FR3011580A1 - COOLING AN ALTERNATE INTERNAL COMBUSTION ENGINE - Google Patents
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Abstract
Le système de refroidissement d'un moteur alternatif à combustion interne comprend : • Un réservoir (R) de carburant; Et un ou plusieurs parmi les ensembles de refroidissement suivants : • Un ensemble (ENS1) de refroidissement du moteur (M) ; • Un ensemble (ENS2) de refroidissement de l'air de suralimentation du moteur (M) ; • Un ensemble (ENS3) de refroidissement de l'huile de lubrification du moteur (M), système de refroidissement dans lequel le carburant contribue à refroidir un ensemble de refroidissement (ENS1 ; ENS2 ; ENS3) par un échange calorifique lors de sa circulation dans ledit ensemble de refroidissement (ENS1 ; ENS2 ; ENS3).The cooling system of an internal combustion reciprocating engine comprises: • a tank (R) of fuel; And one or more of the following cooling assemblies: • An engine cooling set (ENS1) (M); • A set (ENS2) for cooling the charge air of the engine (M); • An assembly (ENS3) for cooling the engine lubricating oil (M), a cooling system in which the fuel contributes to cooling a cooling assembly (ENS1, ENS2, ENS3) by a heat exchange during its circulation in the engine. said cooling assembly (ENS1; ENS2; ENS3).
Description
REFROIDISSEMENT D'UN MOTEUR ALTERNATIF A COMBUSTION INTERNE DOMAINE Le domaine de l'invention concerne les circuits de refroidissement d'un moteur d'aéronef. Plus particulièrement, le domaine de l'invention se rapporte aux circuits de refroidissement de moteur alternatif à combustion interne de type un moteur diesel couplé à une turbine. ETAT DE L'ART Actuellement, il existe certains dispositifs de refroidissement d'un moteur d'un Groupe Auxiliaire de Puissance installé dans un aéronef.FIELD OF THE INVENTION The field of the invention relates to the cooling circuits of an aircraft engine. More particularly, the field of the invention relates to internal combustion engine reciprocating cooling circuits of the type a diesel engine coupled to a turbine. STATE OF THE ART Currently, there are certain cooling devices for an engine of a Power Auxiliary Group installed in an aircraft.
Généralement un groupe auxiliaire de puissance a pour objectif de fournir de la puissance électrique ou de l'air comprimé à l'aéronef au sol et parfois en vol. L'utilisation d'un moteur thermique à allumage par compression, par exemple par un cycle diesel, permet de réduire très fortement la consommation de carburant par rapport à un turbomoteur. Cette solution présente un avantage du point de vue la consommation, en revanche la masse du moteur alternatif à combustion interne est plus élevée que celle d'un turbomoteur. Une des raisons de la masse plus élevée du moteur alternatif à combustion interne est liée à la nécessité de refroidir le moteur, de refroidir l'huile du moteur, de refroidir l'air de suralimentation du moteur. La solution habituellement utilisée pour refroidir le moteur alternatif à combustion interne est de faire circuler un mélange glycol-eau entre le moteur et un radiateur prévu à cet effet. Ce dernier radiateur doit lui-même être refroidi par de l'air aspiré à l'extérieur de l'aéronef par un compresseur. De la même façon l'huile utilisée pour lubrifier le groupe auxiliaire de puissance doit être refroidie. A cet effet un radiateur eau-huile peut être utilisé. L'eau provenant de ce radiateur eau-huile est également refroidie par de l'air aspiré à l'extérieur de l'aéronef par un ventilateur.Generally an auxiliary power unit is intended to provide electric power or compressed air to the aircraft on the ground and sometimes in flight. The use of a compression ignition engine, for example a diesel cycle, can greatly reduce fuel consumption compared to a turbine engine. This solution has an advantage from the point of view of consumption, however the mass of the reciprocating internal combustion engine is higher than that of a turbine engine. One of the reasons for the higher mass of the internal combustion reciprocating engine is related to the need to cool the engine, to cool the engine oil, to cool the engine boost air. The solution usually used to cool the reciprocating internal combustion engine is to circulate a glycol-water mixture between the engine and a radiator provided for this purpose. This latter radiator must itself be cooled by air sucked outside the aircraft by a compressor. In the same way, the oil used to lubricate the auxiliary power unit must be cooled. For this purpose a water-oil radiator can be used. The water from this water-oil radiator is also cooled by air sucked out of the aircraft by a fan.
Enfin l'air destiné à suralimenter le moteur alternatif à combustion interne est refroidi dans un radiateur air-air. L'air de refroidissement est encore une fois aspiré à l'extérieur de l'aéronef par un ventilateur. Par conséquent, un moteur alternatif à combustion interne est équipé d'au moins trois radiateurs de refroidissement. Une variante possible consiste à refroidir le moteur thermique par de l'air directement issu de l'extérieur. Ce dispositif limite la puissance thermique du moteur alternatif à combustion interne et nécessite également la mise en place d'un ventilateur afin de souffler de l'air sur les culasses et les cylindres du moteur alternatif à combustion interne. Les solutions existantes sont lourdes d'un point de vue de la masse nécessaire au fonctionnement d'un tel refroidissement. En outre, elles sont difficiles à mettre en oeuvre et couteuses du fait des trois circuits de refroidissement Par ailleurs, ces solutions sont faiblement efficaces en raison de la faible capacité calorifique de l'air. Par conséquent ces solutions nécessitent la mise en place de radiateurs de grande taille et donc encombrants. Les entrées d'air de ces radiateurs sont de grande dimension. De plus elles doivent être obturées en vol lorsque le Groupe Auxiliaire de Puissance est à l'arrêt. RESUME DE L'INVENTION L'invention permet de résoudre les inconvénients précités.Finally the air for supercharging the reciprocating internal combustion engine is cooled in an air-to-air radiator. The cooling air is again sucked out of the aircraft by a fan. Therefore, an internal combustion reciprocating engine is equipped with at least three cooling radiators. A possible variant is to cool the engine by air directly from the outside. This device limits the thermal power of the reciprocating internal combustion engine and also requires the installation of a fan to blow air on the cylinder heads and cylinders of the reciprocating internal combustion engine. The existing solutions are heavy from the point of view of the mass necessary for the operation of such cooling. In addition, they are difficult to implement and expensive because of the three cooling circuits Moreover, these solutions are weakly effective because of the low heat capacity of the air. Therefore these solutions require the installation of large radiators and therefore bulky. The air intakes of these radiators are large. In addition they must be closed in flight when the Auxiliary Power Unit is stationary. SUMMARY OF THE INVENTION The invention solves the aforementioned drawbacks.
