Brevet FR2934317A1 — publié le 20100129

Dispositif et procédé de refroidissement d'un moteur à combustion interne par circulation inversée Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un dispositif et un procédé 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 est inapte 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. Des solutions ont déjà été proposées pour améliorer le fonctionnement des circuits de refroidissement des moteurs à combustion interne. Ainsi le document US5353751 décrit un circuit de refroidissement à circulation dite inversée. Dans ce mode de circulation, l'eau sortant du radiateur principal, c'est-à-dire l'endroit le plus froid du circuit de refroidissement, entre directement dans la culasse, c'est-à-dire la partie où la matière est la plus chaude. L'eau partiellement réchauffée passe ensuite dans le bloc moteur qui fonctionne de ce fait à une température plus élevée que dans un circuit traditionnel où l'eau sortant du radiateur principal entre d'abord dans le bloc moteur. Cependant, le circuit de refroidissement décrit dans le document US5353751 ne décrit pas de boucle dédiée au chauffage de l'habitacle comprenant un aérotherme. Yamaha propose un moteur 6 cylindres dont le circuit de refroidissement est à circulation inversée. Ce moteur dispose d'une boucle principale de refroidissement du moteur et une boucle de dérivation comprenant un aérotherme dédié au chauffage de l'habitacle du véhicule. Cependant, dans ce mode de circulation, une partie de la chaleur apportée par la combustion au liquide de refroidissement lors de son passage dans la culasse est prélevée ensuite par le bloc moteur, ce qui a pour inconvénient de ralentir la montée en température du liquide de refroidissement qui passe dans l'aérotherme et donc d'avoir une prestation de chauffage de l'habitacle plus longue à mettre en place. L'invention a pour but de pallier l'inconvénient du dispositif selon l'art antérieur en proposant un nouveau dispositif et un procédé qui favorise la montée en température du liquide de refroidissement circulant dans l'aérotherme et permet d'avoir une prestation de chauffage de l'habitacle du véhicule plus rapidement mise en place que dans un circuit de refroidissement à circulation inversée conventionnel. L'invention concerne donc un dispositif de refroidissement par circulation inversée d'un moteur à combustion interne de véhicule, le moteur étant muni d'une culasse, d'un bloc moteur, ledit dispositif comportant, en aval du bloc moteur, un boitier de sortie pour distribuer un fluide caloporteur entre une branche comportant un radiateur, une branche traversant un aérotherme destiné au chauffage de l'habitable du véhicule et éventuellement, une branche de by-pass, caractérisé en ce qu'il comporte une branche directe reliant la culasse et des moyens de vannage pour contrôler, en fonction de la température du fluide caloporteur, les débits de fluide caloporteur traversant le bloc moteur et la culasse. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - Les moyens de vannage comportent une vanne thermo-pilotée à deux entrées et une sortie, une première entrée de la vanne étant reliée à une sortie de la culasse, une seconde entrée de la vanne étant reliée à une sortie du bloc moteur et la sortie de la vanne étant reliée à une entrée du boitier de sortie, pour récupérer au moins une partie du liquide caloporteur traversant les cavités de refroidissement de la culasse vers la sortie de ladite culasse. - La vanne thermo-pilotée comporte un actionneur thermostatique pour piloter l'ouverture et la fermeture de la première et de la seconde entrée de ladite vanne en fonction de la température du liquide caloporteur. - La vanne thermo-pilotée comporte un axe muni d'un premier et d'un second clapet montés en opposition tels que dans une première position de l'axe, le premier clapet35 obture la première entrée de ladite vanne, le second clapet laissant la seconde entrée ouverte alors que dans une seconde position de l'axe, le second clapet obture la seconde entrée de ladite vanne, le premier clapet laissant la première entrée ouverte. - L'axe peut être placé dans une position telle qu'aucun des clapets de la vanne thermopilotée n'obture