Brevet FR3090735A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Dispositif de refroidissement d'huile pour un moteur. [0001] L'invention concerne un dispositif de refroidissement d'huile pour un moteur. L'invention porte aussi sur un système de lubrification pour un moteur comprenant un tel dispositif de refroidissement d'huile. L'invention porte encore sur un groupe moto-propulseur comprenant un tel dispositif de refroidissement d'huile et/ou un tel système de lubrification. L'invention porte également sur un véhicule automobile comprenant un tel dispositif de refroidissement d'huile, et/ou un tel système de lubrification, et/ou un tel groupe motopropulscur. [0002] Les groupes motopropulseurs équipant les véhicules automobiles comprennent géné- ralement un moteur et un système de lubrification des organes mobiles du moteur. Lc système de lubrification comprend un circuit d'huile fermé animé par une pompe à huile ainsi qu'un échangeur thermique couplé avec un circuit de refroidissement pour refroidir l'huile. La pompe à huile est elle-même entraînée en fonctionnement par le groupe motopropulscur. [0003] Pour obtenir une faible consommation de carburant des véhicules, les constructeurs automobiles utilisent une huile ayant une faible viscosité car une telle huile génère peu de frottement et circule plus facilement dans le système de lubrification. Toutefois, les huiles présentant une faible viscosité sont généralement plus sensibles à la température et peuvent être facilement endommagées ou détruites si elles excèdent unc température donnée. [0004] La pompe à huile et l'échangeur thermique doivent être dimensionnés pour obtenir une lubrification et un refroidissement efficace et fiable du groupe motopropulseur même dans des conditions extrêmes de température. Par conséquent, l'échangeur thermique doit avoir une capacité suffisamment importante pour refroidir l'huile. Cependant, l'installation d'un tel échangeur thermique est délicate car il est volumineux et les constructeurs automobiles disposent de peu de place pour l'intégrer. De plus, l'utilisation d'un échangeur thermique de forte capacité provoque des pertes de charge dans le système de lubrification, ce qui entraîne une surconsommation de carburant. [0005] Le but de l'invention est de fournir un dispositif de refroidissement d'huile remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les systèmes de lubrification et les groupes motopropulseurs connus de l'art antérieur. [0006] Plus précisément, un premier objet de l'invention est une solution de refroidissement de l'huile efficace lors de conditions extrêmes de température du groupe moto- 2 propulseur tout en limitant les pertes de charge ducs à la circulation de l'huile lors de conditions de fonctionnement ordinaires du groupe motopropulseur. [0007] Un second objet de l'invention est une solution de refroidissement de l'huile simple à mettre en oeuvre et peu encombrante. [0008] L'invention se rapporte à un dispositif de refroidissement d'huile pour un groupe mo- topropulseur, le dispositif de refroidissement d'huile comprenant une entrée d'huile, une sortie d'huile, un échangeur thermique agencé entre l'entrée d'huile et la sortie d'huile, un clapet agencé entre l'entrée d'huile et la sortie d'huile, le clapet étant agencé en parallèle de l'échangeur thermique, le clapet étant destiné à se fermer lorsqu'une pression d'huile devient inférieure ou égale à un seuil de pression, le clapet comprenant un moyen thermosensible, le seuil de pression étant variable en fonction d'une température du moyen thermosensible. [0009] Le clapet peut être destiné à se fermer lorsque ladite pression d'huile devient in- férieure ou égale à un premier seuil de pression, le premier seuil de pression étant défini pour une première température du moyen thermosensible, et le clapet peut être destiné à se fermer lorsque ladite pression d'huile devient inférieure ou égale à un deuxième seuil de pression, le deuxième seuil de pression étant défini pour une deuxième température du moyen thermosensible, la première température étant strictement inférieure à la deuxième température , le premier seuil de pression étant strictement inférieur au deuxième seuil de pression. [0010] Ledit seuil de pression peut augmenter ou rester