Vanne thermostatique multivoies pour la distribution sélective et la régulation de débit d'un liquide de refroidissement dans un circuit de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile

La présente invention concerne une vanne thermostatique multivoies pour la distribution sélective et la régulation de débit d'un liquide de refroidissement dans au moins trois branches parallèles d'un circuit de refroidissement d'un moteur, notamment thermique, électrique ou hybride, de véhicule automobile. Un tel circuit est parcouru par un liquide de refroidissement circulant en circuit fermé sous l'action d'une pompe afin de réguler thermiquement le fonctionnement du moteur.

Pour permettre cette régulation du moteur, le liquide de refroidissement traverse habituellement un tel circuit comprenant plusieurs branches, dont une branche qui contient un échangeur thermique en façade de véhicule, couramment appelé radiateur, une branche qui contient un autre échangeur thermique associé à l'habitacle, couramment appelé aérotherme, et une branche de dérivation qui constitue une dérivation du radiateur de refroidissement, couramment appelée "by-pass". Un tel circuit de refroidissement peut encore comporter d'autres branches comprenant par exemple un bocal de dégazage ou d'autres échangeurs thermiques tels que des échangeurs eau/huile ou eau/air couramment appelés échangeurs de suralimentation.

Le refroidissement de la structure d'un moteur à combustion interne est une fonction essentielle pour prémunir le moteur de toute avarie d'origine thermique, notamment dans le domaine des véhicules automobiles.

Les circuits de refroidissement connus régulent généralement la température de la structure du moteur par l'intermédiaire d'un thermostat à deux positions: ouverte ou fermée. Le changement d'état du thermostat dépend de la température du liquide de refroidissement par rapport à un seuil de température pré-réglé en usine et donc figé pour toute la vie du moteur. De plus, la caractéristique de la perte de charge de chaque branche du circuit de refroidissement détermine le débit de liquide dans chacune d'elle. Pour un circuit donné, cette caractéristique, qui détermine le refroidissement du moteur, est figée elle aussi.

Par ailleurs, avec l'évolution des normes antipollution et les besoins de réduction de consommation en carburant, la stratégie de contrôle du moteur s'oriente de plus en plus vers une régulation en continu des paramètres de fonctionnement du moteur, en particulier de sa température. Ainsi, en ce qui concerne le refroidissement, on souhaite pouvoir canaliser la chaleur vers des zones stratégiques du moteur et/ou vers des composants situés sur les branches du circuit et ce, aux moments les plus propices, en fonction de paramètres extérieurs tels que le régime du moteur.

Le cœur de tous les systèmes de régulation actuels est basé sur le thermostat. Celui-ci est composé d'une simple cartouche de laiton remplie d'une cire se dilatant quand la température augmente, de moyens d'étanchéité

(couramment un joint) et d'un ou deux clapets pouvant être rappelés en position initiale à l'aide de ressorts.

Si le thermostat ne comprend qu'un seul clapet, il ne peut commander que la branche de circuit « radiateur » et on le dénomme couramment "thermostat à simple effet", alors qu'un thermostat dit à "double effet" possède deux clapets permettant de commander en même temps les les deux branches radiateur et de dérivation, dite branche "by-pass".

Ce principe est simple et robuste d'où son utilisation systématique dans tout type de circuit caloporteur nécessitant une régulation. Il ne permet cependant de piloter que deux branches de circuit au maximum.

Les dernières évolutions consistent à ajouter, en plus de ce thermostat piloté, des électrovannes pour le pilotage des autres branches, ou à remplacer le thermostat par un actionneur rotatif commandant plusieurs branches comme le présentent les documents de brevets FR 2 817 011 ou FR 2 837 897. Tous ces systèmes ajoutés finissent par avoir un coût non négligeable.

L'inconvénient majeur des systèmes actuels basés sur la technologie du thermostat à double effet réside dans le fait que ces systèmes ne peuvent commander les débits que dans les branches radiateur et de dérivation dite by-pass.

La branche de dérivation permet au liquide de retourner directement au moteur pour limiter les échanges thermiques: en situation de moteur froid pour diminuer le temps de montée en température ou en situation de roulage de véhicule pour augmenter la température de régulation. La

branche radiateur permet quant à elle de refroidir le fluide par des échanges thermiques fluide/air.

Le système reste malgré tout limité au pilotage du refroidissement du moteur et ne permet pas une gestion complète (dans les différentes branches) de la régulation.