Notamment, l'invention s'applique à un tel moteur alternatif à combustion interne. La présente invention permet de diminuer la masse des dispositifs de refroidissement nécessaire au fonctionnement du moteur alternatif à combustion interne utilisé en tant que Groupe Auxiliaire de Puissance sur un 30 aéronef. Un objet de l'invention concerne un système de refroidissement d'un moteur alternatif à combustion interne, comprenant: - Un réservoir de carburant; Et un ou plusieurs parmi les ensembles de refroidissement suivants : - Un ensemble de refroidissement du moteur; - Un ensemble de refroidissement de l'air de suralimentation du moteur; - Un ensemble de refroidissement de l'huile de lubrification du moteur, système de refroidissement dans lequel le carburant contribue à refroidir un ensemble de refroidissement par un échange calorifique lors de sa circulation dans ledit ensemble de refroidissement. Un avantage est d'utiliser la capacité thermique du carburant qui n'est aujourd'hui pas utilisée. En effet, dans les systèmes actuels, le carburant est destiné à alimenter le moteur. Dans la présente invention, le carburant est également utilisé pour refroidir le moteur. Un autre avantage d'utiliser le carburant au lieu d'un liquide de refroidissement à base d'eau est sa plage de température plus étendue vers les basses et les hautes températures. De plus, il présente une meilleure résistance à la cavitation dans les pompes et vannes hydrauliques. Avantageusement, l'ensemble de refroidissement du moteur comprend un premier radiateur comprenant un premier liquide de refroidissement destiné à circuler dans le moteur. Le premier liquide de refroidissement est refroidi par le premier volume de carburant prélevé, ledit premier volume de carburant circulant dans le radiateur et étant réinjecté dans le réservoir au moyen d'une première entrée. Un avantage est d'utiliser un radiateur intermédiaire qui n'impose pas de nombreuses modifications de l'ensemble de refroidissement du moteur puisqu'un liquide de refroidissement peut être déjà utilisé pour refroidir le moteur. L'invention permet de refroidir dans ce mode ce liquide de refroidissement. De préférence, le premier liquide de refroidissement est un mélange d'eau et de glycol.In particular, the invention applies to such an internal reciprocating engine. The present invention makes it possible to reduce the weight of the cooling devices necessary for the operation of the reciprocating internal combustion engine used as an Auxiliary Power Unit on an aircraft. An object of the invention relates to a cooling system of an internal combustion reciprocating engine, comprising: - a fuel tank; And one or more of the following cooling assemblies: - an engine cooling assembly; - A set of cooling of the engine air supercharging; - A cooling assembly of the engine lubricating oil, a cooling system in which the fuel contributes to cooling a cooling assembly by a heat exchange during its circulation in said cooling assembly. One advantage is to use the thermal capacity of the fuel that is not used today. Indeed, in current systems, the fuel is intended to supply the engine. In the present invention, the fuel is also used to cool the engine. Another advantage of using the fuel instead of a water-based coolant is its wider temperature range to lower and higher temperatures. In addition, it has a better resistance to cavitation in pumps and hydraulic valves. Advantageously, the engine cooling assembly comprises a first radiator comprising a first coolant intended to circulate in the engine. The first coolant is cooled by the first volume of fuel removed, said first volume of fuel flowing in the radiator and being re-injected into the tank by means of a first inlet. One advantage is to use an intermediate radiator that does not impose many modifications to the engine cooling assembly since a coolant may already be used to cool the engine. The invention makes it possible to cool in this mode this cooling liquid. Preferably, the first coolant is a mixture of water and glycol.
Avantageusement, l'ensemble de refroidissement du moteur comprend un circuit acheminant directement le premier volume de carburant prélevé dans ledit moteur, le premier volume de carburant circulant dans ledit moteur étant réinjecté dans le réservoir au moyen d'une première entrée.Advantageously, the engine cooling assembly comprises a circuit directly conveying the first volume of fuel taken from said engine, the first volume of fuel circulating in said engine being reinjected into the tank by means of a first inlet.
Un avantage de cette solution est qu'elle permet d'économiser en coût et en masse un radiateur intermédiaire. Avantageusement, l'ensemble de refroidissement de l'air de suralimentation du moteur de l'air de suralimentation du moteur comprend une entrée permettant de prélever un second volume de carburant d'une seconde sortie du réservoir de carburant. Le second volume de carburant contribue à refroidir l'air de suralimentation injecté dans le moteur par un échange calorifique lors de sa circulation dans l'ensemble de refroidissement de l'air de suralimentation du moteur.An advantage of this solution is that it saves in cost and mass an intermediate radiator. Advantageously, the engine charge air cooler air cooling assembly includes an inlet for withdrawing a second fuel volume from a second fuel tank outlet. The second volume of fuel helps to cool the charge air injected into the engine by a heat exchange during its circulation in the cooling assembly of the engine air supercharging.