stable lorsque la température du moyen thermosensible augmente. [0011] La pression d'huile peut être égale à la différence entre la pression d'huile en amont du clapet et la pression d'huile en aval du clapet. [0012] Le clapet peut être destiné à se fermer de manière autonome lorsqu'une pression d'huile devient inférieure ou égale à un seuil de pression. [0013] Le clapet peut comprendre un moyen de fermeture d'une conduite d'huile et un moyen élastique, le moyen thermosensible étant déformable sous l'effet d'une température, le moyen élastique étant agencé entre le moyen de fermeture et le moyen thermosensible. [0014] Le moyen thermosensible peut comprendre un bilame. [0015] Le moyen thermosensible peut comprendre un réservoir pourvu d'une paroi dé- formable, et une matière à l'intérieur du réservoir, notamment un hydrocarbure, la matière étant apte à grossir sous l'effet de la température. [0016] Le moyen thermosensible peut comprendre un matériau à mémoire de forme. [0017] L'invention se rapporte également à un système de lubrification pour un moteur à combustion, le système de lubrification comprenant une pompe à huile et un dispositif de refroidissement d'huile tel que défini précédemment, la pompe à huile étant po- 3 sitionnée en amont du dispositif de refroidissement d'huile. [0018] L'invention se rapporte également à un groupe motopropulseur comprenant un dispositif de refroidissement d'huile tel que défini précédemment, et/ou un système de lubrification tel que défini précédemment. [0019] L'invention se rapporte également à un véhicule automobile comprenant un dispositif de refroidissement d'huile tel que défini précédemment, et/ou un système de lubrification tel que défini précédemment, et/ou un groupe motopropulscur tel que défini précédemment. [0020] Enfin, l'invention se rapporte également à un procédé de refroidissement de l'huile dans un dispositif de refroidissement d'huile tel que défini précédemment, le procédé comprenant : - une première étape, à une première température, dans laquelle la pression d'huile en amont de l'échangeur thermique est régulée autour d'une première valeur de pression, - une deuxième étape d'augmentation de la température, de la première température à une deuxième température, l'augmentation de la température provoquant une déformation du moyen thermosensible et une augmentation dudit seuil de pression, puis - une troisième étape, à la deuxième température, dans laquelle la pression d'huile en amont de l'échangeur thermique est régulée autour d'une deuxième valeur de pression, la deuxième valeur de pression étant strictement supérieure à la première valeur de pression, et/ou une troisième étape, à la deuxième température, dans laquelle le clapet est fermé, la totalité du flux d'huile traversant le dispositif de refroidissement d'huile passant pal- l'échangeur thermique. [0021] Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier fait à titre non- limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : [0022] [fig.1] La figure 1 est une vue schématique partielle d'un premier système de refroi- dissement d'huile selon l'état de la technique. [0023] [fig.2] La figure 2 est une vue schématique partielle d'un deuxième système de refroi- dissement d'huile selon l'état de la technique. [0024] [fig.3] La figure 3 est une vue schématique partielle d'un troisième système de refroi- dissement d'huile selon l'état de la technique. [0025] [fig.4] La figure 4 est une vue schématique partielle d'un quatrième système de refroi- dissement d'huile selon l'état de la technique. [0026] [fig.5] La figure 5 est une vue schématique d'un véhicule automobile selon un mode de réa- lisation de l'invention. [0027] [fig.6] La figure 6 est une vue schématique d'un premier clapet d'un dispositif de refroi- dissement d'huile selon un mode de réalisation de l'invention. [0028] [fig.7] La figure 7 est une vue schématique d'un moyen thermosensible sous l'effet de la température selon un mode de réalisation de ledit moyen étant à une tem- pérature basse. [0029] [fig.8] La figure 8 est une vue schématique du moyen thermosensible sous l'effet de la tem- pérature, ledit moyen étant à une température haute. [0030] [fig.9] La figure 9 est un premier graphique d'évolution d'un seuil de pression en fonction