FR2564140A1 - Procede et appareil de refroidissement pour moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LE REFOIDISSEMENT DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE. ELLE SE RAPPORTE A UN APPAREIL DE REFROIDISSEMENT DANS LEQUEL UN FLUIDE DE REFROIDISSEMENT A TEMPERATURE ELEVEE D'EBULLITION, NETTEMENT SUPERIEURE A 132C, PAR EXEMPLE DU PROPYLENEGLYCOL, CIRCULE DANS UNE ENVELOPPE 20, 26 ET DANS UN RADIATEUR 42. SELON L'INVENTION, LE LIQUIDE CIRCULE DE HAUT EN BAS DANS L'ENVELOPPE, ET LA PARTIE SUPERIEURE D'ENVELOPPE DE LA CULASSE A UNE OUVERTURE 60 REJOIGNANT UN CONDENSEUR 64. LA PLUS GRANDE PARTIE DE LA VAPEUR DU FLUIDE DE REFROIDISSEMENT FORMEE DANS L'ENVELOPPE SE CONDENSE DANS LE LIQUIDE QUI Y EST PRESENT. APPLICATION AU REFROIDISSEMENT DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE.

Description

La présente invention concerne un procédé de refroidissement des moteurs à

combustion interne

ainsi qu'un appareil destiné à sa mise en oeuvre.

On considère d'abord les systèmes de refroidis-

sement à circulation de liquide, la très grande majorité

de tous les moteurs à combustion interne de type volumé-

trique fonctionnant actuellement dans le monde est refroi-

die par pompage d'un fluide de refroidissement à base d'eau dans un circuit fermé comprenant des enveloppes de refroidissement entourant les chambres de combustion, et un échangeur de chaleur (radiateur). Certains moteurs, essentiellement de faible puissance et certains moteurs d'aéronefs, sont refroidis par air, mais le refroidissement

par air convient mal aux gros moteurs des véhicules ter-

restres et fixes car il est impossible de maintenir une température raisonnablement stable qui est nécessaire pendant toute la durée de vie du moteur et aux bonnes caractéristiques de fonctionnement pour diverses conditions

ambiantes et diverses charges.

Tous les moteurs refroidis par un liquide utilisent pratiquement l'eau ou une solution d'un agent

antigel tel que l'éthylèneglycol, dans l'eau. L'utilisa-

tion de l'eau comme fluide de refroidissement présente de nombreux avantages, par exemple son existence comme substance naturelle en très grande quantité dans la

plupart des parties du monde, son absence d'inflammabi-

lité, et ses excellentes caractéristiques de transmission

de chaleur. Ses avantages compensent de beaucoup ses in-

convénients qui sont la corrosion qu'elle provoque et

les dépôts d'impuretés qu'elle laisse, ces deux inconvé-

nients étant supprimés en grande partie par des adjuvants

introduits dans des agents antigels de toute manière.

Pendant les vingt dernières années environ et notamment récemment, les températures de fonctionnement des circuits de refroidissement des moteurs ont augmenté, rendant possible l'augmentation de la pression du circuit

et l'utilisation d'un thermostat fonctionnant à tempé-

rature plus élevée afin que le débit de chaleur rejetée soit réduit et que le rendement du moteur soit accru. Les

températures accrues du fluide de refroidissement augmen-

tent le rendement non seulement par utilisation d'une plus grande quantité de chaleur du cycle thermique, à la place de son expulsion, mais aussi par réduction de l'extinction de la flamme par. maintien des parois

des chambres de combustion à une température plus élevée.

D'autre part, les températures et les pressions plus élevées du circuit de refroidissement posent des problèmes d'entretien, tels que les fuites et les pannes des raccords

et des tuyauteries souples, et des problèmes de fonction-

nement, tels qu'une plus grande tendance à la surchauffe du moteur, au cognement, à l'application de températures

indésirablement élevées à l'huile lubrifiante et à l'aug-

mentation des émissions des oxydes d'azote (NOx).

Malgré l'efficacité reconnue du refroidissement par circulation de liquide, celui-ci présente quelques inconvénients. Il est nécessaire de disposer d'un grand volume de fluide de refroidissement et d'un échangeur de chaleur suffisamment grand pour qu'il puisse traiter

la charge thermique maximale que le circuit peut rencon-

trer. Dans le cas contraire, le moteur présente parfois

une surchauffe et peut être sérieusement détérioré.

Ces critères augmentent le poids et le coût du circuit.

Le fluide de refroidissement circule de la partie supé-

rieure de l'enveloppe de circulation vers l'échangeur

de chaleur et revient vers la partie inférieure de l'enve-

loppe de circulation. Cette' disposition tend à créer un gradient de température très important le long des parois des cylindres, si bien que le diamètre des cylindres varie entre le haut et le bas. Les segments doivent se dilater et se contracter et provoquent ainsi une usure non seulement des segments mais aussi de leurs portées. Les parties inférieures des parois du cylindre sont souvent à une température inférieure au point de rosée de la vapeur d'eau qui est présente. Le condensat formé par la vapeur d'eau, mélangé à l'huile lubrifiante du moteur, contamine l'huile et provoque la formation

d'acides et de boues.

La littérature technique cite des expériences anciennes effectuées avec des liquides de refroidissement bouillant à température élevée, tels que l'éthylèneglycol et l'aniline, utilisés dans des circuits à pompage de liquide (voir Gibson, A.H., "Aero-Engine Efficiencies", Transactions of the Royal Aeronautical Society, n 3, 1920; Frank, G.W., "HighTemperature Liquid Cooling", SAE Journal vol. 25, octobre 1929, p. 329340-; et Wood, H., "Liquid Cooled Aero Engines", SAE Journal, vol. 39, juillet 1936, p. 267-287). Les problèmes indiqués dans ces documents sont notamment le dépassement des valeurs voulues par les températures en tête, les déformations, la formation

de points chauds, et les fuites de fluide de refroidis-

sement. La page 635 de l'ouvrage de Young, F.M., "High Temperature Cocling Systems", SAE Quarterly Transactions, vol. 2, n 4, octobre 1948, décrit l'augmentation des températures du fluide de refroidissement des moteurs d'automobiles de la valeur considérée à l'époque comme habituelle de 60 à 82 C à une valeur plus élevée. Il suggère avec précaution que l'éthylèneglycol sans pression pourrait être utilisé comme fluide de refroidissement à une température supérieure à la température d'ébullition 13 l'eau, mais il note, à la page 635, que la dissipation thermique peut diminuer et qu'on peut aussi prévoir

l'apparition de points chauds dans les moteurs, en moyenne.

Ce document conclut sa discussion en suggérant l'utilisa-

tion de circuits à liquide sous pression, mettant en oeuvre des solutions d'eau et d'un agent antigel. La technique actuelle coïncide avec ces suggestions de

la conclusion de Young.

Le brevet britannique n 480 461 de 1938 propose un circuit de refroidissement à circulation d'eau sous pression destiné à des moteurs d'aéronefs, complété par un condenseur destiné à collecter la vapeur d'eau dégagée

dans le cas de charges anormalement élevées, avec conden-

sation de la vapeur d'eau et stockage du condensat.

Un circuit à soupape empêche le retour du condensat jusqu'à l'arrêt et le refroidissement du moteur. La

vapeur d'eau quitte l'enveloppe du fluide de refroidis-

sement en étant entraînée avec le courant de liquide

pompé et nécessite un "réservoir de tête" pour la sépara-

tion de la vapeur et du liquide. Comme la sortie de

la vapeur d'eau de l'enveloppe de fluide de refroidis-

sement dépend du débit du liquide de refroidissement, une partie importante de l'enveloppe, notamment à proximité des zones de combustion et d'échappement, se remplit

de vapeur lorsque le débit de production de vapeur xepré-

sente un pourcentage important du débit de liquide de refroidissement. Un moteur d'automobile à essence, correspondant à la technologie actuelle et mettant en oeuvre un circuit classique de refroidissement qui met sous pression un fluide de refroidissement formé d'eau et d'éthylèneglycol en solution 50/50, à une pression manométrique par exemple de l'ordre de 172 kPa, le circuit ayant une soupape thermostatique fonctionnant à 104 C, paraît atteindre la limite supérieure de la température du fluide de refroidissement qui peut être tolérée sans cognement inacceptable, sans contrainte thermique pouvant provoquer la fissuration et sans autres effets nuisibles dus aux

températures excessives et non uniformes du moteur.

En fait, un cognement inacceptable existe souvent apres quelques milliers de kilomètres de fonctionnement lorsque des dép6ts de carbone qui se sont accumulés sur les dômes des chambres de combustion commencent à former des sites de points chauds électroluminescents qui provoquent

un allumage précoce et une détonation.

L'allumage se produit dans les moteurs diesel lorsque le carburant est injecté dans une chambre de combustion; ainsi, l'allumage préalable dû aux points chauds ne pose pas de problèmes comme dans le cas des moteurs à essence à allumage par étincelle. Néanmoins, les températures irrégulières et excessives dans un moteur diesel posent des problèmes analogues à ceux d'un moteur refroidi par un circuit classique à liquide de refroidissement, tels que la déformation et la panne des constituants ainsi que l'augmentation des émissions polluantes.

On considère maintenant les circuits de refroi-

dissement par une vapeur. Dans les premiers temps des moteurs a combustion interne, le refroidissement par une vapeur (aussi appelé refroidissement par évaporation ou à l'ébullition) était très courant. Dans un circuit

de refroidissement par la vapeur, le fluide de refroidis-

sement peut bouillir dans les enveloppes et il est trans-

mis à un condenseur en phase vapeur, habituellement avec une certaine quantité d'eau. La vapeur condensée

est renvoyée au moteur, par la pesanteur ou par pompage.

Les circuits de refroidissement par la vapeur n'ont plus été utilisés pour les automobiles autour de 1931, sans

doute parce que l'introduction d'une commande thermosta-

tique dans les circuits à liquide a rendu possible l'obten-

tion de températures raisonnablement stables du moteur dans diverses conditions. En outre, les circuits de refroidissement par la vapeur pouvaient subir une surcharge due à la vapeur, et la perte de fluide de refroidissement

par les soupapes de décharge était excessive.

Dans les cinquante ou soixante dernières années, on a proposé divers circuits de refroidissement par la vapeur, dans la littérature technique, ainsi que dans les brevets, mais aucun système n'a rencontré un succès commercial mesurable, à l'exception éventuelle de circuits destinés à des moteurs fixes, par exemple utilisés dans l'industrie du forage. Les travaux portant sur le refroidissement par la vapeur ont néanmoins été poursuivis parce que cette technique présente un certain nombre d'avantages. Les principaux sont les suivants: (1) Les coefficients de transmission de chaleur lors de l'ébullition et de la condensation du fluide de refroidissement sont supérieurs de l'ordre d'un facteur au coefficient d'élévation ou de réduction de la température d'un liquide de refroidissement. (2) L'ébullition a lieu à température constante (dans l'hypothèse d'une pression constante), si bien que les températures le long des zones des parois des cylindres qui sont balayées restent presque uniformes, réduisant ainsi l'usure des segments et de leurs portées

lorsque les segments se déplacent alternativement.

(3) Une température plus élevée dans les parties inférieures des parois des cylindres peut être utilisée étant donné la plus grande régularité de la température, si bien que le carburant peut être économisé étant donné la réduction des pertes de chaleur, de l'extinction

des flammes et du frottement.

(4) La quantité de fluide de refroidissement destinée à un circuit à vapeur est bien inférieure à celle d'un circuit à liquide si bien que le poids est réduit. (5) Un circuit à vapeur à basse pression peut avoir des raccords et tuyauteries peu coûteux et légers, et risque moins de présenter des fuites ou des pannes

qu'un circuit à liquide.

Des exemples de circuits de refroidissement par la vapeur sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 1 658 934, 1 630 070, 1 432 518, 3 384 304, 3 731 660 et 4 367 699 ainsi que dans l'ouvrage précité de

Young.

