EP0123620B1 - Dispositif pour la mise en température rapide et la régulation thermique de l'huile de lubrification d'un moteur à combustion interne - Google Patents

Dispositif pour la mise en température rapide et la régulation thermique de l'huile de lubrification d'un moteur à combustion interne Download PDF

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EP0123620B1
EP0123620B1 EP84400784A EP84400784A EP0123620B1 EP 0123620 B1 EP0123620 B1 EP 0123620B1 EP 84400784 A EP84400784 A EP 84400784A EP 84400784 A EP84400784 A EP 84400784A EP 0123620 B1 EP0123620 B1 EP 0123620B1
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cylinders
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Regie Nationale des Usines Renault
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M5/00—Heating, cooling, or controlling temperature of lubricant; Lubrication means facilitating engine starting
    • F01M5/02—Conditioning lubricant for aiding engine starting, e.g. heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P9/00—Cooling having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P7/00
    • F01P9/04—Cooling having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P7/00 by simultaneous or alternative use of direct air-cooling and liquid cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P2003/006—Liquid cooling the liquid being oil
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    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/02—Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads
    • F01P2003/021—Cooling cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/02—Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads
    • F01P2003/024—Cooling cylinder heads

Definitions

  • the present invention relates to a device for rapidly warming up and thermally regulating the lubricating oil of an internal combustion engine. It applies to internal combustion engines in which the cooling is ensured by the circulation of a fluid in suitably arranged conduits in the region of the combustion chamber.
  • Document US-A-3 150651 describes an arrangement for a two-stroke engine, according to which an oil chamber surrounds a cylinder, forming with it a heat exchanger.
  • a cooling fluid having a high specific heat and a low viscosity such as a mixture of water and additives, usually circulates around these cylinders or these liners.
  • This coolant pressurized by a pump circulates in an annular chamber whose thickness, which varies depending on the means of production such as sand cores or molding parts of steel molds, reaches several millimeters.
  • This thickness given to the blade of the cooling fluid proves to be superabundant because only a surface layer, being in contact with the walls of the cooling chamber of the jacket or of the cylinder, is used for the extraction of calories.
  • the flow rate of the cooling fluid necessary for a suitable heat exchange, implies a particularly costly flow.
  • the present invention aims to exploit the aforementioned property specific to the surface layers and proposes for this purpose, to use the so-called external wall of the cooling chamber, opposite the jackets or that forming the cylinders, to transmit or remove calories to the '' engine lubricating oil by making the best use of its heat capacity.
  • This lubricating oil can thus be quickly brought to temperature and its temperature can be regulated by heat exchange with the engine coolant.
  • the device for rapidly warming up and regulating the temperature of the lubricating oil for an internal combustion engine of the type cooled by a coolant with high specific heat and low viscosity, circulating around the cylinders or liners of this engine comprises, around the cylinders or liners, a first annular chamber in which circulates a coolant of the engine and a second annular chamber, concentric to the previous one, in which the oil of circulates lubrication of the engine, this second chamber partially or totally surrounding the first so as to form therewith a heat exchanger.