de la température. [0031] [fig.10] La figure 10 est un deuxième graphique d'évolution du seuil de pression en fonction de la température. [0032] Pour bien comprendre l'invention nous allons décrire dans un premier temps différents systèmes de refroidissement d'huile connus selon l'état de la technique en référence aux figures 1 à 4. Selon l'architecture présentée à la figure 1, une conduite l' traverse simplement un échangeur thermique 2'. Lorsque l'huile traverse l'échangeur thermique 2', elle est refroidie grâce aux échanges de chaleur se produisant dans l'échangeur thermique. La totalité du flux d'huile traverse l'échangeur thermique et celui-ci doit être dimensionné pour laisser passer le flux d'huile quelle que soit la viscosité de l'huile, y compris de l'huile à basse température et donc très visqueuse. Selon l'architecture présentée à la figure 2', une dérivation 3' (ou "bypass" ou "voie de contournement") est agencée en parallèle de l'échangeur thermique 2'. Cette dérivation 3' peut être équipée d'une portion de conduite présentant une restriction de section 4' afin de limiter le débit d'huile traversant la dérivation. Une partie de l'huile présente en amont passe par l'échangeur thermique tandis que l'autre partie de l'huile passe par la dérivation 3'. La figure 3 illustre un troisième type d'architecture dans lequel un clapet 5' est intégré à une dérivation 6' en parallèle de l'échangeur thermique 2'. Lorsque la différence entre la pression d'huile en amont du clapet 5' et la pression d'huile en aval du clapet 5' devient supérieure à un seuil de pression donné, le clapet s'ouvre et laisse passer de l'huile en parallèle de l'échangeur thermique 2'. Enfin, selon la quatrième architecture présentée à la figure 4, le système de refroidissement est équipé d'une première dérivation 3' équipée d'une restriction de section 4' et d'une deuxième dé- rivation 6' équipée d'un clapet 5'. Selon cette architecture, l'huile peut soit passer par l'échangeur thermique 2', soit par la première dérivation 3', soit par la deuxième dérivation 6'. Quelle que soit l'architecture considérée, le passage de l'huile par l'échangeur thermique ou par l'une ou l'autre des dérivations dépend des conditions de pression et/ou de viscosité de l'huile. Notamment, lorsque l'huile est chaude et présente une faible viscosité, elle peut plus facilement passer par la restriction de section 4' et/ ou par le clapet 5'. Par conséquent une proportion d'huile plus faible traversera l'échangeur thermique 2'. Les architectures présentées aux figures 2, 3 et 4 permettent d'éviter un engorgement d'huile ou une pression d'huile importante au niveau de l'échangeur thermique. Toutefois, plus l'huile est chaude et moins la proportion d'huile traversant l'échangeur thermique 2' est importante. [0033] Nous allons à présent décrire un mode de réalisation de l'invention en référence aux figures 5 à 10. [0034] La figure 5 illustre schématiquement un véhicule 1 automobile équipé d'un groupe motopropulscur 2 selon un mode de réalisation de l'invention. Le véhicule 1 peut être de toute nature. Notamment, il peut être par exemple un véhicule particulier, un véhicule utilitaire, un camion ou un bus. Le groupe motopropulscur 2 comprend un moteur à combustion 3 et un système de lubrification 4. Le système de lubrification 4 comprend une pompe à huile 5 et un dispositif de refroidissement d'huile 6 selon un mode de réalisation de l'invention. Le moteur à combustion 3, la pompe à huile 5 et le dispositif de refroidissement d'huile 6 sont reliés ensemble par des conduites 7 formant un circuit fermé dans lequel l'huile est mise en circulation par la pompe à huile 5. A la sortie de la pompe à huile 5, l'huile sous pression traverse le dispositif de refroidissement d'huile 6 puis pénètre dans le moteur à combustion ou elle peut lubrifier différents organes mobiles tels que des arbres à cames, des pistons, des bielles, un vilebrequin ou encore des arbres d'équilibrage. Après avoir lubrifié ces organes, l'huile peut retomber dans un carter d'huile depuis lequel elle peut être à nouveau aspirée par la pompe à huile 5. La pompe à huile est donc positionnée en amont du dispositif de refroidissement d'huile 6. [0035] Le dispositif de refroidissement d'huile 6 comprend une entrée