Brevet FR2821298A1 — publié le 20020830

La présente invention concerne un système de chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un tel système qui comporte des moyens formant échangeur de chaleur pour le chauffage de l'habitacle et raccordés à un circuit de liquide de refroidissement du moteur du véhicule et à des moyens de récupération de chaleur, implantés en dérivation sur la ligne d'échappement du moteur en parallèle aux bornes d'une vanne de dérivation intégrée dans cette ligne, le moteur étant associé à une chaîne de transmission pilotée de puissance vers les roues motrices du véhicule dont le fonctionnement est commandé par un superviseur de contrôle selon une première loi de passage de rapports de transmission. Les moteurs actuels ont atteint de très faibles niveaux de consommation de carburant grâce aux nouvelles technologies que sont principalement l'injection directe à haute pression Diesel ou essence, et la suralimentation. Cette amélioration du rendement des moteurs se fait au détriment d'une fonction que le moteur thermique remplissait jusqu'à présent, à savoir fournir des calories pour chauffer l'habitacle du véhicule. Pour résoudre ces problèmes, on a donc été amené à intégrer dans les véhicules des systèmes de chauffage additionnels, tels que par exemple des résistances chauffantes, de brûleurs, etc..., qui sont devenus nécessaires pour assurer une prestation correcte de chauffage de cet habitacle. Cependant, ces systèmes présentent un certain nombre d'inconvénients, notamment au niveau de leur coût et de la pénalisation en consommation de carburant. On étudie également l'intégration dans les véhicules, de moyens de récupération de chaleur à l'échappement. Ces systèmes sont intéressants car ils permettent de récupérer de l'énergie calorifique qui serait de toute façon perdue, sans pénaliser la consommation en carburant. Malheureusement, certaines conditions de fonctionnement du moteur sont insuffisantes pour assurer cette fonction d'amélioration du chauffage de l'habitacle à partir de cette récupération de chaleur, comme par exemple en roulage de type urbain, car la puissance récupérable à l'échappement est trop faible par rapport aux besoins, cette puissance récupérée pouvant par exemple être estimée à 1 kW pour 3 kW nécessaires. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes. A cet effet, l'invention a pour objet un système de chauffage de l'habi- tacle d'un véhicule automobile, du type comportant des moyens formant échangeur de chaleur pour le chauffage de l'habitacle et raccordés à un circuit de liquide de refroidissement du moteur du véhicule et à des moyens de récupération de chaleur implantés en dérivation sur la ligne d'échappement du moteur, en parallèle aux bornes d'une vanne de dérivation intégrée dans cette ligne, le moteur étant associé à une chaîne de transmission pilotée de puissance vers les roues motrices du véhicule dont le fonctionnement est commandé par un superviseur de contrôle selon une première loi de passage de rapports de transmission, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'acquisition de la température du li- quide de refroidissement et de la position de la pédale d'accélérateur du véhicule pour commuter le superviseur de contrôle sur une seconde loi de passage de rapports décalée par rapport à la première loi, et fermer la vanne de dérivation intégrée dans la ligne d'échappement, si la température du liquide de refroidissement est inférieure à un seuil prédéterminé de température et si la position de la pédale d'accélérateur est en deçà d'un seuil prédéterminé de position pour augmenter la température et le débit des gaz d'échappement afin d'augmenter la récupération de chaleur par les moyens de récupération. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la Fig. 1 représente un schéma synoptique illustrant la structure générale d'un système selon l'invention ; - la Fig. 2 représente un organigramme illustrant le fonctionnement de celui-ci ; et - la Fig. 3 illustre un exemple de cartographie de commande d'une transmission pilotée. On a en effet représenté sur la figure 1, un moteur Diesel de véhicule automobile qui est désigné par la référence générale 1. Dans l'exemple décrit, ce moteur est un moteur à quatre cylindres, désignés par les références générales 2,3, 4 et 5. Ce moteur est associé à un système d'alimentation commune en carburant de ces cylindres du moteur désigné par la référence générale 6, constitué par