A une exception près, tous les circuits de - refroidissement par la vapeur qui sont connus, autant qu'on puisse le savoir, mettent en oeuvre de l'eau ou des solutions d'eau et d'un agent antigel contenant

des pourcentages importants d'eau comme fluide de refroi-

dissement, et on considère que tous ces circuits connus

ne sont pas utilisables en pratique parce que, à des tempé-

ratures ambiantes élevées et soit lorsque le moteur subit une charge élevée soit lorsqu'il tourne longtemps au ralenti, le volume de vapeur produit par le moteur ne peut pas être condensé par un condenseur de dimension convenable en pratique. En conséquence, une certaine

quantité de vapeur est obligatoirement rejetée.

Surtout, lorsque les conditions ambiantes et de fonctionnement sont telles que de grandes quantités de vapeur sont dégagées dans le moteur, l'efficacité du circuit de refroidissement est fortement réduite; des quantités importantes de vapeur sont présentes dans les enveloppes de fluide de refroidissement du moteur et déplacent le fluide en phase liquide qui pourrait être par ailleurs disponible pour le refroidissement

du moteur. La formation de protection de vapeur et l'ébul-

lition dans un film se produisent dans les régions à température élevée, surtout sur les dômes des chambres de combustion et autour des collecteurs d'échappement, les conduits contenant les passages placés entre les

chambres de combustion et les lumières d'échappement.

La protection par la vapeur présente dans le cas d'une ébullition en film réduit beaucoup la transmission de chaleur du métal au fluide de refroidissement; des

points chauds se forment et le cognement est important.

les quantités importantes de vapeur pénètrent dans l'enve-

loppe de la culasse, à partir de l'enveloppe du groupe-

cylindre, et la quantité de liquide de refroidissement

coexistant avec la vapeur dans la culasse est faible.

Lorsque le moteur n'est pas arrêté, une détérioration par surchauffe peut apparaître. Selon toute probabilité,

lorsque l'évacuation à l'atmosphère du fluide de refroi-

dissement commence, elle se poursuit pendant un temps considérable, même après l'arrêt du moteur, et la perte de fluide de refroidissement est si importante que le moteur ne peut pas être utilisé tant que le fluide de

refroidissement n'a pas été complété.

L'ébullition dans l'enveloppe de fluide de refroidissement n'est pas limitée à des circuits de refroidissement par un liquide bouillant. Les températures

de crête de flammes dans les chambres du moteur à combus-

tion sont de l'ordre de 1090 C, et les températures des gaz d'échappement atteignent par exemple 482 C dans le cas des moteurs diesel et 760 C dans le cas des moteurs à essence. Les températures des surfaces de l'enveloppe de fluide de refroidissement près des dômes

des chambres de combustion et des collecteurs d'échap-

pement sont suffisamment élevées pour qu'elles provoquent une ébullition localisée du fluide, même dans un circuit à circulation de liquide dans lequel l'essentiel du liquide de refroidissement est maintenu à une température

bien inférieure à la température de saturation du fluide.

La transmission de chaleur dans un liquide n'est pas suffisamment bonne pour que le gradient de température dans le liquide, entre la région d'une telle proximité et les régions de fluide dans lesquelles celui-ci a une température plus basse, soit évité. Le fluide de

refroidissement liquide le plus proche des parois métal-

liques chaudes de l'enveloppe se trouve à la température

de saturation et est en cours de vaporisation.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique précité n 4 367 699 propose l'utilisation del'"'éthylèneglycol pur" comme fluide de refroidissement pour le refroidissement en phase vapeur d'un moteur à cycle diesel. C'est la première fois qu'un fluide de refroidissement à faible teneur en eau et à température élevée de saturation a été proposé au public pour un circuit de refroidissement par la vapeur. Cette information a été publiée le 16 décembre 1981 par la publication de la demande de brevet européen n0 0041853. Cependant, on pense que des fluides de refroidissement non bouillants (ayant des températures de saturation si élevées qu'ils ne passent pas à l'ébullition dans le moteur) ont déjà été proposes et utilisés, au moins expérimentalement, dans des moteurs diesel ayant des circuits de refroidissement à circulation

de liquide. On sait que les moteurs diesel peuvent fonc-

tionner convenablement et avantageusement à des tempéra-

tures plus élevées que celles des moteurs à essence.

Ce dernier brevet précité recommande, en accord avec toute la technique, connue avant lui, du refroidis-

sement par la vapeur, l'utilisation de fluide de refroi-

dissement essentiellement à base d'eau qui bout près des températures des fluides classiques de refroidissement des moteurs à essence et, à cet égard, il fait avancer les connaissances tirées de la longue histoire des moteurs à combustion interne alimentés par l'essence et la pratique actuellement universelle selon laquelle l'eau est le seul fluide acceptable de refroidissement des moteurs à essence (avec un agent antigel pour la protection contre

les gels, les dépôts et la corrosion).

On considère maintenant le réglage des propriétés

de la vapeur dans un circuit de refroidissement.

La demande de brevet PCT n US83/01775 de Evans déposée en novembre 1983 sous le titre "Boiling Liquid Cooling System for Internal Combustion Engines" décrit un circuit de refroidissement à liquide bouillant (l'expression "liquide bouillant" se rapporte à des

circuits parfois appelés circuits "à vapeur" ou "à ébulli-

tion" ou "à évaporation") qui mettent en oeuvre des substances organiques liquides de refroidissement ayant des températures de saturation supérieures et en général très supérieures à 132 C. La température de seuil a été choisie à la suite d'observations selon lesquelles

le fluide de refroidissement de l'enveloppe du groupe-

cylindre se trouve normalement inférieur à cette valeur.

En conséquence, une substance de refroidissement ayant une température de saturation supérieure à la valeur de seuil bout rarement dans le groupecylindre, et aucune quantité importante de vapeur ne pénètre dans l'enveloppe

de la culasse à partir de l'enveloppe du groupe-cylindre.

L'enveloppe de la culasse cesse de constituer un conduit pour la circulation de vapeur vers le condenseur à partir

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de l'enveloppe du groupe-cylindre. La réduction résultante de vapeur dans l'enveloppe de la culasse augmente le rapport du liquide à la vapeur dans l'enveloppe de la culasse. L'utilisation d'une substance organique de refroidissement ayant une température élevée de saturation est aussi avantageuse car elle augmente le débit de transmission de chaleur de l'enveloppe au fluide de refroidissement par réduction des conditions de formation

d'un rideau de vapeur sur les faces internes de l'enve-

loppe. Ce rideau de vapeur se produit lorsque la tempéra-

ture d'une surface dépasse la température de saturation du liquide qui est à son contact d'une quantité appelée

surchauffe critique ou différence critique de températures.

Cette différence critique de températures, dans le cas d'un liquide organique, est de l'ordre de 50 C soit environ deux fois celle de l'eau. En outre, plus la température de saturation est élevée et moins la différence

critique de températures risque d'être atteinte. L'ébulli-

tion du liquide par transmission de chaleur d'une surface chaude au liquide à travers un rideau de vapeur est appelée "ébullition dans un film". Dans les conditions d'ébullition dans un film, la température des surfaces de l'enveloppe n'est pas limitée à une valeur proche

de la température de saturation du fluide de refroidis-

sement.

Lors de la sélection des fluides de refroidis-

sement, la chaleur de vaporisation ou la quantité de chaleur contenue dans chaque gramme de liquide vaporisé

est moins importante que la chaleur molaire de vaporisa-

tion ou que la quantité de chaleur contenue dans chaque mole de valeur produite. Plus la chaleur molaire de vaporisation est élevée et plus le nombre de moles de vapeur dégagées pour une quantité donnée de chaleur est grand. Bien que l'eau ait une chaleur de vaporisation bien supérieure à celle de tous les liquides organiques, de nombreux liquides organiques présentent des chaleurs 1 1 molaires de vaporisation nettement supérieures à celles

de l'eau.

S'il était possible d'utiliser des fluides de refroidissement à température élevée de saturation qui soient pratiquement dépourvus d'air et d'eau ou d'autres impuretés ou constituants volatils, le gaz se trouvant dans l'enveloppe serait de la vapeur qui

serait totalement condensable à température élevée.

Le maintien de la température globale du fluide de refroi-

dissement dans l'enveloppe à une valeur inférieure à la température de saturation du fluide à un endroit auquel toute la vapeur doit passer assure la condensation de toute la vapeur qui se trouve dans l'enveloppe sans qu'il soit nécessaire de déplacer la vapeur dans un échangeur de chaleur extérieur à l'enveloppe afin qu'elle se condense. Malheureusement, il ne s'agit pas d'une

possibilité utilisable en pratique. Les fluides de refroi-

dissement miscibles à l'eau, ceux qui forment facilement des solutions avec l'eau, sont hygroscopiques et absorbent

directement l'eau de l'air ambiant qui est à leur contact.

Bien que le pourcentage d'eau dans une solution donnée puisse apparaître comme insignifiant, les effets de l'eau, même en petite quantité, ne le sont pas. Par exemple, un litre d'une solution très concentrée de propylèneglycol contenant de l'eau, à raison de 97 % en poids de propylèneglycol, contient environ 30 g d'eau ou environ 1,67 mole d'eau. Cette quantité d'eau vaporisée

à la pression atmosphérique occupe un volume de 37,4 1.

Chaque fois que la vapeur d'eau est un constituant d'un mélange avec de la vapeur d'une autre substance, la vapeur de la seconde substance ne peut pas se condenser totalement avant que la température du mélange des vapeurs ne soit abaissée à une valeur inférieure à la température de saturation de l'eau à la pression du circuit. Même les liquides qu'on considère en général comme immiscibles avec l'eau contiennent habituellement de petites quantités

d'eau. Un litre d'un liquide qui contient de l'eau uni-

quement à raison de 0,5 % peut produire 6,2 1 de vapeur qui ne se condensent pas à la température d'ébullition de l'eau ou au-dessus. En plus des quantités d'eau qu'un fluide de refroidissement peut contenir lorsqu'il est neuf et des quantités d'eau qui entrent dans le fluide par absorption à partir de l'air ambiant, de l'eau peut

être ajoutée intempestivement dans un circuit de refroi-

dissement pendant l'entretien ou volontairement en cas d'urgence. L'eau peut aussi pénétrer dans le circuit de refroidissement par fuite des gaz de combustion dans

l'enveloppe du fluide de refroidissement.

Le maintien des températures du fluide de refroidissement bien au-dessus de 100 C présente des avantages importants. Lors d'un fonctionnement à des températures élevées dans les alésages, la quantité

de chaleur rejetée par le moteur est réduite et le ren-

dement du moteur augmente. Les émissions d'oxydes de carbone (CO et d'hydrocarbures (HC) sont réduites car la combustion du carburant est plus complète. Dans les moteurs diesel, l'utilisation de températures plus élevées

dans les alésages provoque aussi une réduction de l'émis-

sion des particules. Les circuits actuels connus de refroidissement par circulation de liquide peuvent donner partiellement ces avantages uniquement par recours à

des pressions élevées du circuit de refroidissement.

Le procédé de refroidissement par liquide bouillant décrit dans la demande PCT de Evans précitée met en oeuvre essentiellement un condenseur (ou plusieurs)

destiné à extraire la chaleur du fluide de refroidis-

sement. Le condenseur a évidemment une capacité de trans-

mission de chaleur suffisante pour qu'il puisse transmettre toute la chaleur évacuée du moteur par le circuit de refroidissement, pour les charges les plus sévères et

dans les conditions ambiantes les plus difficiles rencon-

trées par le moteur, c'est-à-dire que le condenseur doit avoir une taille adaptée aux conditions les plus extrêmes. Dans des conditions moyennes, seule une petite

partie du condenseur est utilisée, et la capacité inuti-

lisée est considérable. Un condenseur destiné à un circuit du type décrit dans cette demande de brevet PCT peut facilement être réalisé et monté pour un petit moteur d'automobile; par exemple de 1600 cm3, mais lorsque la taille du condenseur doit augmenter en fonction du refroidissement nécessaire à des moteurs plus gros, la taille du condenseur peut rendre le montage moins

réalisable en pratique dans le cas d'un gros moteur.