  • This heat exchange makes it possible to dissipate the heat coming from the combustion chamber on the one hand, and from the cylinder head on the other hand, in the cooling fluid.
  • the engine lubricating oil will be used to capture calories from the cylinder head, the temperatures of which can greatly exceed those of the cylinders or liners. This results in a very rapid rise in temperature of this oil associated with regulation of the temperature of this oil by heat exchange with the coolant.
  • the engine shown in the single figure comprises a cylinder head 2, a cylinder block 4 and a casing 5.
  • Each cylinder 6 of the block 4 receives a dry jacket 8 and possibly a removable wet jacket.
  • the upper region of each cylinder 6 or jacket 8 is conventionally surrounded by a first annular cooling chamber 10 in which a water-antifreeze mixture 12 circulates.
  • This chamber has inner 9 and outer 11 walls.
  • the lubrication circuit of the engine essentially and conventionally comprises a positive displacement pump 20, an oil pressure limiter 22, an oil filter 24 and a suction strainer 26.
  • the outer wall 11 of the chamber 10 can therefore transmit or remove calories from the lubricating oil 18 which licks it.
  • the fins 16 favor the heat transfer between the two annular chambers 10 and 14. As it is desirable to maintain the cylinder head 2 and the members which are attached to it (valve seats, valves, spark plugs, etc.) at a compatible thermal level with good mechanical strength when hot, this lubricating oil 18 will be used to capture the calories coming from this cylinder head 2, the temperatures of which may exceed those of the cylinders 6 or of the shirts 8.
  • this oil 18 When the engine is started cold, this oil 18 will be quickly brought to temperature, by loop circulation by means of a positive displacement pump and by heat exchange with the cylinder head 2. The temperature of this oil 18 can then be regulated by heat exchange at through the outer wall 11 of the water chamber 10.
  • the minimum oil flow used for cooling the cylinder head 2 is a flow conditioned by the idling lubrication pressure of the hot engine.
  • the maximum flow rate corresponds to that of the relief valve 22, used to limit the lubrication pressure to a minimum value required, in the conventional volumetric oil pump 20.
  • the energy expended for the circulation of the lubricating oil 18 used for cooling the cylinder head 2 varies essentially as a function of the pressure drops in this cylinder head; however, these are largely compensated by the fact that the temperature rise of the oil is very rapid, that the temperature of the oil is then regulated, which makes it possible to use an oil of low viscosity.
  • the heat exchange between the cooling fluid 12 and the lubricating oil 18 therefore makes it possible to significantly reduce the energy expenditure necessary to reach the optimum operating temperature of an internal combustion engine.
  • the coolant 12 while traveling only through the water chamber 10 around the cylinders 6, captures all the calories supplied by the engine.
  • the pressure losses of the water cooling circuit are considerably reduced since the latter no longer concerns the cylinder head now cooled by the lubricating oil.
  • the length and the flow of this circuit are then substantially divided by two and the cooling radiator can be optimized as a function of this flow and of the temperature variation interval of the engine.

