Brevet FR2797301A1 — publié le 20010209

"Dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion et agencement d'un échangeur thermique" L'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion et un agencement d'un échangeur thermique. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion du type comportant un fluide caloporteur qui circule à proximité des parties chaudes du moteur de façon à absorber les calories, des moyens thermostatiques qui, selon les conditions, commandent la répartition du débit de fluide réchauffé entre : - un premier circuit de refroidissement qui comporte un premier échangeur thermique, du type comprenant une première boîte à eau d'entrée, un premier aérotherme, du type eau/air, qui est traversé par un premier flux d'air pour refroidir le fluide caloporteur et une première boîte à eau de sortie qui conduit le fluide caloporteur refroidi au moteur ; et - un second circuit de chauffage de l'habitacle qui comporte un second échangeur thermique du type comprenant une seconde boîte à eau d'entrée, un second aérotherme du type eau/air, qui est traversé par un second flux d'air pour chauffer le second flux d'air et une seconde boîte à eau de sortie qui conduit le fluide caloporteur au moteur. Actuellement, plus de 95% du parc automobile mondial est équipé de moteurs à combustion interne. Les véhicules sont munis d'un circuit de refroidissement et d'un circuit de chauffage. Le premier permet au moteur de fonctionner à une température la plus proche possible de sa température de fonctionnement optimum. Le second est destiné à augmenter la température de l'habitacle lorsque cette dernière est trop basse pour assurer un confort maximum aux passagers du véhicule. Une pompe à eau met en mouvement un fluide caloporteur dans un réseau comprenant : un moteur à combustion interne, un premier échangeur thermique qui assure le refroidissement du fluide, un second échangeur thermique qui assure le chauffage de l'habitacle, un vase d'expansion et une vanne thermostatique qui sont reliés entre eux par des durits. De manière générale le premier et le second échangeurs thermiques sont situés respectivement en avant et en arrière du moteur. En effet, le premier échangeur thermique est placé de préférence à l'avant du véhicule de façon qu'un important premier flux d'air frais venant de l'extérieur le traverse pour refroidir le fluide caloporteur. Le second échangeur thermique est pour sa part généralement situé à proximité de l'habitacle, de façon qu'il puisse réchauffer un second flux d'air qui est ensuite introduit dans l'habitacle. Cette configuration est encombrante et elle nécessite de plus un nombre élevé et une longueur importante de conduites ou de durits. Cela présente plusieurs inconvénients. À l'heure actuelle, les constructeurs automobiles ont tendance à réduire de plus en plus l'espace destiné au groupe motopropulseur. C'est le cas pour les véhicules dits "monospaces" dont la distance entre l'habitacle et l'avant du véhicule est réduite, notamment pour des raisons de coefficients de pénétration dans l'air. Le coût d'un tel dispositif de refroidissement est élevé. En effet, le prix des matériaux utilisés, en particulier celui du caoutchouc mis en ceuvre dans la fabrication des durits, est important. De plus, l'éloignement des divers éléments nécessite une longueur importante de durits. Il est donc nécessaire de faire circuler une grande quantité de fluide caloporteur ce qui augmente l'inertie thermique du moteur. Enfin, le raccordement fiable de tous les composants du réseau est difficile à réaliser, la multiplication des composants et des durits accroissant les risques de défaillances et de fuites. Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention propose un dispositif de refroidissement du type flux précédemment caractérisé en ce que le premier et le second échangeur thermique sont réalisés sous la forme d'u n échangeur thermique unique qui comporte une boîte à eau commune d'entrée, ou de sortie, et en ce que les moyens thermostatiques répartissent le débit du fluide caloporteur entre la première et la seconde boîte à eau de sortie, ou d'entrée respectivement. Selon d'autres caractéristiques - les moyens thermostatiques sont une vanne thermostatique qui relie entre elles les boîtes à eau d'entrée ou de sortie ; - la première et la seconde boîte à eau qui sont reliées par les moyens thermostatiques ont un boîtier commun et sont délimitées l'une de l'autre par une séparation traversée par la vanne thermostatique ; -la première et la seconde boîte à eau d'entrée sont communes et la première et la seconde boîte à eau de sortie sont réalisées dans un boîtier commun et sont délimitées l'une de l'autre par la vanne thermostatique ; - un vase d'expansion est intégré dans la première ou la seconde boîte à eau d'entrée ou de sortie. L'invention propose également un agencement d'un échangeur thermique d'un dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il est disposé à proximité de la partie inférieure du pare- brise du véhicule. Selon encore d'autres caractéristiques de l'invention - la partie de l'échangeur thermique unique qui assure le refroidissement du fluide caloporteur est agencé de façon que le premier flux d'air est orienté vers l'extérieur du véhicule et que la partie de l'échangeur thermique unique qui assure le chauffage du second flux d'air est agencé de façon que le second flux d'air est orienté vers l'habitacle du véhicule. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins parmi lesquels : - la figure 1 représente un dispositif de refroidissement d'un moteur selon l'état de l'art ; - la figure 2 représente un dispositif de refroidissement d'un moteur selon l'invention ; - la figure 3 représente un agencement selon l'invention d'un échangeur thermique. Dans la description qui va suivre, des éléments identiques ou similaires seront désignés par les mêmes chiffres de référence. On a représenté à la figure 1 un dispositif de refroidissement 10 selon l'état de l'art. Il comporte un circuit composé de plusieurs éléments et composants parmi lesquels : un circuit de refroidissement interne au moteur 12, une pompe à eau 14, un circuit de refroidissement 16, un circuit de chauffage de l'habitacle du véhicule 18, un vase d'expansion 20, une vanne thermostatique 22, ainsi que de durits fixées sur ces divers éléments en vue de les relier. Le dispositif 10 est rempli d'un fluide caloporteur qui est mis en mouvement par la pompe à eau 14. Il circule dans chacun des éléments du dispositif de refroidissement 10. Le circuit interne au moteur 12 permet au fluide caloporteur de circuler dans la culasse et dans le bloc-cylindres près des zones chaudes du moteur 12, et notamment à proximité des chambres de combustion. Le fluide caloporteur absorbe alors des calories dégagées par les explosions successives de chacune des chambres. Une durit 24 conduit le fluide à l'entrée de la vanne thermostatique 22. Lorsque le moteur 12 n'a pas atteint sa température optimale de fonctionnement, la vanne thermostatique 22 oriente la totalité du débit du fluide caloporteur vers le circuit de chauffage de l'habitacle 18. Lorsque le moteur atteint sa température optimale de fonctionnement la vanne thermostatique 22 permet alors de répartir le débit de fluide sortant du moteur 12 entre le circuit de refroidissement 16 et le circuit de chauffage l'habitacle 18. Une première durit d'entrée 26 raccorde la vanne thermostatique 22 à l'entrée du circuit de refroidissement 16. Le circuit de refroidissement 16 comprend un premier échangeur thermique eau/air 17. Il est placé à l'avant du véhicule. Il se compose essentiellement de deux réservoirs, appelés boîtes à eau, qui sont reliés à des tubes d'un premier aérotherme 17 dans lesquels circule le fluide caloporteur. Les tubes portent des ailettes extérieures qui favorisent les échanges thermiques entre le fluide caloporteur chaud qui circule dans le premier échangeur thermique et un premier flux Fl d'air frais qui traverse le premier échangeur dans une direction sensiblement perpendiculaire au plan défini par les tubes, de façon que lorsque le fluide sort de ce premier échangeur thermique sa température soit