Le circuit décrit dans cette demande de brevet POT a aussi tendance à maintenir une température globale donnée

du moteur qui dépend de manière considérable de la tempéra-

ture de saturation du fluide de refroidissement. Etant donné les fluides de refroidissement à température élevée de saturation qui sont actuellement disponibles pour être utilisés en pratique, il peut être souhaitable

de maintenir la température globale du fluide de refroi-

dissement à une valeur inférieure et peut-être même très inférieure à la température de saturation du fluide de refroidissement afin que les caractéristiques du

moteur soient optimisées et que sa durabilité augmente.

L'invention concerne la limitation de la tempé-

rature à tous les endroits d'une enveloppe de fluide

de refroidissement d'un moteur, à une valeur qui corres-

pond à la température de saturation du fluide de refroidis-

sement. Elle permet aussi le maintien de la température

du fluide de refroidissement qui se trouve dans l'enve-

loppe, dans le volume balayé ou dans les régions des

alésages d'un moteur, à une valeur supérieure à la tempé-

rature de saturation de l'eau mais inférieure à la tempé-

rature de saturation du fluide de refroidissement à toutes les pressions dans le circuit. Elle concerne aussi la reduction au minimum de la présence de vapeur

due à une ébullition localisée dans les régions de l'enve-

loppe qui sont adjacentes aux dômes des chambres de combustion et aux collecteurs d'échappement, la plus grand partie de l'enveloppe du fluide de refroidissement de ces zones restant remplie de fluide à l'état liquide à tout moment. Elle permet aussi un réglage convenable

des températures de l'enveloppe de fluide de refroidis-

sement tout en réduisant au minimum la taille des échan-

geurs de chaleur des circuits de refroidissement. Elle concerne aussi la réduction au minimum des pertes de

fluides de refroidissement du circuit.

Plus précisément, l'invention met en oeuvre un fluide de refroidissement sous forme d'un liquide bouillant, la condensation de la vapeur dans l'enveloppe, la disposition d'un chemin sans obstacle pour le passage des gaz non condensés dans l'enveloppe afin qu'ils se déplacent par convection vers un condenseur ayant un dispositif destiné à renvoyerle condensat vers l'enveloppe, le retrait de chaleur du fluide en phase liquide parcirculation dans un échangeur de chaleur sous la commande d'une pompe, l'augmentation de la transmissionde chaleur du liquide de refroidissement à l'air ambiant étant donné une grande différence de température, le retardement de la transmission des gaz entre le condenseur et l'air ambiant, et l'exposition à l'air ambiant du seul fluide de refroidissement dont la tension de vapeur est nettement

inférieure à celle de l'eau.

Plus précisément, un procédé selon l'invention

comporte le pompage mécanique d'un liquide de refroidis-

sement qui peut bouillir, ayant une température de satura-

tion supérieure à 132 C à la pression atmosphérique, d'une enveloppe de fluide de refroidissement du moteur dans un échangeur de chaleur puis vers l'enveloppe afin que l'échangeur de chaleur assure une évacuation de chaleur telle qu'aucune vapeur ne se forme dans le liquide en dehors de l'enveloppe du fait de la chute de pression induite par la pompe et de manière que la température du fluide de refroidissement dans les -parties de la

culasse de l'enveloppe qui se trouventau-dessus d'empla-

cements adjacents aux dômes des chambres de combustion et des collecteurs d'échappement reste au-dessous de

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la température de saturation du fluide de refroidissement

à la pression du circuit, l'extraction continue de l'enve-

loppe de refroidissement par convection pratiquement libre par au moins une sortie partant de la région la plus haute de la partie voisine de la culasse de l'enve- loppe, de pratiquement tous les gaz autres que ceux

qui se condensent, se trouvant dans le fluide de refroi-

dissement qui est dans l'enveloppe, y compris la vapeur formée par ébullition localisée du fluide dans des régions adjacentes aux dômes des chambres de combustion et -aux collecteurs d'échappement, si bien que la plus grande portion de la partie de l'enveloppe qui correspond à la culasse reste remplie de fluide de refroidissement à l'état liquide à tout moment, les gaz étant transmis de la sortie à un condenseur qui comprend une chambre de condenseur, le condenseur étant renvoyé du condenseur

à l'enveloppe.

Les fluides de refroidissement utilisés dans le procédé sont des liquides organiques dont certains

sont miscibles à l'eau et d'autrespratiquemement immis-

cibles à l'eau. Dans le cas de substances miscibles

à l'eau, le procédé peut tolérer un fluide de refroidis-

sement contenant une petite quantité d'eau, pouvant éventuellement atteindre 10 % ou plus, mais les paramètres de fonctionnement du procédé sont meilleurs lorsque

la teneur en eau est minimale. Des substances qui convien-

nent et qui sont miscibles à l'eau sont notamment l'éthy-

lèneglycol, le propylèneglycol, l'alcool tétrahydrofur-

furylique, le dipropylèneglycol et leurs mélanges. Dans le cas de substances qui sont pratiquement immiscibles à l'eau, l'eau est aussi une impureté, mais l'eau ne passe pas en solution avec la substance de refroidissement sauf sous forme de traces, habituellement en quantités inférieures à l %. L'eau ne doit pas être présente en quantités dépassant 1 % en poids environ par rapport à la quantité correspondant à des traces en solution. Les substances qui conviennent et qui sont pratiquement immiscibles à l'eau sont notamment le monoisobutyrate

de 2,2,4-triméthyl-1,3-pentanediol, la dibutylisopropa-

nolamine, et le 2-butyloctanol.

Pour des raisons décrites dans la suite du présent mémoire, il est préférable de faire circuler le liquide de refroidissement en le prélevant dans la partie voisine des alésages de l'enveloppe et en le renvoyant dans la partie voisine de la culasse. Le procédé peut en outre comporter la transmission de tous les gaz se trouvant dans la région la plus haute du condenseur par une tuyauterie évent vers un condenseur de récupération qui se trouve à un emplacement auquel il risque de rester plus froid que le condenseur principal, si bien que

les substances condensables -présentes dans les gaz trans-

mis vers le condenseur de récupération sont condensées

et peuvent être renvoyées vers le condenseur principal.

Par exemple, le condensat du condenseur de récupération peut être renvoyé de façon continue vers le condenseur par gravité ou il peut être renvoyé par intermittence par gravité ou siphonnage, induit chaque fois que la pression dans le condenseur de récupération dépasse la pression dans le condenseur principal augmentée de la pression hydrostatique due à la quantité de condensat renvoyé lorsqu'il occupe la tuyauterie évent, c'està-dire dans les périodes de faible charge thermique et lors du refroidissement. Les gaz se trouvant dans le condenseur de récupération peuvent être évacués à l'atmosphère par un dispositif évent ouvert ou par une soupape de décharge à basse pression. Dans une variante, une soupape de décharge à basse pression de type bidirectionnel peut être montée entre le condenseur principal et le condenseur de récupération, et dans ce cas, le procédé comporte l'interruption de la transmission des gaz du condenseur principal au condenseur de récupération sauf lorsque la pression dans le condenseur principal dépasse la pression dans le condenseur de récupération d'une quantité prédéterminée, et l'interruption du passage des gaz du condenseur de récupération vers le condenseur principal sauf lorsque la pression dans le condenseur de récupération dépasse la pression dans le condenseur principal d'une

quantité prédéterminée.

Selon une variante du procédé de l'invention, tous les gaz se trouvant dans la région la plus haute du condenseur peuvent être évacués à l'atmosphère par un dispositif évent placé loin de l'entrée des gaz dans le condenseur en provenance de l'enveloppe de fluide de refroidissement du moteur, le dispositif évent étant cependant fermé par une soupape de décharge de manière que les gaz ne soient pas évacués à moins que la pression dans le condenseur dépasse la pression ambiante d'une

quantité prédéterminée.

L'invention concerne aussi un appareil de refroidissement d'un moteur à combustion interne comprenant une enveloppe de fluide de refroidissement placée autour d'une partie au moins de chaque chambre de combustion et de chaque collecteur d'échappement du moteur et contenant un liquide de refroidissement qui peut bouillir et dont la température de saturation dépasse 132 C à la pression atmosphérique, un circuit de circulation de liquide de refroidissement comprenant un échangeur de chaleur et une pompe mécanique destinée à faire circuler le fluide de l'enveloppe à l'échangeur puis vers l'enveloppe en assurant une évacuation de la chaleur dans l'échangeur de manière qu'aucune vapeur ne se forme dans le circuit de liquide de refroidissement du fait de la chute de pression due à la pompe et de manière que la température

du fluide de refroidissement dans les parties de l'enve-

loppe qui sont voisines de la culasse, se trouvant au-

dessus d'emplacements adjacents aux dômes des chambres

de combustion et des collecteurs d'échappement, reste au-

dessous de la température de saturation du fluide de refroidissement à la pression du circuit, une sortie

au moins partant de la région la plus haute de l'enve-

loppe étant destinée à extraire et évacuer de façon continue, par convection pratiquement libre à partir de l'enveloppe, pratiquement tous les gaz, y compris la vapeur formée par ébullition localisée du liquide de refroidissement dans les zones adjacentes aux domes des chambres de combustion et aux collecteurs d'échap- pement, autres que les gaz qui se condensent dans le fluide de refroidissement à l'intérieur de l'enveloppe, si bien que la plus grande partie de l'enveloppe, dans les zones entourant les dômes des chambres de combustion et les collecteurs d'échappement, reste remplie de fluide de refroidissement en phase liquide à tout moment, un condenseur comprenant une chambre destinée à recevoir les gaz retirés et évacués de l'enveloppe par la sortie

et à condenser ces constituants condensables, et un dispo-

sitif étant destiné à renvoyer le condensat du condenseur

*à l'enveloppe.

L'appareil selon l'invention peut avoir des caractéristiques supplémentaires ou diverses variantes telles que les suivantes: 1. Les fluides de refroidissement utilisés selon l'invention sont ceux qui ont été décrits précédemment

en référence au procédé de refroidissement.

2. Le fluide de refroidissement circule de la partie de l'enveloppe voisine des alésages et est

renvoyé dans la partie proche de la culasse.

3. Le condenseur est placé à une hauteur supé-

rieure à celle de la sortie de l'enveloppe afin que le condensat puisse être renvoyé du condenseur dans

l'enveloppe par gravité.

4. Il existe plusieurs techniques pour le traitement des gaz retirés de l'enveloppe et transmis par la sortie vers le condenseur et qui ne sont pas condensés dans le condenseur. L'ensemble du circuit de fluide de refroidissement peut être fermé mis à part une soupape de décharge destinée à fonctionner uniquement sous une charge très forte, en cas de changement d'altitude

ou de température ambiante ou dans les conditions d'ur-

gence, mais qui ne s'ouvre pas habituellement. Dans un autre arrangement, l'appareil comporte un condenseur de récupération relié au condenseur principal et placé à distance de ce dernier afin qu'il puisse rester à une température nettement inférieure à celle du condenseur principal. Le condenseur de récupération est destiné à condenser les substances condensables présentes dans les gaz évacués par le condenseur principal, les gaz qui ne sont pas condensés étant évacués par un dispositif évent ouvert. Le condensat collecté dans le condenseur de récupération peut être renvoyé par gravité, par pompage ou renvoyé par intermittence par gravité ou par siphonnage lorsque la pression dans le condenseur de récupération dépasse celle du condenseur principal augmentée de la pression hydrostatique du condensat

se trouvant dans le condenseur de récupération. Le dispo-

sitif évent du condenseur de récupération peut aussi comporter une soupape de décharge, ou une telle soupape de décharge peut être placée entre le condenseur principal

et le condenseur de récupération.

Le procédé et l'appareil selon l'invention peuvent être considérés comme des hybrides des procédés et appareils de refroidissement par circulation de liquide et par la vapeur, car ils comportent des éléments en commun. Le circuit de refroidissement par un liquide

assure la transmission de chaleur du fluide de refroidis-

sement afin qu'il revienne dans l'enveloppe à une tempéra-

ture inférieure à la température de saturation du fluide de refroidissement. La plus grande partie de la chaleur évacuée par le moteur est transférée à l'air ambiant par un échangeur de chaleur qui se trouve dans le circuit

de liquide. A cet égard, le procédé et l'appareil res-

semblent aux procédés et circuits classiques de refroidis-

sement par un liquide.