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Description

  • La présente invention se rapporte à un dispositif pour la mise en température rapide et la régulation thermique de l'huile de lubrification d'un moteur à combustion interne. Elle s'applique aux moteurs à combustion interne dans lesquels le refroidissement est assuré par la circulation d'un fluide dans des conduits convenablement aménagés dans la région de la chambre de combustion.
  • De nombreux dispositifs ont déjà été envisagés pour limiter la température des cylindres ou des chemises dans lesquels les pistons doivent se mouvoir avec le moindre frottement. Le document US-A-3 150651 décrit une disposition pour un moteur deux temps, selon laquelle une chambre d'huile entoure un cylindre en formant avec celui-ci un échangeur thermique.
  • Pour refroidir efficacement un moteur à combustion interne avec une dépense énergétique optimale, un fluide de refroidissement présentant une chaleur spécifique élevée et une faible viscosité, tel qu'un mélange eau - additifs, circule habituellement autour de ces cylindres ou ces chemises. Ce fluide de refroidissement mis en pression par une pompe circule dans une chambre annulaire dont l'épaisseur, qui varie en fonction des moyens de réalisation tels que des noyaux sable ou des parties moulantes des moules en acier, atteint plusieurs millimètres. Cette épaisseur donnée à la lame du fluide refroidisseur s'avère surabondante car seule une couche superficielle, se trouvant en contact avec les parois de la chambre de refroidissement de la chemise ou du cylindre, sert à l'extraction des calories. Il en résulte que la vitesse d'écoulement du fluide refroidisseur, nécessaire à un échange thermique convenable, implique un débit particulièrement coûteux.
  • La présente invention vise à exploiter la propriété précitée propre aux couches superficielles et propose à cet effet, d'utiliser la paroi dite extérieure de la chambre de refroidissement, opposée aux chemises ou à celle formant les cylindres, pour transmettre ou enlever des calories à l'huile de lubrification du moteur en exploitant au mieux les capacités calorifiques de celle-ci.
  • Cette huile de lubrification peut ainsi être mise rapidement en température et sa température peut être régulée par échange thermique avec le fluide de refroidissement du moteur.
  • Suivant une particularité de l'invention, le dispositif pour la mise en température rapide et la régulation de la température de l'huile de lubrification pour un moteur à combustion interne du type refroidi par un fluide refroidisseur à chaleur spécifique élevée et à faible viscosité, circulant autour des cylindres ou des chemises de ce moteur, comprend, autour des cylindres ou des chemises, une première chambre annulaire dans laquelle circule un fluide refroidisseur du moteur et une seconde chambre annulaire, concentrique à la précédente, dans laquelle circule l'huile de lubrification du moteur, cette seconde chambre entourant partiellement ou totalement la première de manière à former avec celle-ci un échangeur thermique.
  • Cet échange thermique permet de dissiper la chaleur provenant de la chambre de combustion d'une part, et de la culasse d'autre part, dans le fluide refroidisseur.
  • L'huile de lubrification du moteur sera utilisée pour capter les calories provenant de la culasse dont les températures peuvent largement dépasser celles des cylindres ou des chemises. Il en résulte une montée en température très rapide de cette huile associée à une régulation de la température de cette huile par échange thermique avec le fluide refroidisseur.
  • Lors du démarrage à froid du moteur, l'huile est mise rapidement en température et, en fonctionnement normal, elle cède des calories au fluide de refroidissement. Cet échange est thermiquement gratuit puisqu'il résulte de l'écoulement du fluide refroidisseur le long de la paroi opposée aux chemises ou à celle formant les cylindres.
  • Par cette disposition, on favorise la mise en température rapide de l'huile et le refroidessement des chambres de combustion et des culasses. De cette manière, on diminue la dépense énergétique induite par le fonctionnement du moteur, principalement durant les phases froides.
  • De plus, la montée très rapide en température de l'huile de lubrification suivie d'une régulation thermique de celle-ci diminue l'énergie dépensée pour la mise en circulation de cette huile et permet d'employer une huile de faible viscosité.
  • D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement en regard de la description et du dessin annexé représentant un exemple de réalisation de l'invention nullement limitatif, dessin dans lequel:
    • - la figure unique représente une vue schématique d'un moteur à combustion interne montrant un dispositif pour la mise en température rapide et la régulation thermique de l'huile de lubrification conforme à l'invention, et le circuit de lubrification associé.
  • Le moteur représenté sur la figure unique comprend une culasse 2, un bloc cylindres 4 et un carter 5. Chaque cylindre 6 du bloc 4 reçoit une chemise sèche 8 et éventuellement une chemise humide amovible. La région supérieure de chaque cylindre 6 ou chemise 8 est entourée de façon conventionnelle par une première chambre annulaire 10 de refroidissement dans laquelle circule un mélange eau-antigel 12. Cette chambre présente des parois intérieure 9 et extérieure 11.
