Brevet FR2812027A1 — publié le 20020125

L'invention concerne un échangeur de chaleur pour les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comportant au moins un dispositif de fermeture et une chambre de refroidissement balayée par un écoulement extérieur de fluide de refroidissement et présentant une entrée et une sortie. Pour limiter le vieillissement par la température des catalyseurs, il est, par exemple, nécessaire, pour un catalyseur accumulateur de NOx d'un moteur à allumage séparé à injection directe, de limiter la température d'entrée des gaz à une valeur maximale admissible. Des dispositions correspondantes, adoptées sur la configuration moteur ou combustion, mènent à une augmentation des émissions de substance nocive et à une augmentation de la consommation en carburant, ou bien réduisent la puissance nominale du moteur. Des éléments actifs se trouvant dans l'équipement technique véhiculant les gaz d'échappement, tels que des systèmes à dérivation ou à changeur de chaleur branchés, demandent un organe d'isolement qui, techniquement, est de haute qualité et est d'un coût correspondant, tel qu'un clapet pour gaz d'échappement, une soupape ou d'autres éléments de commande déplacés de façon active et installés dans le système de gaz d'échappement. En outre, il faut avoir une commande mécanique ou électronique, qui constitue un coût notable si l'on inclut l'appareil de commande et les pièces additionnelles. Par le DE 197 46 658 Al, on connaît déjà l'utilisation d'un tel échangeur de chaleur. Il s'agit ici d'une installation de catalyseur sur gaz d'échappement visant à régler la plage de température d'un accumulateur de NOx pour épurer un flux de gaz d'échappement guidé dans un tronçon de gaz d'échappement et venant d'un moteur à combustion interne. On prévoit, au moins dans chaque tronçon de gaz d'échappement, un premier catalyseur et un accumulateur de NOx, sachant qu'au moins un échangeur de chaleur est disposé dans le tronçon des gaz d'échappement. Celui-ci est réalisé sous la forme d'échangeur de chaleur à contrecourant, parcouru par un écoulement de fluide de 2 2812027 refroidissement passant dans une enveloppe formée par une double paroi. On prévoit ici, comme fluide de refroidissement, de l'eau ou de l'air, qui s'écoule à travers l'échangeur de chaleur en écoulement forcé. L'échangeur de chaleur est donc réalisé en échangeur de chaleur propre avec, obligatoirement, un principe de contre-courant. Un tel échangeur de chaleur demande, d'une part, un volume de construction important et doit être alimenté avec des éléments de commande et une électronique de commande correspondants. L'invention a comme but de réaliser et de spécifier un échangeur de chaleur pour gaz d'échappement de manière, que l'incidence en volume de construction soit minimale et qu'il n'y ait aucun élément de commande ni électronique de commande. Ce problème est résolu selon l'invention par le fait que le flux du gaz d'échappement est commandé par un dispositif d'épuration qui, du fait de la dilatation thermique se produisant, effectue un déplacement relatif en une position de fermeture ou de passage traversant. On obtient de ce fait que la commande du flux de gaz d'échappement se fasse sans demander de matériel technique de détection et de régulation. L'effet de refroidissement s'établit grâce à l'augmentation de température de l'échangeur de chaleur ainsi constitué, ou du dispositif de fermeture. De manière correspondante, un refroidissement du dispositif de fermeture mène à une fermeture de l'échangeur de chaleur. Il est pour cela avantageux qu'un tube de gaz d'échappement, avec le dispositif de fermeture commandé par la dilatation thermique, soit prévu dans la chambre de fluide de refroidissement et que le tube de gaz d'échappement présente des ouvertures de commande disposées en périphérie qui, du fait de la dilatation thermique, libèrent l'admission à la chambre de refroidissement et l'échappement de la chambre de refroidissement. Le tube de gaz d'échappement est à cette fin fixé uniquement sur une face frontale à l'intérieur de la chambre de fluide de refroidissement, de sorte qu'un échauffement mène à une dilatation axiale sur un côté du tube. A cette dilatation du tube, est lié