La vapeur produite dans le fluide de refroidis-

sement à l'intérieur de l'enveloppe par transmission de chaleur des régions chaudes des dômes des chambres de combustion et voisines des collecteurs d'échappement, qui n'est pas condensée dans le liquide remonte par convection vers la région la plus haute de l'enveloppe de la culasse et est évacuée par la sortie vers le condenseur. Les substances condensables contenues dans la vapeur sont

condensées dans le condenseur et renvoyées dans l'enve-

loppe. A cet égard, l'invention ressemble à un circuit

de refroidissement par la vapeur.

L'invention diffère d'un circuit classique de refroidissement par circulation de liquide d'une manière très importante, c'est-à-dire en ce que la vapeur et les autres gaz sont retirés de la région la plus haute de l'enveloppe et ne sont pas piégés dans le fluide de refroidissement et entraînés dans la circulation

de la phase liquide. Dans un circuit classique à circula-

tion de liquide, la vapeur créée dans les régions chaudes

des dômes des chambres de combustion et autour des collec-

teurs d'échappement peut être piégée aux endroits o la vitesse de circulation du liquide est relativement faible

et o la vapeur a peu de chance de s'échapper par con-

vection étant donné l'existence d'une zone de circulation

de liquide à vitesse relativement faible à proximité.

De telles régions sont des sites de formation de poches de vapeur qui jouent le rôle de barrières empêchant une transmission efficace de la chaleur entre le métal et le fluide de refroidissement. Il existe des emplacements auxquels des points chauds peuvent se former et peuvent provoquer un cognement du moteur. Sous l'action des charges élevées, la quantité de vapeur produite dans l'enveloppe augmente à une valeur telle que des quantités importantes de vapeur sont piégées dans le fluide de refroidissement et provoquent un déplacement du liquide de refroidissement et d'une certaine quantité de vapeur dans le réservoir de débordement du circuit. Dans ces

conditions, la quantité de vapeur du circuit de refroidis-

sement s'accumule à un point tel que le circuit de refroi-

dissement a une aptitude réduite à évacuer la chaleur produite dans le moteur juste au moment o cette aptitude est la plus nécessaire. La condensation de la vapeur dans un circuit classique de refroidissement par circulation de liquide est assurée par transport de la vapeur de l'enveloppe vers le radiateur avec le liquide suivant un trajet qui est normalement presque horizontal. La vitesse de la vapeur dépend du déplacement du liquide dans lequel la vapeur est entraînée. La vitesse du liquide est fonction de la vitesse de la pompe et en conséquence la vitesse du moteur. Dans les conditions dans lesquelles le débit de production de vapeur est un pourcentage important de la vitesse de déplacement du liquide, des

quantités importantes de vapeur occupent l'enveloppe.

La présente invention permet une évacuation

libre de la vapeur de la région la plus haute de l'enve-

loppe si bien que le piégeage de la vapeur dans le liquide de refroidissement, à la fois dans l'enveloppe et dans le circuit de circulation, est minimal. La vitesse de circulation du liquide nécessaire selon l'invention est inférieure à la vitesse nécessaire dans un circuit classique à circulation de liquide et n'est pas fonction du transport nécessaire de la vapeur. Le circuit selon l'invention permet une évacuation rapide de la vapeur de toutes les surfaces internes de l'enveloppe et une circulation libre et rapide par convection vers la sortie qui se trouve dans la région la plus haute de l'enveloppe,

indépendamment de la circulation du liquide de refroidis-

sement. Les gaz sont libres de sortir de l'enveloppe, même lorsque le liquide de refroidissement ne circule

pas.

La teneur en eau du fluide de refroidissement est de préférence réduite au minimum dans le cas des substances qui sont miscibles à l'eau et elle est maintenue

à moins de 1 % dans le cas des substances qui sont immis-

cibles. L'hypothèse selon laquelle un fluide de refroi-

dissement peut ne pas contenir d'eau du tout n'est pas réaliste, surtout dans le cas des substances miscibles à l'eau qui sont toutes hygroscopiques. L'eau, dans une substance miscible à l'eau, provoque l'apparition de toute une plage de températures d'ébullition pour la

solution résultante. Bien que la température de l'ébul-

lition initiale de la plage soit inférieure à celle de la substance pure, la température dans des zones localisées dans lesquelles l'ébullition a lieu, est limitée par la température de saturation de la substance

pure plutôt que par la température d'ébullition initiale.

La caractéristique importante est que l'addition d'une petite quantité d'eau à une substance pure miscible à l'eau, bien qu'elle réduise la température d'ébullition initiale, ne réduit pas notablement la température dans les régions ayant un flux thermique élevé étant donné la distillation localisée et la purification locale

du liquide.

Une caractéristique négative d'une large plage d'ébullition induite par l'inclusion d'eau est que la pompe risque de présenter une cavitation. Un liquide qui est proche de sa température de saturation peut

facilement se vaporiser sous l'action d'une faible réduc-

tion de pression. La cavitation d'une pompe mécanique et la vaporisation du fluide de refroidissement dans les canalisations rejoignant l'aspiration de la pompe ontlieu lorsque la pompe aspire du liquide qui est proche de sa température de saturation. Dans ces conditions,

la circulation du liquide de refroidissement dans l'échan-

geur de chaleur cesse et le circuit de refroidissement doit reposer entièrement sur le condenseur pour l'ensemble de l'évacuation de chaleur du circuit. Comme l'addition d'eau provoque une réduction de la température du point de bulle du fluide de refroidissement, la température

à laquelle-le liquide de refroidissement doit être main-

tenu pour que la cavitation soit impossible, doit aussi diminuer. En pratique, il apparaît que la cavitation dans la pompe est évitée lorsque la température globale

du liquide dans l'enveloppe est de l'ordre de 10 C au-

dessous du point d'ébullition initial du fluide de refroi-

dissement. Comme il est souhaitable de disposer d'une certaine marge de sécurité, le circuit doit être réalisé de manière que la température globale du liquide reste à 20 C environ au-dessous de la température d'ébullition initiale du fluide de refroidissement. Un système sans pression, mettant en oeuvre par exemple une solution à 99 % de propylèneglycol, maintenant la température globale du fluide de refroidissement à 157 C ou au-dessous, évite la cavitation de la pompe, alors qu'un circuit mettant en oeuvre une solution à 95 % de propylèneglycol

doit maintenir la température globale du fluide de refroi-

dissement à 129 C ou au-dessous dans un circuit sans pression. Le fonctionnement du circuit dans un aéronef à altitude élevée, avec maintien d'une faible pression dans le circuit, indique le maintien de la température

globale du liquide à 300C environ au-dessous de la tempéra-

ture d'ébullition atmosphérique initiale du fluide de refroidissement. Il est important de reconnaître que; avec

les substances de refroidissement utilisées selon l'inven-

tion et qui sont miscibles à l'eau, une certaine quantité de vapeur ne se condense pas dans l'enveloppe et est retirée par la sortie rejoignant le condenseur chaque fois que la température du fluide de refroidissement dans l'enveloppe dépasse la température d'ébullition de l'eau à la pression concernée. Plus la température du liquide d'ébullition se trouvant dans la partie supérieure de l'enveloppe est faible et plus la quantité de vapeur qui est condensée dans l'enveloppe est élevée. Néanmoins, une certaine quantité de vapeur qui ne se condense pas est habituellement présente car les températures dans l'enveloppe ne sont pas suffisamment faibles pour que la condensation soit totale. Cette vapeur résiduelle est

souvent piégée dans les circuits classiques de refroidis-

sement à pompage de liquide eau-glycol.-Une caractéristique importante de l'invention est l'extraction continue de la vapeur résiduelle transmise au condenseur, si bien que la plus grande partie de la région supérieure de l'enveloppe contient du fluide de refroidissement à l'état liquide. L'extraction de la vapeur augmente beaucoup la transmission de chaleur entre le métal et- le fluide de refroidissement. L'efficacité d'enlèvement de chaleur par le fluide à partir du métal n'est plus réduite par les poches de vapeur piégée. Il n'est pas non plus nécessaire d'utiliser des débits élevés de pompage pour l'entraînement de la vapeur à distance des surfaces chaudes et pour sa transmission aux régions

plus froides et au radiateur.

Le comportement des fluides de refroidissement contenant une substance immiscible à l'eau et de l'eau diffère des fluides contenant une substance miscible et de l'eau. Le mélange immiscible bout initialement à une température légèrement inférieure à la température d'ébullition de l'eau, et lorsque la tension de vapeur du fluide immiscible est très inférieure à celle de

l'eau, la vapeur est presque entièrement formée d'eau.

En conséquence, l'eau s'échappe par ébullition et est transmise au condenseur. Lorsque l'eau s'est séparée par ébullition, la température d'ébullition du fluide est celle de la substance. La vapeur de la substance qui se forme dans les régions chaudes de l'enveloppe de la culasse se condense presque certainement en totalité

dans le liquide plus froid se trouvant dans l'enveloppe.

Entre-temps, tant que la température du fluide dans la culasse reste supérieure à la température d'ébullition de l'eau, le condensat renvoyé vers le moteur à partir du condenseur se sépare rapidement par ébullition sans pénétrer à nouveau dans l'enveloppe. Il est initialement souhaitable de remplir le circuit avec un fluide de refroidissement contenant aussi peu d'eau que possible raisonnablement. Après remplissage, le circuit peut être purgé de la plus grande partie de l'eau par mise à l'air du condenseur par une soupape de décharge à une faible pression (par exemple 0,14 bar). Ensuite, mis à part l'eau qui pénètre dans le circuit, le fluide de refroidissement a une composition qui se stabilise avec une petite quantité d'eau résiduelle qui existe dans le circuit lors du fonctionnement normal du moteur à chaud, essentiellement à l'état vapeur. Les substances immiscibles de refroidissement forment rarement de la vapeur qui quitte l'enveloppe, étant donné que la température de condensation de la vapeur est la même que la température d'ébullition du

liquide. Le liquide de refroidissement circule constam-

ment dans le circuit de refroidissement et la chaleur est évacuée dans l'échangeur de chaleur (radiateur)

afin que la température globale du fluide de refroidis-

sement dans l'enveloppe reste inférieure à la température d'ébullition. En conséquence, la vapeur de fluide de refroidissement formée sur les surfaces chaudes se condense

habituellement dans le liquide plus froid.

Dans des conditions inhabituelles de fonction-

nement (temps chaud et charges élevées), la vapeur de la substance immiscible du fluide de refroidissement peut ne pas totalement se condenser dans l'enveloppe et peut quitter celle-ci par la sortie tout en pénétrant dans le condenseur dans lequel elle se condense et revient vers l'enveloppe sous forme d'un condensat. Ceci peut se produire lors de la montée d'une longue côte ou lorsque le véhicule s'arrête au ralenti après avoir fonctionné sous une charge élevée. Dans ce dernier cas, une pompe entraînée par le moteur assure une circulation réduite au ralenti et la température du liquide de refroidissement peut s'élever suffisamment pendant une courte période pour

que la vapeur du fluide ne se condense pas en totalité.

De même, lorsque le moteur est arrêté, il passe en mode de refroidissement dans lequel aucun liquide ne circule. Le métal chaud conserve une quantité importante

de chaleur qui est transmise au fluide de refroidissement.

Pendant un moment, qui peut être de l'ordre de 5 min, la vapeur de fluide de refroidissement se dégage, monte dans le condenseur, se condense et revient vers le moteur sous forme d'un condensat. Pendant le refroidissement, la faible évacuation de vapeur depuis la région la plus haute de l'enveloppe assure un refroidissement efficace du moteur par maintien des plus grandes parties des régions d'enveloppe proches des surfaces métalliques chaudes remplies de liquide de refroidissement si bien que les contraintes thermiques importantes qui peuvent provoquer une fissuration de la culasse et une défaillance du joint de culasse sont évitées. Le circuit empêche les accumulations et évacuations cycliques des poches de vapeur qui permettent des changements brutaux et importants de la température du métal dans les dômes

des chambres de combustion et dans les collecteurs d'échap-

pement.

