FR3093135A1 - Moteur thermique comprenant une pompe à fluide caloporteur - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un moteur (1) thermique comprenant une pompe (31) à fluide caloporteur destinée à mettre en circulation ledit fluide caloporteur dans un circuit de refroidissement (27) dudit moteur (1), ladite pompe (31) étant en relation cinématique avec un arbre d’entraînement (49) du moteur (1) s’étendant selon une direction longitudinale (L) et agencée dans carter cylindres (3) du moteur (1), ladite pompe (31) comprenant un corps de pompe (37) s’étendant longitudinalement, un conduit d’entrée (39) de fluide vertical formé dans le carter cylindres (3) et orthogonal audit corps de pompe (37) qui débouche dans un coude (55) qui dirige un flux de fluide caloporteur longitudinalement en direction du corps de pompe (37), un angle extérieur du coude (55) étant délimité par une première paroi (59) interne agencée dans le prolongement du conduit d'entrée (39) et une deuxième paroi (56) interne agencée directement en vis-à-vis de la conduite d'entrée (39), caractérisé en ce que le moteur (1) comprend un moyen de guidage (61) dudit fluide vers l’orifice d’entrée (43a) du corps de pompe (37) agencé dans ledit coude (55) en amont de la deuxième paroi interne (56) du coude (55). Figure pour l'abrégé : 1

Description

Moteur thermique comprenant une pompe à fluide caloporteur

Domaine technique de l'invention

L'invention concerne un moteur thermique comprenant une pompe à fluide caloporteur.

L’invention concerne également un véhicule notamment un véhicule automobile comportant un tel moteur thermique.

Arrière-plan technique

Dans un moteur de véhicule, une pompe à fluide caloporteur permet de faire circuler ce fluide dans un circuit de refroidissement afin de réguler la température du moteur.

Une telle pompe est classiquement agencée dans une façade de distribution également appelée façade accessoire du moteur. Cette pompe comprend notamment une poulie qui entraîne une roue configurée pour faire circuler le fluide dans le circuit de refroidissement. La poulie de la pompe est entraînée par une courroie de transmission, qui entraîne en règle générale d'autres éléments du véhicule tels que l'alternateur, la pompe de direction assistée, etc.

Dans certaines configurations de l'architecture du moteur, il est nécessaire d'ajouter encore une longueur de courroie, des poulies de renvois et/ou des galets tendeur afin de pouvoir assurer un fonctionnement convenable de la pompe. Cet agencement de la pompe induit une augmentation non négligeable de l’encombrement du moteur du fait de la mise en œuvre d’un circuit de refroidissement d’une grande complexité pour acheminer le fluide caloporteur dans les différentes parties du moteur à refroidir.

Pour limiter l’encombrement du moteur, il est connu de la demande FR3051222 d’agencer la pompe dans une façade d’accouplement verticale du moteur et de l’entraîner par un arbre d’entraînement du moteur, notamment un arbre d’équilibrage. Dans cet agencement, le conduit d’entrée de fluide de la pompe est vertical et orthogonal au corps de pompe de manière à former un coude en vis-à-vis d’un orifice d’entrée du corps de pompe. Un tel agencement crée des pertes de charges et le fonctionnement de la pompe n’est pas optimisé.

Il existe donc un besoin d’une solution permettant de résoudre les inconvénients précédents.

L’invention propose à cet effet un moteur thermique comprenant une pompe à fluide caloporteur destinée à mettre en circulation ledit fluide caloporteur dans un circuit de refroidissement dudit moteur, ladite pompe étant en relation cinématique avec un arbre d’entraînement du moteur s’étendant selon une direction longitudinale L et agencée dans carter cylindres du moteur, ladite pompe comprenant un corps de pompe s’étendant longitudinalement, un conduit d’entrée de fluide vertical formé dans le carter cylindres et orthogonal audit corps de pompe qui débouche dans un coude qui dirige un flux de fluide caloporteur longitudinalement en direction du corps de pompe, un angle extérieur du coude étant délimité par une première paroi interne agencée dans le prolongement du conduit d'entrée et une deuxième paroi interne agencée directement en vis-à-vis de la conduite d'entrée.