exemple par un système à rampe commune à haute pression d'alimentation en carburant des cylindres. Ce système d'alimentation est piloté par un calculateur moteur désigné par la référence générale 7. Le moteur est associé en entrée à des moyens d'admission en air désignés par la référence générale 8 et en sortie, à une ligne d'échappement désignée par la référence générale 9. Des moyens de dépollution désignés par la référence générale 10 sont intégrés dans cette ligne d'échappement. Le moteur est également associé à un circuit de liquide de refroidissement désigné par la référence générale 11 sur cette figure 1, qui comporte des moyens de récupération de chaleur désignés par la référence générale 12 im- plantés en dérivation sur la ligne d'échappement 9 du moteur, en parallèle aux bornes d'une vanne de dérivation désignée par la référence générale 13, intégrée dans cette ligne. Ce circuit de refroidissement et ces moyens de récupération de chaleur sont alors raccordés à des moyens formant échangeur de chaleur désignés par la référence générale 14 adaptés pour chauffer l'habitacle du véhicule de façon classique. Le fonctionnement de ce système sera décrit plus en détail par la suite. L'arbre de sortie du moteur désigné par la référence générale 15 sur cette figure 1, est associé à une chaîne de transmission de puissance désignée par la référence générale 16, permettant de transmettre la puissance entre ce moteur et les roues motrices du véhicule dont l'une est désignée par la référence générale 17. Cette chaîne de transmission de puissance est une chaîne pilotée dont le fonctionnement est contrôlé par un superviseur de contrôle désigné par la référence générale 18 sur cette figure, à travers un calculateur de transmission désigné par la référence générale 19, qui sera décrit plus en détail par la suite. Ce superviseur contrôle également l'ouverture et la fermeture de la vanne 13 intégrée dans la ligne d'échappement et reçoit différentes informations de capteurs appropriés, comme par exemple une information de position de la pédale d'accélérateur du véhicule à partir d'un capteur correspondant 20, une information de température du liquide de refroidissement dans le circuit de refroidissement du moteur à partir d'un capteur 21 et une information de vitesse du véhicule à partir d'un capteur de vitesse correspondant 22. Dans la présente description, l'expression"chaîne de transmission pilotée"correspond à tout système qui permet de transmettre la puissance du mo- teur thermique aux roues du véhicule suivant plusieurs valeurs de rapport de vitesses ou suivant plusieurs démultiplications entre le moteur et les roues. Sur une boîte de vitesses mécanique classique, c'est le conducteur du véhicule qui choisit le rapport de démultiplication et qui provoque mécanique- ment, au moyen par exemple de câbles qui relient la pédale d'embrayage et le levier de vitesses respectivement au système d'embrayage et aux fourchettes situées sur la boîte de vitesses mécanique, le changement de rapport. Par opposition, une chaîne de transmission pilotée est un système de transmission dans lequel les changements de rapport ou de démultiplication sont décidés par un calculateur et réalisés automatiquement sans intervention du conducteur grâce à des actionneurs électriques ou électro-hydrauliques par exemple. De façon classique, le calculateur de transmission qui est commandé par le superviseur de contrôle de chaîne de transmission, sélectionne à la place du conducteur, les rapports de démultiplication entre le moteur thermique et les roues selon principalement la vitesse du véhicule et la position de la pédale d'ac- célérateur, en fonction d'une loi de passage de rapports de transmission. Cette loi ou stratégie de pilotage est généralement représentée dans le plan vitesse du véhicule-position de la pédale d'accélérateur, par une cartographie, comme cela sera décrit plus en détail par la suite. On notera que les différentes zones de cette cartographie peuvent être différentes selon l'historique des changements de rapport, que ceux-ci soient montants ou descendants. A titre d'exemple classique de chaîne de transmission pilotée, on peut citer une boîte de vitesses automatique qui comprend un convertisseur de couple hydraulique et des trains épicycloïdaux bloqués par des freins hydrauliques pour réaliser les différentes démultiplications, une boîte de vitesses mécanique pilotée qui comprend un embrayage classique mais piloté, ainsi qu'une