Une fonction importante du condenseur des circuits selon l'invention est la possibilité du changement de volume apparent du fluide de refroidissement entre ses états à froid et à chaud. Ces changements sont de l'ordre de 10 à 15 %. Dans les circuits classiques de refroidissement à circulation forcée de liquide, la dilatation est compensée en partie par débordement du fluide dans le réservoir de dilatation et en partie par compression des gaz piégés. Selon l'invention, la dilatation est compensée (1) par une élévation du niveau du liquide dans le conduit de sortie de vapeur et, suivant la réalisation, dans la partie inférieure du condenseur, et (2) par évacuation de la vapeur du liquide dans le condenseur dans lequel la tension de vapeur est maintenue à une faible valeur par dilatation, refroidissement

et condensation.

Toutes les substances de refroidissement indi-

quées précédemment peuvent être utilisées dans les moteurs diesel, les substances à température élevée d'ébullition étant préférables car les moteurs diesel ont un meilleur rendement aux températures élevées dans l'alésage. On doit évidemment prendre soin de la conception du circuit de lubrification aux températures élevées, par exemple à utiliser un filtrage efficace, à utiliser des huiles lubrifiantes synthétiques résistant à haute température et éventuellement un refroidissement de l'huile. Les moteurs diesel de forte puissance destinés aux camions, aux autobus et aux locomotives nécessitent normalement

de toute manière des circuits élaborés de lubrification.

La mise au point et les essais réalisés jusqu'à

présent dans le cadre de l'invention montrent très net-

tement qu'il existe des limites supérieures aux tempéra-

tures d'ébullition des substances de refroidissement qui peuvent être utilisées dans les moteurs à essence à allumage par étincelle. Jusqu'à présent, on a identifié

l'éthylèneglycol, le propylèneglycol et l'alcool tétra-

hydrofurfurylique comme convenant aux moteurs a essence.

Le dipropylèneglycol et les trois substances immiscibles précitées ont des températures d'ébullition qui sont trop

élevées pour les moteurs à essence à allumage par étin-

celle, au moins étant donné les connaissances actuelles.

L'eau est considérée comme un constituant indésirable des fluides de refroidissement utilisés selon l'invention. Plus la quantité d'eau est élevée et plus la quantité de vapeur qui passe de l'enveloppe au condenseur est grande, et plus la capacité que doit avoir le condenseur pour le traitement de la vapeur est élevée. L'eau est une source de corrosion, d'érosion et de dépôts dans les circuits de refroidissement du

moteur, surtout à base d'aluminium.

Tous les fluides de refroidissement indiqués précédemment ont des températures de congélation qui conviennent aux climats très froids, sauf l'éthylèneglycol qui a une température de congélation de - 12,7 C. On sait

que l'addition d'un petit pourcentage d'eau à l'éthylène-

glycol abaisse la température de congélation du liquide. L'addition de propylèneglycol à l'éthylêneglycol est un meilleur procédé

donnant ie même résultat, tout en

évitant l'addition d'eau.

Le rôle principal du sous-ensemble comprenant le condenseur et la sortie de vapeur, selon l'invention, est de permettre à la vapeur de sortir de la région la plus haute de la partie voisine de la culasse de l'enveloppe aussi librement que possible raisonnablement afin que la quantité de vapeur contenue dans l'enveloppe et le circuit de refroidissement par le liquide soit minimale. Le condenseur permet aussi la dilatation du

fluide de refroidissement comme indiqué précédemment.

Il est important que la plus grande partie de vapeur du fluide de refroidissement qui existe dans le sous-ensemble de condensation soit condensée afin que les pertes du fluide par le circuit restent minimales. Le condenseur assure évidemment un rejet de chaleur mais en petite quantité, en général de l'ordre de 5 % seulement de la quantité totale de chaleur évacuée par le circuit

de refroidissement.

Un avantage important de l'invention est la possibilité de l'utilisation d'un moteur à combustion interne à une température plus élevée, dans les alésages,

que celle qu'il a été possible d'utiliser jusqu'à présent.

La possibilité du maintien des alésages à une température plus élevée permet une économie de carburant du fait d'abord de la réduction de la chaleur évacuée par le moteur, correspondant à une meilleure utilisation de la chaleur dans le cycle thermique, puis d'une combustion - plus complète du carburant par réduction de l'étouffement des flammes, troisièmement d'une répartition plus uniforme de la température du haut en bas du moteur, réduisant le frottement et l'usure, et quatrièmement d'une meilleure lubrification due à une température uniforme -élevée le long des surfaces balayéeso

Un autre avantage de l'invention est la réduc-

tion des trois principaux polluants évacués par les moteurs à essence et en outre la réduction -des particules évacuées par les moteurs diesel étant donné la combustion

plus complète et la réduction de la détonation.

L'échangeur de chaleur et le condenseur peuvent être tous deux relativement petits car la quantité de chaleur évacuée par le moteur par l'intermédiaire du circuit de refroidissement est réduite et parce que la différence de température entre les fluides de refroi- dissement à température élevée utilisés selon l'invention et l'air ambiant est bien supérieure à la différence

entre l'eau ou un mélange eau-glycol et l'air.

Les substances organiques à température élevée de saturation utilisées comme fluides de refroidissement selon l'invention ne provoquent pas de corrosion ou la formation de dépôts dans l'enveloppe, le condenseur, le radiateur ou une autre partie quelconque du circuit de refroidissement. En conséquence, l'échangeur de chaleur et le condenseur peuvent être formés d'aluminium de coût relativement faible. De plus, les problèmes de

corrosion et d'érosion présentés par les moteurs d'alumi-

nium dans le cas des circuits actuels classiques de

refroidissement par circulation de liquide, sont supprimés.

Le procédé et l'appareil de refroidissement selon l'invention donnent satisfaction à pression ambiante ou à une faible pression au-delà de la pression ambiante,

par exemple entre 7 et 35 kPa (pression manométrique).

En conséquence, tous les éléments du circuit de refroidis-

sement peuvent être plus simples que ceux des circuits actuels à haute pression et risquent moins de présenter

des fuites et des pannes.

La petite dimension de l'échangeur de chaleur et du condenseur et la quantité réduite d'air nécessaire à l'extraction de la chaleur permet leur disposition matérielle à des emplacements autres que la position habituelle des radiateurs des circuits classiques à circulation de liquide de refroidissement par une pompe, dans le nez, si bien que le nez du véhicule peut être

fermé en grande partie et peut avoir une forme aérodyna-

mique. L'échangeur de chaleur peut être orienté de manière

qu'il ait toute configuration convenable, même horizontale.

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Le condenseur et le radiateur peuvent être combinés en un seul ensemble et dans ce cas la partie formant

condenseur se trouve au-dessus du radiateur et, en éléva-

tion, au-dessus du niveau du liquide de refroidissement.

Comme cet ensemble peut être plus petit qu'un radiateur classique et nécessite une circulation d'une moindre quantité d'air, il peut être placé en arrière du nez

du véhicule et présente les mêmes possibilités aérodyna-

miques que la réalisation d'un radiateur et d'un condenseur

sous forme d'ensembles séparés.

Les débits de circulation de liquide de refroi-

dissement dans le circuit de refroidissement par un liquide sont inférieurs à ceux qui sont nécessaires dans les circuits classiques de refroidissement, si bien qu'une pompe simple et peu coûteuse, nécessitant moins d'énergie,

peut être utilisée.

Un circuit de refroidissement selon l'invention nécessite un radiateur dont la taille est comprise entre le tiers et le sixième de celle d'un radiateur nécessaire dans un circuit actuel de refroidissement par circulation

de liquide. Le volume de fluide de refroidissement néces-

saire est réduit d'une quantité égale à la différence entre les volumes respectifs des radiateurs. L'invention permet donc des économies importantes de poids et de coût, compte tenu du fait que l'aluminium peut être utilisé pour le radiateur et le condenseur et que les

tuyauteries doivent supporter seulement de faibles pres-

sions. Une autre caractéristique avantageuse de la présente invention est la possibilité de faire circuler - le fluide de refroidissement en sens inverse de celui qui est la seule possibilité en pratique pour le pompage

du fluide de refroidissement dans les circuits actuels.

En particulier, le pompage du fluide de refroidissement des alésages puis dans le radiateur puis dans la culasse n'est pas efficace dans les circuits de refroidissement de type connu. La raison en est que les circuits actuels fonctionnent obligatoirement à une température globale

du fluide de refroidissement très proche de la température-

de saturation du fluide à la pression du circuit. Lorsque le fluide circule de l'enveloppe de la culasse dans la zone des alésages vers une sortie, le fluide le plus chaud dans le moteur passe au niveau des alésages. Dans le cas d'un circuit utilisant un fluide de refroidissement contenant de l'eau et un agent antigel, le fluide quitte

la zone des alésages et pénètre dans la pompe à une tempé-

rature très proche de sa température d'ébullition. La chute de pression due à l'aspiration de la pompe provoque la cavitation de celle-ci, et le débit diminue fortement

ou même s'annule. Ce problème est supprimé selon l'inrven-

tion par maintien de la température du liquide de refroi-

dissement bien au-dessous de la température d'ébullition du fluide afin que le fluide ne se vaporise pas dans la pompe ou dans les conduits qui se trouvent en amont de celle-ci. Plus la température de saturation du fluide de refroidissement est élevée et plus le maintien de

la température à une valeur bien inférieure à la tempéra-

ture de saturation est facile.

La possibilité de la circulation d'un Liquide de refroidissement de la partie d'enveloppe voisine du groupe-cylindre au radiateur puis à la partie d'enveloppe

entourant la culasse présente des avantages importants.

Le liquide refroidi provenant du radiateur qui pénètre dans la partie voisine de la culasse se trouve dans les meilleures conditions pour la condensation de la vapeur dans la culasse dans laquelle la plus grande partie de la chaleur du moteur est rejetée, car le fluide de refroidissement n'est pas préchauffé dans la partie d'enveloppe voisine du groupe-cylindre comme dans le

cas de la circulation de la culasse vers le groupe-

cylindre. En outre, le fluide relativement chaud provenant de la culasse entra ne de la chaleur vers le bas, dans le groupe-cylindre, si bien que les alsages s'échauffent, contrairement au ca, inverse dans lequel le liquide refroidi provenant du radiateur est renvoyé dans e groupecylindre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la

description qui va suivre d'exemples de réalisation

et en se référant au dessin annexé sur lequel.

la figure 1 est une coupe schématique d'un

moteur ayant un circuit de refroidissement selon l'inven-

tion-; et la figure 2 est un schéma d'un autre mode de

réalisation de l'invention.

La figure 1 représente un moteur à combustion interne du type à piston ayant un carter d'huile 10 boulonné à la partie inférieure d'un bloc 12 ayant des alésages 14 de cylindre dans lesquels des pistons 16 se déplacent alternativement sous la commande de bielles 18 portées par un vilebrequin (non représenté). Une enveloppe 20 de circulation de fluide de refroidissement du groupe-cylindre entoure les chemises qui délimitent

les cylindres 14. Une culasse 22 est fixée au groupe-

cylindre, un joint de culasse 24 étant placé entre le groupe-cylindre et la culasse afin que les chambres de combustion soient séparées de manière étanche des

passages du fluide de refroidissement formés dans l'enve-

loppe et les passages de circulation du fluide de refroi-

dissement provenant de l'extérieur du moteur. Une enveloppe 26 de fluide de refroidissement de la culasse est formée dans la culasse. Un couvercle 28 de soupapes est monté

au-dessus de la culasse. Pour des raisons de simplifica-

tion, les soupapes et les constituants associés ainsi que les collecteurs d'admission et d'échappement ne sont pas représentés. Les enveloppes du groupe-cylindre et de la culasse communiquent par de nombreux trous 30

formés dans le joint de culasse.