Selon l’invention, le moteur comprend un moyen de guidage dudit fluide vers l’orifice d’entrée du corps de pompe agencé dans ledit coude en amont de la deuxième paroi interne du coude.

Selon différents modes de réalisation de l’invention, qui pourront être mis en œuvre ensemble ou séparément :

- le moyen de guidage fait saillie orthogonalement de la première paroi interne du coude,

- la pompe est agencée dans un logement d'une façade d'accouplement du carter cylindres,

- le conduit d'entrée débouchant dans le logement

- le logement est fermé par un capot de fermeture vertical,

- le moyen de guidage est intégré audit capot de fermeture,

- le moyen de guidage est fixe,

- le moyen de guidage est mobile,

- le moyen de guidage comporte au moins une ailette,

- la au moins une ailette est de forme adaptée pour dévier le flux de fluide arrivant par le conduit d'entrée longitudinalement vers le corps de pompe,

-le moyen de guidage est une hélice comportant une pluralité d’ailettes différentes,

- le moyen de guidage est une hélice comportant une pluralité d’ailettes identiques,

- le moyen de guidage est venu de matière du capot de fermeture ou rapporté sur le capot de fermeture.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :

la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un moteur thermique comprenant une pompe à fluide caloporteur selon l’invention,

la figure 2 est une vue en perspective d’une partie d’un moteur montrant une pompe et un moyen de guidage selon l’invention,

la figure 3 est une vue en coupe axiale de la figure 2,

la figure 4 est une vue en perspective de la pompe et du moyen de guidage des figures 2 et 3,

la figure 5 est une vue en perspective du moyen de guidage des figures 2 à 4 monté sur un capot de fermeture.

Description détaillée de l'invention

Dans la suite de la description, des éléments présentant une structure identique ou des fonctions analogues seront désignés par des mêmes références.

Dans la suite de la description, on adoptera de manière non limitative des orientations longitudinale, verticale et transversale indiquées par le trièdre "L,V,T" des figures.

La direction longitudinale L est parallèle à l’axe de rotation du vilebrequin.

La direction verticale V est perpendiculaire au fond d’un carter d’huile. La direction verticale est utilisée à titre de repère géométrique sans rapport avec la direction de la gravité.

La direction transversale T est perpendiculaire aux directions longitudinale et verticale.

La figure 1 est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un moteur thermique 1.

Le moteur thermique 1 comprend un carter de cylindres 3 recevant une culasse 5 sur sa paroi supérieure et un carter d'huile 7 sous sa paroi inférieure. Le moteur 1 est délimité longitudinalement par une façade d’accouplement 9 à une première extrémité et par une façade de distribution 11 à une seconde extrémité.

Dans le mode de réalisation représenté ici, le carter de cylindres 3 du moteur 1 comprend de manière non limitative et non exhaustive quatre cylindres 13 rangés en ligne. Au-dessus du carter de cylindres 3 vient se fixer la culasse 5.

La culasse 5 comprend une face inférieure qui est destinée à être fixée sur une face supérieure de ce carter de cylindres 3, lequel étant disposé en-dessous de la culasse 5.

La culasse 5 renferme notamment une distribution (non représentée) composée principalement de soupapes et d'arbres à cames.

Au-dessous du carter de cylindres 3, est monté le carter d'huile 7 dont la face supérieure est en contact avec le carter de cylindres 3 Le carter d’huile 7 comprend un fond concave pour pouvoir réceptionner de l'huile de lubrification.

Il s'agit ici d'un moteur 1 de véhicule automobile.

En variante, le moteur peut être un moteur statique, un moteur d’un générateur électrique ou encore un moteur de véhicule marin ou aérien.