  • Conformément à l'invention, une deuxième chambre annulaire 14 à ailettes 16, concentrique à la première 10, dans laquelle circule l'huile 18 de graissage du moteur et de refroidissement de la culasse 2, entoure partiellement la première chambre 10 de refroidissement de manière à former avec celle-ci un échangeur thermique.
  • Le circuit de graissage du moteur comprend essentiellement et de façon conventionnelle une pompe volumétrique 20, un limiteur de pression d'huile 22, un filtre à huile 24 et une crépine d'aspiration 26.
  • Le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention est décrit ci-après.
  • Seules, les couches superficielles de la lame d'eau 12, de faible épaisseur, et se trouvant en contact avec les parois 9 et 11 de la chambre de refroidissement 10, extraient des calories provenant des cylindres 6 et de la culasse 2. La veine milieu de la lame d'eau contenue dans la chambre 10 constitue une veine thermiquement inerte.
  • La paroi extérieure 11 de la chambre 10 peut donc transmettre ou enlever des calories à l'huile de graissage 18 qui la lèche.
  • Les ailettes 16 favorisent le transfert thermique entre les deux chambres annulaires 10 et 14. Comme il est souhaitable de maintenir la culasse 2 et les organes qui y sont rapportés (sièges de soupapes, soupapes, bougies, ...) à un niveau thermique compatible avec une bonne tenue mécanique à chaud, on va utiliser cette huile de graissage 18 pour capter les calories provenant de cette culasse 2 dont les températures peuvent dépasser celles des cylindres 6 ou des chemises 8.
  • Au démarrage du moteur à froid, cette huile 18 sera mise rapidement en température, par circulation en boucle au moyen d'une pompe volumétrique et par échange thermique avec la culasse 2. La température de cette huile 18 peut ensuite être régulée par échange thermique à travers la paroi extérieure 11 de la chambre d'eau 10.
  • Cet échange thermique avec la culasse 2 permet d'atteindre très rapidement la température maximale de l'huile de graissage 18 du moteur et de diminuer ainsi l'énergie dépensée pour la circulation de celle-ci. Le débit d'huile minimal utilisée pour le refroidissement de la culasse 2 est un débit conditionné par la pression de graissage au ralenti du moteur à chaud. Le débit maximal correspond à celui du clapet de décharge 22, utilisé pour limiter la pression de graissage à une valeur minimale nécessaire, dans la pompe à huile volumétrique conventionnelle 20.
  • L'énergie dépensée pour la mise en circulation de l'huile de graissage 18 servant au refroidissement de la culasse 2 varie essentiellement en fonction des pertes de charge dans cette culasse; toutefois, celles-ci sont largement compensées par le fait que la montée en température de l'huile est très rapide, que la température de l'huile est ensuite régulée, ce qui permet d'employer une huile de faible viscosité.
  • L'échange thermique entre le fluide refroidisseur 12 et l'huile de graissage 18 permet donc de réduire de façon importante la dépense énergétique nécessaire pour atteindre la température optimale de fonctionnement d'un moteur à combustion interne.
  • En effet, le fluide refroidisseur 12, tout en ne parcourant que la chambre d'eau 10 autour des cylindres 6, y capte l'ensemble des calories dispensées par le moteur. De plus, les pertes de charge du circuit de refroidissement par eau sont considérablement diminuées puisque ce dernier ne concerne plus la culasse refroidie maintenant par l'huile de graissage. La longueur et le débit de ce circuit sont alors sensiblement divisés par deux et le radiateur de refroidissement peut être optimisé en fonction de ce débit et de l'intervalle de variation de température du moteur.

Claims (2)

1. Dispositif pour la mise en température rapide et la régulation thermique de l'huile de lubrification (18) d'un moteur à combustion interne du type refroidi par un fluide refroidisseur (12) à chaleur spécifique élevée et à faible viscosité tel qu'un mélange eau - additifs, circulant autour des cylindres (6) ou des chemises (8) de ce moteur, caractérisé en ce qu'il comprend autour de ces cylindres (6) ou chemises (8), une première chambre annulaire (10) dans laquelle circule le fluide refroidisseur (12) du moteur et une seconde chambre annulaire (14) dans laquelle circule l'huile de lubrification (18) du moteur, cette seconde chambre entourant au moins partiellement la première de manière à former avec celle-ci un échangeur thermique.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette seconde chambre annulaire (14) présente une série d'ailettes (16) qui favorisent le transfert thermique entre le fluide refroidisseur (12) et l'huile de lubrification (18).
EP84400784A 1983-04-22 1984-04-19 Dispositif pour la mise en température rapide et la régulation thermique de l'huile de lubrification d'un moteur à combustion interne Expired EP0123620B1 (fr)

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FR8306648 1983-04-22
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