Un conduit 32 partant d'une lumière passant dans la partie inférieure du groupe-cylindre et rejoignant

l'enveloppe 20, rejoint une soupape thermostatique propor-

tionnelle 34. Lorsque la température du fluide de refroi-

dissement retiré de l'enveloppe 20 est relativement

faible, la soupape 34 transmet tout le fluide de refroi-

dissement vers une canalisation 36 de dérivation qui rejoint l'aspiration de la pompe 38 qui peut être entraînée par le moteur ou une pompe électrique. La pompe peut aussi être placée dans le conduit 32. Lorsque le fluide

de refroidissement provenant de l'enveloppe du groupe-

cylindre est à une température élevée, la soupape 34 transmet tout le fluide de refroidissement dans un conduit vers un échangeur de chaleur 42 (radiateur). La soupape proportionne le courant entre la canalisation 36 de dérivation et le radiateur 42 lorsque la valeur est comprise entre les seuils bas et haut de température de la soupape. Le fluide quitte le radiateur 42 par un conduit 44 et revient vers l'enveloppe 26 sous la commande de la pompe 38 par l'intermédiaire d'un conduit 46. Lorsque le fluide retiré de la partie inférieure de l'enveloppe 20 du groupecylindre est à une température élevée prédéterminée, un ventilateur 48 entraîné par la batterie d'accumulateurs 50 du moteur est mis en fonctionnement par un commutateur thermostatique 52 si bien que l'échange de chaleur du radiateur à l'air

ambiant augmente.

Le circuit de refroidissement par liquide com-

prend aussi une dérivation destinée à transmettre de la chaleur à la demande au compartiment des passagers, comprenant une soupape 54 de commande et un échangeur

de chaleur 56.

Le radiateur 42 peut être de toute construction convenable et peut comporter par exemple plusieurs tubes parallèles à ailettes. Les tubes peuvent avoir un diamètre

relativement grand et le radiateur peut être formé d'alu-

minium étant donné que les fluides de refroidissement utilisés selon l'invention n'assurent pas une corrosion ou une érosion de l'aluminium. Le radiateur 42 n'est pas un réservoir pour les gaz et aucune de ses parties ne doit être placée au-dessus du niveau le plus haut de l'enveloppe de la culasse. L'emplacement du radiateur 42 peut être choisi à volonté, sa dimension est petite

et il peut ainsi être placé facilement derrière le pare-

chocs avant d'un véhicule. Il peut être placé horizonta- lement. L'air peut être conduit à travers lui et le nez du véhicule peut avoir une forme aérodynamique et peut être fermé afin que la traînée soit réduite. Le radiateur

42 peut aussi doubler l'échangeur de chaleur du comparti-

ment des passagers, grâce à des conduits et des soupapes de commande qui permettent la conduction de l'air chaud provenant de l'échangeur de chaleur vers le compartiment des passagers et/ou vers l'extérieur, en fonction de la sélection exécutée par les occupants du véhicule à

l'aide d'un organe de commande de chauffage convenable.

Comme un appareil de refroidissement selon l'invention ne nécessite pas un débit élevé de circulation de fluide de refroidissement pour l'extraction de la vapeur du fluide de refroidissement hors de l'enveloppe, le réglage de l'évacuation de la chaleur dans le circuit de liquide afin que la température voulue soit maintenue dans le moteur pour diverses charges et diverses conditions

ambiantes, peut être assuré de plusieurs manières.

Par exemple, la soupape 34 peut être remplacée par un té et une soupape thermostatique d'étranglement peut être placée dans le conduit 40 ou dans le conduit 36 de dérivation afin que le débit circulant dans le radiateur 42 soit régulé. Il est aussi possible de régler le débit d'échange de chaleur du radiateur par des registres commandés thermostatiquement placés dans les conduits du radiateur ou par transmission d'un débit relativement faible de circulation d'air dû au déplacement du véhicule, augmenté le cas échéant par un courant d'un ventilateur à commande thermostatique. Une autre possibilité est l'utilisation d'une pompe à vitesse variable commandée

thermostatiquement. Les hommes du métier peuvent faci-

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lement réaliser des circuits convenables de refroidissement par un liquide dans le cadre de l'invention. Le fait que le radiateur a une petite dimension et permet un échange de chaleur très important (étant donné que le fluide de refroidissement à température élevée circule en présence de peu de vapeur et étant donné la faible quantité de chaleur qui doit être évacuée) élimine de

nombreuses restrictions imposées par les circuits clas-

siques de refroidissement.

Dans les régions relativement chaudes de la culasse. Par exemple autour des dômes des chambres de combustion et autour des collecteurs d'échappement, une partie du fluide de refroidissement se vaporise dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur sauf pendant la mise en température. Comme le liquide de refroidissement reste à une température inférieure à la température de saturation aux emplacements qui se

trouvent au-dessus des dômes et des collecteurs d'échap-

pement, la plus grande partie de la vapeur qui se forme sur ces surfaces chaudes se condense dans le liquide qui se trouve dans l'enveloppe. La quantité de vapeur qui n'est pas condensée dans l'enveloppe dépend évidemment de la quantité de vapeur produite, de la température

globale du liquide présent dans l'enveloppe et des caracté-

ristiques de condensation de la vapeur se trouvant dans l'enveloppe. Lorsque le fluide de refroidissement est miscible à l'eau et lorsqu'une petite quantité d'eau est en solution dans le fluide, la plus grande partie de la vapeur du fluide de refroidissement se condense dans le liquide à une température inférieure à la température de saturation du fluide et supérieure à la température de saturation de l'eau, mais toute la vapeur ne se condense pas. Les fluides de refroidissement miscibles à l'eau sont hygroscopiques et on doit supposer qu'ils contiennent

une certaine quantité d'eau.

Les fluides de refroidissement immiscibles à l'eau ne sont pas hygroscopiques, n'absorbent pas d'eau lorsqu'ils sont au contact d'air ambiant contenant de la vapeur d'eau et peuvent être maintenus plus facilement à l'état très "sec" par rapport aux fluides miscibles de refroidissement. Dans le cas des fluides immiscibles à l'eau, la vapeur du fluide se condense habituellement en totalité dans l'enveloppe. L'eau qui peut être présente dans le fluide immiscible se vaporise initialement à une température légèrement inférieure à la température de saturation de l'eau. La vapeur d'eau résultante avec 0 une petite quantité de vapeur du fluide de refroidissement, dans un rapport molaire égal au rapport des tensions respectives de vapeur, ne se condense pas dans l'enveloppe et pénètre dans le condenseur sous forme d'une vapeur, se condense en totalité ou en partie et revient sous forme d'un condensat dans l'enveloppe de la culasse puis se vaporise à nouveau. Lorsque cette vapeur peut quitter en partie le circuit, la teneur en eau du fluide de refroidissement est réduite et seules de petites

quantités de la substance de refroidissement sont évacuées.

Le rapport molaire de l'eau et du monoisobutyrate de 2,2,4-triméthyl-1,3pentanediol est par exemple d'environ

450/1.

La vapeur qui n'est pas condensée dans le liquide et qui se trouve dans l'enveloppe remonte par convection dans la région ou les régions les plus hautes de l'enveloppe et est évacuée par une ou plusieurs sorties partant de la région ou des régions les plus hautes de l'enveloppe. L'enveloppe peut être réalisée afin que le déplacement de la vapeur vers une ou plusieurs régions hautes soit facilité afin que, dans une mesure raisonnable, la vapeur puisse facilement être retirée

de l'enveloppe de la culasse par les sorties 60.

La vapeur extraite de la culasse par la sortie ou les sorties est transmise par un conduit 62 à un condenseur 64 de vapeur. Dans le mode de réalisation - de la figure 1, le condenseur est placé au-dessus de l'enveloppe de la culasse pour toutes les orientations du moteur lors d'une utilisation normale si bien que le condensat du condenseur peut revenir dans le moteur par gravité soit par un conduit de retour non représenté soit par le conduit 62 par lequel la vapeur est transmise au condenseur. Le conduit par lequel le condensat revient dans l'enveloppe du moteur peut aussi être utilisé pour la transmission du fluide de refroidissement du circuit de liquide vers le moteur comme représenté sur la figure 1. Dans une variante, le conduit ou les conduits de retour destinés au pompage du liquide de refroidissement du circuit de refroidissement par un liquide jusqu'au moteur peuvent être séparés du ou des conduits de retour

du condensat vers les enveloppes.

La réalisation du condenseur 64 peut varier considérablement. On a obtenu de bons résultats avec des réservoirs métalliques qui, permettent un déplacement relativement libre de la vapeur et facilitent le contact de celle-ci avec les parois. Comme il est souhaitable que la restriction au déplacement de la vapeur soit minimale, mais que par ailleurs il est souhaitable que la vapeur ne puisse pas quitter trop facilement l'enveloppe et ne puisse pas s'accumuler dans l'enveloppe, le conduit 62 doit avoir un diamètre important, par exemple de 38 mm dans le cas des moteurs d'automobiles. Le condenseur doit aussi être réalisé de manière que le condensat s'écoule par gravité vers un emplacement collecteur à partir duquel il peut être renvoyé à l'enveloppe du fluide de refroidissement. Dans un véhicule, un arrangement souhaitable comporte un récipient condenseur allongé monté sous le capot, suivant la longueur du compartiment du moteur, et incliné de l'avant vers l'arrière vers le haut. Le condenseur peut être réalisé sous forme d'un panneau de la carrosserie du véhicule, par exemple

une partie du capot.

Quelle que soit la quantité de vapeur qui se condense dans l'enveloppe, le volume d'air qui existe au-dessus du fluide chaud de refroidissement reçoit de la vapeur du fluide de refroidissement jusqu'à ce que le volume se sature. La quantité de vapeur évacuée de cette manière est fonction de la tension de vapeur du fluide de refroidissement et plus la température est élevée et plus la tension de vapeur est élevée. les parois

relativement froides du condenseur 64 assurent non seu-

lement la condensation de la vapeur qui se forme par ébullition mais aussi la condensation de la vapeur qui

s'est évaporée des surfaces chaudes.

La vapeur des composés organiques de masse

moléculaire élevée utilisés comme fluides de refroidis-

sement selon l'invention est plus lourde que l'air; en conséquence, la vapeur descend initialement dans l'air et a tendance à se collecter dans les parties

inférieures du condenseur avant diffusion dans l'air.

L'entrée du condenseur à partir du conduit 62 peut se trouver dans la région la plus basse afin que cette stratification soit facilitée. Des cloisons peuvent être placées dans le condenseur afin que la vapeur puisse se déplacer d'une manière qui favorise le contact de

la vapeur avec les parois et réduise au minimum le dépla-

cement des vapeurs reçues directement vers des emplacements qui se trouvent vers le haut du condenseur. Lorsque la condensation progresse, le pourcentage de vapeur d'eau de la vapeur restante augmente. La vapeur qui est essentiellement formée de vapeur d'eau est moins lourde que l'air et se déplace par convection vers les

parties supérieures du condenseur.

Le volume apparent du liquide dans le circuit varie avec la température et avec la quantité d'activité d'ébullition; le liquide se dilate et la vapeur non condensée déplace le liquide afin qu'il remplisse un

plus grand volume, le niveau du liquide augmentant.

* Comme représenté sur la figure 1, le circuit est initia-

lement rempli du liquide de refroidissement à un niveau A afin que l'enveloppe soit toujours remplie. Lorsque le circuit s'échauffe, la dilatation du fluide est de l'ordre de 15 % et le niveau du fluide augmente jusqu'au conduit 62 au niveau B et peut-être jusqu'au condenseur

comme indiqué par la figure 1.

Lorsque le condenseur n'est pas relié à l'atmos-

phère, l'augmentation du volume apparent de liquide

provoque une augmentation de la pression du circuit.

En outre, le chauffage de l'air dans le condenseur et l'augmentation de la présence de vapeur d'eau ou de fluide de refroidissement non condensé accroit aussi la pression. L'importance de cette augmentation de pression mesurée par rapport à la pression ambiante, d'après ces facteurs, est fonction du volume du condenseur et

de la température moyenne des gaz dans le condenseur.

A une altitude constante, l'augmentation de pression

est de l'ordre de 70 kPa dans un exemple de circuit.

Les changements d'altitude affectent aussi la différence de pressions entre le circuit fermé et l'atmosphère ambiante. Du niveau de la mer à 3000 mètres, la pression ambiante diminue de 31 kPa et à 6000 mètres la pression

diminue de 26 kPa supplémentaires.

La réalisation du système doit prendre en

considération les augmentations et réductions de pressions.

