Brevet FR2866063A1 — publié le 20050812

La présente invention concerne un système de refroidissement du moteur thermique, à combustion interne, par l'abaissement de la température du liquide de refroidissement, essentiellement en régime élevé ou sur-régime, en compétition et/ou lors de périodes où la température ambiante est élevée, ou de sollicitation mécanique importante. Un moteur à combustion interne, dont les performances maximales sont sollicitées par exemple en compétition, notamment automobile ou autre compétition mécanique, ou en milieu ambiant très chaud, accuse souvent une surchauffe, comparativement à la température de fonctionnement dite normale. Il devient alors indispensable, et en un temps réduit, d'abaisser la température de l'huile moteur par l'intermédiaire du circuit de refroidissement liquide, pour les moteurs utilisant ce type de refroidissement, comme cela est le plus souvent le cas. Lorsque la limite de la température maximale est atteinte, et que le moteur à combustion interne fonctionne encore en régime élevé ou surrégime, les systèmes de refroidissement accusent couramment des défaillances techniques, jusqu'à l'irréversible quant-à la pérennité du moteur à combustion interne, la quantité de liquide de refroidissement embarquée étant limitée. On connaît divers procédés pour l'abaissement de la température du liquide de refroidissement du moteur à combustion interne, spécifiquement par une augmentation de la surface du circuit de refroidissement, telle que citée dans le brevet enregistré sous le numéro EP 11796660, où la dite augmentation de surface de refroidissement est développée par deux chambres successives, horizontale et verticale dans l'exemple présenté. On connaît aussi, par le brevet enregistré sous le numéro EP 1336734, l'automatisation du système de refroidissement basée sur le dosage de la quantité de liquide de refroidissement mise en circulation, en fonction de la température du moteur à combustion interne, cette solution nécessitant une quantité importante de liquide de refroidissement embarquée, dans le cadre du sur-régime du moteur, rencontré en compétition mécanique. 2866063 2 On connaît également, par le brevet enregistré sous le numéro EP 1160006, le procédé de l'abaissement de la température du liquide de refroidissement du moteur à combustion interne, par l'intermédiaire de granules froides, lors du contact de ces dernières avec le liquide de refroidissement. En opposition totale avec cet état de la technique, dont l'efficacité reste très hypothétique lorsque le moteur à combustion interne à atteint sa température limite de fonctionnement, la présente invention fournit un abaissement de la température du liquide de refroidissement par l'élimination des calories de la chaleur latente de l'évaporation d'une faible partie de l'eau contenu dans le circuit de refroidissement du moteur. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, associé ou non à un procédé favorisant la rapidité de l'abaissement de cette température, par l'utilisation d'un mélange non toxique de liquide de refroidissement qui engendre un azéotrope à son évaporation, et ayant un point d'ébullition, ou d'évaporation, inférieur à celui de l'eau. Le dispositif comprend une dérivation du circuit de refroidissement, reliée, mais dissociable en amont et en aval du circuit primaire de refroidissement, composée d'une surface donnée de matériau poreux, destinée à l'évaporation, par le flux d'air ambiant engendré par le déplacement du véhicule, -appelé également mobile-, ou le déplacement d'air engendré par son ventilateur d'origine, d'un mélange aqueux, composé ,à titre d'exemple, d'eau et d'alcool éthylique, ce dernier étant réputé non dangereux pour l'homme et son environnement, lorsqu'il est libéré dans l'atmosphère en très faible quantité , le dispositif étant tout à fait adapté à fonctionner avec de l'eau seule, ce dernier élément devant être déminéralisé, afin de ne pas obstruer les pores du corps poreux, lors de son évaporation dans l'atmosphère, sous forme d'azéotrope ou non. En effet, l'invention est entre autre basée sur l'élimination des calories de l'eau lors de son évaporation, communément appelée chaleur latente. 