FR2883807A1 - Dispositif et procede de refroidissement du moteur et d'un organe de vehicule - Google Patents

Abstract

Dispositif de refroidissement pour véhicule automobile, comprenant un circuit principal 1 de fluide caloporteur traversant le moteur 2 et équipé d'une pompe de circulation 3, d'une vanne thermostatique 4 et d'un radiateur 5. Le dispositif comprend une branche de dérivation 8 alimentée quelle que soit la position de la vanne thermostatique 4, et reliée à un point de jonction 9 d'une portion du circuit principal munie d'une restriction 6 et d'un circuit de refroidissement auxiliaire d'un organe du véhicule. Lorsque la vanne thermostatique 4 est fermée, le circuit de refroidissement auxiliaire 11 de l'organe précité comprend le radiateur 5.

Description

Dispositif et procédé de refroidissement du moteur et d'un organe de

véhicule.

L'invention concerne le domaine du refroidissement des moteurs de véhicules automobiles permettant en particulier de refroidir également certains organes du véhicule, tel qu'un dispositif de recyclage partiel de gaz d'échappement.

Le moteur d'entraînement des véhicules automobiles est généralement refroidi par la mise en circulation d'un liquide de refroidissement caloporteur, en pratique de l'eau, qui traverse les principales parties du moteur qu'il convient de refroidir. Le circuit de refroidissement inclut essentiellement une pompe de circulation entraînée par le moteur et un radiateur constitué d'un échangeur de chaleur eau/air capable de refroidir l'eau mise en circulation par la pompe. Une vanne thermostatique est également prévue en général, de façon à isoler la partie du circuit principal de refroidissement qui contient le radiateur pendant la durée du démarrage à froid où un refroidissement excessif du moteur n'est pas souhaité. La vanne thermostatique s'ouvre progressivement en fonction de la température de l'eau mise en circulation, réchauffée par le moteur après la période de démarrage. C'est ainsi que la demande de brevet FR 2 673 241 (Valeo) décrit un radiateur équipé d'obturateurs actionnés en fonction de la température du moteur de manière à régler l'efficacité du radiateur.

Par ailleurs, comme il est rappelé par la demande de brevet FR 2 778 947 (Valeo), il est intéressant de recycler une partie des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne en la réinjectant, et en la mélangeant avec de l'air dans le collecteur d'admission. Ce recyclage a pour effet d'abaisser la température de combustion des oxydes d'azote et donc de limiter la quantité d'oxydes d'azote émis dans les gaz d'échappement. On sait que le taux de recyclage des gaz d'échappement est limité en raison des émissions de particules. Le refroidissement des gaz recyclés permet d'augmenter l'effet de réduction de la quantité d'oxyde d'azote tout en conservant une émission de particules inchangée. Il est donc également connu de faire passer les gaz recyclés dans un échangeur de chaleur en vue de les refroidir. Dans la demande de brevet FR 2 824 595 (Volkswagen) il a été proposé de refroidir les gaz d'échappement par un flux d'air ambiant. Dans la demande de brevet JP 4 187 810 (Calsonic) il a été proposé, pour réduire les dilatations d'un pot catalytique, un moyen de refroidissement des gaz à l'aide d'un radiateur d'eau. Lorsque les gaz sont chauds, correspondants à une vitesse de déplacement élevée du véhicule, la montée en température du pot catalytique est limitée par l'action du moyen de refroidissement, lorsque les gaz sont froids, une pompe retire de l'eau restant dans le collecteur d'échappement. Dans la demande de brevet JP 4 246 222 (Daihatsu) il a été proposé de refroidir les gaz d'échappement avec un radiateur en créant une circulation d'eau sans pompe. Les demandes de brevet FR 2 812 027 (DaimlerChrysler) et FR 2 830 929 (Denso) traitent de constructions particulières d'échangeurs de chaleur pour gaz d'échappement, mais ne décrivent pas de lien entre la régulation du refroidissement du moteur et la régulation du refroidissement des gaz d'échappement, en vue de leur dépollution.

