CH524059A

CH524059A - Dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne suralimenté

Info

Publication number: CH524059A
Application number: CH287467A
Authority: CH
Inventors: Louis Gratzmuller Jean
Original assignee: Louis Gratzmuller Jean
Priority date: 1966-03-02
Filing date: 1967-02-24
Publication date: 1972-06-15
Also published as: DE1576718C3; GB1167264A; US3439657A; FR1499898A; DE1576718A1; BE694838A; AT304188B

Description

Dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne suralimenté
La présente invention a pour objet un dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne suralimenté comportant un circuit de refroidissement basse température comprenant une pompe et des radiateurs dits basse température, et un circuit de refroidissement haute température comprenant une pompe, les chemises d'eau du moteur et des radiateurs dits haute température.

On sait que les moteurs Diesel de forte puissance suralimentés, par exemple ceux équipant les locomotives, comportent en général au moins deux circuits de refroidissement distincts:
1) Un circuit principal, ou circuit haute température, qui assure le refroidissement du moteur proprement dit et qui comprend au moins les chemises d'eau du moteur, une pompe de circulation et des radiateurs dits haute température.

2) Un circuit auxiliaire, ou circuit basse température, qui assure le refroidissement de l'air de suralimentation du moteur, de l'huile de graissage, éventuellement de l'huile d'une transmission hydraulique, etc.

Un tel circuit auxiliaire comprend au moins un échangeur thermique eau/air de suralimentation, une pompe de circulation, des radiateurs, et, en général, un échangeur thermique eau/huile, sauf dans le cas où le refroidissement de l'huile est assuré par un circuit auxiliaire spécial.

Pour montrer la différence entre les circuits haute et basse température, on peut indiquer que le premier doit maintenir l'eau du moteur à des températures de l'ordre de 85-110 C (suivant que le système de refroidissement fonctionne à la pression atmosphérique ou bien qu'il est pourvu de moyens de mise en pression tels que ceux décrits dans le brevet français No 1 252 170 et ses additions Nos 77 300, 78 838, 83 678 et dans les brevets français Nos 1 338 447 et 1 339 626), tandis que le deuxième circuit doit maintenir l'eau de refroidissement de l'air de suralimentation et/ou de l'huile à des températures de l'ordre de 50" C.

Etant donné que l'air atmosphérique ambiant de refroidissement des radiateurs peut atteindre et dépasser 300 C, on voit que l'efficacité des radiateurs basse température, qui doivent fonctionner avec un écart de température entre l'entrée et la sortie de l'air de 200 C environ, est beaucoup plus faible que celle des radiateurs. haute température qui, même s'ils reçoivent à l'entrée, ainsi qu'il est usuel pour diminuer l'encombrement, l'air sortant des radiateurs basse température, disposent d'un écart de température de 35-60 C.

Si l'on note d'autre part que le circuit basse température doit évacuer, pour le refroidissement de l'air de suralimentation et de l'huile de graissage, lorsque le moteur est à pleine puissance, environ 1,3 fois plus de calories que le circuit haute température (H.T.), on voit que les problèmes de refroidissement sont surtout causés par le circuit basse température (B.T.) qui, en pratique, constitue l'une des limites de l'augmentation des taux de suralimentation et, par conséquent, de l'augmentation de puissance.

On arrive ainsi, sur les moteurs Diesel de forte puissance pour locomotive, à devoir prévoir environ trois fois plus de radiateurs B.T. que de radiateurs H.T., d'autant plus que, par suite des impératifs d'encombrement, les radiateurs doivent être disposés en rideau , c'est-àdire par paires de radiateurs placés l'un derrière l'autre, ce qui fait qu'une proportion appréciable des paires est constituée par deux radiateurs B.T. et que l'efficacité de ces paires est mauvaise.

Le dispositif selon l'invention, qui remédie à ces difficultés est caractérisé en ce que le circuit basse température comprend un premier échangeur thermique eau/air de suralimentation, et en ce que ledit dispositif comporte, de plus, un circuit dérivé raccordé au circuit de refroidissement haute temperature en parallèle sur lesdits radiateurs haute température, ledit circuit dérivé comprenant un deuxième échangeur thermique eau/air de suralimentation qui constitue un premier étage de refroidissement de l'air de suralimentation dont le deuxième étage de refroidissement est constitué par ledit premier échangeur thermique.

L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans les moteurs Diesel de locomotives, application dont il sera plus spécialement fait mention dans ce qui suit, que ces moteurs soient de type classique ou qu'ils soient du type fortement suralimenté à faible rapport de compression, par exemple du genre qui a été décrit dans le brevet français No 1 475 778 déposé le 3 Février 1966 pour: Perfectionnements apportés aux moteurs Diesel suralimentés au nom du même inventeur.