2866063 3 Pour mieux comprendre ce phénomène physique de l'évaporation de l'eau, il y a lieu de savoir, outre que la chaleur massique de cette dernière est élevée, -d'où son utilisation pour le refroidissement du moteur à combustion interne-, que l'élévation de température de 1 C de 1 gramme d'eau nécessite 1 calorie. Ainsi l'élévation de température de 0 C à 100 C de 1 gramme d'eau nécessite 100 calories, alors que la chaleur latente de son changement d'état physique, ou évaporation, nécessite 539 calories supplémentaires. La quantité importante de chaleur nécessaire à l'évaporation de l'eau, est éliminée du circuit de refroidissement par l'abaissement de la température du corps poreux, creux, dans lequel circule le liquide de refroidissement, réalisé de préférence en un matériau bon conducteur de la chaleur, et, par voie de conséquence, bon conducteur du froid. C'est le cas de matériaux poreux métalliques, élaborés par frittage, et dont la porosité est réalisée selon la demande, comme, à titre d'exemple, les alliages cuivreux du type du bronze, couramment rencontrés dans l'industrie. La porosité, du matériau choisi, est fonction de la pression résidant dans le circuit de refroidissement du moteur à combustion interne en fonctionnement, du refroidissement souhaité, pouvant être exprimé en calories par seconde à éliminer, selon les conditions de sollicitation du moteur, en particulier en régime élevé rencontré en compétition. On réalise ainsi un dispositif pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, basé sur l'élimination de l'excédent calorique engendré par un régime mécanique élevé du moteur, par l'évaporation de l'eau ou d'un mélange aqueux azéotropique non dangereux pour l'homme et son environnement, sans pièces de refroidissement en mouvement, et ne nécessitant en particulier ni une augmentation spécifique de surface du circuit primaire de refroidissement, ni une automatisation basée sur le dosage de la quantité de liquide de refroidissement mise en circulation à partir d'un réservoir secondaire, ni l'adjonction d'un échangeur spécifiquement surfacique de chaleur refroidi à l'air. 2866063 4 Le principe de refroidissement est le suivant: lorsque la température du liquide de refroidissement atteint une valeur limite, ce même liquide de refroidissement est dirigé, par la pompe de circulation propre à chaque moteur à refroidissement par eau, par des moyens d'ouverture et de fermeture, vers une extension, en général tubulaire, du circuit primaire, mais non spécifiquement surfacique. Cette extension comporte un corps poreux creux, de porosité choisie en fonction des paramètres liés à la compétition mécanique concernée, ou à tout autre élément nécessitant un refroidissement supplémentaire à celui déjà en place, dans lequel circule le liquide de refroidissement, qui migre à travers le corps poreux, rencontre l'air ambiant constamment renouvelé par la vitesse de déplacement du mobile et/ou engendré par son ventilateur, s'évapore en consommant les calories ambiantes, refroidissant ainsi la masse du corps poreux creux métallique, conducteur de la chaleur et du froid, qui transmet alors les frigories acquises au liquide de refroidissement qui circule en son sein. Lorsque le circuit primaire de refroidissement retrouve la température de consigne de son fonctionnement normal, le circuit d'extension est isolé par les moyens d'ouverture et de fermeture, jusqu'à la phase suivante de température critique, nécessitant une nouvelle intervention du circuit d'extension équipé d'un corps poreux creux, pour l'élimination de l'excédent calorique. Selon un mode de réalisation de l'invention, le corps poreux creux est réalisé en forme tubulaire, avec une ou plusieurs tubulures montées en série ou en parallèle, les moyens d'ouverture et de fermeture du circuit annexe au circuit primaire de refroidissement étant soient des thermostats, -dénommés également calorstats par les mécaniciens-, qui réagissent à la température du milieu pour ouvrir ou fermer un clapet, soient des électrovannes, le choix étant évidemment guidé par l'application à un petit mobile du type karting, ou à un mobile important du type voiture automobile de compétition en particulier. Une variante du dispositif autorise un seul circuit primaire, sans circuit annexe, qui comporte sur son tracé un ou plusieurs 2866063 5 tubes