Brevet FR2849673A1 — publié le 20040709

ACTIONNEUR A BARILLET POUR MOTEUR REFROIDISSEMENT SEPARE L'invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne et plus 5 précisément un actionneur à barillet utilisable dans un circuit de refroidissement d'un moteur à combustion interne à refroidissement séparé. Un moteur à combustion interne comprend habituellement un carter fermé par une culasse. Ces éléments sont refroidis pour permettre le fonctionnement du moteur. EP-A-0 548 174 décrit un circuit de refroidissement dans lequel le fluide caloporteur 10 traverse d'abord le carter puis ensuite la culasse, avant de traverser un radiateur. Il a aussi été proposé d'utiliser des circuits distincts pour le refroidissement du carter et de la culasse, de sorte à pouvoir refroidir différemment ces deux éléments, suivant une technique appelée "split cooling" en langue anglaise, soit refroidissement séparé. Ainsi, GB-A-2 245 703 propose un circuit avec un radiateur, un premier circuit de 15 refroidissement pour la culasse avec un court-circuit en parallèle au radiateur et un second circuit de refroidissement pour le carter. Ce document utilise des thermostats pour dériver vers le courtcircuit une partie du flux de fluide caloporteur issu de la culasse et du moteur. GB-A-2 286 039 propose un circuit de refroidissement dans lequel le fluide ayant traversé la culasse est sélectivement dirigé vers le carter, ou 20 vers un radiateur. US-A-6 164 248 propose un dispositif de commande pour le circuit de refroidissement d'un moteur à explosion. Le dispositif de commande comprend un corps cylindrique avec une vanne montée à rotation dans le corps cylindrique. Trois orifices sont ménagés dans le corps cylindrique, à une même hauteur par rapport à 25 l'extrémité du corps. Le fluide arrive dans le dispositif par une extrémité du corps; en fonction de la position radiale de la vanne dans le corps, il sort du dispositif par une ou deux des trois ouvertures. Dans un exemple d'utilisation, le dispositif reçoit en entrée le fluide ayant traversé le moteur et le répartit entre un court-circuit vers la pompe, le radiateur et l'échangeur de chaleur. Dans un autre exemple d'utilisation, le 30 dispositif est monté côté aspiration de la pompe; le flux dans le dispositif est inverse et le fluide provenant du court-circuit, du radiateur ou de l'échangeur de chaleur est aspiré hors du dispositif par une extrémité du corps. 20215.doc - 2 janvier 2003 - 15:01 - 1/12 Il existe donc un besoin d'une solution simple, qui permette de contrôler la circulation de fluide dans le circuit de refroidissement d'un moteur à explosion, en particulier dans le cas d'un refroidissement séparé du carter et de la culasse. Dans un mode de réalisation, l'invention propose donc un actionneur à barillet, 5 comprenant un corps, un orifice débouchant à l'intérieur du corps, un premier, un deuxième et un troisième orifice radiaux dans le corps, un barillet mobile en rotation à l'intérieur du corps et présentant au moins deux ouvertures adaptées à découvrir sélectivement zéro, un, deux ou trois des dits orifices au cours de la rotation du barillet. Dans un mode de réalisation, les premier, deuxième et troisième orifice sont disposés dans les plans différents le long de l'axe de rotation du barillet. De préférence, l'orifice débouchant est disposé à une extrémité du corps. On peut aussi prévoir un dispositif de commande de la position angulaire du barillet. Il est avantageux qu'un ressort sollicite le barillet vers une position dans 15 laquelle deux orifices sont découverts.L'invention propose encore un moteur à refroidissement séparé, présentant un circuit de refroidissement avec une pompe et un tel actionneur. Dans un mode de réalisation, le moteur présente une culasse avec une sortie de fluide caloporteur reliée à l'orifice débouchant de l'actionneur et un carter avec une 20 sortie de fluide caloporteur reliée au premier orifice radial de l'actionneur. On peut encore prévoir un court-circuit reliant le deuxième orifice radial de l'actionneur à la pompe. Avantageusement, le moteur présente un radiateur relié d'une part au troisième orifice radial de l'actionneur et d'autre part à la pompe. Le moteur peut encore présenter au moins une dérivation entre la sortie de fluide caloporteur de la culasse et l'orifice débouchant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et en référence aux dessins qui montrent - figure 1, un schéma fonctionnel d'un circuit de refroidissement utilisant un actionneur selon l'invention; figure 2, un schéma de principe d'un actionneur selon un mode de réalisation de l'invention; 20215.doc - 2janvier 2003 - 15:01 - 2/12 figures 3 à 10, des vues en coupe suivant différents plans de l'actionneur, pour différentes positions de fonctionnement; - figure 11, un schéma en perspective d'un mode d'implantation de l'actionneur. L'invention propose un actionneur à barillet, présentant un corps dans lequel un 5 barillet est mobile en rotation. L'actionneur présente un orifice de fluide à une extrémité et trois orifices radiaux, situés dans des plans différents par rapport à l'extrémité du corps. La rotation du barillet dans le corps permet de fermer les trois orifices radiaux et d'ouvrir un, deux ou les trois orifices radiaux. Le barillet est particulièrement adapté au contrôle de la circulation du fluide caloporteur dans un 10 circuit de refroidissement séparé; dans ce cas, le fluide provenant de la culasse arrive dans l'actionneur par l'orifice de fluide d'extrémité; le fluide provenant du carter arrive dans l'actionneur par un orifice radial; deux orifices radiaux sont reliés au radiateur et à un court-circuit. La figure 1 montre un schéma fonctionnel d'un circuit de refroidissement 15 utilisant un actionneur selon l'invention. On a représenté schématiquement à la figure une pompe 2 assurant la circulation du fluide caloporteur; il peut s'agir par exemple d'une pompe de type centrifuge. Le côté refoulement de la pompe est relié à l'entrée de fluide du carter 4 et à l'entrée de fluide de la culasse 6. La sortie de fluide du carter est reliée à un orifice de l'actionneur 8. La sortie de fluide de la culasse est 20 reliée à un premier orifice radial de l'actionneur 8. Un piquage ou dérivation 10 entre la sortie de fluide de la culasse et le premier orifice radial de l'actionneur conduit vers d'une part vers un aérotherme 12 et d'autre part vers un dispositif de dégazage 14; on pourrait aussi ou alternativement prévoir un échangeur eau/huile ou un autre dispositif. La sortie de l'aérotherme 12 et la sortie du dispositif de dégazage 14 sont 25 reliées au côté d'aspiration de la pompe 2. Un deuxième orifice radial de l'actionneur est relié au côté d'aspiration de la pompe 2 par un conduit de court-circuit 16, qualifié simplement de court-circuit dans la suite. . La boucle fermée ainsi réalisée permet de préférence la montée en température du fluide circulant dans la pompe, le courtcircuit, le carter et/ou la culasse, ladite boucle étant alors nommé boucle froide. Un troisième orifice radial de l'actionneur est relié à une entrée d'un radiateur 18. La sortie du radiateur est reliée au côté d'aspiration de la pompe. Le fonctionnement du circuit de la figure 1 est décrit plus bas, en fonction de la position de l'actionneur 8. 20215.doc - 2 janvier 2003 - 15.01 - 3/12 La figure 2 montre un schéma de principe d'un actionneur 8 selon un mode de réalisation de l'invention. L'actionneur 8 présente un corps 20, de forme cylindrique de révolution. A l'intérieur du corps 20, un barillet 22 est monté à rotation. La forme du barillet apparaît plus clairement de la description ci-dessous en référence aux 5 figures 3 et suivantes; la position angulaire du barillet 22 par rapport au corps 20, autour de l'axe 24 commun au corps et du barillet, est contrôlé par un dispositif connu en soi, comme un moteur électrique à courant continu ou tout autre dispositif adapté à contrôler la rotation du barillet. Ce dispositif n'est pas représenté sur le schéma de principe de la figure 2. Il peut commander la position angulaire du barillet 10 en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur, comme la charge, le transitoire de charge, le régime, la température du fluide caloporteur ou le taux d'EGR. L'actionneur présente un orifice 26 de fluide, qui dans l'exemple est disposé au voisinage d'une extrémité du cylindre. L'orifice 26 est ouvert quelle que soit la 15 position du barillet à l'intérieur du corps; il est avantageux que l'orifice soit disposé à l'extrémité du corps, dans la mesure o cette implantation permet de limiter la longueur totale de l'actionneur. Il reste possible, par exemple en fonction de la position des conduites reliées aux orifices de l'actionneur, de disposer le premier orifice sur la paroi du corps 20. L'actionneur présente en outre trois orifices radiaux, visibles sur la figure par les sections de conduites reliées aux orifices. Ces orifices plus précisément les axes de ces orifices - sont situés dans des plans différents le long de l'axe 24 de l'actionneur. Dans l'exemple de la figure, P'actionneur présente un premier orifice radial 28 dans la partie inférieure de l'actionneur, au voisinage de l'orifice 26 25 d'extrémité. L'actionneur présente en outre deux orifices radiaux 30 et 32, qui sont situés dans un plan différent, dans la partie supérieure du corps 20, à l'extrémité opposée à l'orifice 26. Cette implantation des deuxième et troisième orifice radiaux 30 et 32 est avantageuse du point de vue de la circulation de fluide, dans la mesure o les orifices 26 et 28 sont utilisées pour l'entrée de fluide dans l'actionneur, alors 30 que les orifices 30 et 32 sont utilisés pour la sortie du fluide. En outre, cette implantation permet de concevoir le barillet pour ouvrir séparément chacun des trois orifices radiaux. 