Brevet FR2846735A1 — publié le 20040507

VTM1381.FRD Echangeur de chaleur à plusieurs fluides, notamment pour un véhicule automobile, et système de gestion de l'énergie thermique associé L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles, pour l'échange de chaleur entre des fluides caloporteurs. Les véhicules automobiles actuels comprennent un nombre de plus en plus important d'échangeurs de chaleur. En effet, en plus des fonctions traditionnelles de refroidissement du moteur et de chauffage et de climatisation de l'habitacle, des exigences 15 accrues en matière de confort ou de respect de normes environnementales strictes conduisent à réchauffer ou refroidir certains fluides pour adapter leur température, afin de permettre une gestion améliorée de l'énergie thermique développée par le moteur à combustion interne. 20 Ainsi, en phase de démarrage à froid du moteur, il est souhaitable d'accélérer la montée en température de l'huile du moteur et/ou de la boîte de vitesse. De même, il est souhaitable de permettre une montée en température rapide de la 25 température de l'eau du circuit de refroidissement du moteur. Par ailleurs, à charge normale ou élevée du moteur, il est souhaitable de refroidir les gaz d'échappement afin, entre autres, d'augmenter la durée de vie des éléments catalytiques utilisés pour piéger les oxydes d'azote et réduire les 30 émissions de polluants dans l'atmosphère. Enfin, à charge normale ou élevée du moteur, l'huile du moteur et de la boîte de vitesse doivent être refroidies, en général par échange avec l'eau de refroidissement du moteur. Dans l'état de la technique actuellement connue, toutes ces fonctions d'échange thermique sont remplies par des échangeurs de chaleur dans lesquels les fluides à réchauffer ou à refroidir échangent de la chaleur deux à deux. Un grand nombre d'échangeurs distincts est donc nécessaire pour remplir l'ensemble des fonctions souhaitées. Ces échangeurs occupent un volume important sous le capot moteur. Ils nécessitent la 5 présence de nombreuses canalisations d'amenée et d'évacuation des fluides. La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur, notamment pour véhicule automobile, qui remédie à ces 10 inconvénients. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par le fait que l'échangeur comprend des moyens d'échange de chaleur entre un premier, un deuxième et un troisième fluide. 15 Ces fluides peuvent être à l'état liquide, gazeux ou sous forme de phases liquide et gazeuse. L'échangeur peut être d'un type quelconque, par exemple à plaques ou à tubes. Il peut fonctionner avec une circulation simultanée des trois fluides 20 ou avec différentes combinaisons de fluides, échangeant deux à deux de la chaleur. Dans une réalisation préférée, le premier fluide est constitué par l'huile de la boîte de vitesse et/ou du moteur, le second 25 fluide par les gaz d'échappement et le troisième fluide par l'eau de refroidissement du moteur. Grâce à ces caractéristiques, il est possible d'accélérer la montée en température de l'huile du moteur et/ou de la boîte de 30 vitesse en récupérant la chaleur des gaz d'échappement. Il en résulte une diminution de la consommation de carburant du moteur. Par ailleurs, à faible charge, l'échangeur de l'invention permet de maintenir la température de l'huile du moteur et/ou de la boîte de vitesse à une température plus 35 élevée que celle de l'eau de refroidissement du moteur utilisée dans les échangeurs de l'art antérieur. Ceci permet une nouvelle réduction de la consommation de carburant du moteur. De même, l'échangeur de l'invention permet d'accélérer la montée en température d'eau du moteur en cas de démarrage à froid par récupération de l'énergie thermique des gaz d'échappement. A charge nominale ou forte du moteur du véhicule, les gaz d'échappement peuvent être refroidis, par exemple à une température comprise entre 250'C et 450'C, ce qui permet 10 d'améliorer l'efficacité des éléments de catalyse de type "DeNox" utilisés pour piéger les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement. Enfin, à pleine charge du moteur, l'huile peut être refroidie 15 de manière classique par l'eau de refroidissement du moteur. Dans une réalisation particulière, l'échangeur comporte un boîtier central dans lequel le premier et le deuxième fluide caloporteurs circulent en échangeant de la chaleur et une 20 enveloppe périphérique concentrique au boîtier dans laquelle circule le troisième fluide. Avantageusement, le boîtier central comporte une paroi périphérique cylindrique munie de tubulures d'entrée et de 25 sortie pour le premier fluide et deux parois