inférieure à la température optimale de fonctionnement du moteur 12. Une première durit de sortie 27 raccorde la sortie du circuit de refroidissement 16 à l'entrée 29 du circuit qui permet la circulation du fluide caloporteur dans la culasse du moteur 12. Une seconde durit d'entrée 28 raccorde la vanne thermostatique 22 à l'entrée du circuit de chauffage de l'habitacle 18. Le circuit de chauffage de l'habitacle 18 comporte un second échangeur thermique eau/air constitué notamment d'un second aérotherme 19. Son fonctionnement est identique à celui du premier échangeur thermique. Cependant, ses dimensions et sa fonction sont différentes. Il permet l'augmentation de la température de l'habitacle en transférant les calories du fluide caloporteur au second flux d'air F2 qui le traverse. Une seconde durit de sortie 30 raccorde la sortie du circuit de chauffage de l'habitacle 18 à l'entrée 29 du circuit interne qui permet la circulation de fluide caloporteur dans le moteur 12. Le vase d'expansion 20 est un récipient qui contient une réserve de fluide caloporteur. Comme le fluide caloporteur circule dans un circuit fermé et étanche du dispositif de refroidissement 10, la pression du fluide caloporteur monte au fur et à mesure de l'échauffement du moteur 12, jusqu'à atteindre une pression d'équilibre qui dépend de la température de fonctionnement du moteur 12. Les variations de pression, entre le moment auquel le moteur est froid et le moment auquel le moteur est chaud, sont absorbées par un matelas d'air et de vapeur qui est situé dans la partie supérieure du vase d'expansion 20. Il est généralement placé en un point haut du dispositif de refroidissement 10. Cette configuration permet la mise sous pression du circuit du dispositif de refroidissement 10 ainsi que le dégazage de ce circuit. Le vase expansion 20 est équipé d'un clapet taré qui permet de limiter la pression dans le circuit du dispositif de refroidissement 10, si pour une cause quelconque la pression augmente fortement. Le clapet taré 32 permet l'échappement du matelas d'air et du fluide caloporteur pour que la pression du circuit du dispositif 10 reste inférieure à une valeur débit au- delà de laquelle il se produit des dégâts dans le moteur. En plus de simplifier la conception du dispositif 10, l'invention propose notamment de faire appel à un échangeur thermique unique 40 selon la figure 2. Dans la suite de la description une orientation gauche, droite est utilisée conformément à la figure 2. L'échangeur thermique unique 40 selon l'invention regroupe un vase d'expansion 20, une boîte à eau d'entrée 42, un premier aérotherme du type eau/air 17, un second aérotherme du type eau/air 19, une boîte à eau de sortie 44 ainsi que des moyens thermostatiques de commande 22. Ces divers éléments sont réunis au sein d'une structure unique. L'échangeur thermique unique 40 est de forme sensiblement parallélépipédique. Le premier et le second aérotherme 17 et 19 sont superposés de façon que le fluide caloporteur circule de l'entrée vers la sortie respectivement de gauche à droite. La boîte à eau d'entrée 42 et la boîte à eau de sortie 44 sont placées aux extrémités latérales des aérothermes 17 et 19 respectivement à gauche la droite et elles sont communes à ces deux éléments. Le premier aérotherme 17 est destiné à refroidir la température du fluide caloporteur. Pour ce faire, il est traversé par le premier flux d'air frais Fl. Le second aérotherme 19 permet quant à lui de chauffer le second flux d'air F2 pour l'introduire dans l'habitacle du véhicule afin d'y augmenter la température. Avantageusement, le vase expansion 20 est disposé à la partie supérieure de la boîte à eau d'entrée 42. Dans un premier mode de réalisation conformément à la figure 2, la boîte à eau de sortie 44 est constituée de deux chambres superposées 46 et 48 qui sont associées respectivement à la sortie de chacun des deux des aérothermes 17 et 19. Les deux chambres 46 et 48 sont séparés par une cloison 50 et elles communiquent par l'intermédiaire des moyens thermostatiques de commande 22. La sortie du fluide caloporteur