20215.doc - 2 janvier 2003 - 15:01 - 4/12 Dans le montage de la figure 1, l'orifice 26 d'extrémité est relié à la sortie de la culasse 4, le premier orifice radial 28 est relié à la sortie du carter 6, le deuxième orifice radial 30 est relié au court- circuit 16 et le troisième orifice radial est relié au radiateur. Les figures 3 à 10 montrent des vues en coupe de l'actionneur de la figure 2, dans différentes positions du barillet à l'intérieur du corps. Les figures présentant un numéro impair sont des vues en coupe dans le plan AA de la figure 2, c'est-à-dire dans le plan des deuxième et troisième orifices radiaux. Les figures présentant un numéro pair sont des vues en coupe dans le plan BB de la figure 2, c'est-à-dire dans 10 le plan du premier orifice radial. Les figures 3 et 4 montrent la position du barillet 20 utilisée au démarrage du moteur. On reconnaît sur la figure 3 le corps 20, le barillet 22 et les deuxième et troisième orifices 30 et 32. La figure 4 montre le corps 20, le barillet 22 et le premier orifice radial 28. Comme le montre la figure 4, le barillet est pourvu, dans le plan BB 15 du premier orifice radial, d'une première ouverture 34; cette ouverture est adaptée à découvrir partiellement ou complètement le premier orifice radial 28; dans la suite la position du barillet est repérée par l'angle orienté ca entre le diamètre passant le centre du premier orifice radial et le rayon passant par le centre de cette ouverture 34, angle représenté sur la figure avec une valeur de 0 . Dans le plan BB des deuxième et troisième orifice radiaux, comme le montre la figure 3, le barillet est pourvu d'une deuxième ouverture 36; cette ouverture est adaptée à découvrir partiellement ou complètement le deuxième orifice radial 30 et/ou le troisième orifice radial. Comme le montre la comparaison des figures 3 et 4, les premières et deuxième ouvertures 34 et 36 sont opposées l'une à l'autre; on 25 comprend que le décalage entre les plans AA et BB le long de l'axe 24 permet de choisir indépendamment les positions relatives des orifices et des ouvertures dans chaque plan, en fonction des besoins. Dans la position représentée aux figures 3 et 4, pour une valeur de l'angle a de 00, les trois orifices radiaux sont fermés. Cette position est utile au démarrage du 30 moteur. En effet, dans cette phase de réchauffement du moteur, l'objectif est de réchauffer aussi vite que possible le moteur. En conséquence, le débit dans le carter est nul; le débit dans le radiateur est aussi nul, de sorte à éviter autant que possible le refroidissement du moteur. Le débit du court-circuit est nul dans l'exemple; il 20215.doc - 2 janvier 2003 - 15:01 - 5/12 pourrait aussi être simplement fortement réduit, dans la mesure o la perte de chaleur correspondante n'est pas importante. Le fluide caloporteur circule donc à travers la culasse et l'aérotherme ou le dispositif de dégazage puis la pompe. Cette circulation a l'avantage de permettre un échange de chaleur vers l'aérotherme, donc un 5 réchauffement rapide de l'habitacle. A cette position, un des avantages d'une pompe centrifuge et non volumétrique est qu'elle supporte bien les pertes de charge relevées lorsque les trois ouvertures radiales de l'actionneur sont fermées. Lorsque le moteur se réchauffe, le barillet 22 pivote autour de l'axe 24 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, comme représenté aux figures 5 et 6. Dans la 10 position du barillet représentée à ces figures, pour un angle a de l'ordre de 90 , le premier orifice radial 28 est fermé, tout comme le troisième orifice radial 32; en revanche, l'ouverture 36 découvre en partie le second orifice radial, de sorte à permettre une sortie au moins partielle du fluide caloporteur vers ce second orifice radial. On comprend que la position de début d'ouverture du second orifice radial ne 15 dépend pas de l'ouverture du premier orifice radial, dans l'autre plan. Il est ainsi possible d'ouvrir le second orifice alors que le premier reste fermé. Dans l'exemple de circuit de la figure 1, ce mouvement du barillet conduit à augmenter progressivement le débit