Il existe plusieurs possibilité dont l'une est représentée sur la figure 1. Une tuyauterie évent 66 part d'une région qui se trouve dans le haut du condenseur et distante de l'entrée de vapeur dans laquelle les gaz présents sont essentiellement de l'air et de la vapeur d'eau, la plus grande partie de la vapeur de la substance restant au fond et se condensant sur les parois du récipient comme décrit précédemment. Une soupape bidirectionnelle de décharge 68 placée dans le conduit évent empêche le passage des gaz du condenseur 64 dans la tuyauterie évent jusqu'à ce que la pression augmente à une valeur prédéterminée, par exemple de 0,14 bar. Lorsque la soupape 68 s'ouvre, les gaz de la partie supérieure du condenseur pénètrent dans un condenseur 70 de récupération qui est un petit eéservoir placé a un emplacement auquel il risque d'être toujours refroidi. Comme l'emplacement le plus probable du condenseur 64 est très proche du moteur et comme le condenseur 64 peut normalement contenir une certaine quantité de liquide chaud, les surfaces de condensation du condenseur 70 de récupération sont normalement à une temperature bien inférieure à celle

des surfaces de condensation du condenseur 64, le conden-

seur 70 pouvant condenser la vapeur qui n'a pas été condensée dans le condenseur 64. La tuyauterie 66 débouche près du fond du condenseur de récupération, à l'endroit o l'orifice est recouvert par le condensat dans le réservoir. -Un dispositif évent ouvert 72 relie la partie supérieure du réservoir à l'air ambiant d'une manière qui assure la protection contre les courants d'air qui pourraient modifier la pression atmosphérique statique ambiante au niveau du dispositif évent. Des substances

condensables transmises par le tuyau évent dans le conden-

sateur de récupération sont condensées -et collectées.

La soupape 68 permet aux gaz de s'écouler vers' le condenseur de récupération uniquement lorsque

de grandes quantités de vapeur sont produites dans l'enve-

loppe du moteur et lorsque le condenseur 64 travaille à proximité de sa capacité maximale, si bien que les gaz qui se trouvent dans le réservoir du condenseur ne sont pas suffisamment chauds pour que la pression augmente au point de faire ouvrir la soupape 68. Dès que les gaz du condenseur se refroidissent, la pression diminue et, comme les gaz (essentiellement de l'air et de la vapeur d'eau) ont quitté le condenseur et ont été évacués par le dispositif évent, la pression dans le condenseur (et dans le circuit de refroidissement) tombe au-dessous de - la pression atmosphérique. La soupape 68 s'ouvre pour une différence de pression de seuil lorsque la

pression de la soupape augmentée de la pression hydrosta-

tique du condensat dans le réservoir de récupération, déplacé dans le tuyau évent, est inférieure à la différence de pression entre l'atmosphère et la pression régnant dans le circuit de refroidissement. Cette réalisation pour la compensation des changements de pression dans le circuit de refroidissement permet la récupération de la totalité ou presque des matières condensables et est souhaitable lorsqu'il est prévu que la capacité du condenseur à condenser la vapeur provenant du moteur

est approchée de temps en temps et lorsqu'il est souhai-

table de limiter la pression dans le circuit et de ne pas augmenter la capacité du condenseur. Le condenseur de récupération peut être petit et peut être réalisé avec des cloisons ou rempli de fibres ou de fil métallique donnant une grande surface qui assure un rendement élevé de condensation. Le dispositif évent peut comporter

un filtre à air destiné à chasser la poussière.

Une raison principale de l'utilisation de la soupape 68 est la réduction de la "respiration" du circuit. La quantité de vapeur de refroidissement qui peut sortir du circuit, avec un échange d'air, dépend de l'aptitude du condenseur 64 et du condenseur 70 à condenser la vapeur. Dans certains cas, la soupape 68 peut être totalement supprimée, sans pertes inacceptables

de fluide de refroidissement. L'évacuation à l'atmosphère à partir du conden-

seur 70, avec ou sans la soupape 68, est avantageuse lorsque la vapeur d'eau quitte le circuit. La réduction de la quantité d'eau dans le circuit permet l'utilisation d'un condenseur 64 plus petit. Lorsque le fluide de refroidissement est miscible à l'eau, la réduction de

la teneur en eau provoque une augmentation de la tempéra-

ture de saturation du fuide, avec réduction de la diffé-

rence entre la température de saturation du fluide de refroidissement et celle de la substance de refroidissement

et réduisant la possibilité de cavitation de la pompe 38.

Lorsque le fluide de refroidissement est immiscible à l'eau, la réduction de la quantité d'eau réduit la quantité de vapeur et de condensat déplacés cycliquement

entre l'enveloppe 26 et le condenseur 64.

La sélection d'un réglage relativement élevé pour la soupape 68, en général de l'ordre de 70 kPa, permet la réalisation d'un circuit de refroidissement

fermé mis à part dans des conditions de charges inhabi-

tuellement élevées ou pour de grandes variations d'alti- tude. En outre, le dispositif évent s'ouvre du fait de l'utilisation de fluides de refroidissement qui sont trop volatils ou à la suite de pannes de différents constituants qui peuvent provoquer la mise sous pression du circuit de refroidissement, par exemple une fuite du joint de culasse. Lorsque le circuit doit fonctionner à des pressions élevées, les différents éléments montés doivent pouvoir supporter la pression utilisée. Une conséquence du travail à une pression accrue est une augmentation de la température de saturation à une valeur plus élevée. Une élévation de la pression de 60 kPa

élève la température de saturation du fluide de refroidis-

sement d'environ 20 C.

L'appareil représenté sur la figure 2 est

analogue à celui de la figure 1 mais n'a pas de conden-

seur de récupération. Le condenseur 110 est réalisé à la place avec une capacité de condensation excessive afin que la fonction du condenseur de récupération lui soit incorporée. Un clapet bidirectionnel de retenue 112 à faible pression, par exemple fonctionnant à 35 kPa dans les deux sens, est placé dans une tuyauterie évent

114 et est destiné à s'ouvrir pendant la mise en tempéra-

ture et à l'arrêt afin qu'il permette l'expulsion d'air du circuit et son aspiration dans le circuit. Pendant la mise en température, l'air est chassé par le dispositif évent lorsque le volume apparent du liquide augmente, et lorsque l'air du condenseur s'échauffe. Lorsque le circuit

a atteint la température des conditions de charges nor-

males étant donné les conditions ambiantes, le dispositif évent se ferme et il n'a pas à s'ouvrir sauf lorsque les charges varient beaucoup ou après des changements importants d'altitude. Lorsqu'il s'ouvre autrement que pendant la mise en température, la plus grande partie du gaz chassé est de l'air. Les pertes de vapeur impliquées qui sont faibles sont très réduites même sur de longues périodes et ne sont sans doute pas supérieures à celles que présentent les réservoirs de débordement actuellement utilisés. L'appareil de la figure 2 permet la suppression du condenseur de récupération, mais le condenseur 110 doit être plus gros que le condenseur 64 nécessaire dans le mode de réalisation de la figure 1. Les condenseurs des deux figures 1 et 2 peuvent avoir une dimension

réduite lorsque la teneur en eau du fluide de refroidis-

sement est réduite. L'appareil destiné à être utilisé avec des fluides de refroidissement immiscibles à l'eau peut avoir de plus petits condenseurs, étant donné que

le fluide de refroidissement n'est pas hygroscopique.

Dans une variante du circuit de la figure 2, la soupape 112 est commandée thermostatiquement afin qu'elle maintienne une pression plus importante, avec une décharge d'urgence, lorsque le moteur et le circuit de refroidissement se sont mis en température. Dans ce mode de réalisation, le circuit combine un dispositif évent essentiellement ouvert, pour la mise en température et l'arrêt, et un circuit fermé dans les conditions de fonctionnement normal. La pression maximale peut rester inférieure à celle d'un circuit réellement fermé car les augmentations de température et de pression lors de la mise en température peuvent être soustraites des variations totales de température et de pression

sous charge maximale.

Mis à part les différents modes de compensation des changements de température et de pression dans le circuit, les modes de réalisation décrits précédemment

ont un fonctionnement identique. Le liquide de refroidis-

sement est pompé constamment de la partie de l'enveloppe correspondant au groupe-cylindre dans un condenseur (ou par un circuit de dérivation pendant la mise en température et à faible charge, par temps froid) et il revient dans la partie de l'enveloppe voisine de la culasse à une température inférieure à la température de saturation du fluide de refroidissement afin qu'une

partie de la vapeur produite le long des surfaces métal-

liques chaudes du dôme de la chambre de combustion et autour des lumières d'échappement se condense dans le liquide. La vapeur qui n'est pas condensée dans le iiquide est retirée de la région la plus haute et est conduite

versle condenseur dans lequel elle se condense. Le conden-

sat est renvoyé dans l'enveloppe de refroidissement.

Le circuit doit être réalisé de manière que le liquide de refroidissement renvoyé vers l'enveloppe à partir du circuit de refroidissement par un liquide soit à une température suffisamment élevée pour qu'elle donne les avantages du fonctionnement du moteur à une température globale relativement élevée comme décrit en détail précédemment, mais suffisamment faible pour que la vapeur puisse se condenser dans l'enveloppe et pour que la température du fluide de refroidissement reste suffisamment faible dans la partie du circuit qui se trouve en amont de la pompe pour que celle-ci

ne présente pas de cavitation.

Le dessin représente des moteurs à piston orientés verticalement. Le circuit de refroidissement selon l'invention peut évidemment être utilisé dans des moteurs qui sont montés avec des axes de cylindre orientés obliquement par rapport à la verticale ou à une horizontale. Dans tous les cas, la vapeur cherche la région ou les régions les plus hautes de l'enveloppe et la sortie ou les sorties de vapeur doivent avoir des positions correspondantes. Le circuit peut aussi être utilisé dans les moteurs du type "Wankel"' Toutes les

discussions concernant l'enveloppe de la culasse corres-

pondent à la région de l'enveloppe qui entoure les parties de combustion et d'échappement du moteur "Wankel", alors

que la description concernant l'enveloppe entourant

le groupe-cylindre s'applique aux régions entourant les parties des volumes balayées dans les chambres de combustion du moteur "Wankel". Enfin, l'invention peut être utilisée dans un moteur dans lequel seule la culasse est refroidie ou dans lequel une partie seulement des zones entourant les zones balayées des parois des cylindres

est refroidie par un liquide.

Le dessin représente un appareil dans lequel le condenseur est monté audessus du moteur afin que

le condensat revienne par gravité, selon une caractéris-

tique avantageuse. Néanmoins, le condenseur peut Le cas échéant être placé au-dessous du niveau le plus haut du liquide de refroidissement et le condensat peut être pompé mécaniquement vers le moteur. La réalisation

d'un tel circuit doit prendre en considération la délimi-

tation d'un volume dans un ou plusieurs conduits de vapeur au-dessus de la culasse afin que l'élévation du niveau de liquide puisse être compensée et que la réduction de la circulation de la vapeur dans le conduit rejoignant le condenseur soit minimale. Une pompe à

faible vitesse et faible débit de condensat suffit.

Dans le mode de réalisation de la figure 1, le condenseur 70 de récupération est monté au-dessous du condenseur 64 et est destiné à assurer un retour du condensat par siphonnage vers le condenseur 64. Dans une variante, le condenseur de récupération peut être monté au-dessus du condenseur 64 si bien que le condensat

peut revenir par gravité.

Le cycle de vaporisation et de condensation se poursuit afin qu'il continue après l'arrêt du moteur, dans le procédé et l'appareil selon l'invention. Une partie du métal se trouvant dans la culasse, au contact du liquide de refroidissement, est à une température supérieure à la température de saturation de ce fluide et l'ébullition se poursuit jusqu'à ce que la température du métal atteigne la température de saturation du fluide de refroidissement. Lorsque la pompe de circulation de liquide est entraînée par le moteur ou est arrêtée après l'arrêt du moteur, la température du fluide de refroidissement dans l'enveloppe atteint la température de saturation. Une plus faible quantité de vapeur est condensée dans le liquide et une quantité plus importante de vapeur pénètre dans le condenseur. Bien que la quantité

d'énergie calorifique conservée dans le moteur aux tempéra-

tures supérieures à la température de saturation du fluide de refroidissement ne soit pas importante par rapport à la chaleur transmise au fluide pendant le fonctionnement du moteur, une quantité notable de vapeur

se forme par ébullition pendant le refroidissement.