Par ailleurs, dans la demande de brevet FR 2 821 120 (Renault) il a été proposé un dispositif de refroidissement du moteur capable de refroidir également un organe de commande de ce moteur. Le dispositif de refroidissement comprend un circuit principal d'eau traversant le moteur et équipé d'une pompe de circulation, d'une vanne thermostatique, d'un radiateur, et d'une restriction provoquant une perte de charge dans le circuit principal. Un échangeur thermique destiné au refroidissement de l'organe de commande est branché en parallèle de la restriction. Un échangeur aérotherme destiné au réchauffement de l'habitacle est branché en parallèle de la vanne et du radiateur, et raccordé au circuit principal en amont de la restriction. Ainsi, lorsque le moteur est chaud, la vanne thermostatique est ouverte et l'eau de refroidissement circule dans le circuit principal ainsi que dans les deux circuits parallèles, alimentant simultanément le radiateur, l'aérotherme d'habitacle, et l'échangeur thermique de l'organe de commande. Lorsque le moteur démarre, le moteur et l'eau sont froids et la vanne thermostatique est fermée. L'eau ne circule pas dans le radiateur. L'eau circule dans l'aérotherme et se partage entre un flux traversant la restriction et un flux refroidissant l'organe de commande. Ainsi, le moteur atteint rapidement une température où son rendement est amélioré, et ceci tout en permettant de chauffer l'habitacle et de refroidir l'organe de commande avec la même pompe de circulation.

On pourrait imaginer de refroidir des gaz d'échappement à recycler de la même manière que l'organe de commande de cette demande de brevet. Mais cela présenterait l'inconvénient de ne pas refroidir suffisamment les gaz d'échappement durant la phase de démarrage du moteur. Or, c'est précisément à ce moment-là que la proportion d'oxydes d'azote non brûlés est la plus forte.

On pourrait également imaginer deux circuits de refroidissements indépendants. Cela présenterait l'inconvénient de dupliquer les composants, et notamment le radiateur. Cela revient à réduire le refroidissement du moteur à température élevée.

L'invention propose un dispositif et un procédé de refroidissement d'un moteur et d'un organe de véhicule automobile qui résolve ces inconvénients de manière particulièrement simple. L'invention propose en particulier un procédé qui favorise la montée rapide du moteur en température, qui refroidisse l'organe du véhicule tout particulièrement lorsque le moteur est à basse température et qui optimise le refroidissement du moteur à température élevée.

Selon un mode de réalisation, le dispositif de refroidissement pour véhicule automobile comprend un circuit principal de fluide caloporteur, traversant le moteur et équipé d'une pompe de circulation, d'une vanne thermostatique et d'un radiateur. Le dispositif comprend une branche de dérivation alimentée quelque soit la position de la vanne, et reliée à un point de jonction d'une portion du circuit principal munie d'une restriction et d'un circuit de refroidissement auxiliaire d'un organe du véhicule. Lorsque la vanne est fermée, le circuit de refroidissement auxiliaire de l'organe précité comprend le radiateur.

On comprend que dans un tel dispositif, la vanne thermostatique peut être fermée lors de la phase de démarrage du moteur. Le fluide caloporteur du circuit de refroidissement est alors acheminée par la branche de dérivation et se partage entre la restriction et un flux, refroidi par le radiateur, et refroidissant l'organe du véhicule. Ainsi, seule une partie de l'eau est refroidie par le radiateur, ce qui permet à la température du moteur de monter rapidement. La puissance de refroidissement du radiateur est utilisée pour refroidir l'organe du véhicule, ce (lui est particulièrement avantageux lorsqu'il s'agit de refroidir une partie de gaz d'échappement en vue de leur recyclage partiel Selon une variante, la partie du circuit de refroidissement auxiliaire est traversée par le fluide caloporteur, dans un sens ou dans un autre selon que la vanne thermostatique est ouverte ou fermée. Cette variante correspond notamment au cas où le circuit auxiliaire rejoint le circuit principal en un deuxième point de jonction différent du premier.

Avantageusement, la branche de dérivation comprend un échangeur aérotherme apte à réchauffer l'habitacle du véhicule. De même, l'organe précité peut être un alterno-démarreur et/ou une boîte de vitesses. L'invention est particulièrement intéressante dans le cas où l'organe précité est un dispositif de recyclage partiel de gaz d'échappement.

Selon une autre variante, le circuit de refroidissement auxiliaire comprend une deuxième vanne thermostatique.

Selon encore une autre variante, le radiateur comprend une pluralité de passages parallèles dont les extrémités débouchent dans une première et une deuxième boîte à eau, au moins une partie des passages étant traversée par le fluide caloporteur, dans un sens ou dans un autre selon que la vanne thermostatique est ouverte ou fermée.

Avantageusement, la première boîte à eau du radiateur est reliée à la vanne thermostatique, la deuxième boîte à eau étant partagée en deux zones par une restriction, l'une des zones étant reliée à l'organe précité du véhicule, l'autre zone étant reliée au point de jonction précité.