Un avantage est de bénéficier de la capacité thermique du carburant pour abaisser la température de l'air de suralimentation. Avantageusement, l'ensemble de refroidissement de l'air de suralimentation du moteur comprend un second radiateur comprenant un volume d'air de suralimentation destiné à circuler dans le moteur, ledit volume d'air de suralimentation étant refroidi par le second volume de carburant prélevé, ledit second volume de carburant circulant dans le second radiateur et étant réinjecté dans le réservoir au moyen d'une seconde entrée.One advantage is to benefit from the heat capacity of the fuel to lower the temperature of the charge air. Advantageously, the cooling assembly of the charge air of the engine comprises a second radiator comprising a volume of charge air intended to circulate in the engine, said volume of charge air being cooled by the second volume of fuel removed. , said second volume of fuel flowing in the second radiator and being reinjected into the tank by means of a second inlet.
Avantageusement, l'ensemble de refroidissement de l'air de suralimentation du moteur comprend un troisième radiateur et un quatrième radiateur agencés en série. Le troisième radiateur comprend un second liquide de refroidissement destiné à circuler dans le quatrième radiateur, ledit second liquide de refroidissement étant refroidi par le second volume de carburant prélevé, ledit second volume de carburant circulant dans le troisième radiateur et étant réinjecté dans le réservoir au moyen d'une seconde entrée. Le quatrième radiateur comprend un volume d'air de suralimentation destiné à circuler dans le moteur, ledit volume d'air de suralimentation étant refroidi par le second liquide de refroidissement.35 De préférence, le second volume de refroidissement est un mélange d'eau et de glycol. Avantageusement, l'ensemble de refroidissement de l'huile de lubrification du moteur comprenant une entrée permettant de prélever un troisième volume de carburant d'une troisième sortie du réservoir de carburant, ledit troisième volume de carburant contribuant à refroidir l'huile de lubrification injectée dans le moteur par un échange calorifique lors de sa circulation dans l'ensemble de refroidissement de l'huile de lubrification du moteur. Avantageusement, l'ensemble de refroidissement de l'huile de lubrification du moteur comprend un cinquième radiateur, ledit cinquième radiateur comprenant un volume d'huile de lubrification destiné à circuler dans le moteur, ledit volume d'huile de lubrification étant refroidi par le troisième volume de carburant prélevé, ledit troisième volume de carburant circulant dans le cinquième radiateur et étant réinjecté dans le réservoir au moyen d'une troisième entrée.Advantageously, the cooling assembly of the engine charge air comprises a third radiator and a fourth radiator arranged in series. The third radiator comprises a second coolant for circulating in the fourth radiator, said second coolant being cooled by the second volume of fuel removed, said second volume of fuel flowing in the third radiator and being fed back into the reservoir by means of a second entry. The fourth radiator comprises a volume of charge air for circulating in the engine, said charge air volume being cooled by the second coolant. Preferably, the second cooling volume is a mixture of water and of glycol. Advantageously, the engine lubricating oil cooling assembly comprising an inlet for withdrawing a third volume of fuel from a third outlet of the fuel tank, said third volume of fuel contributing to cooling the injected lubricating oil. in the engine by a heat exchange during its circulation in the cooling assembly of the engine lubricating oil. Advantageously, the cooling assembly of the engine lubricating oil comprises a fifth radiator, said fifth radiator comprising a volume of lubricating oil intended to circulate in the engine, said volume of lubricating oil being cooled by the third fuel volume taken, said third volume of fuel flowing in the fifth radiator and being reinjected into the tank by means of a third inlet.
L'invention comprend en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - Une pompe hydraulique est commandée de manière à assurer une circulation du carburant dans les différents ensembles de refroidissement du système de refroidissement. - Une pompe hydraulique est commandée de manière à assurer une circulation de carburant en cas d'arrêt à chaud du moteur. - Des vannes sont associées à la pompe hydraulique et pilotées afin de réguler les températures d'huile de lubrification de l'ensemble de refroidissement de l'huile de lubrification du moteur et les températures de l'air de suralimentation de l'ensemble de refroidissement de l'air de suralimentation du moteur. - Un vase de détente est disposé sur une boucle retour du carburant vers le réservoir. - Le système de refroidissement d'un moteur alternatif à combustion interne comprend un système de préchauffage électrique du carburant de sorte à préchauffer le moteur. - Le système de refroidissement d'un moteur alternatif à combustion interne comprend une dérivation du carburant réchauffé dans au moins un échangeur pour alimenter le moteur. Un autre objet de l'invention concerne un moteur alternatif à 10 combustion interne comprenant un système de refroidissement de l'invention. BREVES DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à 15 la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : - figure 1 : un schéma d'un système de refroidissement d'un moteur alternatif à combustion interne ; - figures 2A et 2B : une vue détaillée d'un ensemble de 20 refroidissement du moteur selon deux modes de réalisation de l'invention ; - figures 3A et 3B : une vue détaillée d'un ensemble de refroidissement de l'air de suralimentation injecté dans le moteur selon deux modes de réalisation de l'invention ; 25 - figure 4 : une vue détaillée d'un ensemble de refroidissement de l'huile de lubrification injectée dans le moteur selon un mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION 30 L'invention s'applique notamment à un moteur alternatif à combustion interne. L'invention s'applique donc aussi bien aux moteurs à allumage par compression qu'aux moteurs à allumage commandé. Dans la suite de la description, on nomme un volume d'air de suralimentation ou d'huile ou de carburant, une quantité d'air ou d'huile ou de 35 carburant qui transite pendant une durée dans un organe. Ainsi, par exemple, quand on nomme un volume de carburant extrait du réservoir et injecté dans un ensemble de refroidissement, on considère aussi bien le « débit de carburant » entrant dans l'ensemble que la « quantité de carburant » nécessaire à assurer un refroidissement pendant une certaine durée. On peut donc entendre dans la présente description un volume comme un débit ou une quantité. La figure 1 représente un moteur M d'un aéronef couplé à une turbomachine TC permettant de générer un flux d'air compressé destiné pour une partie à être injecté dans le moteur M. La turbomachine TC comprend un compresseur C, un arbre moteur et une turbine TU permettant l'expulsion d'un volume d'air AIR _EXT notamment évacué hors de l'aéronef. La turbomachine peut être par exemple un turbocompresseur. Le moteur M peut être couplé à une boite d'engrenages BV, un alternateur électrique ALT et un compresseur supplémentaire CF. ENSI Un ensemble de refroidissement du moteur ENSI permet d'assurer le refroidissement du moteur lui-même. Selon l'invention, l'ensemble de refroidissement du moteur ENSI permet d'extraire un premier volume VOLi de carburant 10 du réservoir R en carburant de l'aéronef. L'ensemble ENSI assure le refroidissement du moteur M