poreux creux, ou, pour une surface d'évaporation plus importante en un volume réduit, un corps poreux creux réalisé avec des plaques poreuses frittées. Cette variante a l'avantage de ne comporter aucune pièce d'ouverture et de fermeture en mouvement, de par l'absence de thermostats ou d'électrovannes, le circuit de refroidissement ne faisant ainsi plus appel à un circuit annexe, et le corps poreux présentant une porosité inférieure à celle utilisée pour un circuit annexe au circuit primaire, en terme de dimensions des pores du métal fritté. Le dispositif fonctionne indifféremment avec de l'eau seule, de préférence déminéralisée pour sa pérennité, ou avec le procédé consistant à augmenter la vitesse/rapidité d'évaporation, et par voie de conséquence celle de refroidissement de la masse du corps poreux fritté et du liquide de refroidissement qu'il véhicule, par l'utilisation d'un liquide de refroidissement composé d'eau déminéralisée et d'un corps formant avec cette dernière un azéotrope, présentant un point d'ébullition inférieure à celui de l'eau, sans danger pour l'homme et son environnement lors de son évaporation dans l'atmosphère. Cet azéotrope peut être composé, à titre d'exemple, d'eau et d'alcool éthylique, le point d'ébullition de cet azéotrope, composé de 4,4% d'eau et de 95,6 % d'éthanol étant de 78,2 C à la pression de 760 millimètres de mercure ou pression atmosphérique au niveau de la mer. Ce procédé azéotropique est applicable en particulier aux compétitions de courtes durées dans le temps, comme celles, à titre d'exemple, de karting, l'azéotrope précité présentant en outre une réduction de volume de par le mélange eau/alcool, permettant ainsi l'embarquement d'un poids supérieur de liquide de refroidissement à volume constant, et un apport important de frigories par évaporation en un temps très court, de par sa température d'évaporation inférieure à celle de l'eau. Il est évident que seule une petite partie d'alcool est ajoutée à l'eau, pour n'engendrer qu'un azéotrope limité, le liquide de refroidissement devant par nécessité technique être composé essentiellement de l'élément aqueux. 2866063 6 L'invention sera de toute façon mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence aux dessins schématiques annexés représentant, à titre d'exemples, différentes forme d'exécution du dispositif pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne. Figure 1 est un schéma de principe du dispositif monté en extension du circuit primaire de refroidissement, en mode de non fonctionnement, monté, pour les moyens d'ouverture et d'obturation du circuit annexe, avec des thermostats qui réagissent à la température du milieu pour ouvrir ou fermer un clapet d'étanchéité. Figure 2 est un schéma de principe du dispositif monté en extension du circuit primaire de refroidissement, représenté en mode de fonctionnement, avec les moyens d'ouverture et d'obturation du circuit annexe identiques à la figure 1. Figure 3 est un schéma de principe du dispositif monté en extension du circuit primaire de refroidissement, en mode de non fonctionnement, monté, pour les moyens d'ouverture et d'obturation du circuit annexe, avec des électrovannes. Figure 4 est un schéma de principe du dispositif monté en extension du circuit primaire de refroidissement, représenté en mode de fonctionnement, avec les moyens d'ouverture et d'obturation du circuit annexe identiques à la figure 3. Figure 5 est un schéma de principe du dispositif monté sur le circuit primaire, sans circuit annexe, comportant un ou plusieurs tubes poreux creux, de porosité réduite en terme de dimensions des pores du métal fritté. Figure 6 est un schéma de principe, en perspective, du dispositif d'évaporation mono-tubulaire, réalisé en métal fritté. Figure 7 est un schéma de principe, en perspective, du dispositif d'évaporation bi-tubulaire, réalisé en métal fritté. Figure 8 est un schéma de principe, en perspective, du dispositif d'évaporation réalisé avec des plaques, ou tôles, de métal fritté. Le montage classique d'un système de refroidissement, par 35 circulation d'un liquide, d'un moteur thermique 1, comporte une pompe de circulation 2, un échangeur de chaleur 3 communément 2866063 7 nommé radiateur, refroidi par air, l'ensemble étant monté sur un circuit en