de l'échangeur thermique unique 40 se fait par la chambre de la boîte à eau de sortie 44 correspondant à la sortie du second aérotherme 19. Avantageusement, les moyens thermostatiques 22 sont une vanne thermostatique située à l'intérieur de la boîte à eau sortie 44. La circulation du fluide caloporteur à l'intérieur de l'échangeur thermique unique 40 ne nécessite aucune durit. En effet, les divers éléments communiquent directement entre eux. Le fonctionnement du dispositif de refroidissement selon l'invention est le suivant. Le fluide caloporteur réchauffé par le moteur est introduit dans l'échangeur thermique unique 40 dans le vase expansion 20 par une durit unique d'entrée 52. Après avoir traversé l'échangeur thermique unique 40 le fluide est évacué de la chambre 48 par une durit unique de sortie 54. Lors de la mise en route du moteur 12, la température de ce dernier est inférieure à sa température de fonctionnement optimale. Afin d'atteindre le plus rapidement possible cette dernière, il est nécessaire que le fluide caloporteur perde un minimum de calories au cours de sa circulation hors du moteur 12. Dans ce but, les moyens thermostatiques 22 empêchent le passage du fluide caloporteur dans le premier aérotherme 17 de refroidissement du fluide. C'est-à-dire, qu'ils empêchent le fluide caloporteur de circuler entre la première 46 et la seconde chambre 48 de la boîte à eau de sortie 44. Ainsi, le fluide caloporteur qui entre dans l'échangeur thermique unique 40 par le vase expansion 20 circule successivement à travers la boîte à eau d'entrée 42, le second aérotherme 19 et la seconde chambre 48, de la boîte à eau de sortie 44 avant de sortir de l'échangeur thermique unique 40 et retourne au moteur 12 par intermédiaire de la durit de sortie 54. Avantageusement, un dispositif de gestion du second flux d'air F2 tel qu'un système de volets permet de supprimer le second flux d'air F2 de façon à minimiser les pertes thermiques du fluide caloporteur lors de son passage dans le second aérotherme 19. Lorsque le moteur 12 chauffe et atteint sa température optimale de fonctionnement, la valeur de la température du fluide caloporteur atteint une valeur dite d'ouverture. Cette valeur est détectée par les moyens thermostatiques de commande 22. Dés que cette valeur d'ouverture est atteinte, la vanne des moyens thermostatiques 22 s'ouvre progressivement de façon que le fluide caloporteur encore froid contenu dans le premier aérotherme 17 et dans la première chambre 47 de la boîte à eau de sortie 44 s'échappe de cette dernière. Le fluide caloporteur circule alors dans les deux aérothermes 17 et 19. Les moyens thermostatiques 22 permettent de répartir en permanence le débit de fluide caloporteur entre le premier et le second aérotherme 17 et 19 en fonction de la valeur de la température du fluide caloporteur de façon qu'elle reste voisine de la valeur d'ouverture. Cette configuration est très avantageuse. En effet, le dispositif de refroidissement 10 est très compact, presque tous les éléments qui le composent étant compris dans une structure unique, ce qui permet la diminution du nombre des éléments de fixation, un gain de place important dans le compartiment moteur ainsi qu'une réduction du temps d'assemblage et de montage en usine. De plus, seulement deux durits 52 et 54 sont nécessaires pour relier l'échangeur thermique unique 40 au moteur, ce qui, en plus de la réduction du nombre de pièces nécessaires, réduit le risque de fuites de fluide caloporteur. L'échangeur thermique unique 40 étant compact et la longueur des durits le reliant à la culasse du moteur 12 étant faible, la quantité de fluide caloporteur contenue dans le dispositif de refroidissement 10 est réduite. Cela a pour conséquences, d'une part d'écourter le temps de montée en température du fluide caloporteur, et donc du moteur 12 et, d'autre part, de diminuer l'inertie du dispositif de refroidissement 10, c'est-à-dire, d'augmenter sa réactivité et la souplesse de sa régulation du circuit et par conséquent de la température du moteur 12. Dans un second mode de réalisation (non