Le condenseur doit avoir une capacité suffisante pour

qu'il puisse condenser la vapeur créée pendant le refroi-

dissement, aussi bien que pendant le fonctionnement du moteur. Lorsque la pompe peut faire circuler le fluide de refroidissement pendant le refroidissement du moteur, la température du liquide de refroidissement peut être maintenue au-dessous de la température de saturation de la substance de refroidissement et la quantité de vapeur transmise au condenseur pendant le refroidissement

est notablement réduite.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés et appareils qui viennent d'être décrits uniquement à titre

d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'in-

vention.

Claims (19)

REVENDICATIONS

1. Procédé de refroidissement d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend le pompage mécanique d'un liquide de refroidissement qui peut bouillir, ayant une température de saturation supérieure à 132 C environ à ia pression atmosphérique, d'une enveloppe de refroidissement (20, 26) du moteur à un échangeur de chaleur (42) puis à l'enveloppe afin que la chaleur soit évacuée dans l'échangeur de chaleur et qu'il ne se forme pas de vapeur dans le liquide qui se trouve en dehors de l'enveloppe sous l'action de la réduction de pression provoquée par la pompe (38) et de manière que la température du fluide de refroidissement se trouvant dans les parties de l'enveloppe voisines

de la culasse (26), qui se trouvent au-dessus d'empla-

cements adjacents aux dômes des chambres de combustion et aux collecteurs d'échappement, reste inférieure à la température de saturation du fluide de refroidissement

à la pression du circuit, l'extraction continue de pra-

tiquement tous les gaz autres que les gaz qui se condensent

dans le fluide de refroidissement se trouvant dans l'enve-

loppe, à partir de l'enveloppe (20, 26) de refroidissement, sous l'action de la convection pratiquement libre par au moins une sortie (60) partant de la région la plus haute de la partie (26) d'enveloppe voisine de la culasse, ces gaz évacués contenant la vapeur formée par ébullition localisée du liquide de refroidissement dans les zones adjacentes aux dômes des chambres de combustion et aux collecteurs d'échappement, si bien que la plus grande partie de la partie de l'enveloppe qui est voisine de la culasse reste remplie du fluide de refroidissement à l'état liquide à tout moment, la transmission des gaz de la sortie (60) à un condenseur qui comprend une chambre (64, 110), et le renvoi du condensat du condenseur

dans l'enveloppe de refroidissement.

2. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que le fluide de refroidissement est formé essentiellement d'au moins une substance miscible à

l'eau et dont la tension de vapeur est notablement infé-

rieure à celle de l'eau à toute température donnée.

3. Procédé selon la revendication 2, caracté-

risé en ce que la substance du fluide de refroidissement est choisie dans le groupe qui comprend l'éthylèneglycol, le propylèneglycol, l'alcool tétrahydrofurfurylique et

le dipropylèneglycol.

4. procédé selon la revendication 1, caractérisé

en ce que le fluide de refroidissement est formé essen-

tiellement d'au moins une substance qui est pratiquement immiscible à l'eau et qui a une tension de vapeur nettement

inférieure à celle de l'eau à toute température donnée.

5. Procédé selon la revendication 4, caracté-

risé en ce que la substance du fluide de refroidissement est choisie dans le groupe qui comprend le monoisobutyrate

de 2,2,4-triméthyl-1,3-pentanediol, la dibutylisopropanol-

amine et le 2-butyloctanol.

- 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement circule de la partie (20) de l'enveloppe voisine des alésages vers

la partie (26) d'enveloppe voisine de la culasse.

7. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que le condensat liquide est constamment renvoyé de la chambre du condensat (64) à l'enveloppe

de refroidissement par gravité.

8. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'il comprend en outre la transmission des gaz se trouvant dans la région la plus haute de la chambre de condenseur (64) vers un condenseur de récupération (70) qui est relié à l'atmosphère (V2) et qui se trouve à un emplacement auquel il risque d'être plus froid que la chambre du condenseur afin qu'il condense les gaz condensables et renvoie le condensat liquide du

condenseur de récupération à la chambre du condenseur.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé

en ce qu'il comprend en outre l'interruption de la trans-

mission des gaz de la chambre du condenseur au condenseur de récupération sauf lorsque la pression dans la chambre du condenseur dépasse la pression dans le condenseur de récupération d'une quantité prédéterminée par une soupape de décharge (68) placée entre la chambre du

condenseur et le condenseur de récupération, et l'inter-

ruption de la transmission du condensat et des gaz du condenseur de récupération vers la chambre du condenseur

sauf lorsque la pression dans le condenseur de récupéra-

tion augmentée de la pression hydrostatique du condensat

dépasse la pression dans la chambre du conden-

seur d'une quantité prédéterminée par une seconde soupape de décharge (68) placée entre la chambre du condenseur

et le condenseur de récupération.

10. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'il comprend en outre la transmission des gaz se trouvant dans la région la plus haute de la chambre du condenseur (110) par un dispositif évent (114) vers l'atmosphère uniquement lorsque la pression dans le condenseur dépasse la pression ambiante d'une quantité prédéterminée, et la transmission d'air ambiant par le dispositif évent vers le condenseur uniquement lorsque la pression ambiante dépasse la pression dans le condenseur

d'une quantité prédéterminée.

11. Appareil de refroidissement d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe (20, 26) de refroidissement placée autour d'une partie au moins de chaque chambre de combustion

et de chaque collecteur d'échappement du moteur et conte-

nant un liquide de refroidissement qui peut bouillir et dont la température de saturation dépasse 132 C à la pression atmosphérique, un circuit de refroidissement par un liquide comprenant un échangeur de chaleur (42) et un dispositif mécanique de pompage (38) destiné à faire circuler le fluide de refroidissement de l'enveloppe dans l'échangeur de chaleur puis à nouveau vers l'enveloppe, assurant ainsi l'évacuation de la chaleur dans l'échangeur de chaleur d'une manière telle que de la vapeur ne se forme pas dans le circuit de refroidissement par un liquide du fait de la réduction de pression provoquée par la pompe (38) et d'une manière telle que la température du fluide de refroidissement dans les parties de l'enve- loppe voisines de la culasse (26) qui se trouvent au- dessus des emplacements adjacents aux dômes des chambres de

combustion et aux collecteurs d'échappement reste au-

dessous de la température de saturation du fluide de refroidissement pour la pression du circuit, au moins une sortie (60) partant de la région la plus haute de l'enveloppe (20, 26) et destinée à extraire et évacuer constamment, par un phénomène de convection pratiquement libre, pratiquement tous les gaz de l'enveloppe, y compris la vapeur formée par ébullition localisée du liquide de refroidissement dans les régions adjacentes aux dômes

des chambres de combustion et aux collecteurs d'échap-

pement, autres que les gaz qui se condensent dans le fluide de refroidissement se trouvant dans l'enveloppe, si bien que la plus grande partie de l'enveloppe, dans

les régions entourant les dômes des chambres de combus-

tion et les collecteurs d'échappement, reste remplie de fluide de refroidissement en phase liquide à tout moment, un condenseur comprenant une chambre (64) de condenseur

destiné à recevoir les gaz extraits et retirés de l'enve-

loppe par l'intermédiaire de la sortie (60) et à condenser les constituants condensables de ces gaz, et un dispositif (62) destiné à renvoyer le condensat du condenseur à

l'enveloppe de refoidissement.

12. Appareil selon la revendication 11,caractérisé

en ce que le fluide de refroidissement est formé essen-

tiellement d'au moins une substance qui est miscible à l'eau et qui a une tension de vapeur nettement inférieure

à celle de l'eau à une température donnée quelconque.

13. Appareil selon la revendication 12, caracté-

risé en ce que la substance du fluide de refroidissement est choisie dans le groupe qui comprend l'éthylèneglycol, le propylèneglycol, l'alcool tétrahydrofurfurylique

et le dipropylèneglycol.

14. Appareil selon la revendication 11, caracté-

risé en ce que le fluide de refroidissement est formé essentiellement d'au moins une substance qui est prati- quement immiscible à l'eau et qui a une tension de vapeur

sensiblement inférieure à celle de l'eau à toute tempéra-

ture donnée.

15. Appareil selon la revendication 14, caracté-

risé en ce que la substance du fluide de refroidissement

est choisie dans le groupe qui comprend le monoisobuty-

rate de 2,2,4-triméthyl-1,3-pentanediol, la dibutylisopro-

panolamine, et le 2-butyloctanol.

16. Appareil selon la revendication 11, caracté-

risé en ce que le circuit de refroidissement de liquide est destiné à faire circuler le fluide de refroidissement de la partie (20) de l'enveloppe qui est voisine du

groupe-cylindre et à renvoyer le liquide de refroidis-

sement vers la partie (26) de l'enveloppe qui est voisine

de la culasse.

17. Appareil selon la revendication 11, caracté-

risé en -ce que la chambre du condenseur (64, 110) se

trouve à une hauteur supérieure à celle de la sortie-

de l'enveloppe, et le dispositif (62) de renvoi renvoie le condensat de la chambre du condenseur vers l'enveloppe

de refroidissement par gravité.

18. Appareil selon la revendication 9, caracté-

risé en ce que la chambre du condenseur a un dispositif évent (66, 114) placé dans sa région la plus haute et

à distance de son entree.

19. Appareil selon la revendication 18, caracté-

risé en ce que le condenseur comporte en outre un conden-

seur de récupération (70) et une tuyauterie évent (66) reliant le dispositif évent du réservoir du condenseur et le condenseur de récupération et débouchant de façon générale dans la partie la plus basse du condenseur de récupération, ce dernier étant relié à l'atmosphère (72) à partir de sa région la plus haute et se trouvant à un emplacement auquel il risque d'être plus froid que la chambre du condenseur, si bien que, lorsque la pression dans la chambre du condenseur dépasse la pression dans le condenseur de récupération, les gaz se trouvant dans la région la plus haute de la chambre du condenseur sont transmis dans le condenseur de récupération afin que les gaz condensables contenus se condensent et que les gaz incondensables soient évacués, le condensat et les gaz se trouvant dans le condenseur de récupération étant renvoyés de celui-ci vers la chambre du condenseur

chaque fois que la pression dans le condenseur de récupé-

ration dépasse la pression dans la chambre du condenseur augmentée de la pression hydrostatique due à la quantité

de condensat dans la tuyauterie évent.

2-0. Appareil selon la revendication 19, caracté-

risé en ce qu'il comprend en outre une première soupape de décharge (68) placée entre la chambre du condenseur et le condenseur de récupération et destinée à empêcher le passage des gaz de la chambre du condenseur vers le condenseur de récupération sauf lorsque la pression dans la chambre du condenseur dépasse la pression dans

le condenseur de récupération d'une quantité prédéter-

minée, et une seconde soupape de décharge (68) placée

entre la chambre du condenseur et le condenseur de récupé-

ration et destinée à empêcher le passage du condensat et des gaz du condenseur de récupération -à la chambre du condenseur sauf lorsque la pression dans le condenseur de récupération dépasse la pression dans la chambre du' condenseur augmentée de la pression hydrostatique due au condensat dans la tuyauterie évent, d'une quantité prédéterminée.

21. Appareil selon la revendication 18, caracté-

risé en ce qu'il comprend en outre une soupape de décharge de sortie (112) placée au niveau du dispositif évent

(114) et destinée à empêcher le passage des gaz du conden-

seur (110) à l'atmosphère sauf lorsque la pression dans la chambre du condenseur (110) dépasse la pression ambiante d'une quantité prédéterminée, et une soupape de décharge d'entrée (112) placée au niveau du dispositif évent et destinée à empêcher le passage de l'air ambiant de l'atmosphère à la chambre du condenseur sauf lorsque la pression ambiante dépasse la pression dans la chambre

du condenseur d'une quantité prédéterminée.