la première ou la seconde entrée de ladite vanne. - Chacun des clapets est disposé entre un ressort et une butée disposée à l'extrémité l'axe, ledit clapet étant pressé par le ressort sur la butée. - L'actionneur thermostatique est solidaire de l'axe afin de piloter le déplacement de l'axe en fonction de la température du liquide caloporteur. L'invention a aussi pour objet un procédé de refroidissement par circulation inversée d'un 15 moteur à combustion interne de véhicule, le moteur étant muni d'un circuit de refroidissement dans lequel circule un liquide caloporteur, caractérisé en ce qu'en fonction de la température du liquide caloporteur, une partie du débit de liquide caloporteur est directement récupérée en sortie de culasse sans être dirigée vers le bloc moteur. 20 Par ailleurs, le procédé de l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - La totalité du débit de liquide caloporteur allant vers le boitier de sortie (6) chemine par la sortie de la culasse, si la température du liquide caloporteur est inférieure ou égale à un 25 premier seuil de température compris entre 40°C et 50°C. - La totalité du débit de liquide caloporteur allant vers le boitier de sortie (6) chemine par la culasse puis le bloc moteur quand la température du liquide caloporteur est supérieure à un second seuil de température compris entre 50°C et 60°C. - Lorsque la température du fluide caloporteur est comprise entre le premier seuil de température et le second seuil de température, le débit de liquide caloporteur est progressivement dirigé de la culasse vers le bloc moteur. Brève description des dessins 30 35 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 le procédé de l'invention lorsque le moteur est froid, soit quand la température du fluide de refroidissement du moteur est inférieure ou égale à un seuil de température minimum. - La figure 3 illustre le procédé de l'invention lorsque le moteur est chaud, soit quand la température du fluide de refroidissement du moteur est supérieure à un seuil de température maximum. - La figure 4 illustre un mode de réalisation et de fonctionnement de la vanne thermopilotée lorsque le moteur est froid. - La figure 5 illustre un mode de réalisation et de fonctionnement de la vanne thermo- pilotée lorsque le moteur est chaud. 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 cavités 7 de la culasse 2 vers les chambres 8 du bloc moteur 1. De manière connue, dans un circuit de refroidissement à circulation inversée traditionnel, une sortie 10 de la pompe 3 est reliée à une entrée 11 de la culasse 2. Le liquide caloporteur est mis en mouvement par la pompe 3 et circule de la pompe 3 vers les cavités 7 de la culasse 2 par une canalisation 12, puis il passe dans les chambres 8 du bloc moteur 1 et sort du moteur par le boiter de sortie 6 où il est conduit par une canalisation 13 à l'aérotherme 5 et par une canalisation 14 au radiateur 4. Le boitier de sortie 6 est relié à la pompe 3 par une canalisation de dérivation 15 de l'aérotherme 5. Le boitier de sortie 6 comporte un thermostat et gère les débits du liquide caloporteur dans les canalisations 13, 14 et 15 en fonction de la température demandée dans l'habitacle et en fonction de la température du liquide caloporteur. Le liquide caloporteur retourne de l'aérotherme 5 à la pompe 3 par une canalisation 16, et du radiateur 4 à la pompe 3 par une canalisation 17. La canalisation de dérivation 15 permet d'assurer un débit de liquide caloporteur dans le moteur afin de garantir son refroidissement, il permet aussi 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 15. Le circuit de refroidissement comporte des moyens de vannage pour contrôler, en fonction de la température du fluide caloporteur, les débits de fluide caloporteur traversant le bloc moteur 1 et la culasse 2. Les moyens de vannage sont représentés sur la figure 1 par une vanne thermo-pilotée 18 à deux entrées et une sortie, une première entrée 19 de la vanne 18 étant reliée directement à une sortie 20 de la culasse 2, une seconde entrée 21 de la vanne 18 étant reliée à une sortie 22 du bloc moteur 1 et la sortie 23 de la vanne 18 étant reliée à une entrée 24 du boitier de sortie 6, pour récupérer au moins une partie