d'huile 11, une sortie d'huile 12, un échangeur thermique 13, et un clapet 14. L'échangeur thermique 13 est agencé entre l'entrée d'huile 11 et la sortie d'huile 12. Le clapet 14 est agencé entre l'entrée d'huile 11 et la sortie d'huile 12, en parallèle de l'échangeur thermique 13. L'échangeur thermique 13 et le clapet 14 sont tous deux reliés à l'entrée d'huile 11 et à la sortie d'huile respectivement par des conduites d'huile 15, 16. Autrement dit, le clapet 14 est positionné en dérivation de l'échangeur thermique 13. L'huile traversant le dispositif de refroidissement d'huile 6 se partage donc en un premier flux traversant l'échangeur thermique 13 et un deuxième flux traversant le clapet 14. 6 [0036] L'échangeur thermique 13 est apte à refroidir l'huile le traversant. L'échangeur thermique peut être par exemple du type échangeur à air ou échangeur à eau. Par exemple, l'échangeur thermique peut être relié à un circuit de refroidissement dans lequel circule un liquide de refroidissement. La chaleur de l'huile est en partie évacuée lorsque l'huile traverse l'échangeur thermique. L'huile a donc une température plus faible en sortie de l'échangeur thermique qu'en entrée de l'échangeur thermique. [0037] Le clapet 14 est un dispositif destiné à se fermer lorsqu'une pression d'huile P devient inférieure ou égale à un seuil de pression PS. Le clapet 14 est fermé tant que la pression P est inférieure ou égale audit seuil de pression PS et dans ce cas l'huile ne peut pas s'écouler au travers de la conduite 16. Le clapet 14 est ouvert lorsque la pression P est strictement supérieure audit seuil de pression PS et dans ce cas l'huile peut s'écouler au travers de la conduite 16. Préférentiellement, la pression d'huile P considérée peut être définie comme la différence entre la pression d'huile en amont du clapet et la pression d'huile en aval du clapet. En variante, la pression P pourrait être définie comme une pression absolue, par exemple la pression absolue en amont du clapet. [0038] Comme illustré sur la figure 6, le clapet 14 comprend un moyen de fermeture 17 de la conduite d'huile 16, un moyen élastique 18, et un moyen thermosensible 20. Le moyen de fermeture 17 peut être constitué par un cône d'étanchéité 17A muni d'une ouverture centrale et apte à coopérer avec une bille 17B. Lorsque la bille 17B est on contact avec le cône d'étanchéité, elle bouche le passage de l'huile au travers de la conduite d'huile 16. Lorsque la bille 17B est en retrait par rapport au cône d'étanchéité 17A, elle libère le passage par l'ouverture centrale du cône d'étanchéité et l'huile peut s'écouler au travers de la conduite d'huile 16. Le moyen élastique 18 est en appui sur la bille 17B de sorte à ce que le clapet soit naturellement en position fermée. Notamment, tant que la différence entre la pression d'huile en amont de la bille 17B et la pression d'huile en aval de la bille 17B est inférieure ou égale au seuil de pression PS, la bille 17B demeure en contact avec le cône d'étanchéité 17A. Le moyen élastique 18 peut être formé par exemple par un ressort, notamment un ressort hélicoïdal. [0039] Le seuil de pression PS en dessous duquel le clapet 14 se ferme est variable en fonction d'une température T du moyen thermosensible 20. Autrement dit, ce seuil de pression n'est pas constant et dépend d'une température T. Le moyen thermosensible 20 est un moyen dont les propriétés physiques varient lorsque la température varie. De préférence, le moyen thermosensible peut être un moyen déformable sous l'effet de la température. Le moyen élastique 18 est agencé entre le moyen de fermeture 17 et le moyen thermosensible 20. En particulier, le moyen élastique 18 comprend une première extrémité en appui sur la bille 17B et une deuxième extrémité en appui sur le moyen thermosensible. Le moyen thermosensible 20 est agencé entre un support fixe 7 ou un bâti du clapet 14 et le moyen élastique 18. En particulier, le moyen thermosensible 20 comprend une première extrémité en appui sur le moyen élastique 18 et une deuxième extrémité en appui sur le bâti. En variante, les positions du moyen élastique 18 et du moyen thermosensible 20 pourraient être interverties. Avantageusement, lorsque le moyen thermosensible se déforme il augmente la contrainte exercée sur