Brevet FR2934318A1 — publié le 20100129

Dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule de façon à atteindre plus rapidement le domaine de température souhaitée pour le fonctionnement du moteur. Arrière plan technologique La pression sur la réduction du CO2 est de plus en plus importante, elle a pour conséquence le besoin de réduire la consommation du moteur. Dans la vie d'un véhicule, le temps d'utilisation à froid est relativement important, en particulier pour une utilisation urbaine quotidienne. Or un moteur froid est moins bien lubrifié que lorsqu'il est chaud, ce qui augmente les frottements et donc la consommation de carburant. De plus un moteur froid n'est pas apte à fournir de la chaleur pour le chauffage de l'habitacle du véhicule. Il est donc important que le moteur atteigne rapidement sa température de fonctionnement de façon à diminuer la pollution et la consommation de carburant et permettre d'apporter de la chaleur à l'habitacle du véhicule. D'une manière générale, les moteurs à combustion interne sont munis d'un circuit de refroidissement dans lequel peut circuler un fluide caloporteur afin de maintenir le moteur à une température optimale. De manière connue, un circuit de refroidissement comprend une pompe pour faire circuler le fluide caloporteur qui entre successivement dans le bloc moteur, la culasse et un boitier de sortie d'eau. Le débit de fluide caloporteur est ensuite distribué entre une boucle comprenant un radiateur de refroidissement, une boucle comprenant un aérotherme destiné au chauffage de l'habitacle et une boucle de by-pass de l'aérotherme, chaque boucle s'en retournant vers la pompe. Le boitier de sortie d'eau comporte en général un thermostat double effet dont le principe de circulation est, qu'en dessous d'un seuil de température, la circulation vers le radiateur est fermée tandis que la circulation vers le by-pass est ouverte, tandis qu'au dessus de ce seuil de température, la circulation vers le radiateur est ouverte tandis que la circulation vers le by-pass est fermée. En général, le seuil de température est de l'ordre de 90°C. Le circuit de by-pass est positionné en parallèle de l'aérotherme afin de réduire la perte de charge de l'aérotherme, de manière à assurer un débit de fluide caloporteur dans le moteur suffisant, en particulier dans une plage de température précédant l'ouverture du thermostat. En effet, dans cette phase de fonctionnement, le moteur peut être appelé à répondre à une demande de puissance importante qui pourrait créer localement des noyaux d'eau du moteur une surchauffe due au manque de circulation d'eau. Cependant, les inconvénients de l'ouverture du circuit de by-pass dès les plus basses températures du liquide de refroidissement sont, d'une part de réduire la montée en température de la matière du moteur par l'augmentation des pertes thermiques du fluide caloporteur et donc de réduire la chauffe de l'huile, c'est-à-dire de maintenir des frottements plus élevés et d'autre part d'augmenter inutilement le débit d'eau de la pompe et donc d'augmenter sa puissance absorbée. L'invention a pour but de pallier les inconvénients du dispositif selon l'art antérieur en proposant un nouveau dispositif et un procédé qui soit apte à réchauffer rapidement le bloc moteur, ce qui est favorable à la réduction plus rapide des frottements tout en garantissant un débit de fluide caloporteur dans le moteur suffisant pour une plage de température précédant l'ouverture de la circulation de fluide caloporteur vers le radiateur. L'invention concerne donc un dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne de véhicule, comprenant en aval du moteur, un boitier de sortie distribuant un fluide caloporteur vers un radiateur par une première sortie, vers une canalisation de by-pass par une seconde sortie, et vers un aérotherme destiné au chauffage de l'habitacle du véhicule par une troisième sortie, ledit boitier étant doté d'un actionneur thermostatique, d'un ensemble d'obturation de la première sortie, caractérisé en ce que ledit ensemble d'obturation comprend de plus un moyen d'obturation de la seconde sortie, piloté par ledit actionneur thermostatique. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'ensemble d'obturation est conçu de telle façon que dans une première position, la première sortie et la seconde sortie sont fermées, dans une seconde position, seule la première sortie est fermée, et dans une troisième position, seule la seconde sortie est fermée. - l'ensemble d'obturation comporte deux clapets d'obturation de la seconde sortie. - l'ensemble d'obturation comporte un axe portant les deux clapets d'obturation de la seconde sortie de manière espacé le long dudit axe. - le troisième clapet est disposé à l'extérieur du boitier de sortie. - la seconde sortie du boitier de sortie est prolongée par un embout pour masquer le troisième clapet. - chacun des clapets d'obturation de la seconde sortie est disposé entre un ressort et une butée, lesdits clapets étant pressés par leur ressort sur leur butée. - l'axe porte également un clapet d'obturation de la première sortie, ledit clapet étant associé à un ressort exerçant une pression sur le clapet de telle manière que le clapet reste en position d'obturation de la première sortie sur toute une gamme de déplacement en translation de l'axe. - l'actionneur thermostatique est solidaire de l'axe afin de piloter le déplacement en translation de l'axe en fonction de la température du liquide caloporteur. L'invention a aussi pour objet un moteur comportant un dispositif de refroidissement selon l'invention. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 montre le schéma de principe du dispositif de refroidissement. - La figure 2 illustre un premier mode de circulation du liquide caloporteur lorsque le moteur est froid, soit quand la température du fluide de refroidissement du moteur est inférieure ou égale à un premier seuil de température minimum. - La figure 3 illustre un second mode de circulation du liquide caloporteur lorsque le moteur est chaud, soit quand la température du fluide de refroidissement du moteur est supérieure à un second seuil de température maximum. - La figure 4 illustre un troisième mode de circulation du liquide caloporteur lorsque la température du fluide de refroidissement du moteur est comprise entre le premier seuil de température minimum et le second seuil de température maximum. - La figure 5 détaille un mode de réalisation et de fonctionnement du boitier de sortie de liquide caloporteur de l'invention lorsque le moteur est froid. - La figure 6 détaille un mode de réalisation et de fonctionnement du boitier de sortie de liquide caloporteur de l'invention lorsque le moteur est chaud - La figure 7 détaille un mode de réalisation et de fonctionnement du boitier de sortie de liquide caloporteur de l'invention lorsque la température du fluide de refroidissement du moteur est comprise entre le premier seuil de température et le second seuil de température. Description détaillée Sur la figure 1, un moteur à combustion interne est représenté composé d'un bloc moteur 1 et d'une culasse 2. La culasse 2 comporte de façon classique des cavités de refroidissement 7 dans lesquelles peut circuler un liquide caloporteur. Le bloc moteur 1 comporte des chambres 8 dans lesquelles peut circuler le liquide caloporteur. Le circuit de refroidissement du moteur comprend une pompe 3 destinée à faire circuler le liquide caloporteur, un radiateur 4 généralement situé sur la face avant du véhicule, un aérotherme 5 pour chauffer l'habitacle du véhicule et un boitier de sortie 6. Des passages 9 dans la culasse 2, dans le joint de culasse, non représenté ici, et dans le bloc moteur 1 permettent au liquide caloporteur de circuler des chambres 8 du bloc moteur 1 vers les cavités 7 de la culasse 2. De manière connue, dans un circuit de refroidissement traditionnel, une sortie 10 de la pompe 3 est reliée à une entrée 11 du bloc moteur 1. Le liquide caloporteur est mis en mouvement par la pompe 3 et circule de la pompe 3 vers les chambres 8 du bloc moteur 1 par une canalisation 12, puis