du liquide caloporteur traversant les cavités 7 de refroidissement de la culasse vers la sortie 20 de ladite culasse La sortie 20 de la culasse 2 est en communication avec les cavités 7 de refroidissement et peut être réalisée par un passage, réalisé soit par un perçage soit aménagé dans la culasse 2 au moment de sa fabrication. La sortie 22 du bloc moteur 1 est en communication avec les chambres 8 de refroidissement du bloc moteur 1. La sortie 20 de la culasse 2 peut être reliée à la première entrée de la vanne thermo-pilotée par une canalisation 25. La sortie 22 du bloc moteur 1 peut être reliée à la seconde entrée 21 de la vanne thermo-pilotée 18 par une canalisation 26. La figure 2 illustre le procédé de l'invention 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, la vanne thermo-pilotée 18 interdit la circulation de liquide caloporteur à travers le bloc moteur 1 et la totalité du débit de liquide caloporteur allant vers le boitier de sortie 6 chemine par la culasse 2. Le liquide caloporteur circule alors par la pompe 3 vers les cavités 7 de la culasse 2, quitte la culasse 2 par la sortie 20 pour se diriger vers la vanne thermo-pilotée 18 puis vers le 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 15, la répartition de cette partie du débit étant fonction des conditions de température du liquide caloporteur. Dans ces conditions, le liquide caloporteur présent dans le bloc moteur 1 ne peut pas circuler et se réchauffe plus rapidement. En conséquence, le bloc moteur 1 se réchauffe plus vite et atteint sa température de fonctionnement encore plus rapidement que dans un circuit de refroidissement à circulation inversée traditionnel. Ceci permet de réduire plus rapidement les frottements entre le piston et la chemise et de réduire la consommation La figure 3 illustre le procédé de l'invention 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 50°C et 60°C. Dans ce cas, la vanne thermo-pilotée 18 interdit la circulation de liquide caloporteur par la sortie 20 de la culasse 2 et la totalité du débit de liquide caloporteur allant vers le boitier de sortie 6 chemine par le bloc moteur 1. Le liquide caloporteur circule alors par la pompe 3 vers les cavités 7 de la culasse 2 puis dans les chambres 8 du bloc moteur 1, après être passé par les passages 9, quitte le bloc moteur 1 par la sortie 22 pour se diriger vers la vanne thermo-pilotée 18 puis vers le 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 15, la répartition de cette partie du débit étant fonction des pertes de charge de ces 2 éléments Entre les deux états du procédé de l'invention illustrés par les figures 2 et 3, il existe une transition pour des températures intermédiaires, lorsque la température du fluide caloporteur est comprise entre le premier seuil de température T1 et le second seuil de température T2. Dans ce cas, au fur et à mesure que la température du liquide caloporteur augmente, la vanne thermo-pilotée 18 dirige progressivement le débit de liquide caloporteur de la sortie 20 de la culasse 2 vers le bloc moteur 1. Au début de la transition tout le débit de liquide caloporteur circule par la sortie 20 de la culasse 2, comme présenté en figure 2. A la fin de cette transition, tout le débit de liquide caloporteur circule par les chambres 8 du bloc moteur 1, comme présenté en figure 3. Pendant cette transition, une fraction du débit de liquide caloporteur issue de la pompe 3 traverse les cavités 7 et quitte la culasse 2 par la sortie 20 pour se diriger vers la vanne thermo-pilotée 18, tandis que le reste du débit de liquide caloporteur traverse les chambres 8 du bloc moteur 1, après être passé par les passages 9, pour quitter le bloc moteur 1 par la sortie 20 et se diriger vers la vanne thermo-pilotée 18 puis vers le 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 15, la répartition de cette partie du débit étant fonction des conditions de température du liquide caloporteur. La figure 4 représente schématiquement un mode de réalisation de la vanne thermo- pilotée 18. Cette vanne 18 comprend un corps 27 de vanne comportant une première entrée 19 destinée à être reliée à la sortie 20 de la culasse 2, une seconde entrée 21 destinée à être reliée à la sortie 22 du bloc