Les moteurs rotatifs ou les systèmes associant thermostat piloté et électrovannes permettent quant à eux de réaliser un pilotage multivoies mais l'inconvénient majeur de ces systèmes est le coût élevé ce qui en limite l'intérêt. La présente invention vise à éviter ces inconvénients en proposant une vanne robuste, simple et économique pour la distribution du liquide de refroidissement du circuit d'un moteur, qui offre de grandes possibilités de régulation de la température des zones stratégiques de la structure du moteur. A cet effet, l'invention a pour objet une vanne thermostatique multivoies pour la distribution sélective et la régulation de débit d'un liquide de refroidissement dans au moins trois branches parallèles d'un circuit de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile, comportant essentiellement:

- un corps de vanne creux dans lequel est ménagée une chambre de distribution, de forme générale sensiblement cylindrique, prévue pour recevoir du liquide de refroidissement en provenance du moteur et dans une paroi latérale de laquelle sont ménagées, à une même hauteur axiale mais décalées angulairement, au moins trois lumières latérales conduisant chacune vers une des branches du circuit de refroidissement; - un obturateur tournant creux comprenant un fond ajouré et une jupe cylindrique, de diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre intérieur de la chambre, et dont une lumière latérale est susceptible de coïncider avec une ou plusieurs des lumières latérales de la chambre de distribution, de manière à autoriser un débit de liquide de refroidissement dans la ou les branches correspondantes du circuit de refroidissement;

- des moyens d'entraînement en rotation de l'obturateur tournant, proportionnellement à la température du liquide de refroidissement dans la chambre, ces moyens d'entraînement en rotation comprenant une tige d'entraînement en rotation de forme cylindrique et filetée, montée mobile en translation axiale dans un trou central à paroi cylindrique taraudée de l'obturateur tournant, et dont la translation axiale est commandée, en fonction

de la température du liquide de refroidissement dans la chambre, par un actionneur linéaire solidaire de la tige et réalisé sous la forme d'une cartouche thermo-dilatable en longueur.

Selon une possibilité, le filetage de la tige d'entraînement en rotation présente au moins une portion sensiblement rectiligne orientée selon l'axe de la tige, de manière à définir une ou plusieurs positions angulaires "stables" de l'obturateur tournant, dans lesquelles la rotation de l'obturateur tournant est temporairement interrompue tandis que se poursuit la translation axiale de la tige d'entraînement. Dans ce cas, le filetage de la tige d'entraînement présente avantageusement des portions intermédiaires, inclinées ou incurvées de manière appropriée, en vue d'adoucir les transitions entre le filetage proprement dit et la ou les portions rectilignes.

Dans une forme de réalisation, la cartouche thermo-dilatable est logée dans un compartiment de commande de la chambre de distribution, séparé du reste de la chambre de distribution par une cloison possédant au moins un orifice de communication, et le compartiment de commande comporte des moyens de chauffage commandés (par exemple par un calculateur) en fonction de la température (mesurée par exemple par un capteur de température) du liquide de refroidissement présent dans la chambre de distribution.

Deux des lumières latérales de la paroi latérale de la chambre de distribution, conduisant respectivement vers une des branches et vers une autre des branches du circuit de refroidissement, peuvent être disposées symétriquement par rapport à un axe central de la chambre de distribution, afin de minimiser le couple de manœuvre.

Le corps de vanne comporte avantageusement une bride de fixation au moteur, par exemple à une culasse du moteur.

La mise en œuvre de l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui suit en regard du dessin annexé dans lequel :

- la figure 1 est un schéma fonctionnel illustrant un exemple de circuit de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile comprenant une vanne de distribution de liquide de refroidissement selon l'invention;

- la figure 2 est une vue de dessous en perspective d'un exemple de vanne de distribution selon l'invention;

- la figure 3 est une vue partielle en perspective de la vanηe de distribution de la figure 2;

- la figure 4 est une vue en éclaté et en perspective de la vanne de distribution des figures 2 et 3; - la figure 5 est une vue en écorché de la vanne de distribution de la figure 2;

- la figure 6 est une vue analogue à la figure 5 prise sous un autre angle;

- les figures 7 à 10 sont des vues schématiques en coupe transversale de la vanne de distribution des figures précédentes, qui illustrent quatre positions différentes de fonctionnement de cette vanne;

- la figure 11 une vue partielle en perspective d'une variante de réalisation d'une tige d'entraînement de la vanne.