le liquide caloporteur passe dans les cavités 7 de la culasse 2, et sort de la culasse 2 vers un boiter de sortie 6. Le boitier de sortie 6 comprend une entrée 13 du fluide caloporteur provenant de la culasse 2, une première sortie 14 permettant au fluide caloporteur de se rendre au radiateur 5 par une canalisation 17, une seconde sortie 16 permettant au fluide caloporteur de se rendre à la pompe 3 par une canalisation de by-pass 19, et une troisième sortie 18 permettant au fluide caloporteur de se rendre à l'aérotherme 5 par une canalisation 15. Le boitier de sortie 6 comporte un dispositif thermostatique, non représente sur la figure 1, et peut gérer les débits du liquide caloporteur dans les canalisations 15, 17, 19 en fonction de la température du liquide caloporteur. Le liquide caloporteur retourne de l'aérotherme 5 à la pompe 3 par une canalisation 20, et du radiateur 4 à la pompe 3 par une canalisation 21. La canalisation de dérivation 1935 permet d'assurer un débit de liquide caloporteur dans le circuit de refroidissement et d'éviter une perte de charge trop importante dans l'aérotherme 5 et par conséquent une consommation énergétique de la pompe 3 trop importante. Le débit de liquide caloporteur dans l'aérotherme 5 peut être par exemple de l'ordre de 30 à 70 % du débit du liquide de refroidissement dans la canalisation de dérivation 19. La figure 2 illustre un premier mode de circulation du fluide caloporteur lorsque le moteur est froid soit lorsque la température du moteur (c'est-à-dire la température du liquide caloporteur) est inférieure ou égale à un premier seuil de température Ti, compris de préférence entre 40°C et 50°C. Dans ce cas, le passage du fluide caloporteur par la première sortie 14 du boitier de sortie 6 qui mène au radiateur 4 est interdit et le passage du fluide caloporteur par la seconde sortie 16 du boitier de sortie 6 qui mène à la pompe 3 par la canalisation 19 de by-pass est interdit, le passage du fluide caloporteur vers l'aérotherme 5 étant autorisé. Dans ce premier mode de circulation du liquide caloporteur, la totalité du débit de liquide caloporteur circule alors par la pompe 3 vers les chambres 8 du bloc moteur 1 puis dans les cavités 7 de la culasse 2. Ensuite, le liquide caloporteur quitte la culasse 2 pour se rendre au boitier de sortie 6 et être dirigé directement vers l'aérotherme 5 d'où il retourne vers la pompe 3. Dans ce mode de circulation, le débit de fluide caloporteur traversant le moteur est réduit et le liquide caloporteur ne perd pas de chaleur au niveau de la canalisation 19 de by-pass. En conséquence, le bloc moteur 1 se réchauffe plus vite et l'aérotherme 5 dispose de la totalité du débit de fluide caloporteur issu de la culasse 2, c'est-à-dire de l'endroit où la matière est la plus chaude, pour assurer le chauffage de l'habitacle du véhicule. Ce mode de circulation évite par ailleurs d'augmenter inutilement le débit de la pompe et permet donc de réduire sa puissance absorbée. La figure 3 illustre un second mode de circulation du liquide caloporteur lorsque le moteur est chaud, soit lorsque la température du moteur (c'est-à-dire la température du liquide caloporteur) est supérieure à un second seuil de température T2 compris de préférence entre 80°C et 90°C. Dans ce cas, le passage du fluide caloporteur vers le radiateur 4 par la première sortie 14 est autorisé et le passage du fluide caloporteur par la seconde sortie 16 du boitier de sortie 6 qui mène à la pompe 3 par la canalisation 19 de by-pass est interdit, le passage du fluide caloporteur vers l'aérotherme 5 étant autorisé. Dans ce second mode de circulation du liquide caloporteur, la totalité du débit de liquide caloporteur circule alors par la pompe 3 vers les chambres 8 du bloc moteur 1 puis dans les cavités 7 de la culasse 2. Ensuite, le liquide caloporteur quitte la culasse 2 pour se rendre au boitier de sortie 6. Une partie du débit de liquide caloporteur sortant du boitier de sortie 6 est dirigée vers l'aérotherme 5 d'où il retourne à la pompe 3. L'autre partie du débit de liquide