Le moteur 1 comporte classiquement un vilebrequin 15 qui s’étend selon la direction longitudinale L et tourne autour d'un axe géométrique longitudinal. Des pistons son reçus coulissant dans les cylindres 13 suivant des mouvements de va-et-vient. Des bielles relient les pistons au vilebrequin 15 par l'intermédiaire de manetons excentriques. Le mouvement de va-et-vient des pistons, initié par la combustion d'un mélange d'air et de carburant dans les cylindres 13, permet ainsi d'entraîner en rotation le vilebrequin 15.

La façade d’accouplement 9 s’étend dans un plan vertical transversal. Elle reçoit un ensemble de transmission comportant un carter d’accouplement 17 et une boîte de vitesse 19. Le carter d’accouplement 17 relie le moteur 1 à ladite boîte de vitesse 19. Ce carter d’accouplement 17 renferme de manière connue en soit, un volant moteur 21 destiné à être fixé sur le vilebrequin 15 du moteur 1 et un embrayage 23 pouvant comporter un mécanisme d'embrayage et au moins un disque de friction. Un carter 25 coiffant le carter d’accouplement 17 et la boîte de vitesse 19 est fixé à la façade d’accouplement 9.

Ce moteur 1 est communément équipé d'un certain nombre de périphériques et accessoires, parmi lesquels on peut citer un alternateur et un compresseur de climatisation. Ces accessoires sont entraînés par le fonctionnement du moteur 1, via une courroie d'accessoire généralement reliée à une poulie située en bout d’un vilebrequin 15 du moteur 1, couramment appelée « poulie vilebrequin » et qui est agencé au niveau de la façade de distribution 11. La façade de distribution 11 également appelée façade accessoire, s’étend selon la direction verticale V et est située à une deuxième extrémité du moteur 1 en étant sensiblement opposée à la façade d’accouplement 9. Elle comprend essentiellement des poulies portées par les extrémités du vilebrequin 15 et d’un arbre (ou des arbres) à cames, et de la courroie de distribution qui transmet à l'arbre à cames la rotation du vilebrequin 15. La façade de distribution 11 peut inclure également d'autres poulies sur lesquelles agit la courroie de distribution.

Le moteur comprend un circuit de refroidissement 27 dans lequel circule un fluide caloporteur (ou fluide de refroidissement) permettant de refroidir le moteur. Ce circuit est symbolisé à la figure 1 par des traits munis de flèches indiquant le sens de circulation du fluide caloporteur.

Le circuit de refroidissement 27 comprend une entrée 29 dans laquelle pénètre le fluide caloporteur. Il est ensuite acheminé vers une pompe 31 pour être mis en circulation dans des premier et deuxième conduits 33a, 33b de fluide selon le sens de circulation représenté par les flèches présentes sur la figure 1. Le fluide est ensuite évacué au niveau de sorties (non représentées) respectivement des premier et deuxième conduits 33a, 33b.

Sur la figure 1, le fluide caloporteur chaud est susceptible de sortir du moteur 1, par exemple en direction d'un échangeur de chaleur. Le fluide caloporteur une fois refroidi est ensuite réinjecté dans le circuit 27 de refroidissement du moteur 1 par l'intermédiaire de l'entrée 29. Les orifices d'entrée et de sortie du fluide caloporteur ne sont pas représentés en détails et ils sont schématisés collectivement par un boîtier 35 d’entrée et de sortie du fluide caloporteur circulant dans le circuit de refroidissement 27 agencé dans la façade d’accouplement 9.

La pompe 31 est agencée dans un logement 32 formé dans la façade d’accouplement 9 du moteur 1. Le logement 32 présente une forme globalement cylindrique d'axe longitudinal. Il est délimité radialement par une paroi 36 latérale interne, ici de forme cylindrique, et il débouche dans la façade 9 par un orifice de passage 34.

La pompe 31 comprend un corps de pompe 37 qui est alimenté par un conduit d’entrée 39 de fluide réalisé dans la masse du carter cylindres 3 et un conduit de sortie 41.