boucle fermée 4, dans lequel circule un liquide de refroidissement aqueux 5. La figure schématique 1 représente cet état de fonctionnement, le circuit d'extension 7 étant isolé par les moyens d'ouverture et d'obturation 8 et 9, le moyen de communication 10, qui assure dans cette phase de fonctionnement la continuité de la circulation du fluide de refroidissement dans le circuit primaire, restant évidemment en position ouverte. Cette description, donnée à titre d'exemple, représente les thermostats 8, 9 et 10 comme moyens d'ouverture et d'obturation, l'élément poreux creux 11, destiné à permettre l'évaporation de l'eau ou d'un mélange azéotropique aqueux au travers de ses pores, étant placé entre les moyens d'ouverture et de fermeture 8 et 9, sur le circuit annexe 7. Lorsque l'air amené sur le radiateur 3 par la vitesse de déplacement du mobile, -le mobile étant à titre d'exemple un véhicule automobile-, ne suffit pas à refroidir le liquide de refroidissement 5, par l'intermédiaire du radiateur 3, un ventilateur 6 pulse un volume d'air plus important et dirigé sur le radiateur 3. Lorsque le moteur 1 fonctionne en régime élevé, et que le système de refroidissement, dans sa totalité, n'arrive plus à pallier à l'élimination des calories en excès pour un bon rendement mécanique, l'extension du circuit de refroidissement 7 est reliée au circuit primaire 4 par l'ouverture des thermostats 8 et 9, puis de la fermeture du calorstat 10, afin d'assurer la continuité du flux aqueux de refroidissement, comme représenté schématiquement sur la figure 2. L'élément aqueux 5, comme cité précédemment, migre au travers des pores de l'élément poreux creux 11, avantageusement réalisé en métal fritté conducteur de la chaleur et du froid, s'évapore dans l'atmosphère en se refroidissant par l'élimination des calories nécessaire à son changement d'état physique, refroidissant ainsi la masse du support poreux creux 11, qui transmet alors ses frigories au liquide de refroidissement qui circule en son sein. L'étalonnage, en température, des thermostats 8, 9 et 10, permet de revenir à la circulation du liquide refroidi dans son circuit 2866063 8 primaire 4, lorsque la température de fonctionnement redevient normale, par l'ouverture du thermostat 10 placé sur le circuit primaire de refroidissement, puis la fermeture des thermostats 8 et 9 d'isolement du circuit d'extension de refroidissement. Un nouvel échauffement du moteur, sollicite à nouveau la mise en réseau du circuit d'extension 7 avec le circuit primaire de refroidissement 4, pour un nouveau cycle d'évaporation au travers du corps poreux 11. La quantité d'eau, ou de mélange aqueux azéotropique, nécessaire à l'engagement kilométrique considéré, et évaporable en cours de fonctionnement, est gérée d'une manière identique à celle du carburant engagé ; cette quantité d'eau, ou de mélange aqueux azéotropique, supplémentaire à embarquer, pour l'engagement kilométrique considéré, est très limitée au regard de celle engagée dans le circuit primaire de refroidissement, de par le rapport chaleur éliminée/poids d'eau lors de son évaporation. Une variante de l'invention autorise le remplacement des moyens d'ouverture et de fermeture du circuit d'extension 7, du type thermostats 8, 9 et 10, représentés sur les figures schématiques 1 et 2, par des moyens du type électrovannes 12 et 13 représentées sur les figures schématiques 3 et 4. Les moyens d'ouverture et de fermeture du circuit d'extension 7, du type électrovannes 12 et 13, sont ramenés au nombre de 2 pour ces dernières, en lieu et place des 3 pièces nécessaires pour les moyens d'ouverture et de fermeture du circuit d'extension 7, du type thermostats 8, 9 et 10. Une autre variante de l'invention, représentée schématiquement à la figure 5, permet de s'affranchir des moyens d'ouverture et de fermeture du type thermostats 8, 9 et 10, et du type électrovannes 12 et 13, en intégrant sur le circuit primaire de refroidissement 4, et sans circuit annexe 7, un tube poreux creux 11, représenté isolé 14 à la figure 6, ou plusieurs tubes poreux creux 15 représentés également isolés à la figure 7, ou encore, pour créer une surface d'évaporation plus importante en un volume réduit, un corps poreux creux réalisé, à titre d'exemple, avec des plaques métalliques frittées 16. 