caloporteur retourne à la pompe 3 en passant par le radiateur 4. Il s'agit là du mode de refroidissement maximal du moteur La figure 4 illustre un troisième mode de circulation du liquide caloporteur lorsque la température du liquide caloporteur est comprise entre le premier seuil de température Ti et le second seuil de température T2. Dans ce cas, le passage du fluide caloporteur vers le radiateur 4 est interdit et le passage du fluide caloporteur vers la canalisation 19 de by-pass est autorisé, le passage du fluide caloporteur vers l'aérotherme 5 étant autorisé. Dans ce troisième mode de circulation du liquide caloporteur, la totalité du débit de liquide caloporteur circule alors par la pompe 3 vers les chambres 8 du bloc moteur 1, puis dans les cavités 7 de la culasse 2. Ensuite, le liquide caloporteur quitte la culasse 2 pour se rendre au boitier de sortie 6. Une partie du débit de liquide caloporteur sortant du boitier de sortie 6 est dirigée vers l'aérotherme 5 d'où il retourne à la pompe 3. L'autre partie du débit de liquide caloporteur retourne à la pompe 3 en passant par la canalisation 19 de by-pass de l'aérotherme. Dans ce mode de circulation, l'ouverture du circuit de by-pass de l'aérotherme 5 permet d'assurer un débit de liquide caloporteur (en réduisant la perte de charge du circuit) suffisant dans le moteur pour parer à une demande de puissance importante et éviter des point chauds dans le bloc moteur 1 et la culasse 2. La figure 5 représente schématiquement un mode de réalisation du boitier de sortie 6. Ce boitier de sortie 6 comprend un corps 22 de boitier comportant une entrée 13, une première sortie 14 destinée à être reliée au radiateur 4, une seconde sortie 16 destinée à être reliée à la canalisation 19 de by-pass de l'aérotherme 5, et une troisième sortie 18 destinée à être reliée à l'aérotherme 5. La première sortie 14 et la seconde sortie 16 du boitier de sortie 6 sont de préférence coaxiales. Le boitier de sortie 6 comprend un actionneur thermostatique 23 pour piloter l'ouverture et la fermeture de la première sortie 14 et de la seconde sortie 16 en fonction de la température. L'actionneur thermostatique 23 comprend un élément thermostatique 24, placé dans le flux de liquide caloporteur, dans lequel se déplace une tige 25 de commande. L'élément thermostatique 24 peut par exemple comprendre une matière se dilatant sous l'effet de la chaleur, comme de la cire. Ainsi quand la température du liquide caloporteur augmente, la dilatation de la cire repousse la tige 25 de commande dont la longueur augmente. Le boitier de sortie 6 comprend un ensemble d'obturation de la première sortie 14 et de la seconde sortie 16, piloté par l'actionneur thermostatique 23 et permettant trois modes de circulation du liquide caloporteur dans le circuit de refroidissement, en fonction de deux seuils de température Ti, T2 du liquide caloporteur. L'ensemble d'obturation comporte un axe 26 muni d'un premier clapet 27 pouvant obturer la première sortie 14 du boitier de sortie 6, d'un second et d'un troisième clapet 28, 29 pouvant obturer la seconde sortie 16 du boitier de sortie 6. Les clapets 27, 28, 29 sont disposés sur l'axe 26 de telle façon que, dans une première position de l'axe 26, le premier clapet 27 obture la première sortie 14 du boitier de sortie 6 et le troisième clapet 29 obture la seconde sortie 16, dans une seconde position de l'axe 26, le premier clapet 27 obture la première sortie 14 du boitier de sortie 6, le deuxième et troisième clapets 28, 29 laissant la seconde sortie 16 ouverte, dans une troisième position de l'axe 26, le second clapet 28 obture la seconde sortie 16, le premier clapet 27 laissant la première sortie 14 ouverte. Le premier clapet 27 est disposé entre un ressort 30 et une butée 31 disposée en extrémité de l'axe 26. Une extrémité du ressort 30 est en contact avec le clapet 27 et l'autre extrémité du ressort est en contact sur une butée 32 disposée sur l'axe 26. Le clapet 27 est pressé par le ressort 30 en direction de la butée 31. Le second clapet 28 est disposé