Dans ces moteurs fortement suralimentés mais à faible rapport de compression, on doit prévoir des moyens permettant d'assurer un fonctionnement satisfaisant aussi bien à faible puissance (ou au démarrage à froid) qu'à pleine puissance. C'est ainsi qu'on peut prévoir un système échangeur de chaleur chargé de maintenir à température sensiblement constante l'air de suralimentation, comme il a été décrit dans le brevet précité, ou qu'on peut prévoir un système de variation du rapport de compression suivant les conditions de marche du moteur.

Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, diverses formes d'exécution du dispositif qui fait l'objet de l'invention.

Sur ces dessins:
La fig. 1 est une vue schématique d'un dispositif de refroidissement conforme à l'invention.

Les fig. 2 et 3 sont des vues en coupe verticale et horizontale montrant une disposition des radiateurs de ce dispositif de refroidissement à bord d'une locomotive.

La fig. 4 est une vue schématique d'une autre forme d'exécution du dispositif de refroidissement, avec circuit de refroidissement indépendant pour l'huile de graissage du moteur.

La fig. 5 est une vue en coupe horizontale de la disposition des radiateurs dans le dispositif de la fig. 4.

Le dispositif de refroidissement du moteur Diesel suralimenté 2 représenté sur la fig. 1 comprend un circuit H.T. 4, un circuit B.T. 6 et un circuit 8 dérivé sur le circuit H.T.

Le circuit H.T. 4 comprend au moins un radiateur (ou un groupe de radiateurs) 10, une pompe 12, les chemises d'eau du moteur ainsi que des tuyauteries de raccordement 14-16-18.

Le circuit B.T. comprend au moins un radiateur (ou un groupe de radiateurs) 20, une pompe 22, un échangeur thermique eau/huile 24 assurant le refroidissement de l'huile de graissage du moteur (les canalisations amenant l'huile à l'échangeur n'ont pas été représentées) et un échangeur thermique eau/air d'alimentation 26 qui constitue l'étage B.T. d'un échangeur 28 refroidissant l'air soufflé par le turbo-compresseur de suralimentation (non représenté) du moteur. Le circuit est complété par des tuyauteries de raccordement 3032-34-36.

Le circuit dérivé H.T. 8 comprend simplement un échangeur thermique eau/air de suralimentation 38 qui constitue l'étage H.T. de l'échangeur 28, ledit échangeur étant raccordé en dérivation sur le circuit principal, en parallèle sur le radiateur 10, au moyen de deux tuyauteries 40-42.

Les deux radiateurs ou groupes de radiateurs 20-10 sont disposés par paires, c'est-à-dire l'un derrière l'autre, et sont traversés successivement par le flux d'air entraîné par un ou plusieurs ventilateurs 44.

On a représenté sur les fig. 2 et 3, la disposition en rideau des radiateurs à bord d'une locomotive à moteur Diesel 46, les radiateurs étant groupés par paires en deux rideaux de chaque côté de la locomotive.

Pour que chaque paire de radiateurs 20-10 soit utilisée le mieux possible, il faut que chacune soit constituée par un radiateur B.T. et un radiateur H.T.

C'est ce que permet de réaliser l'invention, alors que, dans les systèmes de refroidissement classiques, la prépondérance du circuit B.T. conduisait à avoir beaucoup plus de radiateurs B.T., du fait, notamment, qu'à pleine puissance ce circuit B.T., devait refroidir à lui seul la totalité de l'air de suralimentation, la température de cet air pouvant être de l'ordre de 200 C à la sortie du compresseur pour un taux de compression d'environ 3. Il en résultait donc que certaines paires étaient constituées par deux radiateurs B.T. dont le deuxième travaillait mal.

Le branchement du nouveau circuit 8 en dérivation sur les radiateurs 10 présente de nombreux avantages: en effet, la totalité du débit de la pompe 12 traverse les chemises d'eau du moteur, ce qui est favorable pour éviter la formation de points chauds, alors que la partie 110-16 n'est parcourue que par une fraction de ce débit, par exemple de l'ordre de la moitié. Il en résulte que la section des tuyauteries 14 et 16 (qui sont longues) peut être diminuée, ce qui est plus économique et facilite le montage, en même temps que les radiateurs H.T. 10 ne sont plus soumis à un débit violent et surabondant.

Bien entendu, l'autre fraction du débit de la pompe 12 (par exemple l'autre moitié) passe par les tuyauteries supplémentaires 4042 du circuit dérivé, mais ces tuyauteries sont extrêmement courtes (entre le moteur et l'arrivée d'air d'alimentation) donc peu coûteuses.