Le corps de pompe 37 présente ici une forme cylindrique d'axe longitudinal. Lors de son montage, il est inséré dans le logement 32 par son orifice de passage 34.

Le corps de pompe 37 s’étend parallèlement à la direction longitudinale L. Il est équipé d’un orifice d’entrée 43a agencé à une première extrémité longitudinale, et d'un orifice de sortie 43b agencé à l'extrémité longitudinale opposée du corps de pompe 37.

Le corps de pompe 37 est traversé de part et d'autre par un arbre 46 de pompe d'orientation longitudinale. L'une des extrémités de l'arbre 46 de pompe supporte une roue 45, configurée pour aspirer le fluide caloporteur par l'orifice 43a d'entrée et le refoulé vers l'orifice 43b de sortie dans le circuit de refroidissement 27. L'arbre 46 de pompe tourne solidairement avec la roue 45.

L'autre extrémité de l'arbre 46 de pompe comprend une zone de couplage 47. La zone de couplage 47 de la pompe 31 est configurée pour coopérer de manière directe ou indirecte avec un arbre d’entraînement 49 du moteur 1 s’étendant selon la direction longitudinale L.

Ledit arbre 49 peut être en relation cinématique avec le vilebrequin 15. Dans ces conditions, la pompe 31 est ainsi agencée dans le moteur 1 de façon à être en relation cinématique avec le vilebrequin 15 notamment par l’intermédiaire dudit arbre d’entraînement 49. Dans le présent mode de réalisation, l’arbre d’entraînement 49 est de préférence un arbre d’équilibrage 49 du moteur 1.

Le corps de pompe 37 comprend également une fixation 51, formée ici par sa face cylindrique externe, pourvue d’au moins un joint torique 53 visant à assurer une liaison mécanique étanche de la pompe 31 dans le logement 32 agencé dans la façade d’accouplement 9 du moteur 1, notamment avec une paroi 36 latérale de ce logement 32.

Un des deux arbres d’équilibrage 49 constitue un arbre d’entraînement 49 de l'arbre 46 de pompe et comprend à cet effet dans une deuxième extrémité un organe de couplage destiné à assurer une liaison cinématique avec la zone de couplage 47 de la pompe 31. Autrement dit, la zone de couplage 47 est apte à être en prise avec l’organe de couplage de l’arbre d’entraînement 49. L'arbre d'entraînement 49 est plus particulièrement agencé coaxialement à l'arbre 46 de pompe, et l'une de ses extrémités est accouplée directement à l'arbre 46 de pompe, par exemple par l'intermédiaire de crabots. Dans cette configuration, l’utilisation d’un arbre d’entraînement 49 tel que l’arbre d’équilibrage 49 pour entraîner la pompe 31, permet d’appliquer un couple réalisant peu voire aucun effort latéral sur l'arbre 46 de pompe. Ainsi, le roulement de la pompe 31 est peu sollicité. Une telle configuration permet d’améliorer la robustesse de la pompe 31 et/ou sa compacité, et/ou à la réduction de son coût de fabrication.

Le conduit d’entrée 39 de fluide s’étend parallèlement à la façade d’accouplement 9, c'est-à-dire orthogonalement à la direction longitudinale. Le conduit d’entrée 39 de fluide s’étend ici verticalement de l’entrée 31 de fluide vers un orifice d’entrée 48 réalisé dans la paroi 36 latérale du logement 32. Le conduit d'entrée 39 débouche ainsi dans le logement 32 orthogonalement à l'axe longitudinal du corps de pompe 37. Le corps 37 de pompe est enfoncé longitudinalement de manière à réserver un espace au droit du conduit 39 d'entrée formant un coude 55 en vis-à-vis de l’orifice d’entrée 43a du corps de pompe 37.

