Brevet FR2921125A3 — publié le 20090320

FR 2921125 A3 20090320 FR 0757586 A 20070914 DISPOSITIF DE PRÉCHAUFFAGE POUR MOTEUR THERMIQUE La présente invention concerne un dispositif de préchauffage permettant d'améliorer le fonctionnement à froid d'un moteur thermique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine automobile. Aujourd'hui, des normes environnementales toujours plus contraignantes poussent les constructeurs automobiles à réduire les émissions polluantes de leurs véhicules, et donc à concevoir des moteurs thermiques de plus en plus sobres. Il est cependant connu que ce type de moteur consomme excessivement lorsqu'il est froid, et ce tant que la température de fonctionnement normale n'a pas été atteinte. C'est pourquoi on a déjà pensé à accélérer la montée en température du moteur via son circuit de refroidissement, avec pour objectif de limiter le phénomène de surconsommation. A cet égard, le brevet américain US 6 477 990 décrit un dispositif de stockage permettant d'isoler thermiquement une grande partie du liquide de refroidissement d'un moteur thermique lorsque ce dernier n'est plus en marche ; le liquide en question ayant évidemment subi une élévation de température en remplissant sa fonction de refroidissement durant la phase de fonctionnement du moteur directement précédente. Concrètement, le circuit de refroidissement est pourvu d'un réservoir qui est isolé thermiquement afin de limiter la déperdition de chaleur entre deux utilisations consécutives du moteur, mais dont le contenu est régénéré à chaque fois que ledit moteur fonctionne. L'idée est ici de pouvoir alimenter le circuit de refroidissement avec un liquide relativement chaud dès la mise en route du moteur thermique, permettant ainsi fort logiquement d'accélérer la montée en température de ce dernier. Ce type de solution présente toutefois l'inconvénient de manquer de constance dans ses performances. En effet, l'isolation offerte par le réservoir ne pouvant être parfaite, il va inévitablement se produire des fuites thermiques durant chaque phase d'arrêt du moteur. Le liquide de refroidissement stocké va alors systématiquement subir une déperdition thermique de l'ordre 1°C par heure (par exemple), ce qui va -2 entraîner une diminution de son pouvoir de réchauffage potentiel. L'efficacité du système va donc décroître au fur et à mesure que le temps va s'écouler entre deux utilisations successives du moteur, réduisant d'autant la baisse de consommation escomptée. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention, est de proposer un dispositif de préchauffage destiné à améliorer le fonctionnement à froid d'un moteur thermique dont au moins le refroidissement ou la lubrification est assuré par un fluide circulant à l'intérieur même dudit moteur thermique, dispositif de préchauffage qui permettrait d'éviter les problèmes de l'état de la technique en offrant une efficacité sensiblement améliorée, et notamment des performances constantes. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que le dispositif de préchauffage comporte des moyens de chauffage aptes à 15 maintenir le fluide en température après l'arrêt du moteur thermique. Le principe de l'invention consiste donc à chauffer le fluide lorsque le moteur thermique ne fonctionne plus, afin de compenser au moins partiellement la déperdition de chaleur que va inexorablement subir ledit fluide suite au 20 refroidissement naturel dudit moteur. Le chauffage est calibré de manière à maintenir le fluide en température, c'est-à-dire à le garder à une température qui est au moins supérieure à la température ambiante, mais sans forcément atteindre la température de fonctionnement standard du moteur. 25 Quoi qu'il en soit, l'invention est applicable à tout moteur thermique dont le refroidissement est assuré par un liquide caloporteur, et/ou dont la lubrification s'effectue par l'intermédiaire d'une huile lubrifiante. Il est cependant entendu que dans la pratique, et pour des raisons purement économiques, on choisira de préférence l'une ou l'autre des solutions plutôt que la combinaison des deux. 30 L'invention telle qu'ainsi définie présente l'avantage d'améliorer significativement les prestations du moteur thermique en terme de consommation et de dépollution. En effet, grâce à l'action continue du dispositif de préchauffage durant la phase d'arrêt du moteur, le liquide de refroidissement peut conserver une 35 bonne part de la chaleur emmagasinée lors de la dernière phase de fonctionnement dudit moteur. Le liquide de refroidissement va donc être nettement plus chaud que le -3- moteur au moment du redémarrage, de sorte