Comme montré sur la figure 1 , un circuit de refroidissement 18 pour un moteur thermique 2 de véhicule automobile comprend une pompe à eau 3 prévue pour faire circuler du liquide de refroidissement à travers le moteur 2, et une branche 4 couramment appelée branche « radiateur » et pourvue d'un radiateur 5. Une branche de dérivation 7, couramment appelée "by-pass", permet de dévier le liquide de refroidissement en direction de la pompe 3. ^" Ce circuit 18 est complété par une branche de dégazage moteur 8 et une branche de dégazage radiateur 9 reliant la sortie du radiateur 5 à un bocal de dégazage 11 (dans le cas d'un moteur diesel), ainsi que par une branche aérotherme 12 comprenant un aérotherme ou échangeur d'habitacle 13. D'autres branches intégrant des systèmes additionnels se greffent sur ce même circuit 18: il s'agit d'une branche d'échangeur eau/huile 14 qui comprend un échangeur eau/huile 15, et d'une branche d'échangeur air/eau 16 comprenant un échangeur d'air de suralimentation 17.

La circulation et la régulation de débit du liquide de refroidissement dans les branches radiateur 4, by-pass 7 et aérotherme 12 du circuit de refroidissement 18 est contrôlée par une vanne thermostatique 19 à trois voies. Comme montré sur la figure 2, la vanne 19 comporte un corps de vanne 27 creux présentant une bride 33 de fixation à une culasse du moteur 2.

Une chambre de distribution 30, de forme générale sensiblement cylindrique, est ménagée dans le corps de vanne 27 et prévue pour recevoir du liquide de refroidissement en provenance du moteur 2 par une ouverture 29 pratiquée dans le corps de vanne 27. Une. paroi latérale de la chambre de

distribution 30 présente, à une même hauteur axiale mais décalées angulairement, trois lumières latérales 26, 26' et 26" conduisant chacune, par l'intermédiaire d'une tubulure de sortie 28, 28' et 28" (mieux visibles sur les figures 3 et 4) du corps de vanne 27, vers une des branches 7, 12 et 4 du circuit de refroidissement 18.

Une sonde de température 55 est disposée sur le corps de vanne 27 de manière à déboucher dans la chambre de distribution 30 pour y mesurer la température du liquide de refroidissement.

Comme visible sur la figure 4, le corps de vanne 27 loge un obturateur tournant 22 de forme annulaire monté rotatif dans la chambre de distribution 30, et de diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre intérieur de la chambre 30. Une tige 37 d'entraînement en rotation, de forme cylindrique et filetée, est montée mobile en translation axiale dans un trou central 23 de l'obturateur tournant 22 dont la paroi cylindrique est taraudée de manière complémentaire au filetage de la tige 37. La tige 37 est immobilisée en rotation. Un mouvement de translation axiale de la tige 37 provoque par conséquent une rotation de l'obturateur tournant 22.

Une variante de réalisation de la tige d'entraînement en rotation 37 est illustrée sur la figure 11. Le filetage 59 de la tige 37 présente ici de courtes portions sensiblement rectilignes 60 orientées selon l'axe de la tige 37, de manière à définir une ou plusieurs positions angulaires "stables" de l'obturateur tournant 22 dans lesquelles la rotation de l'obturateur tournant 22 est temporairement interrompue tandis que se poursuit la translation axiale de la tige 37. Des portions intermédiaires, inclinées ou incurvées de manière appropriée, permettent d'adoucir les transitions entre le filetage 59 proprement dit et les portions rectilignes 60.

Le trou central 23 est entouré d'un fond ajouré 25 de l'obturateur tournant 22 qui permet le passage de liquide de refroidissement au travers de l'obturateur tournant 22. Une lumière latérale 24 est ménagée dans la jupe cylindrique de l'obturateur tournant 22 (voir figures 4 à 6), de manière à pouvoir coïncider avec une ou plusieurs des lumières latérales 26, 26' et 26" de la chambre de distribution 30 en vue d'autoriser le passage d'un débit de liquide de refroidissement dans la ou les branches correspondantes 7, 12 et 4 du circuit de refroidissement 18.

La position angulaire variable de l'obturateur tournant 22 dans la chambre de distribution 30 (et plus particulièrement la mise en correspondance ou non de la lumière latérale 24 de l'obturateur tournant 22 avec une, deux ou trois des lumières latérales 26, 26' ou 26" de la chambre de distribution 30) permet ainsi d'obtenir des débits de liquide de refroidissement variables dans les différentes branches 7, 12 et 4 du circuit 18.

L'étanchéité entre la paroi extérieure de l'obturateur tournant 22 et le corps de vanne 27 est assurée au moyen de moulages formant des barrières d'étanchéité 32 ou des chicanes. Des joints d'étanchéité leur sont associés pour améliorer l'étanchéité.