boîte de vitesses mécanique classique mais dont les fourchettes sont actionnées électriquement ou hydrauliquement, un variateur qui comprend un embrayage humide ou un convertisseur de couple hydraulique ainsi qu'un jeu de poulies à diamètres varia- bles reliées par une chaîne permettant d'obtenir une infinité de valeurs de démultiplication. Dans l'exemple décrit en regard de la figure 1, on utilise une boîte de vitesses pilotée, c'est-à-dire qui comprend un embrayage piloté 23 et une boîte de vitesses 24 dont les fourchettes sont par exemple actionnées électriquement ou hydrauliquement. Pour résoudre les problèmes évoqués précédemment, le système selon l'invention vise à augmenter la quantité de chaleur récupérable à l'échappement et par conséquent à améliorer le chauffage de l'habitacle du véhicule en utilisant le degré de liberté qu'offre une transmission pilotée pour déplacer le point de fonctionnement du moteur thermique vers des conditions plus favorables à la récupération de chaleur à l'échappement. Ceci se fait en commutant le superviseur de contrôle 18 sur une seconde loi de passage de rapports décalée par rapport à la première loi et en fermant la vanne de dérivation 13 intégrée dans la ligne d'échappement pour amener les gaz à circuler dans les moyens de récupération de chaleur 12. On va donner par la suite un exemple permettant d'illustrer cette commutation et les effets de celle-ci pour montrer que pour une même puissance mécanique fournie par le moteur, le fait de rétrograder permet d'augmenter la température et le débit des gaz d'échappement. Si l'on prend un point de roulage urbain caractéristique, c'est-à-dire à faible charge et à faible régime, la boîte de vitesses étant sur le troisième rapport à 45 km/h, la puissance à fournir au véhicule par le moteur est d'environ 2,5 kW. Avec une démultiplication classique d'un rapport de troisième, le point de fonctionnement du moteur est de 1670 tr/mn et de 0,9 bar de pme. Avec une démultiplication classique de deuxième, le point de fonctionnement du moteur devient 2660 tr/mn et 0,6 bar de pme. Ces deux points de fonctionnement moteur délivrent la même puis- sance moteur, à savoir 2,5 kW. Sur ces deux points de fonctionnement moteur, l'état de la technique pour un moteur Diesel à injection directe suralimenté d'une cylindrée d'environ 2 litres, indique que la température d'échappement et le débit d'échappement sont approximativement : 2,5 kW N (tr/mn) Pme (bar) Tech ( C) mech (g/s) 31670 0, 9 140 12 2nde 2660 0, 6 170 46 On voit donc que passer de 3'e en 2ième permet d'augmenter la température des gaz d'échappement d'environ 30 (+20%) et d'augmenter le débit des gaz d'échappement de 34 g/sec (+280%). La forte augmentation du débit des gaz d'échappement s'explique par le fait que le régime moteur augmente et que de plus on sort de la zone dite EGR de recyclage des gaz d'échappement en entrée moteur qui, en deuxième dans cet exemple, est désactivée. Ainsi, le flux thermique potentiellement récupérable par les moyens de récupération de chaleur augmente fortement. En considérant que la température du liquide de refroidissement du circuit de refroidissement s'est stabilisée à 60 C environ, ce flux potentiellement récupérable se calcule de la façon suivante : Qpot = mech x Cpech x (Tech-Teau) où mech, Cpech, Tech et Teau sont respectivement le débit massique des gaz d'échappement, la capacité calorifique des gaz d'échappement, la température des gaz d'échappement et la température du liquide de refroidissement. Le flux potentiellement récupérable est donc multiplié par 5, à savoir : 46x (170-60) 12x (140-60) Le flux réellement récupéré qui dépend de l'efficacité des moyens de récupération est donc largement augmenté (flux récupéré = flux potentiellement récupérable x efficacité de l'échangeur) et est de l'ordre de 6 kW dans les conditions de roulage décrites ci-dessus. Ce flux réellement récupéré passe donc de l'échappement vers le circuit de refroidissement, puis du circuit de refroidissement vers l'habitacle par l'intermédiaire des moyens formant échangeur de chaleur. Ainsi, pour un véhicule équipé d'un système de récupération de chaleur à l'échappement et d'une transmission pilotée, la stratégie de pilotage de ces deux éléments va donc consister par grand froid, c'est-à-dire lorsque la température du liquide du circuit de refroidissement est inférieure à un certain seuil par exemple de 40 C, à activer le système de récupération à l'échappement, c'est-àdire