Brevet FR2806467A1 — publié le 20010921

ECHANGEUR THERMIQUE POUR GAZ D'ECHAPPEMENT La présente invention concerne un échangeur thermique pour gaz d'échappement qui effectue l'échange thermique en tre les gaz d'échappement produit par la combustion et un fluide de refroidissement, tels que de l'eau est effective ment appliquée un échangeur thermique de gaz EGR (que l'on appellera par la suite dispositif de refroidissement EGR) qui refroidit les gaz d'échappement pour un appareil EGR (recirculation de gaz d'échappement. Le dispositif de refroidissement EGR refroidit les gaz d'échappement de l'EGR, afin d'accroître l'effet de l'EGR dans les gaz d'échappement (effet de réduction de la teneur en oxyde d'azote dans les gaz d'échappement), et refroidit généralement les gaz d'échappement de l'EGR en utilisant l'eau de l'agent de refroidissement du moteur. Lors de la fabrication de dispositifs de refroidisse ment EGR prototypes et de l'étude de leurs performances, les inventeurs de la présente invention ont rencontré un problème en ce que, dans la plupart des prototypes, de nom breuses particules de charbon (suie) se déposent sur l'ex trémité en aval de l'écoulement des gaz d'échappement du dispositif de refroidissement EGR, chargeant ainsi une ai lette de refroidissement installée dans un- tuyau des gaz d'échappement. Ce problème se produit du fait que les gaz d'échappe ment générés par la combustion inclut des substances non- brûlées, tel que du charbon (suie), alors que la tempéra- ture d'échappement devient plus basse et que le volume des gaz d'échappement diminue à mesure que les. gaz échappe ment s'écoulent en aval, ayant ainsi pour résultat une con centration croissante de charbon (suie) qui augmente la possibilité du dépôt de charbon (suie) sur la surface de l'ailette de refroidissement. Aux vues des circonstances décrites ci-dessus, un but de la présente invention est d'empêcher l'ailette de re froidissement d'être chargée à l'extrémité en aval de l'écoulement des gaz d'échappement. Afin d'atteindre le but décrit ci-dessus, premier aspect de la présente invention propose un échangeur ther mique pour gaz d'échappement qui échange la chaleur entre les gaz d'échappement générés par la combustion et un fluide de refroidissement, comprenant . un tuyau de gaz d'échappement (1l0) dans lequel lesdits gaz d'échappement s'écoulent ; un tuyau de fluide de refroidissement (120) qui est installé adjacent audit tuyau des gaz d'échappement (110) et dans lequel ledit fluide de refroidissement s'écoule ; et une ailette (111) qui est installé dans le tuyau des gaz d'échappement (110) et est constituée d'un certain nombre de segments (112) qui dépassent depuis la paroi interne du tuyau des gaz d'échappement (l10) dans une direction qui coupe le flux des gaz d'échappement, dans le quel la distance (FP2) entre des segments adjacents (112) sur le côté décharge des gaz d'échappement dudit tuyau des gaz d'échappement (110) est plus grande que la distance (FP1) entre des segments adjacents (112) sur le côté entrée des gaz d'échappement dudit tuyau des gaz échappement (110) Avec cette configuration, le pas (distance entre les segments adjacents (112)) de l'ailette (11l) devient plus grand (approximatif) dans la partie en aval .de l'écoulement des gaz d'échappement où la concentration des particules telles que du charbon (suie) est plus élevée, d'une manière telle que les gaz d'échappement peuvent s'écouler plus fa- vilement et, en conséquence, le charbon (suie) se déposera moins probablement sur la surface de l'ailette (111). En conséquence, le chargement de l'ailette (111) dans la par tie en aval de l'écoulement des gaz d'échappement peut être empêché; empêchant de ce fait les performances d'échange thermique de l'échangeur thermique pour gaz d'échappement de diminuer. Dans le second aspect de la présente invention, la distance (FP2) entre les segments adjacents (112) sur le côté sortie des gaz d'échappement du tuyau des gaz d'échap pement (110) est de préférence pas plus grande que deux fois la distance (FP1) entre les segments adjacents (112) sur côté entrée des gaz d'échappement du tuyau gaz d'échappement (110). Dans le troisième aspect de la présente invention, la distance entre les segments adjacents (112) est, de préfé rence, 1a distance mesurée dans la direction qui coupe le flux des gaz d'échappement. Dans le quatrième aspect de la présente invention, l'ailette (111) est, de préférence, une ailette du type dé calé ayant des segments (112) disposés en une disposition étagee dans la direction longitudinale du tuyau gaz d'échappement (110) Les références numériques placées entre parenthèses au nom des composants décrits