le moyen élastique 18 et le seuil de pression PS nécessaire pour ouvrir le clapet 14 augmente. [0040] Le moyen thermosensible peut être réalisé de différente manières. Par exemple, selon une première variante de réalisation, illustrée sur la figure 6, le moyen thermosensible 20 comprend un matériau à mémoire de forme, notamment un ressort fabriqué avec un matériau à mémoire de forme. Un matériau à mémoire de forme est apte à retrouver une forme d'origine lorsqu'il est soumis à une température donnée. Un matériau à mémoire de forme peut également être désigné selon l'anglicisme SMA (Shape Memory Alley). Avantageusement, le ressort à mémoire de forme est apte à augmenter sa raideur ou à s'allonger lorsque sa température augmente. [0041] Selon une autre variante de réalisation, le moyen thermosensible peut comprendre un bilame, c'est-à-dire un dispositif constitué de deux lames collées l'une contre l'autre et présentant un coefficient de dilatation thermique différent. Lorsque la température varie, le bilame se déforme sous l'effet des dilatations d'amplitude différente des deux lames [0042] Selon une autre variante de réalisation, illustrée sur les figures 7 et 8 le moyen ther- mosensible comprend un réservoir 21 pourvu d'une paroi défonnable 22 ou membrane, et une matière 23 à l'intérieur du réservoir. La matière 23 est apte à grossir sous l'effet de la température. La matière 23 peut être par exemple un hydrocarbure, notamment de la cire. Elle peut se présenter sous l'état liquide ou sous l'état solide, voire même sous l'état gazeux. En particulier, en dessous d'un seuil de température, la matière 23 peut se présenter sous forme solide et au-dessus du seuil de température, la matière 23 peut se présente sous forme liquide. Comme illustré sur la figure 7, à basse température, la matière 23 occupe un volume faible et la paroi déformable 23 est plane. Comme illustré sur la figure 8, a plus haute température, la matière 23 occupe un volume plus important. L'augmentation de volume conduit à une déformation de la paroi déformable 22 qui prend une forme bombée. Le moyen élastique est en appui sur la paroi déformable 22, éventuellement par l'intermédiaire d'un piston 24 indéformable. [0043] Finalement le moyen thermosensible permet d'obtenir une contrainte plus ou moins importante sur le moyen élastique 18 en fonction de la température et ainsi de modifier le seuil de pression PS. [0044] Avantageusement, la température du moyen thermosensible 20 est identique ou très proche de la température de l'huile. En particulier le moyen thermosensible peut être 8 agencé au sein du clapet 14 de sorte à être en contact avec de l'huile. Ainsi, par conduction thermique la température du moyen thermosensible est identique ou très proche de la température de l'huile. En variante le moyen thermos sensible pourrait avoir une température identique ou très proche d'un autre élément du groupe moto-propulseur. [0045] Finalement, le clapet 14 est apte à se fermer de manière autonome, c'est-à-dire qu'il n'est pas asservi à une commande électrique, ce qui simplifie sa réalisation et le rend plus fiable. [0046] Les figures 9 et 10 illustrent l'évolution du seuil de pression en dessous duquel le clapet se ferme en fonction de la température. En particulier, la figure 9 illustre schématiquement et à titre d'exemple une courbe Cl de l'évolution du seuil de pression PS en fonction de la température T du moyen thermosensible. La courbe Cl a une allure globalement linéaire et croissante en fonction de la température T. On peut définir deux températures Tl et T2 correspondant à deux températures de fonctionnement possibles du groupe motopropulscur. La température Tl est strictement inférieure à la température T2. Le seuil de pression P1 en dessous duquel le clapet se ferme à la température T1 est strictement inférieur au seuil de pression P2 en dessous duquel le clapet se ferme à la température T2. Ainsi, le demi-espace en-dessous de la courbe Cl correspond à un ensemble de couples de pression d'huile et de température dans lesquels le clapet 14 est fermé. Réciproquement, le demi-espace au-dessus de la courbe CI correspond à un ensemble de couples de pression et température dans lesquels le clapet 14 est ouvert. [0047] La figure 10 illustre à titre