par l'injection dans le moteur M d'un volume d'un premier liquide de refroidissement. Selon un premier mode, le liquide de refroidissement circulant dans le moteur peut être différent du carburant, selon un second mode le liquide de refroidissement transitant dans le moteur est le carburant lui-même. Les figures 2A et 2B représentent deux modes de réalisation de l'ensemble ENSI de refroidissement du moteur M selon l'invention.The invention further comprises one or more of the following features: - A hydraulic pump is controlled so as to ensure a flow of fuel in the various cooling assemblies of the cooling system. - A hydraulic pump is controlled so as to ensure a fuel circulation in case of hot engine shutdown. - Valves are associated with the hydraulic pump and controlled to regulate the lubricating oil temperatures of the engine lubricating oil cooling assembly and the charge air temperatures of the cooling assembly engine boost air. - An expansion vessel is placed on a return loop of fuel to the tank. - The cooling system of an internal combustion reciprocating engine comprises an electric fuel preheating system so as to preheat the engine. - The cooling system of a reciprocating internal combustion engine comprises a bypass of the heated fuel in at least one exchanger to supply the engine. Another object of the invention is an internal combustion reciprocating engine comprising a cooling system of the invention. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES Other characteristics and advantages of the invention will become apparent on reading the detailed description which follows, with reference to the appended figures, which illustrate: FIG. 1: a diagram of a cooling system of a reciprocating internal combustion engine; FIGS. 2A and 2B: a detailed view of an engine cooling assembly according to two embodiments of the invention; - Figures 3A and 3B: a detailed view of a cooling assembly of the charge air injected into the engine according to two embodiments of the invention; FIG. 4 is a detailed view of a cooling assembly of the lubricating oil injected into the engine according to one embodiment of the invention. DESCRIPTION The invention is particularly applicable to an internal combustion engine. The invention therefore applies both to compression ignition engines and spark ignition engines. In the remainder of the description, a volume of charge air or oil or fuel is called a quantity of air or oil or fuel which transits for a time in an organ. Thus, for example, when a volume of fuel extracted from the tank is designated and injected into a cooling assembly, the "fuel flow" entering the assembly is considered as well as the "quantity of fuel" needed to ensure cooling. for a certain period. Thus, in the present description, a volume can be understood as a bit rate or quantity. FIG. 1 represents an engine M of an aircraft coupled to a turbomachine TC making it possible to generate a stream of compressed air intended for a part to be injected into the engine M. The turbine engine TC comprises a compressor C, a driving shaft and a TU turbine for the expulsion of a volume of air _EXT air especially evacuated from the aircraft. The turbomachine can be for example a turbocharger. The motor M can be coupled to a gear box BV, an electric alternator ALT and an additional compressor CF. ENSI An ENSI engine cooling system ensures the cooling of the engine itself. According to the invention, the ENSI engine cooling assembly makes it possible to extract a first volume VOLi of fuel 10 from the fuel tank R of the aircraft. The ENSI assembly ensures the cooling of the motor M by the injection into the engine M of a volume of a first coolant. In a first mode, the coolant circulating in the engine may be different from the fuel, according to a second mode the coolant passing through the engine is the fuel itself. FIGS. 2A and 2B show two embodiments of the ENSI unit for cooling the motor M according to the invention.
Un premier mode est représenté à la figure 2A. L'ensemble ENSI de refroidissement du moteur M comprend un premier radiateur RADi . Le premier radiateur RADi comprend une entrée pour l'acquisition d'un débit de carburant 10 provenant du réservoir R. Le réservoir R comporte une première sortie Si permettant de délivrer un premier volume VOLi de carburant 10. En outre, le premier radiateur RADi comprend une sortie permettant de réacheminer un débit de carburant 11 vers le réservoir R via une première entrée E1. Le carburant 10 transitant dans le premier radiateur RADi permet de refroidir un premier débit 14 d'un liquide de refroidissement LIQi entrant dans le premier radiateur RADi au moyen d'une seconde entrée. Le carburant 10 présente une capacité thermique permettant de refroidir le liquide de refroidissement LIQi via le premier radiateur RADi. Le liquide de refroidissement LIQi, qui est refroidi par le carburant 10, est ensuite injecté dans le moteur M pour le refroidir. Le liquide de refroidissement LIQi présente alors une température plus basse pour refroidir le moteur M que s'il n'avait pas été refroidi par le carburant 10. A cet effet, le premier radiateur RADi comporte une sortie pour injecter un débit LIQi de liquide de refroidissement 12 dans le moteur M. Le volume LIQi de liquide de refroidissement 12 injecté dans le moteur M est ensuite éjecté par l'intermédiaire d'une sortie du moteur M. Selon un mode de réalisation, le volume LIQi de liquide de refroidissement 13 en sortie du moteur M peut être traité par l'ensemble de refroidissement ENSI de sorte à réacheminer le liquide de refroidissement LIQi dans un réservoir spécifique non représenté. Dans ce premier mode de réalisation, le liquide de refroidissement LIQi peut être par exemple un mélange d'eau et de glycol. Un réservoir de liquide de refroidissement LIQi peut être disposé à proximité de l'ensemble ENSI de refroidissement. Des entrées/ sorties telles que l'entrée 14 peut permettre la circulation du liquide de refroidissement LIQi entre le réservoir du liquide de refroidissement LIQi et l'ensemble de refroidissement ENSI.A first mode is shown in Figure 2A. The ENSI unit for cooling the motor M comprises a first radiator RADi. The first radiator RADi comprises an input for acquiring a flow of fuel 10 from the reservoir R. The reservoir R comprises a first output Si for delivering a first volume VOLi of fuel 10. In addition, the first radiator RADi comprises an output for rerouting a fuel flow 11 to the reservoir R via a first input E1. The fuel 10 passing through the first radiator RADi can cool a first flow 14 of a coolant LIQi entering the first radiator RADi by means of a second input. The fuel 10 has a heat capacity for cooling the coolant LIQi via the first radiator RADi. The coolant LIQi, which is cooled by the fuel 10, is then injected into the engine M to cool it. The coolant LIQi then has a lower temperature for cooling the engine M than if it had not been cooled by the fuel 10. For this purpose, the first radiator RADi has an output for injecting a liquid flow LIQi of cooling 12 in the engine M. The volume LIQi of coolant 12 injected into the engine M is then ejected via an output of the engine M. According to one embodiment, the volume LIQi coolant 13 in Motor output M can be processed by the cooling assembly ENSI so as to reroute the coolant LIQi in a specific tank not shown. In this first embodiment, the LIQi coolant may for example be a mixture of water and glycol. A coolant tank LIQi may be disposed near the ENSI cooling assembly. Inputs / outputs such as the inlet 14 can allow the circulation of the LIQi coolant between the LIQi coolant reservoir and the ENSI cooling assembly.