moteur 1 et une sortie 23 destinée à être reliée à l'entrée 24 du boitier de sortie 6. La vanne thermo-pilotée 18 comporte un actionneur thermostatique 28 pour piloter l'ouverture et la fermeture de la première 19 et de la seconde entrée 21 de ladite vanne 18 en fonction de la température du liquide caloporteur. L'actionneur thermostatique 28 comprend un élément thermostatique 29, placé dans le flux de liquide caloporteur, dans lequel se déplace une tige 30 de commande. L'élément thermostatique 29 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 30 de commande dont la longueur augmente. La vanne thermo-pilotée 18 comporte un axe 31 muni à ses deux extrémités d'un premier clapet 32 destiné à obturer la première entrée 19 et d'un second clapet 33 destiné à obturer la seconde entrée 21, les deux clapets 32, 33 étant montés en opposition. Le premier clapet 32 est disposé entre un premier ressort 34 et une première butée 35 disposée à l'extrémité de l'axe 31. Une première extrémité du ressort 34 est en appui sur35 une seconde butée 36 tandis que l'autre extrémité du ressort 34 est en appui sur le premier clapet 32, ledit clapet 32 étant pressé par le ressort 34 sur la première butée 35. De la même manière, le second clapet 33 est disposé entre un second ressort 37 et une troisième butée 38 disposée à l'extrémité de l'axe 31. Une première extrémité du ressort 37 est en appui sur une quatrième butée 39 tandis que l'autre extrémité du ressort 37 est en appui sur le second clapet 33, ledit clapet 33 étant pressé par le ressort 37 sur la troisième butée 38. De tels systèmes ressort / butée associés aux clapets 32, 33 permettent d'éviter une mise en contrainte de l'élément thermostatique 29 quand l'un ou l'autre des clapets 32, 33 vient fermer par contact son entrée respective 19, 21. L'extrémité de la tige 30 de commande sortant de l'élément thermostatique 29 est solidaire de l'axe 31, afin que la tige 30 pilote le déplacement de l'axe 31 en fonction de la température du liquide caloporteur. Plus précisément, la figure 4 illustre la position de l'axe 31 lorsque la température du liquide caloporteur est inférieure ou égale au premier seuil de température Ti. Dans ce cas, le second clapet 33 obture la seconde entrée 21 et le premier clapet 32 laisse la première entrée 19 ouverte ; la totalité du débit de liquide caloporteur provient de la culasse 2 et circule dans la vanne thermo-pilotée 18 selon le sens des flèches 40 pour être dirigé vers le boitier de sortie 6. La figure 5 présente la vanne thermo-pilotée avec la position de l'axe 31 lorsque la température du liquide caloporteur est supérieure au second seuil de température T2. Dans ce cas, le premier clapet 32 obture la première entrée 19 et le second clapet 33 laisse la seconde entrée ouverte ; la totalité du débit de liquide caloporteur provient du bloc moteur 1 et circule dans la vanne thermo-pilotée 18 selon le sens des flèches 41 pour être dirigé vers le boitier de sortie 6. L'axe 31 est conçu de telle manière qu'il peut être placé dans une position telle qu'aucun des clapets 32, 33 n'obture la première ou la seconde entrée 19, 21. Cette phase de transition où les deux clapets 32, 33 sont simultanément ouverts permet de garantir une continuité de débit à travers le moteur. La présente invention a pour avantages de combiner les avantages suivants : -elle permet un meilleur refroidissement de la culasse ce qui permet un gain en limite au cliquetis, - elle permet un fonctionnement du bloc moteur 1 à plus haute température ce qui permet de réduire les frottements par exemple du piston et des segments grâce à une meilleure lubrification, - elle permet un réchauffement du moteur plus rapide qu'avec un circuit de refroidissement à circulation inversée traditionnel permettant de réduire plus rapidement les frottements - elle permet de disposer d'une prestation de chauffage habitacle améliorée, - elle constitue une solution technique économique et simple à mettre en place. Revendications1. Dispositif de refroidissement par circulation inversée d'un moteur à combustion interne de véhicule, le moteur étant muni d'une culasse (2), d'un bloc moteur (1), ledit dispositif comportant, en aval du bloc moteur (1), un boitier de sortie (6) pour distribuer un fluide caloporteur entre une branche comportant un radiateur (4), une branche traversant un aérotherme (5) destiné au chauffage de l'habitable du véhicule et éventuellement, une branche de by-pass, caractérisé en ce qu'il comporte une branche directe reliant la culasse (2) et des moyens de vannage pour contrôler, en fonction de la température du fluide caloporteur, les débits de fluide caloporteur traversant le bloc moteur (1) et la culasse (2). 