ci-dessus sont représentés pour montrer un exemple de correspondance des composants spécifiques des modes de réalisation qui seront décrits par la suite. La présente invention sera plus totalement comprise à partir de la description des modes de réalisation preférés de l'invention énoncés ci-dessous, associés aux dessins an nexés. Sur les dessins La figure 1 est un schéma synoptique d'un EGR con formité avec un présente invention ; figure 2 est une vue en perspective d'un dispositif de refroidissement EGR en conformité avec un mode de réali sation de la présente invention ; . figure 3 et une vue dans haut d'un dispositif refroidissement des gaz en conformité avec 1e premier mode de réalisation de la présente invention ; figure 4 est une vue en coupe le long des lignes A de la figure 3 ; La figure 5 est une vue en coupe le long des lignes B de la figure 3. La figure 6 est une vue en coupe le long des lignes C-D-É-F-G-H-A de la figure 3 ; La figure 7 montre un bloc de joints en deux vues ; La figure 8 est un schéma simplifié d'un tuyau des gaz d'échappement en conformité avec un mode de, réalisation de la présente invention ; et figure 9 est une vue avant d'un dispositif de re froidissement EGR en conformité avec une variante de la présente invention. décrira maintenant un mode de réalisation préféré de la présente invention. Ce mode de réalisation est une application de l'échangeur thermique pour gaz d'échappement de la présente invention à un dispositif de refroidissement des gaz EGR d'un moteur diesel (moteur à combustion in terne . La figure 1 est un schéma simplifié d'un EGR (ap pareil de recirculation des gaz échappement) qui emploie un dispositif de refroidissement des gaz EGR (que l'on appel lera la suite dispositif de refroidissement EGR) 100 de ce mode de réalisation. Sur la figure hune référence numérique 200 représente un moteur diesel (que l'on appellera par la suite moteur) et une référence numérique 210 représente un tuyau de re- circulation des gaz d'échappement qui remet.à circuler une partie des gaz d'échappement provenant du moteur 200 vers le côté admission du moteur 200. Une référence numérique 220 représente une soupape EGR connue qui est installée dans un passage du flux des gaz d'échappement dans le tuyau de recirculation des gaz d'échappement 210 et régule l'écoulement des gaz EGR en conformité avec les conditions de fonctionnement du moteur 200. Le dispositif de refroidissement EGR 100 est installé entre le côté échappement du moteur 200 et la soupape EGR 220, pour effectuer l'échange de chaleur entre les gaz EGR et l'eau de refroidissement du moteur (que l'on appellera par la suite eau de refroidissement) pour refroidir en con séquence les gaz EGR. On décrira maintenant la structure du dispositif de refroidissement EGR 100. La figure 2 est une vue en perspective d'un dispositif de refroidissement EGR, la figure 3 montre la vue dans haut du dispositif de refroidissement EGR 100, 1a figure 4 est une vue en coupe le long des lignes A-A de la figure 3, la figure 5 est une vue en coupe le long des lignes B-B de la figure 3 et la figure 6 est une vue en coupe le long des lignes A-C-D-E-F-G-H-A de la figure 3. la figure 5, une référence numérique 110 représente un tuyau pour gaz d'échappement d'une forme rectangulaire plate qui constitue un passage des gaz d'échappement 110a dans lequel les gaz EGR (gaz d'échappement) s'écoulent et la référence numérique 120 représente un tuyau d'eau de re froidissement d'une forme rectangulaire plate constitue un passage d'eau de refroidissement 120a dans lequel l'eau de refroidissement (fluide) s'écoule. Les. tuyaux 110 et 120 sont disposés l'un sur l'autre pour être mutuellement attenants dans la direction du côté le plus court de sa section (direction verticale à la figure 5). Une ailette interne 111 est installée dans le passage des gaz d'échappement 110a (que l'on appellera par la suite ailette) et elle est constituée d'acier inoxydable qui pro cure une surface plus grande de contact avec gaz EGR pour accélérer, en conséquence, l'échange thermique entre les gaz EGR et l'eau de refroidissement. L ailette 111 est ce que l'on appelle une ailette du type décalé qui comporte des segments 112 en forme de plaque parallèle au côté le plus court de la section du tuyau des d'échappement 110, qui dépassent depuis la paroi interne tuyau des gaz échappement 110 dans une direction transversale (sensible ment à angle droit) au flux des gaz EGR, étant disposés en un agencement étagé dans la direction longitudinale du tuyau d'échappement 110. Bien que les segments 112 soient, de préférence, dis posées parallèles à la direction du côté plus court de la section du tuyau