquide de refroidissement en sortie des moyens de refroidissement 3, 4, 5 et 6 sont respectivement de 135"C, 137"C, 138"C et enfin 140"C en sortie des moyens de refroidissement du moteur. Selon une caractéristique particulière de l'invention permettant encore de réduire la taille des moyens de refroidissement, le liquide de refroidissement s 'échauffe à une température supérieure à 1 200C en sortie des moyens de refroidissement du moteur et le débit de liquide est choisi de manière à ce que l'écart de température entre l'entrée et la sortie des moyens de refroidissement 7 soit supérieur à 10 C. Selon une caractéristique préférentielle l'écart de température est supérieur à 25"C lorsque les moyens de refroidissement comporte des moyens de refroidissement 3 de l'air de suralimentation par ledit liquide de refroidissement. Des résultats d'essais réalisés avec le moteur VOLVO TD 163 à haute température et avec un écart de température entre l'entrée et la sortie des moyens de refroidissement 7 supérieur à 25"C sont présentés en figure 3. Le débit de liquide de refroidissement a été fixé à 140 I/mn et les températures s'établissent à 140"C en entrée des moyens de refroidissement 7 et à 93"C à la sortie. Les températures du liquide de refroidissement en sortie des moyens de refroidissement 3, 4, 5 et 6 sont respectivement de 1 08"C, 1 1 8"C, 1 27"C, et enfin 140"C en sortie des moyens 6 refroidissement du moteur. Un tel fonctionnement permet, par rapport à celui de la figure 2, un gain de refroidissement de l'air de suralimentation de 30"C. En effet, pour une même température d'entrée de 200"C, la température de sortie est de 110 C dans le premier cas alors qu'il est de 140"C dans le cas de la figure 2. Les moyens de refroidissement utilisés sont de type connus et seul leur dimensionnement change par rapport à l'état de la technique. Selon une autre caractéristique préférentielle, le sens de circulation du liquide de refroidissement dans les moyens 6 de refroidissement du moteur est inversé par rapport au sens habituellement utilisé dans les moteurs à combustion interne. Ainsi, le fluide de refroidissement est introduit par la culasse et ressort en bas du moteur permettant ainsi d'obtenir une meilleure efficacité du refroidissement du haut du moteur où se trouvent les parties les plus chaudes, ainsi qu'une meilleure homogénéité des températures de parois sur l'ensemble du bloc moteur. Cette dernière caractéristique permet de limiter les déformations des chemises du moteur. En outre, cette caractéristique favorise le fonctionnement à haute température avec un écart de température important entre l'entrée et la sortie des moyens de refroidissement 6. En effet, la température maximale T3 de la paroi des cylindres du moteur est dictée par le jeu existant entre cette paroi et le piston, et ce, dans la partie haute du cylindre, proche du point mort haut. Dans un moteur classique la température la plus élevée du liquide de refroidissement se situe justement au niveau de ce point mort haut. Aussi, si le liquide de refroidissement entre dans les moyens de refroidissement 6 à une température T1, il doit impérativement ressortir à une température T2 inférieure à la température maximale. Par contre, dans le cas d'un fonctionnement inversé, si l'on considère de nouveau que T1 est la température d'entrée du fluide de refroidissement dans les moyens 6 au niveau de la culasse donc du point mort haut, il n'apparaît plus de limitation en sortie à une température T2 inférieure à la température maximale T3. Ainsi, un écart de température plus important entre l'entrée et la sortie du liquide de refroidissement dans les moyens 6 peut être utilisé. De surcroît, plus la température de sortie du liquide de refroidissement est élevée et moins la quantité de chaleur à évacuer est importante. De ce fait, des moyens de refroidissement moins volumineux peuvent être utilisés. Dans le cas d'un fonctionnement inversé, une vitesse du liquide de refroidissement de l'ordre de 2 à 5 m/s permet d'obtenir de bons échanges thermiques. Des essais ont été réalisés avec un liquide de refroidissement constitué par de l'eau sous une pression de 4 bars. Ainsi, un fonctionnement des