représenté), la boîte à eau d'entrée 42 est constituée de deux chambres distinctes correspondant à l'entrée de chacun des deux aérothermes 17 et 19. Les deux chambres communiquent par intermédiaire des moyens thermostatiques 22 de commande. L'entrée du fluide caloporteur dans l'échangeur thermique unique se fait par le vase d'expansion 20 qui communique directement et uniquement avec la chambre de la boîte à eau d'entrée 42 correspondant à l'entré du second aérotherme 19. Le fonctionnement du dispositif de refroidissement 10 est identique à celui du dispositif selon le premier mode de réalisation. L'invention propose aussi un agencement d'u n échangeur thermique d'un dispositif de refroidissement dans lequel l'échangeur thermique est situé à proximité de la partie inférieure du pare-brise du véhicule. De façon à évacuer le flux d'air réchauffé par le dispositif de refroidissement à la base du pare-brise ce qui permet lorsque ce dernier est givré ou mouillé de le dégivrer ou de le sécher. Avantageusement, l'échangeur thermique est de forme sensiblement rectangulaire très allongée transversalement, ce qui nécessite peu de place en hauteur et selon la direction longitudinale du véhicule et ce qui favorise la répartition du flux d'air réchauffé sur toute la surface du pare-brise. Avantageusement, le flux d'air réchauffé peut-être évacué par des évidements réalisés dans les ailes avants du véhicule ou réparti le long des montants du pare-brise jusqu'au niveau du pavillon. Il permet aussi de dégager l'avant du véhicule, généralement occupé par le dispositif de refroidissement. Cela favorise l'inclinaison du groupe motopropulseur vers l'avant du véhicule. Cette inclinaison favorise les capots plongeants ce qui diminue le coefficient de pénétration dans l'air du véhicule. De plus, l'inclinaison du groupe motopropulseur augmente la sécurité dans les véhicules et notamment dans les monospaces. En effet, lors d'un choc tel qu'un accident, le pivotement du groupe motopropuiseur permet de le faire passer sous le plancher du véhicule. Le risque d'écrasement des membres inférieurs des passagers est fortement réduit. Avantageusement, l'échangeur thermique unique 40 est agencé selon l'invention. Selon la figure 3, il est placé à la base du pare-brise du véhicule. Des moyens de gestion des flux d'air le traversant sont mis en ceuvre. Il se compose d'une paroi 60 associée à un premier volet 62 et à un second volet 64. Le premier volet 62 pivote autour d'un axe 66 entre une position d'ouverture 68 et une position de fermeture 70. Il permet respectivement l'évacuation ou non vers l'extérieur du flux d'air F2 ayant traversé le second aérotherme 19. Le second volet 64 pivote autour d'un axe 66 entre une position de chauffage 72 et une position de repos 74 permettant respectivement le passage ou non de l'habitacle du flux d'air F2 ayant traversé le second aérotherme 19 vers l'intérieur. Une ouverture 76 est réalisée sur le capot avant du véhicule dans une zone de haute pression aérodynamique, par exemple à la partie haute du capot. L'ouverture 76 permet à un troisième flux d'air frais F3 d'entrer dans un convergent 78 dimensionné de façon à alimenter le premier et le second aérothermes 17 et 19 par le premier Fl et le second flux d'air F2 respectivement. Lors du démarrage du moteur il est possible de supprimer le second flux d'air F2 traversant le second aérotherme 19 et par conséquent de minimiser la perte de calories du fluide caloporteur pour diminuer la durée de mise en température du moteur. Pour cela, le premier volet 62 est en position de fermeture 70 et le second volet 64 est en position de repos 74. L'invention permet en outre de diminuer la taille du premier aérotherme 17. En effet, de manière générale il est dimensionné de façon à avoir une capacité de refroidissement apte à maintenir une température du moteur 12 proche de sa température optimale de fonctionnement, même lorsque la température de l'air extérieur, c'est-à-dire du troisième flux d'air F3, est élevée. Cependant, cette situation arrive que très rarement. Lorsque la température de l'air