d'échappement 110, comme on l'a décrit précédemment, l'ailette 111 est réellement inclinée à par tir de la direction du côté le plus court 1a section par l'angle d'étirage des rouleaux ou d'une presse de formage lié au procédé de fabrication. En conséquence, la direc tive être parallèle à la direction du coté le plus court de la section du tuyau d'échappement 110 ne signifie pas à être exactement parallèle à la direction du côté le plus court la section du tuyau d'échappement , mais inclut une inclinaison se rapportant à la dimension de l'angle d'étirage. tuyaux 110, 120 sont constitués une paire de deux plaques stratifiées (plaques minces) 131, 132 formées en une forme prédéterminé par pressage, en stratifiant la paire des plaques stratifiées 131, 132 dans la direction de leur épaisseur (direction verticale sur le dessin), en joi gnant ensuite les plaques stratifiées 131, 132 ensemble avec l'ailette 111 par brasage en utilisant un matériau d'apport remplissage de brasage prédéterminé. Ainsi, le passage des gaz d'échappement 110a et le passage de l'eau de refroidissement 120a sont formés pour s'étendre dans une direction parallèle aux surfaces des plaques stratifiées 131, 132 (direction latérale sur le dessin),' comme cela est representé aux figures 4,6. De même, les plaques stratifiées 132 sont des feuilles d'acier inoxydable minces d'une forme sensiblement rectangulaire qui sont pressées en une configuration prédé terminée. La plaque stratifiée 131 parmi paire des pla ques stratifiées 131, 132 comporte, à une première extrémi té celle-ci, une première paroi en saillie 133 qui est formé solidairement avec celle-ci par pressage pour faire saillie vers une extrémité de la direction de stratifica tion (direction verticale à la figure 5) D des plaques stratifiées 131, 132 et l'autre plaque stratifiée 132 com porte, à une première extrémité de celle-ci, une seconde paroi en saillie 134 qui est formée solidairement avec celle-ci par pressage pour faire saillie vers l'autre ex trémité de la direction de stratification D, comme cela est representé à la figure 5. Les parois en saillie 134, 134 sont raccordées mutuel lement par brasage sur les surfaces 133a, 13.4a qui sont pa- ralleles à la direction de stratification D. Les parois en saillie 133, 134 comportent également un orifice d'entrée des gaz d'échappement 141 pour introduire les gaz EGR dans le passage des gaz d'échappement 110a et un orifice de dé charge des gaz d'échappement 142 pour décharger les gaz EGR depuis le passage des gaz d'échappement 110a formé dans ce lui-ci, comme cela est représenté à la figure 4. I1 s'en suit. que le flux principal des gaz EGR s'écoule dans le dispositif de refroidissement EGR 100 depuis une première extrémité du tuyau des gaz d'échappement sensiblement rec tiligne 110a dans sa direction longitudinale vers l'autre extrémité. Dans ce mode de réalisation, les parois en saillie 133, 134 constituent une cuve 102 qui reçoit la section centrale du dispositif de refroidissement EGR qui est cons tituée des passages 110, 120. L'orifice d'entrée des gaz d'échappement 141 et l'ori fice de décharge des gaz d'échappement 142. comportent des blocs de joints (que l'on appellera par 1a suite joint) raccordee par brasage à ceux-ci pour la connexion du tuyau de recirculation des gaz d'échappement 210 (tuyauterie ex terne), comme cela est représenté aux figures 4,6. Le joint 143 est constitué d'acier inoxydable et com prend premier rebord 143a de forme rectangulaire (carré) qui est brasé sur les parois en saillie 133, 134 des pla ques. stratifiées 131, 132 et un second rebord 14 ayant une forme en losange qui est fixé sur le tuyau de recircu- lation des gaz d'échappement 210 avec des boulons, comme cela est représenté à la figure 7. Le premier rebord 143a comporte une partie en saillie (goujon à enfoncer) 143c formée sur celui-ci pour positionner le joint 143 par rap port. à l'orifice d'entrée des gaz d'échappement 141 et à l'orifice de décharge des gaz d'échappement 142. Une référence numérique 151 aux figures 4,6 représente un tuyau de raccord d'entrée pour introduire l' de re froidissement dans le passage d'eau de refroidissement 120a et une référence numérique 152 représente un tuyau de sor tie qui décharge l'eau de refroidissement qui a été utili sée pendant le processus d'échange thermique dans le dispo sitif de refroidissement EGR 100. Les tuyaux d'eau de refroidissement 120 (passage d'eau de refroidissement 120a) communiquent entre eux via les passages d'eau de refroidissement 120b qui sont formés aux deux extrémités dans 1a direction longitudinale du tuyau des gaz d'échappement 110. Les passages d'eau de refroidis sement 120b sont formés