Selon un second mode de réalisation représenté à la figure 2B, l'ensemble ENSI de refroidissement permet le prélèvement d'un volume VOLi de carburant 10 du réservoir R et son acheminement vers le moteur M. Dans ce cas de figure, le carburant est lui-même le liquide de refroidissement LIQi qui circule dans le moteur M pour le refroidir. L'ensemble de refroidissement ENSI peut comprendre le moteur M, étant donné que c'est le carburant lui-même qui circule dans le moteur M pour le refroidir. Le volume VOLi extrait de carburant 10 est dans ce cas identique au volume VOLi de carburant 12' injecté dans le moteur M. Le volume VOL1 de carburant 13' permettant le refroidissement du moteur M est réacheminé en sortie du moteur M vers le réservoir R. Dans ce cas le volume VOLi de carburant 11 réchauffé est identique au volume VOLi de carburant 13'. Le volume VOLi de carburant 10 extrait du réservoir R est à une température T10 inférieure à la température T11 du volume de carburant 13' réchauffé ayant servi à refroidir le moteur M (cas de la figure 2B) ou à refroidir le liquide de refroidissement LIQi (cas de la figure 2A). La proportion de volume VOLi extrait du réservoir R pour refroidir le moteur M représente une faible quantité, moins de 10%, du volume du réservoir R de carburant. De ce fait, le carburant réchauffé après son passage dans le moteur M ou l'ensemble ENSI ne contribue que faiblement à un réchauffement du carburant du moteur stocké dans le réservoir. Le système de refroidissement de l'invention permet donc de conserver une stabilité de température du carburant stocké dans le réservoir R.According to a second embodiment shown in FIG. 2B, the ENSI cooling assembly makes it possible to take a volume VOLi of fuel 10 from the tank R and convey it to the engine M. In this case, the fuel is the same. LIQi coolant circulates in motor M to cool it. The ENSI cooling assembly may comprise the engine M, since it is the fuel itself which circulates in the engine M to cool it down. The volume VOLi extracted from fuel 10 is in this case identical to the volume VOLi of fuel 12 'injected into the engine M. The volume VOL1 of fuel 13' for cooling the engine M is redirected at the output of the engine M to the tank R. In this case the volume VOLi of heated fuel 11 is identical to the volume VOLi of fuel 13 '. The volume VOLi of fuel 10 extracted from the tank R is at a temperature T10 lower than the temperature T11 of the heated fuel volume 13 'used to cool the engine M (case of FIG. 2B) or to cool the coolant LIQi ( case of Figure 2A). The proportion of volume VOLi extracted from the tank R to cool the engine M represents a small amount, less than 10%, of the volume of the tank R of fuel. As a result, the fuel heated after passing through the engine M or the ENSI assembly contributes only slightly to a warming of the engine fuel stored in the tank. The cooling system of the invention thus makes it possible to maintain a temperature stability of the fuel stored in the tank R.
Dans les deux modes de réalisation, une première pompe hydraulique peut être utilisée pour extraire le carburant du réservoir R. La première pompe hydraulique peut permettre de réguler la température du moteur M souhaitée en fonction d'un débit de carburant 10 prélevé. Selon une variante de réalisation, la première pompe hydraulique peut être commune pour l'extraction d'une première partie du carburant pour alimenter le moteur en énergie et d'une seconde partie du carburant pour refroidir ce dernier. La première pompe hydraulique peut être commandée de sorte à assurer la circulation du carburant prélevé en cas d'arrêt à chaud pour éviter sa cokéfaction. ENS2 Selon une variante de réalisation du système de refroidissement de l'invention, le système peut comprendre un ensemble de refroidissement de l'air de suralimentation ENS2 qui permet d'assurer le refroidissement de l'air de suralimentation acheminé dans le moteur. Un volume d'air de suralimentation en entrée 22 est comprimé par le compresseur C de la turbomachine TC. - 10 - Un second volume VOL2 de carburant 20 est extrait du réservoir R pour être acheminé vers l'ensemble de refroidissement de l'air de suralimentation du moteur ENS2.In both embodiments, a first hydraulic pump can be used to extract the fuel from the tank R. The first hydraulic pump can be used to control the desired engine temperature M as a function of a selected fuel flow. According to an alternative embodiment, the first hydraulic pump may be common for the extraction of a first portion of the fuel for supplying the engine with energy and a second portion of the fuel for cooling the latter. The first hydraulic pump can be controlled so as to ensure the circulation of the fuel taken in case of hot stop to avoid coking. ENS2 According to an alternative embodiment of the cooling system of the invention, the system may comprise a charge air cooling assembly ENS2 which makes it possible to ensure the cooling of the charge air supplied to the engine. An inlet air volume 22 is compressed by the compressor C of the engine TC. A second volume VOL2 of fuel 20 is extracted from the tank R to be routed to the cooling assembly of the charge air of the engine ENS2.