Selon un autre mode de réalisation, le procédé de refroidissement pour véhicule automobile, dans lequel on fait circuler un fluide caloporteur à travers un moteur du véhicule et un refroidisseur auxiliaire d'un organe du véhicule. Une partie du fluide caloporteur traversant le moteur est prélevée pour le refroidisseur auxiliaire. Tant que la température du moteur reste au dessous d'une limite de température de moteur prédéterminée, on fait passer la partie du fluide caloporteur traversant le refroidisseur auxiliaire, à travers un radiateur.

Selon une variante du procédé, on règle la proportion de fluide prélevée pour le refroidisseur auxiliaire en faisant varier la section hydraulique équivalente d'au moins une des portions de circuit reliée à un point de jonction alimenté en fluide caloporteur quelque soit la température du moteur.

Selon une autre variante du procédé, on interrompt la circulation du fluide caloporteur dans le refroidisseur auxiliaire lorsque la température du fluide en aval dudit refroidisseur est inférieure à une limite de température de retour de fluide prédéterminée, afin d'accélérer la montée en température de l'habitacle et/ou du moteur du véhicule.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: -la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif de refroidissement d'un premier mode de réalisation de l'invention; -la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de refroidissement d'un deuxième mode de réalisation de l'invention, lorsque la température du moteur est en dessous d'une limite prédéterminée; et la figure 3 est une représentation schématique d'un dispositif de refroidissement d'un deuxième mode de réalisation de l'invention, lorsque la température du moteur est au-dessus d'une limite prédéterminée.

Comme illustré sur la figure 1, un circuit principal 1 dans lequel s'écoule un fluide caloporteur, par exemple de l'eau, comprend un moteur 2, une pompe de circulation 3 et successivement une vanne thermostatique 4, un radiateur 5, et une restriction 6. Après avoir traversé ces différents éléments, le fluide caloporteur s'écoulant dans le circuit principal 1 reboucle sur lui-même et revient à l'entrée de la pompe de circulation 3. Une branche de dérivation 8 est montée en parallèle de la vanne thermostatique 4 et du radiateur 5 et présente un raccordement amont au circuit principal 1 entre le moteur 2 et la vanne thermostatique 4 ainsi qu'un raccordement aval en un point de jonction 9 situé entre le radiateur 5 et la restriction 6. Ainsi, la branche de dérivation 8 est alimentée en fluide caloporteur quelle que soit la position de la vanne thermostatique 4. Un refroidisseur 10 de dispositif de recyclage des gaz d'échappement est inséré sur un circuit de refroidissement auxiliaire 11 présentant un raccordement amont au circuit principal 1 entre la vanne thermostatique 4 et le radiateur 5 ainsi qu'un raccordement aval entre la restriction 6 et la pompe de circulation 3.

Au cours de sa circulation, le fluide caloporteur se charge des calories du moteur 2. Les gaz d'échappement du moteur 2 étant à une température par exemple de 400 C, le fluide caloporteur s'écoulant dans le circuit de refroidissement auxiliaire 11 se charge également de calories en traversant le refroidisseur 10. Inversement, le radiateur 5 permet au fluide caloporteur de se décharger de ses calories au profit par exemple de l'air ambiant.

Le fluide caloporteur est généralement de l'eau avec des additifs antigel. Un vase d'expansion non illustré sur la figure est généralement inséré le long du circuit principal 1, de manière à pouvoir maîtriser la pression du fluide à haute température. I1 est en effet courant que l'eau d'un dispositif de refroidissement de moteur de véhicule automobile puisse monter jusqu'à une température de 115 C tout en restant en dessous de sa température d'ébullition.

La vanne thermostatique 4 s'ouvre, c'est-à-dire laisse passer le fluide caloporteur lorsque la température du moteur 2 atteint une limite de température de moteur prédéterminée, comprise généralement entre 88 C et 100 C, et de l'ordre de 89 C. Lorsque la température du moteur 2 reste en dessous de cette limite de température de moteur prédéterminée, la pompe de circulation 3 entraîne le fluide caloporteur à travers le moteur 2 et à travers la branche de dérivation 8. Le point de jonction 9 permet au fluide caloporteur arrivant par la branche de dérivation 8 de se partager en deux flux, l'un traversant la restriction 6 et rejoignant le circuit principal 1, l'autre traversant le radiateur 5, puis le refroidisseur 10 et rejoignant ensuite le circuit principal 1. La proportion de fluide entre ces deux flux dépend directement des sections équivalentes hydrauliques de la restriction 6, d'une part, et de la succession du radiateur 5 et du refroidisseur 10, d'autre part. Durant cette phase, la température du fluide caloporteur est d'abord abaissée par le radiateur 5, puis élevée par le refroidisseur 10, de sorte que le fluide caloporteur ne traverse le moteur 2 qu'après avoir été réchauffé par le refroidisseur 10, ce qui permet au moteur 2 de monter en température rapidement.