dans le court-circuit 16, tandis que le débit à travers le carter reste nul. On évite donc un échauffement trop important de la 20 culasse, en répartissant la chaleur par la circulation du fluide; toutefois, la circulation de fluide dans le carter est nulle, ce qui favorise le réchauffement du moteur. La vitesse à laquelle le débit dans le court-circuit augmente dépend de la géométrie du second orifice radial et de l'ouverture du barillet, ainsi que de la vitesse de rotation du barillet. Le mouvement de rotation du barillet se poursuit et l'on parvient à la position représentée aux figures 7 et 8, dans l'exemple d'un angle oc de l'ordre de 150 . Dans cette position du barillet, le premier orifice radial 28 commence à être découvert par la première ouverture du barillet, de sorte à permettre un flux de fluide caloporteur à travers le carter. Le deuxième orifice radial 30 du corps est complètement ouvert. 30 Dans cette position, le fluide caloporteur circule à travers le carter et la culasse et est envoyé par l'actionneur vers le court-circuit. Le flux vers le radiateur est toujours nul. Ceci conduit à un équilibrage des températures du fluide à travers le carter et la culasse, sans pour autant que le fluide ne soit refroidi dans le radiateur. 20215.doc - 2 janvier 2003 - 15:01 - 6112 Dans l'exemple des figures, le premier orifice radial - fluide caloporteur en provenance du carter s'ouvre sensiblement lorsque le débit est maximal à travers le court-circuit. On comprend toutefois que cette concidence temporelle n'est pas obligatoire: de fait, l'ouverture du premier orifice pourrait se produire plus tôt ou 5 plus tard, en fonction de la position relative des première et deuxième ouvertures 34 et 36 sur le barillet et de la position relative sur le corps des premier et deuxième orifices. La position relative des ouvertures et des orifices peut varier librement, du fait qu'ils sont situés sur des plans différents. Il est donc possible de régler à volonté le début du débit de fluide à travers le carter, par rapport à l'instant d'ouverture 10 maximale du deuxième orifice radial vers le court-circuit. Le mouvement de rotation du barillet peut se poursuivre pour atteindre des valeurs d'angle de l'ordre de 200 , comme représenté aux figures 9 et 10. Dans cette position, le premier orifice radial 28 est entièrement découvert par la première ouverture 34: le deuxième orifice radial 30 est partiellement fermé et le troisième 15 orifice radial 32 est partiellement découvert par la deuxième ouverture 36. Dans cette position, le fluide caloporteur provenant du carter s'écoule librement vers l'actionneur. Le fluide caloporteur provenant du carter et de la culasse s'écoule en partie vers le court-circuit et en partie vers le radiateur; on comprend qu'une valeur d'angle légèrement supérieure à celle représentée sur la figure conduit à 20 couper le flux vers le courtcircuit au seul profit du flux vers le radiateur; ceci correspond à un fonctionnement du moteur de la figure 1 lorsqu'il est chaud, le fluide caloporteur circulant alors à travers la culasse ou le carter, puis à travers le radiateur. Il est ainsi possible de contrôler par un choix judicieux de la position relative du troisième orifice radial et de la taille de la deuxième ouverture la répartition du fluide 25 caloporteur entre le court-circuit et le radiateur. Avantageusement, la forme de la deuxième ouverture et les positions des deuxième et troisième orifices radiaux sont telles que la deuxième ouverture 36 permet - de découvrir entièrement le deuxième orifice radial 30 - de découvrir le troisième orifice radial 32, ou - de découvrir partiellement le deuxième et le troisième orifice radial. Cette solution permet de répartir à volonté le fluide caloporteur provenant du carter et de la culasse entre le court-circuit et le radiateur. Cette répartition peut être effectuée indépendamment de l'ouverture ou de la fermeture du premier orifice 20215.doc - 2 janvier 2003 - 15:01 - 7/12 radial, qui se trouve dans un plan différent; il est toutefois avantageux que le premier orifice radial soit découvert lorsque les deuxième ou troisième orifices radiaux sont découverts. Ainsi, l'actionneur de la figure 2 permet de contrôler, avec une seule 5 commande, l'écoulement du fluide caloporteur vers les différents éléments du circuit. Le passage de la position des figures 7 et 8 à celle des figures 9 et 10, ou inversement permet de réguler la température du fluide caloporteur, en modifiant la proportion de fluide circulant à travers le radiateur par rapport à celle circulant à travers le courtcircuit. On peut adapter l'actionneur en fonction des