Selon un premier mode de réalisation représenté à la figure 3A, l'ensemble de refroidissement de l'air de suralimentation du moteur ENS2 comporte un radiateur AIR / CARBURANT, appelé RAD2. Le second volume VOL2 de carburant 20 est acheminé dans un second radiateur RAD2. Le carburant 20 présente une importante capacité thermique permettant de refroidir un volume d'air de suralimentation VOLAIR provenant du compresseur C de la turbomachine TC via une entrée 22. Le volume d'air de suralimentation VOLAIR refroidi est ensuite acheminé dans le moteur par la sortie 23. Le volume d'air de suralimentation VOLAIR réchauffé en sortie 27 du moteur M est injecté dans la turbomachine TC à une température plus faible que si le volume d'air VOLAIR n'avait pas été refroidi par le carburant 20. Le second volume VOL2 de carburant 21 réchauffé après avoir refroidi le volume d'air de suralimentation VOLAIR est éjecté du radiateur RAD2 via une sortie dudit radiateur pour être réinjecté dans le réservoir R de 20 carburant. Le radiateur RAD2 permet d'augmenter le rendement du moteur M et permet de limiter la température à l'entrée de la turbine à un niveau acceptable pour ses matériaux. Selon un second mode de réalisation représenté à la figure 3B, 25 l'ensemble de refroidissement de l'air de suralimentation du moteur ENS2 comporte au moins deux radiateurs nommés troisième RAD3 et quatrième RAD4 radiateurs pour éviter toute confusion avec le premier mode ou les radiateurs des autres ensembles. Le troisième radiateur RAD3 est un radiateur LIQ2 / CARBURANT, ou LIQ2 est un liquide de refroidissement. Le 30 quatrième radiateur RAD4 est un radiateur LIQ2 / AIR. Dans ce second mode de réalisation, le second volume VOL2 de carburant 20 est acheminé dans le troisième radiateur RAD3 et par sa capacité thermique il permet de refroidir un volume d'un second liquide de 35 refroidissement LIQ2 telle que de l'eau. Le troisième radiateur RAD3 comporte une entrée 24 permettant l'acheminement du liquide de refroidissement LIQ2. Le liquide de refroidissement LIQ2 ainsi refroidi par échange de chaleur avec le carburant 20 est alors injecté dans un autre radiateur nommé RAD4 via une voie 25. Le carburant ayant servi au refroidissement de LIQ2 et ainsi réacheminé vers le réservoir R via la sortie de carburant 21 du troisième radiateur RAD3. Le radiateur comporte une sortie S2 destinée à extraire un volume de carburant vers l'ensemble de refroidissement de l'air de suralimentation du moteur ENS2 et une entrée E2 permettant de récupérer le volume de carburant ayant servi à refroidir l'air de suralimentation. Le radiateur RAD4 permet un échange calorifique entre le liquide de refroidissement LIQ2 refroidi par le carburant 20 et un volume d'air VOLAIR de suralimentation en provenance du compresseur C par l'intermédiaire de l'entrée 22. Le liquide de refroidissement LIQ2 refroidi dans le troisième radiateur RAD3 permet de refroidir le volume d'air de suralimentation VOLAIR. Sur la figure 3B, on note la sortie 23 qui permet d'acheminer l'air de suralimentation refroidi dans le moteur M. En sortie du moteur M, l'air réchauffé lors de son transit dans le moteur M est réinjecté dans la turbine TU pour être totalement ou partiellement évacué via la sortie AIR_EXT.According to a first embodiment shown in FIG. 3A, the cooling assembly of the charge air of the engine ENS2 comprises an AIR / FUEL radiator, called RAD2. The second volume VOL2 of fuel 20 is conveyed in a second radiator RAD2. The fuel 20 has a large heat capacity for cooling a volume of VOLAIR supercharging air from the compressor C of the TC turbomachine via an inlet 22. The VOLAIR air volume cooled air is then conveyed into the engine by the output 23. The VOLAIR supercharging air volume heated at the outlet 27 of the engine M is injected into the engine TC at a lower temperature than if the air volume VOLAIR had not been cooled by the fuel 20. The second volume VOL2 fuel 21 warmed up after cooling the charge air volume VOLAIR is ejected from the RAD2 radiator via an output of said radiator to be fed back into the fuel tank R. The radiator RAD2 makes it possible to increase the efficiency of the engine M and makes it possible to limit the temperature at the inlet of the turbine to a level acceptable for its materials. According to a second embodiment shown in FIG. 3B, the engine air cooling assembly ENS2 comprises at least two radiators named third RAD3 and fourth RAD4 radiators to avoid any confusion with the first mode or the radiators. other sets. The third RAD3 radiator is a LIQ2 / FUEL radiator, where LIQ2 is a coolant. The fourth radiator RAD4 is a LIQ2 / AIR radiator. In this second embodiment, the second volume VOL2 of fuel 20 is conveyed into the third radiator RAD3 and its thermal capacity makes it possible to cool a volume of a second cooling liquid LIQ2 such as water. The third radiator RAD3 has an inlet 24 for conveying the liquid coolant LIQ2. LIQ2 coolant thus cooled by heat exchange with the fuel 20 is then injected into another radiator named RAD4 via a channel 25. The fuel used for cooling LIQ2 and thus rerouted to the tank R via the fuel outlet 21 the third RAD3 radiator. The radiator has an outlet S2 for extracting a volume of fuel to the cooling assembly of the charge air of the engine ENS2 and an inlet E2 for recovering the volume of fuel used to cool the charge air. The radiator RAD4 allows a heat exchange between the coolant LIQ2 cooled by the fuel 20 and a volume of air VOLAIR supercharging from the compressor C via the inlet 22. The coolant LIQ2 cooled in the Third radiator RAD3 allows to cool VOLAIR supercharging air volume. In FIG. 3B, the output 23 is noted which makes it possible to convey the cooled supercharging air into the engine M. At the output of the engine M, the air reheated during its transit in the engine M is reinjected into the turbine TU to be totally or partially evacuated via the AIR_EXT output.