Lorsque la température du moteur 2 atteint ou dépasse la limite de température de moteur précitée, la vanne thermostatique 4 s'ouvre et le fluide traversant le moteur 2 se partage en trois flux, l'un traversant la branche de dérivation 8, l'autre traversant le radiateur 5, et le troisième traversant le refroidisseur 10. La répartition des trois flux se fait selon les sections équivalentes hydrauliques de ces trois portions de circuit. Ainsi, en augmentant la section équivalente de la restriction 6, on augmente le refroidissement du moteur 2 à chaud et on diminue le refroidissement des gaz d'échappement. La variation de section équivalente hydraulique de la branche de dérivation 8, du radiateur 5, du refroidisseur 10, permet de faire varier les débits de fluide caloporteur passant dans telle ou telle partie du dispositif, selon que la vanne thermostatique 4 est ouverte ou fermée.

On va maintenant décrire, à l'aide des figures 2 et 3, un deuxième mode de réalisation, dans lequel les composants de la figure 1 ayant les mêmes fonctions, sont désignés par les mêmes références. Le dispositif de refroidissement, selon ce deuxième mode de réalisation, comprend, en plus de ceux déjà décrits dans le premier mode de réalisation, un aérotherme 13 inséré dans la branche de dérivation 8 et destiné au réchauffement de l'habitacle du véhicule.

Une deuxième vanne thermostatique 14 est insérée sur le circuit de refroidissement auxiliaire 11, entre le refroidisseur 10 et le circuit principal 1.

Le radiateur 5 est composé d'une boîte à eau amont 15 et d'une boîte à eau aval 16, présentant un ajutage 17, séparant ainsi une boîte aval supérieure 18, d'une boîte aval inférieure 19. Les deux boîtes à eau 15, 16 sont reliées par une pluralité de passages parallèles susceptibles d'être traversés par le fluide caloporteur. La section de ces passages peut être circulaire, les passages seront alors des tubes, ou rectangulaire, les passages seront alors des lames creuses. De manière privilégiée, ces passages sont métalliques ou en matériau thermoconducteur, et sont entourés d'ailettes 20. Des passages supérieurs 21 relient la boîte à eau amont 15 à la boîte aval supérieure 18, et des passages inférieurs 22 relient la boîte à eau amont 15 à la boîte aval inférieure 19. La vanne thermostatique 4 est reliée, par le circuit principal 1, à la boîte à eau amont 15. Le point de jonction 9 est relié à la boîte aval inférieure 19. Le refroidisseur 10 est relié à la boîte aval supérieure 18. Entre la vanne thermostatique 4 et le refroidisseur 10, le fluide caloporteur traverse un radiateur supérieur 23 dont la section équivalente hydraulique est la somme des sections des passages supérieurs 21. Entre la vanne thermostatique 4 et le point de jonction 9, le fluide caloporteur traverse un radiateur inférieur 24 dont la section hydraulique équivalente est la somme des sections hydrauliques des passages inférieurs 22.

Lorsque la température du moteur 2 est inférieure à la limite de température de moteur précitée, la vanne thermostatique 4 est fermée. Le fluide caloporteur traverse l'aérotherme 13 et est partagé en deux flux par le point de jonction 9 entre la restriction 6 et le radiateur 5.

Ainsi, lorsque la vanne thermostatique 4 est fermée, le fluide traverse le radiateur inférieur 24 en remontant de la boîte aval inférieure 19 vers la boîte amont 15, tandis que le radiateur supérieur 23 est traversé par le fluide de la boîte amont 15 vers la boîte aval supérieure 19. La proportion de partage entre ces deux flux est fonction des sections hydrauliques équivalentes de la restriction 6, d'une part, et, d'autre part, de la succession en série du radiateur inférieur 24, du radiateur supérieur 23, puis du refroidisseur 6, et de la deuxième vanne thermostatique 14. On peut faire varier cette proportion en modifiant la section équivalente de l'ajutage 17.

La présence de la deuxième vanne thermostatique 14 permet d'interrompre la circulation du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement auxiliaire 11 dès que la température du fluide en aval du refroidisseur 10 est inférieure à une limite de température de retour du fluide. C'est le cas, lorsqu'il n'est plus souhaité de refroidir des gaz d'échappement. C'est aussi le cas dans la situation suivante: le moteur est toujours en phase d'échauffement qui peut prendre quinze minutes par exemple, lorsque le véhicule est momentanément arrêté. Le moteur tourne au ralenti et le débit de gaz d'échappement est réduit. Il peut être intéressant d'interrompre immédiatement la circulation du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement auxiliaire 11, car les gaz d'échappement n'étant pas capables de réchauffer suffisamment le fluide caloporteur traversant le circuit de refroidissement auxiliaire 11, le fluide traversant le circuit principal 1 serait à une température trop basse alors qu'on souhaite accélérer la montée en température du moteur 2.