paramètres de fonctionnement 10 du moteur: comme expliqué plus haut, on peut choisir l'instant d'ouverture du premier orifice radial relié à la sortie de fluide du carter, par rapport à l'instant d'ouverture du deuxième orifice radial relié au court-circuit. Le barillet peut aussi être muni d'un ressort, le sollicitant vers une position dans laquelle les premier et troisième orifices sont découverts par les ouvertures dans le 15 barillet. Le ressort est par exemple un ressort de torsion monté entre le barillet et le corps, adapté à ramener le barillet dans cette position. Ceci permet d'assurer, en cas de défaillance dans les moyens de contrôle de position du barillet, que l'actionneur permet la circulation du fluide à travers le carter, la culasse et le radiateur. De la sorte, le moteur est protégé contre toute surchauffe, même si l'actionneur ne 20 fonctionne pas. La figure 11 est une vue en perspective d'un exemple d'intégration organique de l'actionneur décrit plus haut. On a représenté à la figure l'actionneur, l'arrivée 38 de fluide caloporteur en provenance de la culasse, l'arrivée 40 de fluide caloporteur en provenance du carter, l'actionneur 8, la sortie 42 de fluide caloporteur vers le 25 courtcircuit, la sortie 44 de fluide caloporteur vers le radiateur. La figure montre encore les dérivations 46, 48 et 50 vers l'aérotherme, le dispositif de dégazage et un échangeur eau/huile; apparaît aussi sur la figure une sonde 52 de température de fluide caloporteur, qui mesure la température du fluide provenant de la culasse. La figure ne montre pas le moteur d'actionnement du barillet. La figure 1 1 montre qu'il est possible d'intégrer l'actionneur de l'invention dans un moteur; la forme cylindrique de l'actionneur comme l'implantation axiale et radiale des orifices permet une implantation compacte. 20215.doc - 2janvier 2003 - 15:01 - 8/12 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation donnés plus haut. Le corps de l'actionneur n'est pas nécessairement cylindrique, dès lors qu'il présente une ouverture intérieure cylindrique permettant la rotation du barillet. On peut aussi utiliser l'actionneur de la figure 2 dans d'autres contextes que celui du 5 circuit de refroidissement de la figure 1. On peut aussi augmenter le nombre d'ouvertures, ou donner aux ouvertures des formes différentes de celles représentées sur les figures. 20215doc-2 janvier2003- 15:01 -9/12 REVENDICATIONS 1. Un actionneur à barillet, comprenant un corps (20),un orifice (26) débouchant à l'intérieur du corps, un premier, un deuxième et un troisième orifice radiaux (28, 30, 32) dans le corps, un barillet (22) mobile en rotation à l'intérieur du corps et présentant au moins deux ouvertures (34, 36) adaptées à découvrir sélectivement zéro, un, deux ou trois des dits orifices au cours de la rotation du barillet. 2. L'actionneur de la revendication 1, caractérisé en ce que les premier, deuxième et troisième orifice sont disposés dans les plans différents le long de l'axe (24) de 10 rotation du barillet (22). 3. L'actionneur de la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'orifice (26) débouchant est disposé à une extrémité du corps (20). 4. L'actionneur de la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il présente un dispositif de commande de la position angulaire du barillet (22). 5. L'actionneur de l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par un ressort sollicitant le barillet vers une position dans laquelle deux orifices sont découverts. 6. Un moteur à refroidissement séparé, présentant un circuit de refroidissement avec une pompe (2) et un actionneur (8) selon l'une des revendications 1 à 5. 7. Le moteur de la revendication 6, caractérisé en ce qu'il présente une culasse (6) 20 avec une sortie de fluide caloporteur reliée à l'orifice débouchant (26) de l'actionneur et un carter (4) avec une sortie de fluide caloporteur reliée au premier orifice radial (28) de l'actionneur. 8. Le moteur de la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il présente un courtcircuit (16) reliant le deuxième orifice radial (30) de l'actionneur à la pompe (2). 20215.doc-2 janvier2003 - 1501 - 10/12 il 9. Le moteur de la revendication 6, 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il présente un radiateur (18) relié d'une part au troisième orifice radial (32) de l'actionneur (8) et d'autre part à la pompe (2). 10. Le moteur selon la revendication 7, 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il présente au 5 moins une dérivation (10) entre la sortie de fluide caloporteur de la culasse (6) et l'orifice débouchant (26). 20215.doc-2 janvier2003 - 15:01 - 11/12