un décalage axial des ouvertures de commande prévues dans le tube, de sorte que celles-ci libèrent l'accès à la chambre de refroidissement ou des ouvertures de la chambre de refroidissement. Il est en outre avantageux qu'une paroi de chambre de refroidissement soit disposée coaxialement par rapport au tube de gaz d'échappement et que la paroi de chambre de refroidissement se place en appui par tronçons, sur le tube de gaz d'échappement, ou bien soit en liaison fonctionnelle avec le tube de gaz d'échappement et que l'ouverture de commande soit disposée de manière que, en cas d'augmentation de la température du tube de gaz d'échappement, il se produise un décalage axial, entre l'ouverture de commande et la chambre de refroidissement, ou bien une ouverture de chambre de refroidissement. La paroi de chambre de refroidissement ainsi réalisée, ou bien la partie, appuyant sur le tube de gaz d'échappement, de la paroi de chambre de refroidissement, ferme les ouvertures de commande, lorsqu'on est à l'état froid. Lorsqu'on est à l'état chaud, il y a un décalage axial du tube de gaz d'échappement à l'intérieur de la paroi de chambre de refroidissement et la partie en appui de la paroi de chambre de refroidissement libère les ouvertures de commande. Il est pour cela avantageux qu'une paroi de chambre de refroidissement de la chambre de refroidissement soit reliée, côté admission ou côté échappement, à un coude ou à une installation de gaz d'échappement, et que le tube de gaz d'échappement ne soit relié, au coude ou à l'installation de gaz d'échappement, que côté échappement ou côté admission. On assure ainsi une dilatation thermique du tube du gaz d'échappement à l'intérieur de la chambre de refroidissement, ou bien par rapport à la chambre de refroidissement. Selon une forme de réalisation préférée de la solution selon l'invention, il est enfin prévu qu'une pluralité de chambres de refroidissement présentent un canal de déversement commun, qui forme, à l'extrémité de l'échangeur de chaleur, une ouverture de recirculation, et soient reliées par celui-ci. Ainsi, les gaz d'échappement à refroidir peuvent pénétrer à travers les ouvertures de chambres de refroidissement libérées dans la chambre de refroidissement et retourner à l'installation des gaz d'échappement de nouveau par l'ouverture de recirculation ménagée à l'extrémité de l'échangeur de chaleur. Il est d'une importance particulière pour la présente invention que le tube de gaz d'échappement présente, sur le côté intérieur, dans la zone de l'ouverture de commande, une aide à l'entrée d'écoulement, telle qu'une tôle de guidage et, dans la zone de l'ouverture de commande, une aide à la sortie d'écoulement, telle qu'une tôle de guidage. On obtient de ce fait que les gaz d'échappement à refroidir, ou bien une partie de ceux-ci, s'introduisent plus rapidement et plus aisément dans la chambre de refroidissement et également sortent en recirculation hors de celle-ci de nouveau pour aller dans le tronçon de gaz d'échappement. En liaison avec la réalisation et l'agencement selon l'invention, il est particulièrement avantageux que la chambre de refroidissement reçoive, outre le tube de gaz d'échappement, un autre tube de commande disposé de façon déplaçable axialement, coaxial ou en appui par rapport au tube de gaz d'échappement, tube de commande qui reçoit les ouvertures de chambre de refroidissement qui correspondent aux ouvertures de commande du tube de gaz d'échappement. Le tube de commande remplace les pièces en appui de la paroi de chambre de refroidissement, avec l'avantage particulier que les admissions à la chambre de refroidissement et les échappements de la chambre de refroidissement peuvent être formés sans constituer le canal de contournement. Les deux tubes se dilatent axialement en sens opposé et forment ainsi le dispositif de fermeture selon l'invention. Il est à cette fin avantageux que le tube du gaz d'échappement soit relié, côté admission ou côté échappement, et que le tube de commande soit relié à l'opposé, côté échappement ou côté admission, au coude et que la dilatation thermique des deux tubes se fasse en sens inverse. La fixation opposée des tubes présente l'avantage que l'allongement des tubes, du fait de la dilatation