2. Dispositif de refroidissement par circulation inversée selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de vannage comportent une vanne thermo-pilotée (18) à deux entrées (19, 21) et une sortie (23), une première entrée (19) de la vanne (18) étant reliée à une sortie (20) de la culasse (2), une seconde entrée (21) de la vanne (18) étant reliée à une sortie (22) du bloc moteur (1) et la sortie (23) de la vanne (18) étant reliée à une entrée (24) du boitier de sortie (6), pour récupérer au moins une partie du liquide caloporteur traversant les cavités (7) de refroidissement de la culasse (2) vers la sortie (20) de ladite culasse. 3. Dispositif de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vanne thermo-pilotée (18) comporte un actionneur thermostatique (28) pour piloter l'ouverture et la fermeture de la première (19) et de la seconde entrée (21) de ladite vanne (18) en fonction de la température du liquide caloporteur. 4. Dispositif de refroidissement selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce que la vanne thermo-pilotée (18) comporte un axe (31) muni d'un premier et d'un second clapet (32, 33) montés en opposition tels que dans une première position de l'axe (31), le premier clapet (32) obture la première entrée (19) de ladite vanne (18), le second clapet (33) laissant la seconde entrée (21) ouverte alors que dans une seconde position de l'axe (31), le second clapet (33) obture la seconde entrée (21) de ladite vanne (18), le premier clapet (32) laissant la première entrée (19) ouverte. 5. Dispositif de refroidissement selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'axe (31) peut être placé dans une position telle qu'aucun des clapets (32, 33) de la vanne thermo-pilotée (18) n'obture la première (19) ou la seconde (21) entrée de ladite vanne (18). 10 6. Dispositif de refroidissement selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que chacun des clapets (32, 33) est disposé entre un ressort (34, 37) et une butée (35, 37) disposée à l'extrémité l'axe (31), ledit clapet (32, 33) étant pressé par le ressort (34, 37) sur la butée (35, 37). 7. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'actionneur thermostatique (28) est solidaire de l'axe (31) afin de piloter le déplacement de l'axe (31) en fonction de la température du liquide caloporteur. 8. Procédé de refroidissement par circulation inversée d'un moteur à combustion interne de véhicule, le moteur étant muni d'un circuit de refroidissement dans lequel circule un liquide caloporteur, caractérisé en ce qu'en fonction de la température du liquide caloporteur, une partie du débit de liquide caloporteur est directement récupérée en sortie (20) de culasse (2) sans être dirigée vers le bloc moteur (1). 9. Procédé de refroidissement selon la revendication 8, caractérisé en ce que la totalité du débit de liquide caloporteur allant vers le boitier de sortie (6) chemine par la sortie (20) de la culasse (2) si la température du liquide caloporteur est inférieure ou égale à un premier seuil de température (T1) compris entre 40t et 50`C. 10. Procédé de refroidissement selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la totalité du débit de liquide caloporteur allant vers le boitier de sortie (6) chemine par le bloc moteur (1) quand la température du liquide caloporteur est supérieure à un second seuil de température (T2) compris entre 50t et 60° C. 11. Procédé de refroidissement selon la revendication 9 et la revendication 10, caractérisé en ce que lorsque la température du fluide caloporteur est comprise entre le premier seuil de température (Ti) et le second seuil de température (T2), le débit de liquide caloporteur est progressivement dirigé de la culasse (2) vers le bloc moteur (1).