Dans le mode de réalisation représenté ici, l'orifice de passage 34 du logement 32 est fermé par un capot de fermeture 57. Le capot de fermeture 57 s’étend parallèlement à la façade d’accouplement 9. Il comprend une face externe reliée mécaniquement à une surface de fixation d’étanchéité agencé au niveau de la façade d’accouplement 9 et une face interne 59 définissant une paroi verticale du conduit d’entrée 39 agencé longitudinalement en vis-à-vis de l'axe de la pompe 31.

L’agencement de la pompe 31 dans la façade d’accouplement 9 du moteur 1 et sa mise en relation cinématique avec un arbre d’entraînement 49 du moteur 1, nécessite que le conduit d’entrée 39 de fluide de la pompe 31 soit orthogonal au corps de pompe 37 et forme un coude 55 en vis-à-vis de l’orifice d’entrée 43a du corps de pompe 37. L'angle extérieur du coude 55 est ici délimité par une première paroi 59 interne agencée dans le prolongement du conduit 39 d'entrée et par une deuxième paroi 56 interne orthogonale à ladite première paroi interne. La première paroi interne est ici formée par la face interne 59 du capot 57 de fermeture, et la deuxième face interne est ici formée par une portion de la paroi latérale 36 du logement agencée directement en vis-à-vis du conduit d'entrée 39.

Cette configuration provoque un écoulement turbulent du fluide caloporteur dans le coude 55, ce qui entraîne des pertes de charge importantes.

Selon l’invention, le moteur 1 comprend un moyen de guidage 61 dudit fluide qui est agencé à l'intérieur dudit coude 55, en amont de la deuxième paroi 56 interne du coude 55.

Le moyen de guidage 61 permet de dévier la majorité du flux de fluide caloporteur arrivant du conduit d’entrée 39 verticale longitudinalement vers l’orifice d’entrée 43a du corps de pompe 37 s’étendant longitudinalement avant qu'il ne percute la deuxième paroi 56 interne du coude 55.

Le moyen de guidage 61 fait ici saillie orthogonalement de la première paroi 59 interne du coude 55, c'est-à-dire la face interne du capot 57 de fermeture. En particulier, dans le mode de réalisation représenté ici, le moyen de guidage 61 est intégré au capot de fermeture 57 et fait saillie orthogonalement du capot de fermeture 57 à l'intérieur du coude 55.

Dans le mode de réalisation représenté aux figures 2 à 5, le moyen de guidage 61 est formé d'une hélice comportant une pluralité d’ailettes 63, ou aubages, aux nombre de neuf.

Les ailettes 63 sont identiques dans leur forme, leur taille et leur courbure mais différentes dans leur orientation.

Les neuf ailettes 63 sont, en effet, agencées et orientées de manière à former une hélice qui permet de dévier le flux de fluide qui arrive orthogonalement au corps de pompe 37, longitudinalement vers le corps de pompe. Chacune des ailettes 63 présentent une courbure permettant l’orientation du fluide arrivant orthogonalement par le conduit d’entrée 39 de fluide vers le corps de pompe 37.

Dans un autre mode de réalisation, non représenté, le moyen de guidage n’est pas une hélice, mais, par exemple un ensemble de guides permettant d’amener le fluide face à la roue 45 et ainsi de mieux le distribuer à l’entrée de la roue 45.

De préférence, le nombre d’ailettes 63, la forme, la dimension, la courbure, l’orientation, l’angle dépendent du type de moteur 1, de pompe 31 et/ou du débit du fluide. De façon avantageuse, ces paramètres seront déterminés par calcul en prenant en compte toutes les conditions de fonctionnement nécessaires de la pompe 31 et/ou du moteur 1.

Dans le mode de réalisation illustré, les ailettes 63 sont rapportées sur le capot de fermeture 57 par l’intermédiaire d’une plaque circulaire 65 avec laquelle elles forment une pièce unique en forme d’hélice. Cette pièce peut être collée, soudée ou fixée à la face interne 59 du capot de fermeture 57 et/ou à la façade d’accouplement 9 par tout autre moyen connu de l’Homme du métier. Les ailettes 63 et le capot de fermeture 57 sont deux pièces distinctes.