thermique, est complété ou additionné, de sorte que, pratiquement, on peut réaliser de plus grandes ouvertures de chambre de refroidissement. Il est en outre avantageux qu'un tube de gaz d'échappement, équipé d'une buse Venturi et présentant sur la périphérie des ouvertures de commande disposées devant et derrière la buse Venturi, soit disposé à l'intérieur ou coaxialement par rapport à un tube de commande, le tube de commande présentant sur la périphérie, dans la zone des ouvertures de commande du tube du gaz d'échappement, des ouvertures de chambre de refroidissement et les deux tubes étant disposés de façon axialement mobile l'un par rapport à l'autre, du fait de la dilatation thermique. Il est en outre avantageux que le matériau du tube du gaz d'échappement présente un coefficient de dilatation thermique qui soit différent de celui du matériau de la chambre de refroidissement ou de celui du tube de commande, ou bien que l'ouverture de commande soit fermée par un dispositif de fermeture constitué d'un élément bimétallique. Le choix des différents matériaux favorise la dilatation thermique, ou bien agit favorablement sur la section transversale à ouvrir des ouvertures de chambre de refroidissement. Il est également avantageux que la paroi de chambre de refroidissement forme, avec le tube de commande, la chambre de refroidissement qui est adaptée aux conditions d'encombrement extérieur au plancher du véhicule et qu'une veine de mélange soit prévue entre la chambre de refroidissement et un catalyseur. Ainsi l'aptitude fonctionnelle de l'échangeur de chaleur, dans les limites des conditions d'encombrement données, dans un compartiment 6 2812027 moteur ou bien sur la face intérieure d'un véhicule automobile, est assurée. D'autres détails et avantages de l'invention sont explicités dans les revendications du brevet et dans la description et sont représentés sur les figures. Dans le dessin: la figure 1 est un schéma de principe d'un échangeur de chaleur, muni d'une chambre de refroidissement, d'un tube de gaz d'échappement et d'un tube de commande, sachant qu'on a représenté, dans la moitié supérieure de la figure, un état de fonctionnement froid et, dans la moitié inférieure de la figure, un état de fonctionnement chaud, la figure 2 est une représentation en coupe d'un échangeur de chaleur avec deux chambres de refroidissement, sachant que, dans la moitié supérieure de la figure est représenté un état de fonctionnement froid et, dans la moitié inférieure de la figure, est représenté un état de fonctionnement chaud. On a désigné sur la figure 1, par 1, un échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur 1 présente une chambre de refroidissement 4, qui est formée par une paroi de chambre de refroidissement 9, un tube de gaz d'échappement 7 et un tube de commande 15. Le tube de gaz d'échappement 7 est disposé à l'intérieur du tube de commande 15. Les deux tubes 7, 15 se dilatent lorsqu'ils sont soumis à un échauffement. Il y a entre eux les deux un décalage axial, provenant du fait que la fixation est faite sur un côté. La chambre de refroidissement 4 est raccordée, selon la figure 1, par sa paroi de chambre de refroidissement 9, sur son côté droit et gauche, respectivement, à un coude 8 schématisé et présente une section transversale rectangulaire. Le coude constitue la partie de l'installation de gaz d'échappement qu'il y a entre 7 2812027 l'échappement du moteur à combustion et le catalyseur de NOx ou le silencieux. Le tube de gaz d'échappement 7 est disposé coaxialement par rapport à un axe médian 18 de la chambre de refroidissement 4 et, selon la figure 1, est raccordé du côté droit, c'est-à-dire du côté entrée des gaz d'échappement ou bien côté moteur, directement, par la paroi de chambre de refroidissement 9, au coude 8. Le tube de gaz d'échappement 7 présente, dans la zone médiane, après une entrée de chambre de refroidissement 3, un effilement 16 à la manière d'une buse Venturi, de sorte que les commandes de gaz d'échappement qui pénètrent selon la figure 1 depuis la droite, donc du côté admission des gaz d'échappement ou côté moteur, subissent une perte de pression à l'intérieur de ce tronçon d'écoulement du tube de gaz d'échappement 7. Avant et après