entre un ressort 33 et une butée 34 disposée sur l'axe 26. Une extrémité du ressort 33 est en contact avec le clapet 28 et l'autre extrémité du ressort 33 est en contact sur une butée 35 disposée sur l'axe 26. Le clapet 28 est pressé par le ressort 33 en direction de la butée 34. Le troisième clapet 29 est disposé entre un ressort 36 et une butée 37 disposée sur l'axe 26. Une extrémité du ressort 36 est en contact avec le clapet 29 et l'autre extrémité du ressort 33 est en contact sur une butée 38 disposée en extrémité de l'axe 26. Le clapet 28 est pressé par le ressort 33 en direction de la butée 37. Le premier clapet 27 ainsi que le second clapet 28 sont disposés à l'intérieur du corps 22 du boitier de sortie 6 tandis que le troisième clapet 29 est disposé à l'extérieur du corps 22 du boitier de sortie 6. Ainsi le second clapet 28 et le troisième clapet 29 sont disposés de part et d'autre de la seconde sortie 16 de façon à pouvoir l'un ou l'autre obturer la seconde sortie 16 selon l'ampleur du déplacement en translation de l'axe 26. La seconde sortie 16 du boitier de sortie 6 peut être prolongée par un embout 39 pour masquer les parties constitutives de l'ensemble d'obturation extérieures au corps 22 du boitier de sortie 6, à savoir comme le montre la figure 5, le troisième clapet 29, son ressort 36 d'appui et la partie de l'axe 26 dépassant de ladite sortie 16. L'actionneur thermostatique 23 est solidaire de l'axe 26 afin de piloter le déplacement en translation de l'axe 26 en fonction de la température du liquide caloporteur. De tels systèmes ressort / butée associés aux clapets 27, 28, 29 permettent d'une part d'éviter une mise en contrainte de l'élément thermostatique 24 quand l'un quelconque des clapets 27, 28, 29 vient fermer par contact son entrée respective 14, 16. Plus précisément, la figure 5 illustre la position de l'axe 26 lorsque la température du liquide caloporteur est inférieure ou égale au premier seuil de température Ti. Dans ce premier mode de circulation, l'axe 26 est dans une position telle que le ressort 30 est en compression et maintient en appui le premier clapet 27 pour obturer la première sortie 14 du boitier de sortie 6 et interdire le passage du fluide caloporteur vers le radiateur 4; le ressort 36 est en compression et maintient en appui le troisième clapet 29 pour obturer la seconde sortie 16 et interdire le passage du fluide caloporteur dans la canalisation 19 de by-pass, le passage du fluide caloporteur vers l'aérotherme 5 étant autorisé. Dans ce cas, la totalité du débit de liquide caloporteur provenant de la culasse 2 circule dans le boitier de sortie 6 le sens des flèches 40 pour être dirigé vers l'aérotherme 5. La figure 6 illustre la position de l'axe 26 lorsque la température du liquide caloporteur est supérieure au second seuil de température T2. Dans ce second mode de circulation, L'axe 26 est dans une position telle que le ressort 33 est en compression et maintient en appui le second clapet 28 pour obturer la seconde sortie 16 du boitier de sortie 6 et interdire le passage du fluide caloporteur dans la canalisation 19 de by-pass ; le premier clapet 27 laisse la première entrée 14 ouverte pour autoriser le passage du fluide caloporteur vers le radiateur 4, le passage du fluide caloporteur vers l'aérotherme 5 étant autorisé. Dans ce cas, la totalité du débit de liquide caloporteur provenant de la culasse 2 circule dans le boitier de sortie 6 suivant le sens des flèches 41. La figure 7 illustre une position de l'axe 26 lorsque la température du liquide caloporteur est comprise entre le premier seuil de température Ti et le second seuil de température T2. Dans ce troisième mode de circulation, sur toute la gamme de position de l'axe 26 correspondant au déplacement en translation de l'axe 26 entre le premier seuil de température Ti et le second seuil de température T2, le ressort 30 est en compression et maintient en appui le premier clapet 27 pour obturer la première sortie 14 et interdire le passage du fluide caloporteur vers le radiateur 4; L'axe 26 est dans