D'autre part, l'échangeur 28 à 2 étages n'est pas beaucoup plus important que l'échangeur unique qui existe sur les systèmes de refroidissement classiques.

Une partie des calories de l'air de suralimentation étant évacuée par le nouveau circuit dérivé 8, le débit de la pompe 22 du circuit B.T. 6 n'a plus besoin d'être aussi important que sur les systèmes de refroidissement classiques, si bien qu'on réalise une nouvelle économie, sur la pompe et sur la section des tuyauteries 3032-34-36 qui sont longues.

La répartition du débit de la pompe 12 entre les deux circuits 14-10-16 et 42-38-40 est choisie de façon à obtenir l'équilibrage calorifique entre les circuits
H.T. et B.T., cette répartition de débit se faisant d'après les pertes de charge dans les 2 branches du circuit et pouvant être ajustée, par exemple au moyen d'un ou deux opercules 50-50' de section choisie.

Etant donné que l'air de suralimentation du moteur doit être refroidi par le second étage 26 de l'échangeur 28 jusqu'à une température plus basse que celle de l'huile de graissage qui passe dans l'échangeur 24 (par exemple respectivement 50" C et 700 C), il peut être avantageux, surtout sur les gros moteurs, de prévoir un circuit de refroidissement indépendant pour l'huile de graissage de façon à utiliser tous les radiateurs au mieux.

Une telle disposition est représentée sur la fig. 4 où l'échangeur eau/huile 24 est retiré du circuit B.T. 6 qui, sinon, est identique à celui de la fig. 1. Le circuit indépendant 52 comprend l'échangeur 24, une pompe 54 et un radiateur B.T. 56 (ou un groupe de radiateurs), ainsi que les tuyauteries de raccordement 5860-62. Le circuit H.T. 4 et le circuit dérivé 8 sont identiques à ce qui a été décrit à propos de la fig. 1, si ce n'est qu'on a fait figurer 2 radiateurs H.T. 10 (qui peuvent être montés en série ou en parallèle sur l'eau) de façon à constituer 2 paires de radiateurs B.T.-H.T.: une paire 20-10 et une paire 56-10.

Un tel circuit indépendant 52 peut améliorer l'efficacité des radiateurs et par suite abaisser la température de l'air admis au moteur, du fait de leur meilleure utilisation, sans augmenter de façon appréciable les frais de construction car il est possible de réduire le débit de la pompe 22 et les sections des tuyauteries du circuit 6, ce circuit n'ayant plus à assurer le refroidissement de l'huile de graissage.

On a représenté à titre d'exemp]e sur la fig. 5, la disposition en rideaux des radiateurs dans le mode de réalisation de la fig. 4. Si le système de refroidissement nécessite par exemple 28 radiateurs, on peut avoir 14 radiateurs H.T. 10, 10 radiateurs B.T. 20 assurant le deuxième étage de refroidissement de l'air de suralimentation et 4 radiateurs B.T. 56 assurant le refroidissement de l'huile de graissage. Grâce à l'invention, chaque radiateur H.T. 10 se trouve en série, sur l'air, avec un radiateur B.T. (20 ou 56) si bien qu'on utilise au mieux tous les radiateurs.

On va donner, dans ce qui suit, un exemple illustrant les avantages apportés par le dispositif de refroidissement suivant l'invention, dans le cas d'un moteur
Diesel de locomotive dont les radiateurs doivent évacuer, lorsque le moteur est à pleine puissance, une quantité Q de calories par CV/heure qui se répartissent de la façon suivante: Q1 = 0,43 Q pour l'eau du moteur (circuit H.T.)
Q2 = 0,57 Q pour l'eau de refroidissement de l'air de
suralimentation et de l'huile de graissage
(circuit B.T.).

Un calcul approximatif donne les résultats suivants, si, par exemple, les températures d'air à travers les radiateurs sont les suivantes: radiateur B.T.: entrée 30 C, sortie 500 C (E t 200) radiateur H.T.: entrée 500 C, sortie 950 C (A't 450)
Si l'on suppose qu'il faut un nombre N de radiateurs H.T. pour refroidir l'eau du moteur, le nombre
N' de radiateurs B.T. nécessaires dans un système de refroidissement classique (c'est-à-dire où le circuit
B.T. assure le refroidissement de l'huile de graissage et de la totalité du refroidissement de l'air de suralimentation) sera:

:
0,57Q Nul t 0,57 45 N' = N X X =nu X X =3N N
0,43 Q A t 0,43 20
On voit donc que dans un système classique, le nombre total de radiateurs est N+3N = 4N et que V5 des radiateurs B.T. seront en série sur l'air avec des radiateurs B.T., donc qu'ils travailleront mal et que la température finale de 50 C ne sera pas respectée.