Le liquide de refroidissement LIQ2 réchauffé après son échange calorifique dans le radiateur RAD4 et évacué via la sortie 26 vers un réservoir spécifique non représenté. De manière à extraire le carburant du réservoir R pour refroidir l'air de suralimentation, une seconde pompe hydraulique peut être utilisée. De manière avantageuse les températures du carburant et celle souhaitée de l'air de suralimentation peuvent être régulées via la seconde pompe hydraulique. Un avantage est de refroidir l'air provenant du compresseur C avant qu'il ne pénètre dans le moteur M. Son écoulement dans le moteur M après être refroidi permet d'augmenter le rendement et la puissance spécifique du moteur M, ainsi que de limiter la température à l'entrée de la turbine TU à un niveau acceptable pour ses composants.LIQ2 coolant heated after heat exchange in radiator RAD4 and discharged via outlet 26 to a specific tank not shown. In order to extract the fuel from the tank R to cool the charge air, a second hydraulic pump can be used. Advantageously, the temperatures of the fuel and the desired temperature of the charge air can be regulated via the second hydraulic pump. One advantage is to cool the air coming from the compressor C before it enters the engine M. Its flow in the engine M after being cooled makes it possible to increase the efficiency and the specific power of the engine M, as well as to limit the temperature at the inlet of the turbine TU to an acceptable level for its components.
ENS3 - 12 - Selon une variante de réalisation du système de refroidissement de l'invention, le système peut comprendre un ensemble de refroidissement de l'huile de lubrification du moteur ENS3 représenté à la figure 4 qui permet d'assurer le refroidissement de l'huile de lubrification du moteur M. Un volume d'huile VOLHuiLE de lubrification 34 est extrait d'une réserve d'huile H. Un troisième volume VOL3 de carburant 30 est extrait du réservoir R pour être acheminé vers l'ensemble de refroidissement de l'huile de lubrification du moteurENS3. Le réservoir R comporte une troisième sortie S3 pour l'extraction du carburant 30 vers le cinquième radiateur RAD5 et une troisième entrée E3 pour récupérer le volume VOL3 de carburant 31 utilisé pour refroidir l'huile de lubrification VOLHuiLE. Une troisième pompe hydraulique peut également être utilisée. La troisième pompe hydraulique peut servir à la régulation de la température de l'huile indirectement par configuration du débit de carburant prélevé par la pompe, la troisième pompe n'est pas représentée sur la figure 4. L'ensemble de refroidissement de l'huile de lubrification du moteur ENS3 comprend un cinquième radiateur RAD5 qui permet un échange de chaleur entre le carburant 30 et l'huile 34. Le carburant 30 permet de refroidir l'huile 34 grâce à sa bonne capacité thermique et sa température plus basse que celle de l'huile de lubrification. Après cet échange de chaleur entre le carburant 30 et l'huile 34, le radiateur RAD5 permet : - de réacheminer le carburant 31 réchauffé vers le réservoir R; . de diriger le débit d'huile VOLHuiLE refroidi dans le radiateur RAD5 vers l'intérieur du moteur M via une sortie 32. Le moteur M est ainsi lubrifié avec une huile refroidie qui contribue également à son refroidissement. En sortie 32, l'huile ayant transité dans le moteur M est ensuite réacheminée vers le réservoir d'huile de lubrification H par l'intermédiaire d'une voie 35.According to an alternative embodiment of the cooling system of the invention, the system may comprise a cooling assembly of the lubricating oil of the engine ENS3 shown in FIG. 4 which makes it possible to ensure cooling of the Engine Lubricating Oil M. A volume of Lubricating oil 34 is extracted from a supply of oil H. A third volume VOL3 of fuel 30 is withdrawn from tank R to be routed to the cooling assembly of the engine. engine lubrication oilENS3. The tank R has a third outlet S3 for extracting the fuel 30 to the fifth radiator RAD5 and a third inlet E3 for recovering the volume VOL3 of fuel 31 used for cooling the lubricating oil VOLHULLE. A third hydraulic pump can also be used. The third hydraulic pump can be used to regulate the oil temperature indirectly by configuring the fuel flow taken by the pump, the third pump is not shown in Figure 4. The oil cooling assembly Engine lubrication ENS3 comprises a fifth radiator RAD5 which allows a heat exchange between the fuel 30 and the oil 34. The fuel 30 enables the oil 34 to be cooled thanks to its good heat capacity and its lower temperature than that of lubricating oil. After this exchange of heat between the fuel 30 and the oil 34, the radiator RAD5 makes it possible: to reroute the heated fuel 31 towards the tank R; . directing the flow of oil VOLHuiLE cooled in the radiator RAD5 to the interior of the motor M via an output 32. The engine M is thus lubricated with a cooled oil which also contributes to its cooling. At the outlet 32, the oil having passed through the engine M is then re-routed to the lubricating oil reservoir H via a track 35.