une position où les deuxièmes et troisièmes clapets 28, 29 sont en appui sur leur butée respective 34,37 et laissent la seconde sortie 16 du boitier de sortie 6 ouverte pour autoriser le passage du fluide caloporteur dans la canalisation 19 de by-pass, le passage du fluide caloporteur vers l'aérotherme 5 étant autorisé. Dans ce cas, la totalité du débit de liquide caloporteur provenant de la culasse 2 circule dans le boitier de sortie 6 suivant le sens des flèches 42. La présente invention a pour avantages de combiner les avantages suivants : 20 - elle permet d'accélérer la montée en température du moteur, en réduisant le débit de liquide caloporteur et en évitant les pertes thermiques dans le circuit de by-pass, ce qui est favorable à une réduction plus rapide des frottements grâce à accélération de la chauffe de l'huile. 25 - elle permet de garantir le réchauffage habitacle, en disposant à tout moment d'une circulation du fluide caloporteur, -elle permet d'augmenter les pertes de charge dans le circuit de refroidissement à froid et donc de réduire la puissance absorbée par la pompe par la réduction de débit associé - elle constitue une solution technique économique et simple à mettre en place. 30 D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Revendications1. Dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne de véhicule, comprenant en aval du moteur, un boitier de sortie (6) distribuant un fluide caloporteur vers un vers un radiateur (4) par une première sortie (14), vers une canalisation (19) de by-pass par une seconde sortie (16), et vers un aérotherme (5) destiné au chauffage de l'habitacle du véhicule par une troisième sortie (18), ledit boitier étant doté d'un actionneur thermostatique (23), d'un ensemble d'obturation de la première sortie (14), caractérisé en ce que ledit ensemble d'obturation comprend de plus un moyen d'obturation (28, 29) de la seconde sortie (16), piloté par ledit actionneur thermostatique (23). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble d'obturation est conçu de telle façon que dans une première position, la première sortie (14) et la seconde sortie (16) sont fermées, dans une seconde position, seule la première sortie (14) est fermée, et dans une troisième position, seule la seconde sortie (16) est fermée. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit ensemble d'obturation comporte deux clapets (28, 29) d'obturation de la seconde sortie (16). 4. Dispositif de refroidissement selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ensemble d'obturation comporte un axe (26) portant les deux clapets (28, 29) d'obturation de la seconde sortie (16) de manière espacé le long dudit axe (26). 5. Dispositif de refroidissement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le troisième clapet (29) est disposé à l'extérieur du boitier de sortie (6). 6. Dispositif de refroidissement selon la revendication 4 ou la revendication 5 caractérisé en ce que la seconde sortie (16) du boitier de sortie (6) est prolongée par un embout (39) pour masquer le troisième clapet (29). 7. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que chacun des clapets (28, 29) d'obturation de la seconde sortie (16) est disposé entre un ressort (33, 36) et une butée (34, 37), lesdits clapets (28, 29) étant pressés par leur ressort (33, 36) sur leur butée (34, 37). 8. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que ledit axe (26) porte également un clapet (27) d'obturation de la première sortie (14), ledit clapet (27) étant associé à un ressort (30) exerçant une pression sur le clapet (27) de telle manière que le clapet (27) reste en position 10 d'obturation de la première sortie (14) sur toute une gamme de déplacement en translation de l'axe (26). 9. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que l'actionneur thermostatique (23) est solidaire de l'axe (26) afin de piloter le déplacement en translation de l'axe (26) en fonction de la température du liquide caloporteur. 10. Moteur comportant un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.