à des positions en diagonale lors que observé dans la direction du côté le plus court de la section du tuyau d'échappement 110, de façon à communiquer dans une direction sensiblement rectiligne avec les tuyaux de raccords 151, 152. Dans ce mode de réalisation, le tuyau de raccord d'en trée 151 est disposée côté orifice de décharge des gaz d'échappement 142 et le tuyau de raccord de décharge 152 est disposé sur le côté orifice d'entrée des gaz d'échappe ment 141, d'une manière telle que le flux de l'eau de re froidissement dans le passage d'eau de refroidissement 120a et le flux des gaz EGR dans le passage des gaz d'échappe ment 110a forme des contre-écoulements l'un avec l'autre. La configuration et l'effet de l'ailette 111 (segments 112) qui caractérisent ce mode de réalisation seront main tenant décrits. Dans ce mode de réalisation, comme cela est representé la figure 8, le pas FP2 dans la direction qui coupe le flux des gaz d'échappement parmi les distances entre les segments 112 sur le côté sortie d'échappement du tuyau des gaz d'échappement 110 est rendu plus grand que le FP1 dans la direction qui coupe le flux des gaz d'échappement parmi les distance entre les segments 112 sur le côté en trée d'échappement du tuyau d'échappement 110,à travers une frontière placée sensiblement au centre du tuyau des gaz d'échappement 110 dans sa direction longitudinale. Cette configuration rend le pas (intervalle des seg ments 112) de l'ailette 111 plus grand dans le côté en aval de l'écoulement des gaz d'échappement où la concentration des particules tel que du charbon, est plus élevée, de sorte que les gaz EGR s'écoulent plus facilement, faisant que le charbon (suie) se déposera moins probablement sur la surface de l'ailette 111 (segments 112) Le charbon (suie) peut être empêché de se déposer dans le côté en aval de l'écoulement des gaz d'échappement en rendant le pas (intervalle des segments 112) de l'ailette 111 plus grand (plus approximatif) dans le côté en aval de l'écoulement des gaz d'échappement. Toutefois, en rendant le pas-de l'ailette 111 trop grand, cela peut entraîner un effet défavorable sur la fonction de l'ailette 111 (la fonction d'augmenter la surface de contact avec les gaz EGR et d'empêcher la couche de température frontière de croî- tre) On en a conclu à partir des nombreux tests et examens que pour s'opposer à ce problème, il est préférable d'éta blir la distance FP2 entre les segments adjacents 112 sur le côté sortie des gaz d'échappement du tuyau des gaz d'échappement 110 pas plus grande que deux fois la distance FPl entre les segments adjacents 112 sur 1e coté entrée des gaz d'échappement du tuyau des gaz d'échappement 110. On a en outre conclu à partir des études des inven teurs qu'il est préférable de changer également la longueur L des segments 112 entre le côté en amont le côté en aval de manière similaire au pas (intervalle des segments 112) de l'ailette 111. Plus précisément, la. longueur L2 du segment dans le côté en aval de l'écoulement des gaz d'échappement est rendue plus grande que la longueur Ll du segment dans le côté en amont de l'écoulement des gaz d'échappement, tandis que la longueur L2 du segment dans le côté en aval de l'écoulement des gaz d'échappement est li mitée au maximum deux fois la longueur L1 du segment dans le côté en amont de l'écoulement des gaz d'échappement. La longueur L du segment 112 se réfère la dimension du segment 112 mesurée dans une direction parallèle au flux des gaz d'échappement (direction longitudinale du tuyau des gaz d'échappement 110) parmi les dimensions des segments 112, comme cela est représenté à la figure 8: On décrira maintenant d'autres modes de réalisation ci-dessous. Bien que l'ailette du type décalé soit utilisée comme l'ailette installée dans le tuyau des gaz d'échappe ment 110 dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, la présente invention n'est pas limitée à cette structure et d'autres types d'ailette peuvent être également utilisés comme une ailette ondulée. De ce fait, "segments" auxquels on se réfère dans les revendications de ce mémoire descriptif ne sont pas limités aux segments du type décalé mais incluent toute partie quelconque qui fait saillie depuis 1a paroi interne du tuyau des gaz d'échappement 110. Bien que l'échangeur thermique pour les gaz d'échappe ment de la présente invention est appliqué au dispositif de refroidissement EGR 100 dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, l'échangeur thermique pour les gaz d'échappement peut également être appliqué à d'autres échangeurs thermi ques, tel que celui qui est installé dans un silencieux et qui récupère l'énergie thermique des gaz d'échappement. Bien