qu'il va avoir naturellement tendance à réchauffer ce dernier au fur et à mesure qu'il va circuler à l'intérieur. Ce phénomène, qui va perdurer jusqu'à ce que la température du moteur soit égale à celle du liquide de refroidissement, va avoir pour conséquence d'accélérer la montée en température dudit moteur qui va ainsi pouvoir fonctionner plus rapidement dans des conditions favorables à la combustion. Au final, ce sont la consommation et les émissions polluantes du moteur thermique qui vont être réduites de manière notable, et notamment les émissions d'hydrocarbures imbrûlés HC, de monoxyde de carbone CO-, et de dioxyde de carbone CO2. La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre, et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniques possibles. Cette description, donnée à titre d'exemple non limitatif, est destinée à mieux faire comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Elle est par ailleurs donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 illustre de manière schématique l'intégration d'un dispositif de préchauffage conforme à l'invention, au niveau d'un moteur thermique à 20 refroidissement liquide. La figure 2 est un schéma montrant plus en détail des moyens de stockage équipant le dispositif de préchauffage de la figure 1. La figure 3 représente un véhicule automobile dont le moteur thermique est associé à un dispositif de préchauffage conforme à l'invention. 25 Pour des raisons de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par des références identiques. De même, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés, et ceci sans respect de l'échelle et de manière schématique. 30 La figure 1 fait apparaître un dispositif de préchauffage 1 non représenté qui est intégré à un circuit de refroidissement 100 d'un moteur thermique 200. Dans ce mode particulier de réalisation, choisi uniquement à titre d'exemple, c'est donc un liquide de refroidissement 101 (figure 2) qui joue le rôle de fluide au sens de 35 l'invention. A ce titre, l'ensemble est donc agencé de manière à ce que le liquide de -4 refroidissement 101 puisse circuler à l'intérieur du moteur 200, ainsi que dans toute la partie externe du circuit de refroidissement 100. Ainsi qu'on peut le voir sur cette première représentation schématique, le circuit de refroidissement 100 comprend classiquement un thermostat 110, un radiateur 120, un bocal de dégazage 130, un aérotherme 140, un échangeur thermique 150, et une pompe hydraulique 160. Comme l'application envisagée est de type automobile, on précisera que l'aérotherme 140 est un appareil de chauffage à air pulsé destiné à officier dans l'habitacle du véhicule, tandis que l'échangeur thermique 150 met en relation le liquide de refroidissement 101 et l'huile de lubrification du moteur 200. Conformément à l'objet de la présente invention, le dispositif de préchauffage 1 non représenté sur les figures est doté de moyens de chauffage 10 (figure 2) qui sont en mesure de maintenir le liquide de refroidissement 101 en température après l'arrêt du moteur thermique 200. De manière particulièrement avantageuse, les moyens de chauffage 10 sont à même de maintenir le liquide de refroidissement 101 à une température voisine de la 20 température de fonctionnement standard du moteur thermique 200. Bien entendu, les performances des moyens de chauffage 10 dépendront de la quantité d'énergie qui sera disponible pour assurer leur fonction. Mais en tout état de cause, on cherchera à maximiser la vitesse de montée en température du moteur 25 thermique 200, et donc à générer suffisamment de chaleur pour atteindre et conserver une température la plus importante possible ; l'idéal étant bien sûr qu'elle corresponde sensiblement à la température de fonctionnement standard du moteur 200. 30 Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les moyens de chauffage 10 sont aptes à chauffer le liquide de refroidissement 101 jusqu'à ce que le moteur thermique 200 atteigne sa température de fonctionnement standard. Cela signifie que les moyens de chauffage 10 ne sont pas uniquement opérationnels lorsque le moteur thermique 200 est arrêté, mais qu'ils sont en outre aptes à chauffer 35 le liquide de refroidissement 101 lorsque ledit moteur 200 est en marche, et ce jusqu'à l'obtention de la température de fonctionnement standard. -5- Le fonctionnement des moyens de chauffage 10 n'est pas simplement conditionné à l'état d'activité du moteur thermique 200, mais à l'obtention de la température de fonctionnement standard de ce dernier. Les moyens de chauffage vont ainsi être actifs plus longtemps, ce qui confère au final une efficacité encore supérieure au dispositif de préchauffage 1. Comme il est bien entendu indispensable de ne pas dégrader les propriétés du liquide de refroidissement 101, le dispositif de préchauffage 1 est avantageusement conçu pour ne pas atteindre des températures trop importantes. C'est ainsi que les moyens de chauffage 10 sont ici calibrés de façon à ne pouvoir chauffer le liquide de refroidissement 101, que jusqu'à une température limite qui est inférieure à la température d'ébullition intrinsèque de ce fluide. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, les moyens de chauffage 10 sont pourvus d'au moins une résistance électrique 11 qui est intégrée à l'intérieur même du circuit de refroidissement 100 dans lequel s'écoule le liquide 101. Ainsi qu'on peut le voir à la figure 2, dans ce type de configuration, chaque résistance électrique 11 est en contact direct avec le liquide de refroidissement 101, ce qui tend à optimiser les échanges calorifiques et donc l'efficacité globale du dispositif de préchauffage 1. A ce titre, les moyens de chauffage 10 doivent ici être considérés comme des moyens de chauffage internes. Il est cependant tout à fait possible de prévoir des moyens de chauffage externes, par exemple en utilisant une ou plusieurs résistances électriques placées à proximité directe mais à l'extérieur du circuit 100 dans lequel s'écoule le fluide 101. Si cette solution s'avère moins performante que la première, elle présente l'avantage de pouvoir être facilement mise en oeuvre avec des circuits de refroidissement ou de lubrification existants, dans le cadre par exemple d'un dispositif de préchauffage 1 adaptable en accessoire. Il est par ailleurs entendu qu'une combinaison de moyens de chauffage internes et de moyens de chauffage externes est parfaitement envisageable. -6 Selon une particularité de l'invention, le dispositif de préchauffage 1 comprend en outre des moyens 20 qui sont en mesure de stocker et de limiter la déperdition thermique du liquide de référence 101 lorsque le moteur thermique 200 est arrêté. Dans cet exemple de réalisation, les moyens de stockage 20 sont dotés d'un réservoir 21 qui est isolé thermiquement, et qui est monté en dérivation par rapport au circuit 100 dans lequel s'écoule le liquide de refroidissement 101, par l'intermédiaire notamment d'une vanne pilotée 25. Conformément à la figure 2, le réservoir 21 est pourvu en son sein d'une résistance électrique 11, formant moyens de chauffage 10. On observe également sur cette seconde représentation que la résistance électrique 11 est associée à un capteur de température 12. Celui-ci est intégré au réservoir 21 afin de contrôler en continu la température du liquide de refroidissement 101. L'ensemble est en effet agencé de manière à ce que les moyens de chauffage 10 se coupent dès lors que la température devient trop importante, et notamment trop proche de la température d'ébullition du liquide de refroidissement 101. En ce qui concerne l'écoulement proprement dit, le liquide de refroidissement 101 arrive donc par un conduit d'admission 22 (flèche fi), puis il passe directement dans le réservoir 21, avant de ressortir par un conduit interne central 23 (flèches f2, f3) et de s'évacuer par le conduit de sortie 24 (flèche f4). Selon une autre particularité de l'invention, le dispositif de préchauffage 1 comporte en outre des moyens d'alimentation 30 en énergie qui lui sont propres. Cela signifie en d'autres termes que le dispositif de préchauffage 1 est alimenté électriquement par une source d'énergie qui lui est spécifiquement dédiée et qui est donc distincte de celle du moteur thermique 200. Comme il est essentiel que l'alimentation du dispositif de préchauffage 1 n'impacte pas la consommation du moteur thermique 200, on optera avantageusement pour une énergie renouvelable, c'est-à-dire naturellement disponible comme c'est le cas pour l'énergie solaire. -7 Dans l'exemple de réalisation des figures 1 à 3, le dispositif de préchauffage 1 est alimenté par de l'énergie solaire photovoltaïque. C'est pourquoi les moyens d'alimentation 30 sont ici dotés de trois modules photovoltaïques 31, 32, 33. Comme variante de réalisation, il est aussi envisageable d'alimenter le dispositif de préchauffage 1 avec de la thermoélectricité. Dans ce cas là, les moyens d'alimentation 30 seront alors pourvus d'un ou plusieurs modules thermoélectriques. De manière particulièrement avantageuse, les moyens d'alimentation 30 10 pourront en outre comporter une batterie à même de stocker temporairement l'énergie électrique destinée à alimenter le dispositif de préchauffage 1. Bien