Les ailettes 63 sont ici fixes.

Dans une variante de réalisation, on peut envisager que le ou les moyen(s) de guidage 61 soi(en)t mobile(s). Il peut s’agir par exemple d'une hélice d’ailettes 63 libre en rotation autour de son axe longitudinal, les ailettes 63 s’orientant librement en fonction du débit et/ou de la direction du flux.

On peut aussi envisager dans une autre variante de réalisation non représentée, que la ou les ailettes 63 soi(en)t venue(s) de manière du capot de fermeture 57 et forme une pièce unique avec le capot de fermeture 57.

Les ailettes 63 sont agencées entre le capot de fermeture 57 et le corps de pompe 37 à la base du conduit d’entrée 39 de fluide de la pompe 31 qui forme un coude 55, au plus près du corps de pompe 37.

Le fluide arrivant de l’entrée de fluide 31 est dirigée par le conduit d’entrée 39 jusqu’au corps de pompe 37. Les ailettes 63 jouent alors un rôle de diffuseur de flux et dirigent le fluide dans la pompe 31. Cette redirection permet de limiter les pertes de charges et d’optimiser ainsi le fonctionnement de la pompe 31.

Claims (10)

1. Moteur (1) thermique comprenant une pompe (31) à fluide caloporteur destinée à mettre en circulation ledit fluide caloporteur dans un circuit de refroidissement (27) dudit moteur (1), ladite pompe (31) étant en relation cinématique avec un arbre d’entraînement (49) du moteur (1) s’étendant selon une direction longitudinale (L) et agencée dans carter cylindres (3) du moteur (1), ladite pompe (31) comprenant un corps de pompe (37) s’étendant longitudinalement, un conduit d’entrée (39) de fluide vertical formé dans le carter cylindres (3) et orthogonal audit corps de pompe (37) qui débouche dans un coude (55) qui dirige un flux de fluide caloporteur longitudinalement en direction du corps de pompe (37), un angle extérieur du coude (55) étant délimité par une première paroi (59) interne agencée dans le prolongement du conduit d'entrée (39) et une deuxième paroi (56) interne agencée directement en vis-à-vis de la conduite d'entrée (39),
   caractérisé en ce que le moteur (1) comprend un moyen de guidage (61) dudit fluide vers l’orifice d’entrée (43a) du corps de pompe (37) agencé dans ledit coude (55) en amont de la deuxième paroi interne (56) du coude (55).
2. Moteur (1) thermique selon la revendication précédente, dans lequel le moyen de guidage (61) fait saillie orthogonalement de la première paroi interne (59) du coude (55).
3. Moteur (1) thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pompe (37) est agencée dans un logement (36) d'une façade d'accouplement (9) du carter cylindres (3), le conduit d'entrée (39) débouchant dans le logement (36) et le logement (36) étant fermé par un capot de fermeture (57) vertical, le moyen de guidage (61) étant intégré audit capot de fermeture (57).
4. Moteur (1) thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de guidage (61) est fixe.
5. Moteur (1) thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le moyen de guidage (61) est mobile.
6. Moteur (1) thermique selon la revendication 3, dans lequel le moyen de guidage (61) est venu de matière du capot de fermeture (57) ou rapporté sur le capot de fermeture (57).
7. Moteur (1) thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de guidage (61) comporte au moins une ailette (63).
8. Moteur (1) thermique selon la revendication précédente, dans lequel la au moins une ailette (63) est de forme adaptée pour dévier le flux de fluide arrivant par le conduit d'entrée (39) longitudinalement vers le corps de pompe (37).
9. Moteur (1) thermique selon l’une quelconque des revendications 7 ou 8, dans lequel le moyen de guidage (61) est une hélice comportant une pluralité d’ailettes (63) différentes.
10. Moteur (1) thermique selon l’une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel le moyen de guidage (61) est une hélice comportant une pluralité d’ailettes (63) identiques.