moyens de refroidissement à une température de l'ordre de 1300C avec un écart de température entre l'entrée et la sortie des moyens 7 de l'ordre de 5"C permet de diminuer la surface d'échange de ces derniers de l'ordre de 50%. Ce fonctionnement permet aussi de réduire de 54% la puissance absorbée par les moyens de ventilation. De plus, des essais comparatifs ont été réalisés entre un premier type de fonctionnement avec un sens de circulation traditionnel du liquide de refroidissement dans les moyens 6, un débit de 930 I/mn et des températures entrées et sorties dans les moyens 7 respectivement de 140"C et de 133"C , et un deuxième type de fonctionnement avec un sens de circulation inversé du liquide de refroidissement dans les moyens 6, un débit de 140 t/mn et des températures entrées et sorties dans les moyens 7 respectivement de 140"C et de 93"C. Les résultats montrent qu'outre le gain de volume du fait de l'utilisation d'une pompe plus petite, le deuxième type de fonctionnement permet, pour une même puissance moteur, de diminuer la puissance thermique évacuée au niveau des moyens de refroidissement 6. De surcroît, toutes choses étant égales par ailleurs, le deuxième type de fonctionnement permet d'accroître la puissance, le couple et la consommation spécifique du moteur. REVENDICATIONS 1. Procédé de refroidissement d'un moteur à combustion interne comportant une culasse et un bloc moteur dans lesquels sont aménagées au moins une chambre, consistant à faire circuler un liquide dans un circuit de refroidissement du moteur comportant au moins une pompe de circulation apte à refouler le liquide dans au moins une chambre aménagée dans l'un et l'autre de la culasse et du bloc moteur et dans lesquels il s'échauffe, puis dans des moyens (7) de refroidissement du liquide échauffé sortant desdites chambres, caractérisé en ce que la température du liquide en sortie des dites chambres est supérieure à 1 20 C. 2. Procédé de refroidissement d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écart de température entre l'entrée et la sorties des moyens (7) de refroidissement du liquide de refroidissement est supérieur à 10"C, et préférablement supérieur à 25"C. 3. Procédé de refroidissement d'un moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 dans lequel le bloc moteur comporte au moins un cylindre à l'intérieur duquel est mû cycliquement un piston entre un point mort bas et un point mort haut proche de la culasse, caractérisé en ce qu'il consiste à refroidir la partie du bloc proche du point mort haut et la culasse avant la partie du bloc proche du point mort bas. 4. Dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne suralimenté du type comportant une culasse et un bloc moteur, chacun d'entre eux possédant au moins une chambre dans laquelle circule un liquide de refroidissement et constituant les moyens (6) de refroidissement du moteur, un turbocompresseur et des moyens (3) de refroidissement de l'air comprimé généré par le turbocompresseur, dispositif comportant en outre une pompe de circulation (1) du liquide de refroidissement et des moyens (7) de refroidissement de ce dernier, dispositif caractérisé en ce que la pompe, les moyens (3) de refroidissement de l'air de suralimentation, les moyens de refroidissement du moteur et les moyens (7) de refroidissement du liquide de refroidissement sont connectés en série côté liquide de refroidissement. 5. Dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne suralimenté selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (5) de refroidissement de l'huile moteur connectés en série coté liquide de refroidissement entre les moyens de refroidissement (3) de l'air de surlimentation et les moyens de refroidissement (6) de refroidissement du moteur. 6 Dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne suralimenté selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (4) de refroidissement de l'huile de la boîte de vitesse, connectés en série côté liquide de refroidissement entre les moyens (3) de refroidissement de l'air de suralimentation et les moyens et les moyens (5) de refroidissement de l'huile moteur ou, le cas échéant, les moyens (6) de refroidissement du moteur.