Selon une variante de réalisation, le cinquième radiateur RAD5 peut comporter une seconde sortie permettant d'acheminer une fraction de l'huile refroidie vers la boite d'engrenage BV. Cette sortie n'est pas représentée mais peut faire partie de la solution du système de refroidissement de l'invention.35 - 13 - En lieu et place des secondes et troisièmes pompes hydrauliques utilisées pour extraire le carburant 20 et 30 respectivement utilisées pour refroidir l'air de suralimentation et l'huile de lubrification, une seule pompe hydraulique peut être utilisée. Dans ce dernier cas, la pompe hydraulique commune comporte des vannes pilotées afin de réguler les températures d'huile de lubrification et d'air de suralimentation. Selon un mode de de réalisation, en fonction du circuit carburant de l'aéronef, un vase de détente peut-être placé sur la boucle de retour du carburant au réservoir R. Le vase de détente permet de ne pas renvoyer de carburant sous pression dans le réservoir R et de séparer les gaz. Un échangeur de chaleur air-carburant peut être disposé sur la boucle de retour du carburant 11, 21, 31 dans son réservoir R. Cet échangeur permet de limiter la température du carburant retournant au réservoir R.According to an alternative embodiment, the fifth radiator RAD5 may comprise a second output for conveying a fraction of the cooled oil to the gearbox BV. This outlet is not shown but may be part of the solution of the cooling system of the invention. Instead of the second and third hydraulic pumps used to extract the fuel 20 and 30 respectively used to cool the fuel. charge air and lubricating oil, only one hydraulic pump can be used. In the latter case, the common hydraulic pump includes pilot valves to regulate the lubricating oil and charge air temperatures. According to one embodiment, depending on the fuel system of the aircraft, an expansion vessel can be placed on the fuel return loop to the reservoir R. The expansion vessel makes it possible not to return fuel under pressure in the tank R and separate the gases. An air-fuel heat exchanger can be arranged on the fuel return loop 11, 21, 31 in its tank R. This exchanger limits the temperature of the fuel returning to the tank R.
Selon un mode de réalisation, le réservoir R peut comporter différents réservoirs selon les usages du carburant, notamment pour : - le refroidissement du moteur M ; - l'alimentation du moteur M ; - le refroidissement d'air de suralimentation ; - le refroidissement de l'huile de lubrification. En outre, le système de refroidissement de l'invention peut comporter une fonction de préchauffage dans un mode particulier. Pour assurer la fonction de préchauffage, le système de refroidissement, peut comporter un système de préchauffage électrique du carburant disposé dans le circuit de refroidissement. Ainsi pour faciliter les démarrages à basses températures, ce système peut être activé. Dans ce cas, les échangeurs permettent de réchauffer l'air comburant permettant la combustion du carburant dans le moteur ou encore l'huile de lubrification Une dérivation du carburant réchauffé dans un des échangeurs peut être utilisée pour l'alimentation du moteur M. - 14 - Cette solution permet de réduire la masse d'un groupe auxiliaire de puissance équipé d'un moteur alternatif à combustion interne. L'intérêt d'utiliser un moteur thermique à allumage par compression est sa plus faible consommation de carburant par rapport à une turbine. Un gain peut être obtenu d'un facteur 2. Le gain en émission de gaz à effet de serre est également dans les mêmes proportions. L'utilisation du carburant comme liquide de refroidissement à la place de l'air ou du mélange eau-glycol permet de réduire la masse des dispositifs de refroidissement en raison de la capacité calorifique du carburant plus élevée que celle de l'air. La suppression du circuit de refroidissement à l'eau-glycol permet d'éliminer un fluide de l'aéronef et par conséquent diminue de façon supplémentaire la masse du Groupe Auxiliaire de Puissance. L'utilisation du carburéacteur permet d'exploiter une plage de températures plus large qu'un liquide de refroidissement classique, grâce à son bas point de congélation et à un point d'ébullition supérieur. De plus sa plus faible pression de vapeur saturante limite les risques de cavitation dans la pompe hydraulique. L'invention est applicable aussi bien aux moteurs alternatifs à combustion interne utilisés en tant que Groupe Auxiliaire de Puissance sur un aéronef, qu'aux moteurs alternatifs à combustion interne utilisés comme système propulsif sur un aéronef, pour entraîner un rotor de sustentation ou une hélice.25According to one embodiment, the tank R may comprise different tanks according to the uses of the fuel, in particular for: the cooling of the engine M; the power supply of the motor M; - charge air cooling; - the cooling of the lubricating oil. In addition, the cooling system of the invention may include a preheating function in a particular mode. To ensure the preheating function, the cooling system may include an electric preheating system of the fuel disposed in the cooling circuit. Thus to facilitate starting at low temperatures, this system can be activated. In this case, the exchangers can heat the combustion air for combustion of the fuel in the engine or the lubricating oil A bypass of the heated fuel in one of the exchangers can be used to supply the engine M. - 14 - This solution reduces the weight of an auxiliary power unit equipped with an internal combustion engine. The advantage of using a compression ignition engine is its lower fuel consumption compared to a turbine. A gain can be obtained by a factor of 2. The gain in greenhouse gas emissions is also in the same proportions. The use of fuel as a coolant instead of air or a glycol-water mixture reduces the mass of the cooling devices because of the higher heat capacity of the fuel than that of the air. The removal of the water-glycol cooling circuit eliminates fluid from the aircraft and therefore further decreases the weight of the Auxiliary Power Unit. The use of jet fuel makes it possible to exploit a wider temperature range than a conventional coolant, thanks to its low freezing point and higher boiling point. In addition, its lower saturation vapor pressure limits the risk of cavitation in the hydraulic pump. The invention is applicable both to the internal combustion reciprocating engines used as an Auxiliary Power Unit on an aircraft, and to the internal combustion reciprocating engines used as a propulsion system on an aircraft, to drive a lift rotor or a propeller. .25
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