La translation axiale de la tige 37 est commandée, proportionnellement à la température du liquide de refroidissement dans la chambre 30, par un actionneur linéaire solidaire de la tige 37 et réalisé sous la forme d'une cartouche de laiton 43 contenant une cire thermo-dilatable de sorte que la cartouche 43 est de longueur variable selon la température de son environnement.

La cartouche thermo-dilatable 43 est tarée de sorte que sa course de dilatation soit maximale lorsqu'une température critique de sécurité du moteur est atteinte. La cartouche thermo-dilatable 43 est logée dans un compartiment de commande 20 de la chambre de distribution 30. Le compartiment de commande 20 est séparé du reste de la chambre de distribution 30 par une cloison circulaire 35 et comporte un couvercle 21 (omis sur la figure 3 pour en faciliter la lecture) sur lequel est prévue une tubulure de sortie 45. Afin de permettre une circulation en continu du liquide de refroidissement autour de la cartouche thermo-dilatable 43, une partie du liquide venant de l'ouverture 29 est évacuée, à travers un orifice de communication 44 pratiqué dans la cloison 35 et via la tubulure de sortie 45, vers le bocal de dégazage 11 par exemple. La figure 7 montre la vanne en position fermée lorsque le moteur est froid (au démarrage du véhicule): l'obturateur tournant 22 est dans une position de chauffage du moteur qui empêche le liquide de refroidissement de circuler vers les branches 4 et 12 du circuit 18, afin de réduire le temps de montée en température du moteur 2. Seule une légère fuite de liquide de refroidissement peut être autorisée dans la branche by-pass 7.

Lorsqu'une température de tarage prédéterminée de la cartouche thermo-dilatable 43, par exemple 40 ⁰ C, est atteinte, celle-ci se dilate et déplace axialement la tige d'entraînement 37 laquelle entraîne en rotation, par son filetage, l'obturateur tournant 22, de sorte que la lumière latérale 24 de l'obturateur tournant 22 vient d'abord en correspondance avec la lumière latérale 26 de la chambre de distribution 30 de manière à laisser circuler du liquide de refroidissement dans la branche by-pass 7, puis également en correspondance avec la lumière latérale 26' de manière à laisser circuler du liquide de refroidissement dans la branche aérotherme 12 (voir figure 8). A une température de, par exemple, 85°C, la lumière latérale 24 de l'obturateur tournant 22 vient partiellement aussi en correspondance avec la lumière latérale 26" de la chambre de distribution 30 de manière à laisser également circuler un peu de liquide de refroidissement dans la branche radiateur 4 du circuit 18 (voir figure 9). A une température de, par exemple, 95°C, la lumière latérale 24 de l'obturateur tournant 22 vient entièrement en correspondance avec la lumière latérale 26" de la chambre 30 de manière à laisser circuler du liquide de refroidissement dans la branche radiateur 4 du circuit 18.

Enfin, à une température critique de sécurité du moteur de, par exemple, 115°C, la lumière 24 de l'obturateur 22 coïncide uniquement avec la lumière latérale 26" dans une position de refroidissement du moteur 2, de sorte que le liquide de refroidissement ne circule que dans la branche radiateur 4 (voir figure 10).

Lorsque la cire thermo-dilatable de la cartouche 43 refroidit, un ressort de rappel 31 assiste le retour de l'obturateur tournant 22 et de la tige 37 en position initiale. Le ressort 31 est ici un ressort de torsion (voir la figure 6, à gauche) mais pourrait aussi être un ressort de compression agissant directement sur l'extrémité de la tige 37.

Dans une variante non représentée, les lumières latérales 26 et 26" de la chambre de distribution 30, qui conduisent respectivement vers la branche de dérivation 7 et vers la branche radiateur 4 du circuit de refroidissement 18, sont disposées symétriquement par rapport à un axe central de la chambre de distribution 30. Cette disposition met en réaction les deux efforts liés à la différence de pression entre l'entrée 29 et la pression dans les tubulures 28 et 28" qui ont alors tendance à s'annuler (vanne fermée).

II est aussi possible de déclencher la dilatation de la cartouche 43 à une température de liquide de refroidissement inférieure à la température de "tarage" de la cartouche 43, par des moyens de chauffage (non représentés) prévus dans le compartiment 20 et commandés par un calculateur 56, en fonction de la température mesurée par la sonde 55. En régulant le moteur 2 à une température supérieure, par exemple environ 100 ⁰ C, il est ainsi possible de réduire la pollution et la consommation en carburant.

Bien que l'invention ait été décrite avec des exemples particuliers de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre des revendications annexées.