Lorsque le moteur 2 a dépassé la limite de température de moteur prédéterminée, la vanne thermostatique 4 est ouverte et le fluide caloporteur se répartit en trois flux traversant, l'un l'aérotherme 13, l'autre le radiateur inférieur 24, et le troisième le radiateur supérieur 23 et le refroidisseur 10. Le sens de circulation du fluide caloporteur à l'intérieur du radiateur inférieur 24 est inversé et s'écoule depuis la boîte à eau amont 15 vers la boîte aval inférieure 19.

Dans une variante de réalisation de l'invention, la branche de dérivation 8 est raccordée à la boîte à eau amont 15 qui fait alors office de point de jonction 9. Le circuit principal 1 est relié à la boîte aval inférieure 19, et le radiateur inférieur 24 peut faire office, de par sa section hydraulique équivalente, de restriction 6.

Dans une autre variante, le refroidisseur 10 peut, au lieu de refroidir les gaz d'échappement recyclés, refroidir un organe du véhicule, tel qu'un refroidisseur d'alterno-démarreur et/ou de boîte de vitesses.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1 -Dispositif de refroidissement pour véhicule automobile comprenant un circuit principal (1) de fluide caloporteur, traversant le moteur (2) et équipé d'une pompe de circulation (3) , d'une vanne thermostatique (4) et d'un radiateur (5) , le dispositif comprenant une branche de dérivation (8) alimentée quelle que soit la position de la vanne thermostatique (4), et reliée à un point de jonction (9) d'une portion du circuit principal (1) munie d'une restriction (6) et d'un circuit de refroidissement auxiliaire (11) d'un organe du véhicule, caractérisé par le fait que, lorsque la vanne thermostatique (4) est fermée, le circuit de refroidissement auxiliaire (11) de l'organe précité comprend le radiateur (5).

2 -Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que une partie du circuit de refroidissement auxiliaire (11) est traversée par le fluide caloporteur, dans un sens ou dans un autre selon que la vanne thermostatique (4) est ouverte ou fermée.

3 -Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la branche de dérivation comprend un échangeur aérotherme (13) apte à réchauffer l'habitacle du véhicule.

4 -Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'organe précité est un dispositif de recyclage partiel de gaz d'échappement.

-Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'organe précité est un alterno-démarreur ou une boîte de vitesses 6 -Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le circuit de refroidissement auxiliaire (11) comprend une deuxième vanne thermostatique (14).

7 -Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le radiateur (5) comprend une pluralité de passages (21, 22) parallèles dont les extrémités débouchent dans une première (15) et une deuxième (16) boîtes à eau, au moins une partie (22) des passages (21, 22) étant traversée par le fluide caloporteur, dans un sens ou dans un autre selon que la vanne thermostatique (4) est ouverte ou fermée.

8 -Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la première boîte à eau (15) du radiateur (5) est reliée à la vanne thermostatique (4), la deuxième boîte à eau (16) étant partagée en deux zones (18,19) par une restriction (17), l'une (18) des zones étant reliée à l'organe précité du véhicule, l'autre zone (19) étant reliée au point de jonction (9) précité.

9 -Procédé de refroidissement pour véhicule automobile, dans lequel on fait circuler un fluide caloporteur à travers un moteur (2) du véhicule et un refroidisseur auxiliaire (10) d'un organe du véhicule, une partie du fluide caloporteur traversant le moteur (2) est prélevée pour le refroidisseur auxiliaire (10) caractérisé par le fait que, tant que la température du moteur reste au dessous d'une limite de température de moteur prédéterminée, on fait passer la partie du fluide caloporteur traversant le refroidisseur auxiliaire (10), à travers un radiateur (5).

- Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'on règle la proportion de fluide prélevée pour le refroidisseur auxiliaire (10) en faisant varier la section hydraulique équivalente d'au moins une des portions de circuit (1, 8) reliée à un point de jonction (9) alimenté en fluide caloporteur quelle que soit la température du moteur.

11 - Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé par le fait que l'on interrompt la circulation du fluide caloporteur dans le refroidisseur auxiliaire (10) lorsque la température du fluide en aval dudit refroidisseur est inférieure à une limite de température de retour de fluide prédéterminée, afin d'accélérer la montée en température de l'habitacle et/ou du moteur (2) du véhicule.