en fait, à fermer la vanne de dérivation 13 intégrée dans celle-ci et à choisir des rapports plus courts que ceux normalement utilisés à chaud pour optimiser la consommation (dans l'exemple, 2ième au lieu de 3ième, si la vitesse du véhicule est de 45 km/h et si la température du liquide de refroidissement est inférieure à 40 C par exemple). Cette stratégie n'est toutefois appliquée que si la demande de couple, c'est-à-dire en fait la position de la pédale d'accélérateur du véhicule reste en deçà d'un seuil prédéterminé, par exemple de l'ordre de 30%. En effet, pour des demandes de couple supérieures, la contre-pression engendrée par les moyens de récupération de chaleur pénalise de façon rédhibitoire la puissance moteur. De plus, la charge du moteur est alors suffisante pour assurer une montée en température acceptable de l'habitacle. Ce fonctionnement est illustré sur la figure 2 où l'on reconnaît en 25, une étape au cours de laquelle le superviseur 18 détermine si la température du liquide de refroidissement du circuit de refroidissement est inférieure à 40 C et si la position de la pédale d'accélérateur du véhicule correspond à une charge inférieure à 30%. Si ce n'est pas le cas, la vanne 13 intégrée dans la ligne d'échappement reste ouverte en 26 et le superviseur de contrôle 18 commande la chaîne de transmission selon la première loi de passage de rapports dite normale. Par contre, si la réponse aux tests en 25 est positive, en 28, le superviseur 18 ferme la vanne 13 intégrée dans la ligne d'échappement pour amener les gaz d'échappement à circuler à travers les moyens de récupération de chaleur 12 et commute le superviseur 18 de contrôle de la chaîne de transmission pilotée sur la seconde loi de passage de rapports décalée par rapport à la première, pour par exemple rétrograder celle-ci d'un rapport lors de l'étape 29, afin comme cela a été indiqué précédemment, d'augmenter la température et le débit des gaz d'échappement. Pour éviter d'éventuels à-coups, la commande de la vanne peut être assurée de manière progressive et linéaire par rapport à la position de la pédale d'accélérateur. Enfin, on a représenté sur la figure 3, un exemple de cartographie de commande d'une chaîne de transmission pilotée dans les différentes zones de limite de passages de rapport. On notera à cet égard que dans le cas de l'utilisation d'un variateur, les courbes de délimitation sont aussi nombreuses que le pas de discrétisation des démultiplications possibles. Bien entendu d'autres modes de réalisation de ce système peuvent être envisagés. REVENDICATIONS 1. Système de chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile du type comportant des moyens (14) formant échangeur de chaleur pour le chauffage de l'habitacle et raccordés à un circuit (11) de liquide de refroidissement du moteur du véhicule et à des moyens (12) de récupération de chaleur implantés en dérivation sur la ligne d'échappement (9) du moteur, en parallèle aux bornes d'une vanne de dérivation (13) intégrée dans cette ligne, le moteur (1) étant associé à une chaîne de transmission pilotée (16) de puissance vers les roues motrices (17) du véhicule dont le fonctionnement est commandé par un superviseur de contrôle (18) selon une première loi de passage de rapports de transmission, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (20,21) d'acquisition de la température du liquide de refroidissement et de la position de la pédale d'accélérateur du véhicule pour commuter le superviseur de contrôle (18) sur une seconde loi de passage de rapports décalée par rapport à la première loi, et fermer la vanne de dérivation (13) intégrée dans la ligne d'échappement, si la température du liquide de refroidissement est inférieure à un seuil prédéterminé de température et si la position de la pédale est en deçà d'un seuil prédéterminé de position, pour augmenter la température et le débit des gaz d'échappement, afin d'augmenter la récupération de chaleur par les moyens de récupération (12). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le seuil de température est égal à 40 C et le seuil de position est égal à 30%. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chaîne de transmission comporte une boîte de vitesses mécanique pilotée. 4. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chaîne de transmission comporte une boîte de vitesses automatique. 5. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chaîne de transmission comporte un variateur.