d'exemple trois courbes Cl, C2, C3 représentant dif- férentes allures possibles du seuil de pression en fonction de la température du moyen thermosensible. On remarque notamment que le seuil de pression peut demeurer stable pour une plage de température donnée, comme c'est le cas notamment pour la courbe C2. Un tel effet peut être notamment obtenu lorsque l'élément thermosensible comprend une matière susceptible de changer d'état en fonction de la température. Notamment, tant que cette matière est solide, le seuil de pression peut rester inchangé. [0048] L'invention porte également sur un procédé de refroidissement de l'huile dans le dispositif de refroidissement d'huile. [0049] Dans une première étape, lorsque le moteur fonctionne dans des conditions de tem- pérature ordinaires, par exemple à la température Ti, une partie de l'huile du système de lubrification passe par la conduite 15 et l'échangeur thermique 6 et une autre partie passe par la conduite 16 et le clapet 14. L'équilibre de flux d'huile entre ces deux voies dépend notamment de la viscosité de l'huile. A basse température, la viscosité de l'huile est plus importante et le passage de l'huile au travers de l'échangeur thermique fait monter la pression d'huile en amont de l'échangeur thermique. La pression en amont de 9 l'échangeur thermique est sensiblement identique à la pression en amont du clapet 14. Le clapet 14 s'ouvre des que la pression d'huile devient trop importante et se referme lorsque la pression d'huile redevient suffisamment basse. On obtient ainsi une régulation de la pression d'huile en amont de l'échangeur et on évite un engorgement ou une surpression d'huile dans l'échangeur thermique. La pression en amont de l'échangeur thermique est régulée autour d'une valeur proche du seuil de pression PS. On limite ainsi les pertes de charge ducs à la circulation de l'huile dans l'échangeur thermique. [0050] Dans une deuxième étape, la température de l'huile augmente. Une telle aug- mentation se produit par exemple lorsque la température extérieure est particulièrement élevée (par exemple si le véhicule roule en plein soleil et en été), et/ou lorsque la puissance maximale du moteur est utilisée (par exemple si le véhicule tracte une remorque ou une caravane dans une côte), et/ou lorsque la vitesse du véhicule est faible ce qui réduit le flux d'air dans le compartiment moteur et provoque donc un moindre refroidissement du groupe motopropulseur par convection. Consécutivement à l'augmentation de température, le moyen thermosensible 20 se déforme et le seuil de pression PS au-delà duquel le clapet 14 s'ouvre augmente. [0051] Dans une troisième étape, lorsque le moteur fonctionne à une température exception- nellement haute, par exemple à la température T2, le moyen thermosensible 20 agit sur le clapet 14 de sorte à augmenter le seuil de pression PS au-delà duquel il s'ouvre. Par conséquent l'huile s'écoule en plus grande proportion au travers de l'échangeur thermique 13 qu'au travers du clapet 14. Voire même, la totalité de l'huile s'écoule au travers de l'échangeur thermique et le clapet 14 demeure fermé. On force ainsi le passage de l'huile au travers de l'échangeur thermique et on obtient donc un plus grand refroidissement de l'huile. Dans ces conditions de fonctionnement la pompe peut être davantage sollicitée car la pression d'huile en aval de la pompe devient plus importante. De même l'échangeur thermique peut être également davantage sollicité car la pression d'huile y est plus importante. Avantageusement, le seuil de température au-delà duquel le passage de l'huile est forcé au travers de l'échangeur thermique est suffisamment haut pour ne se produire qu'exceptionnellement. Ainsi, les fortes sollicitations de la pompe et de l'échangeur thermique demeurent exceptionnelles et leur durée de vie ou leur fiabilité n'en est pas affectée. [0052] Grâce à l'invention, on dispose donc d'un dispositif de refroidissement d'huile efficace lors de conditions extrêmes de température tout en limitant les pertes de charge dues à la circulation de l'huile lors de conditions de fonctionnement ordinaires. La solution peut être simple à mettre en oeuvre puisqu'il suffit de modifier un clapet sans remettre en cause l'architecture du système de lubrification. 10