Avec un dispositif à circuit H.T. dérivé conforme à l'invention, tel par exemple que celui représenté sur la fig. 1, chaque radiateur B.T. peut travailler par paire avec un radiateur H.T. si bien que: les radiateurs B.T.

peuvent évacuer:
At 20 XQ= Q--O,31Q
At+A't 65 les radiateurs H. T. peuvent évacuer:
A't 45 xQ= Q=G,69Q
At+A't 65
Comme on a vu que N radiateurs H.T. peuvent évacuer 0,43 Q, il faudra, pour évacuer 0,69 Q un nombre N" de radiateurs H.T. tel que:
0,69
N" = N = 1,6 N
0,43
On aura donc 1,6 N radiateurs H.T. et 1,6 N radiateurs B.T., c'est-à-dire 3,2 N radiateurs en tout au lieu de 4 N avec le système classique. L'économie de construction sur les radiateurs est de 2O0/o et on respectera la température de sortie de 50 C pour les radiateurs B.T.

On voit, d'autre part, que le circuit dérivé devra évacuer 0,69 Q-0,43 Q = 0,26 Q pour équilibrer les 2 circuits H.T. et B.T.

Dans le cas du mode de réalisation de la fig. 4, le circuit B.T. supplémentaire 52, qui a pour fonction de maintenir l'huile de graissage à la température convenable (par exemple 700 C) pour l'eau de ce circuit, température qui est supérieure à celle de l'eau du circuit 6, donne une meilleure efficacité aux radiateurs 20 qui peuvent maintenir l'air de suralimentation à une température inférieure à la température de 50 C citée dans ce qui précède, d'où une amélioration du fonctionnement du moteur.

Le débit total d'eau des circuits B.T., c'est-à-dire le débit circulant dans les circuits 6 et 52 sera environ la moitié du débit qui circulait dans le circuit 6 de la fig. 1, ce qui facilite le montage.

Ces deux circuits 6 et 52 peuvent être alimentés par une nourrice commune, les circuits étant agencés de façon qu'il n'y ait pas de circulation parasite entre ces deux circuits à température différente.

Dans le cas d'un moteur suralimenté ne comportant qu'un seul circuit de refroidissement, par exemple un moteur à faible rapport de compression tel que ceux dont il a été question précédemment, le circuit de refroidissement est limité aux éléments suivants indiqués sur les fig. 2 ou 4: une branche principale qui comprend la pompe 12, la canalisation 18 et les chemises d'eau du moteur, dans lesquelles passe ainsi la totalité du débit de la pompe; une première branche dérivée qui comprend les tuyauteries 14-16 et les radiateurs 10 dans lesquels ne passe ainsi qu'une fraction du débit de la pompe; une deuxième branche dérivée, en parallèle sur la première branche dérivée, qui comprend les tuyauteries 4042 ainsi que l'échangeur de chaleur 38 à travers lequel passe l'air de suralimentation.

Claims

REVENDICATION

Dispositif de refroidissement pour moteur à combustion interne suralimenté comportant un circuit de refroidissement basse température comprenant une pompe et des radiateurs dits basse température, et un circuit de refroidissement haute température comprenant une pompe, les chemises d'eau du moteur et des radiateurs dits haute température, caractérisé en ce que le circuit basse température comprend un premier échangeur thermique eau/air de suralimentation, et en ce que ledit dispositif comporte, de plus, un circuit dérivé raccordé au circuit de refroidissement haute température en parallèle sur lesdits radiateurs haute température,

ledit circuit dérivé comprenant un deuxième échangeur thermique eau/air de suralimentation qui constitue un premier étage de refroidissement de l'air de suralimentation dont le deuxième étage de refroidissement est constitué par ledit premier échangeur thermique.

SOUS-REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement suivant la revendication, caractérisé en ce que le nombre des radiateurs haute température est égal au nombre des radiateurs basse température, lesdits radiateurs haute température et basse température étant disposés par paire en série, sur l'air ambiant de refroidissement desdits radiateurs.

2. Dispositif de refroidissement suivant la revendication et la sous-revendication 1, caractérisé en ce que le circuit basse température comprend, de plus, un échangeur thermique eau/huile de graissage.

3. Dispositif de refroidissement suivant la revendication et la sous-revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit auxiliaire de refroidissement comprenant une pompe, des radiateurs basse température et un échangeur thermique eau/huile de graissage.