entendu, l'invention concerne également tout moteur thermique 200 dont au moins le refroidissement ou la lubrification est assuré par un fluide 101 circulant 15 en son sein, et comportant au moins un dispositif de préchauffage 1 tel que précédemment décrit. Mais l'invention est par ailleurs relative à tout véhicule automobile 300 doté d'un moteur thermique 200 dont au moins le refroidissement ou la lubrification est 20 assuré par un fluide 101 circulant à l'intérieur même dudit moteur thermique 200, et comprenant en outre au moins un dispositif de préchauffage 1 tel que précédemment décrit. A cet égard, il est à noter qu'il peut s'agir indifféremment d'un véhicule 25 classique à moteur thermique, ou d'un véhicule hybride associant un moteur thermique à un autre type de moteur, par exemple un moteur électrique. Dans ce type d'application, l'invention a en outre pour avantage d'améliorer les prestations de confort du véhicule 300. L'accélération de la montée en 30 température du moteur thermique 200 va en effet accroître notablement la capacité de chauffage au niveau de l'habitacle. L'invention présente également un fort intérêt d'un point de vue sécuritaire puisqu'elle va favoriser le désembuage des vitres de l'habitacle. -8 Conformément à la figure 3, dans ce type d'application, chaque module photovoltaïque 31, 32, 33 des moyens d'alimentation 30 est intégré sur une partie sensiblement horizontale du véhicule automobile 300, en l'occurrence sur le capot 301, le pavillon 302 et le coffre 303. Il est à noter que l'intégration pourrait être similaire dans le cas où les moyens d'alimentation 30 seraient des modules thermoélectriques. La source chaude serait alors le rayonnement solaire 400, tandis que la source froide serait constituée par l'air contenu dans le compartiment moteur, dans l'habitacle et dans le coffre. REVENDICATIONS 1. Dispositif de préchauffage (1) destiné à améliorer le fonctionnement à froid d'un moteur thermique (200) dont au moins le refroidissement ou la lubrification est assuré par un fluide (101) circulant à l'intérieur même dudit moteur thermique (200), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de chauffage (10) aptes à maintenir le fluide (101) en température après l'arrêt du moteur thermique (200). 2. Dispositif de préchauffage (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que 10 les moyens de chauffage (10) sont aptes à maintenir le fluide (101) à une température voisine de la température de fonctionnement standard du moteur thermique (200). 3. Dispositif de préchauffage (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (10) sont aptes à chauffer le fluide 15 (101) lorsque le moteur thermique (200) est en fonctionnement, jusqu'à ce que ledit moteur thermique (200) atteigne sa température de fonctionnement standard. 4. Dispositif de préchauffage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (10) sont aptes à chauffer le fluide 20 (101) jusqu'à une température limite qui est inférieure à la température d'ébullition dudit fluide (101). 5. Dispositif de préchauffage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (10) comportent au moins une 25 résistance électrique (11) qui est directement intégrée à l'intérieur du circuit (100) dans lequel s'écoule le fluide (101) et/ou qui est placée à proximité directe mais à l'extérieur du circuit (100) dans lequel s'écoule le fluide (100). 6. Dispositif de préchauffage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 30 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (20) aptes à stocker et à limiter la déperdition thermique du fluide (101) lorsque le moteur thermique (200) est arrêté. 7. Dispositif de préchauffage (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de stockage (20) comportent un réservoir (21) qui est isolé 35 thermiquement et qui est monté en dérivation par rapport au circuit (100) dans lequel s'écoule le fluide (101). - 10- 8. Dispositif de préchauffage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'alimentation (30) en énergie qui lui sont propres. 9. Moteur thermique (200) dont au moins le refroidissement ou la lubrification est assuré par un fluide (101) circulant en son sein, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de préchauffage (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 8.. 10. Véhicule automobile (300) doté d'un moteur thermique (200) dont au moins le refroidissement ou la lubrification est assuré par un fluide (101) circulant à l'intérieur même dudit moteur thermique (200), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de préchauffage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.