que l'orifice d'entrée des gaz d'échappement 141 et 1 orifice de décharge des gaz d'échappement 142 s'ou vrent dans la direction longitudinale du tuyau des gaz d'échappement 110 dans le mode de réalisation décrit ci- dessus, la présente invention peut également être appliquée à un échangeur thermique pour gaz d'échappement ayant une configuration telle que l'orifice d'entrée des gaz d'échap pement 141 et l'orifice de décharge des gaz d'échappement 142 s'ouvrent dans la direction perpendiculaire à la direc tion longitudinale du tuyau des gaz d'échappement 110. même, bien que la distance FP2 entre les segments adjacents 112 sur 1e côté décharge des gaz d'échappement du tuyau des gaz d'échappement 110 et la distance FP1 entre les segments adjacents 112 sur le côté entrée des gaz d'échappement du tuyau des gaz d'échappement 110 soient rendues différentes à travers une frontière positionnée sensiblement au centre du tuyau des gaz d'échappement 110 dans la direction longitudinale dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, la présente invention n'est pas limitée cette configuration et une configuration peut également être employée où 1a distance entre les segments adjacents 112 est changés en trois étages ou nombre plus important d'étages ou accrue continuellement depuis le côté entrée des gaz d'échappement jusqu'au côté décharge des gaz d'échappement. De même, bien que le pas FP2 dans la direction qui coupe flux des gaz d'échappement parmi les dimensions des segments 112 sur le côté décharge des gaz d'échappement du tuyau des gaz d'échappement 110 soit rendu plus grand que le pas FP1 dans la direction qui coupe le flux des gaz d'échappement parmi les dimensions des segments 112 sur le côté entrée des gaz d'échappement du tuyau des gaz d'échap pement 110 à travers la frontière positionnée sensiblement au centre du tuyau des gaz d'échappement 110_ dans la direc tion longitudinale dans le mode de réalisation décrit ci- dessus, configuration peut également être employée dans laquelle le pas Pout2 dans la direction parallele au flux des gaz d'échappement parmi les dimensions des segments 112 sur le côté décharge des gaz d'échappement du tuyau des gaz d'échappement 110 est rendu plus grand que le pas Pin dans la direction sensiblement parallèle au flux des gaz d'échappement parmi les dimensions des segments 112 sur le côté entrée des gaz d'échappement du tuyau des gaz d'échap pement 110. Ou, en variante, ces configurations peuvent être combinées. Bien que l'invention ait été décrite par reférence au mode de réalisation spécifique choisi à des fins d'illus tration, il sera apparent à l'homme de l'art que de nom breuses modifications peuvent être réalisées dans celle-ci sans sortir du concept de base et de la portée l'inven tion. REVENDICATIONS 1. Échangeur thermique pour gaz d'échappement qui échange la chaleur entre les gaz d'échappement produit par la com bustion et un fluide de refroidissement, comprenant un tuyau des gaz d'échappement (110) dans lequel les dits gaz d'échappement s'écoulent ; un tuyau de fluide de refroidissement (120) qui est installé adjacent au tuyau des gaz d'échappement (110) et dans lequel ledit fluide de refroidissement s'écoule ; et une ailette (111) qui est installé dans ledit tuyau des gaz d'échappement (110) et est constituée d'un certain nombre de segments (112) qui font saillie depuis la paroi interne du tuyau des gaz d'échappement (110) dans une di rection qui coupe ledit flux des gaz d'échappement, dans lequel la distance (FP2) entre des. segments adja cents (112) sur le côté décharge d'échappement dudit tuyau des gaz d'échappement (110) est plus grande que la distance (FP1) entre des segments adjacents (112) sur le côté entree des gaz d'échappement du tuyau des gaz d'échappement (110). 2. Échangeur thermique pour gaz d'échappement selon 1a re vendication 1, dans lequel la distance (FP2) entre lesdits segments adjacents (112) sur le côté décharge des gaz d'échappement dudit tuyau des gaz d'échappement (110) est limitée au maximum à deux fois la distance (FP1) entre les dits segments adjacents (112) sur le côté entrée des gaz d'échappement dudit tuyau des gaz d'échappement (l10) 3. Échangeur thermique pour gaz d'échappement selon la re vendication 1, dans lequel ladite distance entre lesdits segments adjacents (112) est la distance dans une direction qui coupe le flux des gaz d'échappement. 4. Échangeur thermique pour gaz d'échappement selon la vendication 1, dans lequel ladite ailette (111) est une ai- lette du type décalé qui comporte lesdits .segments (112) disposés en un agencement étagé dans la direction longitu dinale dudit tuyau des gaz d'échappement (110).