extérieur est élevée le chauffage de l'habitacle n'est pas nécessaire, l'agencement proposé permet, dans ce cas, d'utiliser le second aérotherme 19 comme refroidisseur du fluide caloporteur. Le premier volet 62 est alors en position d'ouverture 68 et le second volet 64 est en position de repos 74. Le second flux d'air F2 est orienté intégralement vers l'extérieur du véhicule. Avantageusement, une position intermédiaire du premier volet 62 et du second volet 64 est envisageable. C'est-à-dire, qu'une première partie du second flux d'air F2 est envoyée vers l'habitacle en vue de le chauffer, alors qu'une seconde partie est évacuée vers l'extérieur du véhicule. Il est alors possible de réduire la capacité de refroidissement du premier aérotherme 17 d'une valeur égale à la capacité de refroidissement du second aérotherme 19. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement (40) d'un moteur à combustion (12) du type comportant un fluide caloporteur qui circule à proximité des parties chaudes du moteur (12) de façon à absorber les calories, des moyens thermostatiques (22) qui, selon les conditions, commandent la répartition du débit de fluide réchauffé entre : - un premier circuit de refroidissement qui comporte un premier échangeur thermique, du type comprenant une première boîte à eau d'entrée, un premier aérotherme (17), du type eaufair, qui est traversé par un premier flux d'air (FI) pour refroidir le fluide caloporteur et une première boîte à eau de sortie qui conduit le fluide caloporteur refroidi au moteur (12) et - un second circuit de chauffage de l'habitacle qui comporte un second échangeur thermique du type comprenant une seconde boîte à eau d'entrée, un second aérotherme (19) du type eau/air, qui est traversé par un second flux d'air (F2) pour chauffer le second flux d'air (F2) et une seconde boîte à eau de sortie qui conduit le fluide caloporteur au moteur (12), caractérisé en ce que le premier et le second échangeur thermique sont réalisés sous la forme d'un échangeur thermique unique (40) q ui comporte une boîte à eau commune d'entrée (42), ou de sortie (44), et en ce que les moyens thermostatiques (22) répartissent le débit du fluide caloporteur entre la première et la seconde boîte à eau de sortie (44), ou d'entrée (42) respectivement. 2. Dispositif de refroidissement (40) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens thermostatiques (22) sont une vanne thermostatique qui relie entre elles les boîtes à eau d'entrée (42) ou de sortie (44). 3. Dispositif de refroidissement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première et la seconde boîte à eau qui sont reliées par les moyens thermostatiques (22) ont un boîtier commun et sont délimitées l'une de l'autre par une séparation (50) traversée par la vanne thermostatique. 4. Dispositif de refroidissement (40) selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la première et la seconde boîte à eau d'entrée sont communes et en ce que la première et la seconde boîte à eau de sortie sont réalisées dans un boîtier commun et sont délimitées l'une de l'autre par la vanne thermostatique. 5. Dispositif de refroidissement (40) selon Pu n e quelconque de revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un vase d'expansion (20) est intégré dans la première ou la seconde boîte à eau d'entrée ou de sortie. 6. Agencement d'un échangeur thermique d'un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications précédentes d'un moteur à combustion (12) d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il est disposé à proximité de la partie inférieure du pare-brise du véhicule. 7. Agencement d'un échangeur thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la partie (17) de l'échangeur thermique unique (40) qui assure le refroidissement du fluide caloporteur est agencé de façon que le premier flux d'air (FI) est orienté vers l'extérieur du véhicule et que la partie (19) de l'échangeur thermique unique (40) qui assure le chauffage du second flux d'air (F2) est agencé de façon que le second flux d'air (F2) est orienté vers l'habitacle du véhicule.