l'effilement 16 ou la buse Venturi, le tube de gaz d'échappement 7 présente des ouvertures de commande 6 sur sa périphérie, ouvertures qui sont reliées fonctionnellement au tube de commande 15 et aux ouvertures de chambre de refroidissement 3, 5 y étant prévues. Le tube de gaz d'échappement 7 et le tube de commande 15 forment l'un par rapport à l'autre, du fait de la dilatation thermique, un décalage axial dépendant de la température, de sorte que les ouvertures de commande 6 et les ouvertures de chambre de refroidissement 3, à l'état froid, sont en décalage mutuel et, à l'état chaud, prennent une position à peu près en coïncidence. Le tube de commande 15 est également disposé coaxialement par rapport à l'axe médian de chambre de refroidissement 18 et au tube de gaz d'échappement 7 et, selon la figure 1, sur le côté gauche, c'est-à-dire du côté échappement des gaz d'échappement ou côté catalyseur, est raccordé directement par la paroi de chambre de refroidissement 9 au coude 8. Le tube de commande 15 présente les ouvertures de chambre de refroidissement 3, 5 dans la zone des points de raccordement 17 ou dans la zone des ouvertures de commande 6 du tube de gaz d'échappement 7. 8 2812027 Selon la moitié supérieure de l'image de la figure 1, les ouvertures de commande 6 et les ouvertures de chambre de refroidissement 3, 5 sont disposées de manière que, lorsqu'on est en état de fonctionnement froid, c'est-à-dire jusqu'à environ 300 C, il y ait un décalage axial entre les ouvertures de commande 6 et les ouvertures de chambre de refroidissement 3, 5 et que celles-ci soient fermées. L'espacement entre les centres d'ouverture chaque fois correspondant est, par conséquent, supérieur ou identique à la largeur des ouvertures de chambre de refroidissement 3, 5. Selon la moitié inférieure de l'image de la figure 1, les ouvertures de commande 6 et les ouvertures de chambre de refroidissement 3, 5, lorsqu'on est à l'état de fonctionnement chaud, c'est-à-dire à partir d'environ 400 C, du fait de la dilatation thermique du tube de gaz d'échappement 7 et du tube de commande 15 ou de leur matériau utilisé, sont disposées les unes au-dessus des autres, c'est-à-dire que le décalage entre les centres respectifs des ouvertures est inférieur, ou bien revient vers zéro. Les gaz d'échappement, qui s'introduisent depuis la droite sur la figure 1, sont ralentis par la buse Venturi 16 venant ensuite, disposée après l'entrée de chambre de refroidissement 3, c'est-à-dire qu'il se produit une augmentation de pression, si on observe dans la direction de l'écoulement, avant la buse Venturi. Cette augmentation de pression favorise la ramification d'un débit-masse partiel dans la chambre de refroidissement 4. Les gaz d'échappement qui s'introduisent par la chambre de refroidissement 4, par l'ouverture de commande 6 et l'ouverture de chambre de refroidissement 3, sont ralentis, du fait de l'augmentation de section transversale d'écoulement survenant dans la chambre de refroidissement 4, et il se produit à cet endroit une augmentation de pression. De manière correspondante, lors de l'entrée dans le tube de gaz d'échappement 7, les gaz d'échappement sont de nouveau accélérés du fait que, à cet 9 2812027 endroit, les deux débits-masses se rejoignent de nouveau et que la section transversale d'écoulement globale est diminuée. Il se produit une accélération et, ainsi, une chute de pression. En étant favorisé par la différence de pression ainsi générée à l'intérieur de la chambre de refroidissement 4, les gaz d'échappement s'écoulent, par l'entrée de chambre d'admission 3 qui est ouverte, pénètrent dans la chambre de refroidissement 4 et, à l'extrémité de la chambre de refroidissement 4, reviennent, refroidis, dans les tubes de gaz d'échappement 7, en étant passés par la sortie de chambre de refroidissement 5. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur (1) pour gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comportant au moins un dispositif de fermeture (2), l'échangeur de chaleur (1) comportant une chambre de refroidissement (4), balayée par un écoulement extérieur de fluide de refroidissement, présentant une entrée de chambre de refroidissement (3) et une sortie de chambre d'échappement (5), caractérisé en ce que le flux de gaz d'échappement est commandé par un dispositif de fermeture (2), qui effectue un déplacement relatif, en position de fermeture ou de passage, du fait de la dilatation thermique. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un tube de gaz d'échappement (7), comportant le dispositif de fermeture (2) commandé par le biais de la dilatation thermique, est prévu dans la chambre de fluide de refroidissement (4). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'à l'intérieur de la chambre de refroidissement (4) est prévu un tube de gaz d'échappement (7) avec des ouvertures de commande (6) disposées en périphérie, le tube de gaz d'échappement libérant l'entrée de la chambre de refroidissement (3) et la sortie de chambre de refroidissement (5) par le biais de la dilatation thermique. 4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une paroi de chambre de refroidissement (9) est disposée coaxialement par rapport au tube de gaz d'échappement (7) et la paroi de chambre de refroidissement est en appui, par tronçons, sur le tube de gaz d'échappement (7), ou bien est reliée fonctionnellement au tube de gaz d'échappement (7). 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture de commande (6) est disposée de manière que, lorsque le tube de gaz d'échappement (7) subit une augmentation de température, un décalage axial se produit entre l'ouverture de commande (6) et la chambre de refroidissement (4) ou une ouverture de chambre de refroidissement (3). 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une paroi de chambre de refroidissement (9) de la chambre de refroidissement (4) est reliée, côté admission et côté échappement, à un coude (8) ou bien à une installation de gaz d'échappement, et le tube de gaz d'échappement (7) n'est relié, que côté échappement ou côté admission, au coude (8) ou à l'installation de gaz d'échappement. 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une pluralité de chambres de refroidissement (4) présentent un canal de déversement (11) commun, qui forme à l'extrémité de l'échangeur de chaleur une ouverture de recirculation (10) et sont reliées par celui-ci. 8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube de gaz d'échappement (7) présente, du côté intérieur, dans la zone de l'ouverture de commande (6), une aide à l'entrée d'écoulement (12), telle qu'une tôle de guidage et, dans la zone de l'ouverture de commande (6), une aide à la sortie d'écoulement (14), telle qu'une tôle de guidage. 9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de refroidissement (4) reçoit, outre le tube de gaz d'échappement (7), un autre tube de commande (15) disposé de façon déplaçable axialement, situé coaxialement ou en appui par rapport au tube de gaz d'échappement (7), le tube de commande (15) recevant les ouvertures de chambre de refroidissement (10) correspondant aux ouvertures de commande (6) du tube de gaz d'échappement (7). 10. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube de gaz d'échappement (7) est relié, côté admission ou côté échappement, et le tube de commande (15) est relié de façon 12 2812027 opposée, côté échappement ou côté admission, au coude (8) et la dilatation thermique des deux tubes (7, 15) se faisant en sens inverse. 11. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un tube de gaz d'échappement (7), équipé d'une buse Venturi (16) et présentant des ouvertures de commande (6) disposées sur la périphérie, devant et derrière la buse Venturi (16), est disposé à l'intérieur de, ou coaxialement par rapport à, un tube de commande (15), le tube de commande (15) présentant, à la périphérie et dans la zone des ouvertures de commande (6) du tube de gaz d'échappement (7), des ouvertures de chambre de refroidissement (3, 5), et les deux tubes (7, 15) étant disposés de façon mobile axialement l'un par rapport à l'autre, suite à la dilatation thermique. 12. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau du tube de gaz d'échappement (7) présente un coefficient de dilatation thermique différent du matériau de la chambre de refroidissement (4) ou du tube de commande (15), ou bien l'ouverture de commande (6) est obturée par un dispositif de fermeture constitué d'un élément bimétallique.