2866063 9 Cette autre variante, ne comporte aucune pièces d'ouverture et de fermeture 8, 9 et 10, ou 12 et 13, en mouvement, et la porosité, en termes de dimensions des pores du corps poreux creux, peut être inférieure à celle des dispositifs représentés schématiquement aux figures 1 à 4, dans le but d'assurer un refroidissement continu, par évaporation d'eau déminéralisée ou d'un azéotrope aqueux au travers du corps poreux, du moteur thermique à combustion interne. Le dispositif pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, associé ou non au procédé de liquide de refroidissement azéotropique aqueux précité, et précédemment décrit, est applicable à tout type de machines subissant un déplacement ou ventilée par un moyen mécanique, et comportant un circuit de refroidissement liquide, et susceptible de nécessiter en cours de fonctionnement un abaissement de la température du liquide de refroidissement. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécutions qui ont été décrites ci-dessus à titre d'exemples; elle en embrasse,au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. Ainsi, l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention en remplaçant le corps poreux métallique, tel que représenté aux dessins, par une céramique également poreuse, ou par un matériau poreux minéral ou organique capable de supporter la température d'évaporation de l'eau ou de l'azéotrope utilisé. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement un corps poreux creux (11), intégré en ligne sur un circuit tubulaire annexe (7) au circuit tubulaire primaire (4) de refroidissement par circulation de liquide (5), isolé, sur le plan de la circulation du liquide de refroidissement (5) composé d'eau ou d'un azéotrope aqueux, par des moyens d'ouverture et de fermeture (8), (9), (10), (12) et (13). 2 - Dispositif pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement (5) est soit un mélange liquide aqueux, soit un mélange liquide organique, soit un mélange liquide aqueux et organique. _ 3 - Dispositif pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement est uniquement composé d'eau déminéralisée ou non. 4 - Dispositif pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement azéotropique (5) est composé d'eau et d'un alcool. 5 - Procédé pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, mis en oeuvre par un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le refroidissement du liquide est obtenu par sa propre évaporation, au travers d'un corps poreux creux (11), et (14) à (16). 6 - Dispositif pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps poreux creux (11) et (14) à (16) est réalisé en métal fritté, élaboré à partir de la métallurgie des poudres. 2866063 11 7 - Dispositif pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, selon les revendications 1 et 6, caractérisé en ce que le corps poreux creux (11) et (14) à (16) est réalisé en un matériau poreux minéral ou organique, capable de supporter la température d'évaporation du liquide de refroidissement. 8 Dispositif pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, caractérisé en ce qu'un corps poreux creux (11) et (14) à (16) est monté directement sur le circuit de refroidissement primaire (4) du moteur, sans circuit annexe (7), un liquide de refroidissement (5) composé d'eau ou d'un azéotrope aqueux circulant dans le circuit de refroidissement primaire (4). 9 - Dispositif pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'ouverture et de fermetures (8), (9) et (10), reliant le circuit tubulaire de refroidissement primaire (4) au circuit tubulaire de refroidissement annexe (7) sont composés de clapets d'étanchéité qui réagissent a la température du milieu pour remplir leur office d'ouverture et de fermeture, communément nommés, pour ce type de matériel, dans le milieu de l'automobile, thermostats, ou calorstats. - Dispositif pour l'abaissement de la température du circuit de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'ouverture et de fermetures (12) et (13), reliant le circuit tubulaire de refroidissement primaire (4) au circuit tubulaire de refroidissement annexe (7) sont des appareils asservies aux consignes de température, pour leur ouverture et fermeture respectives, du type électrovannes.