d'extrémité; un faisceau de tubes allongés parallèlement à l'axe du boîtier, les régions d'extrémité de chaque tube traversant de manière étanche au fluide des ouvertures ménagées dans lesdites parois d'extrémité, et les faces externes des tubes délimitant à 30 l'intérieur du boîtier une chambre pour la circulation du premier fluide; et deux coupelles annulaires de révolution coiffant respectivement les deux extrémités du boîtier et liées de manière étanche à la périphérie de celles-ci, pour définir avec les parois d'extrémité des boîtes collectrices qui 35 communiquent entre elles par l'intermédiaire de tubes pour la circulation du second fluide. De préférence, l'une au moins des coupelles présente à son extrémité axiale tournée à l'opposé du boîtier une portion cylindrique définissant une tubulure axiale d'entrée ou de sortie pour le deuxième fluide. Par ailleurs, l'invention concerne un système de gestion de l'énergie thermique développée par un moteur thermique, notamment de véhicule automobile. Ce système de gestion comprend un moteur thermique, un circuit de refroidissement du 10 moteur thermique incluant un radiateur principal dans lequel circule un fluide caloporteur, un circuit de chauffage incluant un aérotherme, un circuit de refroidissement de l'huile du moteur et/ou de la boîte de vitesse, un circuit de refroidissement des gaz d'échappement du moteur. Il comporte un 15 échangeur à trois fluides conforme à la présente invention. Dans une forme de réalisation du système de gestion, l'échangeur est monté sur une dérivation d'une canalisation d'échappement issue du moteur thermique. En ce cas, il est 20 avantageux de prévoir une vanne interposée sur la canalisation d'échappement pour faire circuler les gaz d'échappement de manière sélective dans la canalisation d'échappement et/ou dans la dérivation et l'échangeur. Dans une autre forme de réalisation du système de gestion, l'échangeur est monté sur une canalisation de recirculation des gaz d'échappement interposée entre l'échappement et l'admission du moteur thermique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de chauffage comprend une vanne à trois voies ou un thermostat à trois voies pour ramener le fluide du circuit de chauffage directement au moteur thermique ou faire transiter ce fluide par l'échangeur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures: - la Figure - la Figure - la Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation préféré d'un échangeur à trois fluides conforme à la présente invention; 2 est une vue schématique d'un système de gestion de l'énergie thermique développée par un moteur comportant un échangeur conforme à l'invention en configuration de démarrage à froid ou de circulation urbaine; 3 représente le système de gestion de l'énergie. thermique de la Figure 2 en configuration de fonctionnement normal du moteur; 4 représente ce même système en configuration de fonctionnement à pleine charge du moteur; est un schéma qui représente le circuit des gaz d'échappement en configuration de démarrage à froid et de circulation urbaine; 6 représente le circuit des gaz d'échappement à pleine charge du moteur; et 7 est une vue schématique d'un autre système de gestion qui constitue une variante de celui des Figures 2 à 4. - la Figure X - la Figure - la Figure - la Figure Sur la Figure 1, l'échangeur désigné par la référence générale 2 comprend une paroi cylindrique 4 d'axe XX réalisée, par exemple, en tôle roulée et soudée. La paroi périphérique 4 30 constitue un cylindre qui est fermé à une première extrémité par une paroi d'extrémité 6 et à une seconde extrémité par une paroi d'extrémité 8. Chacune des parois d'extrémité 6 et 8 est perforée de trous cylindriques régulièrement répartis, dans lesquels sont logées les extrémités de tubes 10 formant un 35 faisceau parallèle. La paroi interne du cylindre 4 délimite avec la paroi externe des tubes 10 une chambre 12 pour la circulation d'un premier fluide. A cet effet, la paroi cylindrique 4 est équipée d'une tubulure d'entrée 14 et d'une tubulure de sortie 16 pour ce 5 premier fluide, par exemple l'huile du moteur ou de la boîte de vitesse (flèches Fl, F2). Des viroles 18 sont avantageusement prévues dans la paroi cylindrique 14 pour recevoir les tubulures d'entrée 14 et de sortie 16, et drainer la brasure permettant un assemblage étanche des tubulures à la paroi 10 périphérique 4. A sa première extrémité, la paroi cylindrique 4 comporte une coupelle annulaire de révolution 20 et, à sa seconde extrémité, une coupelle annulaire de révolution 22. Les coupelles 20 et 22 15 sont liées de manière étanche à l'enveloppe cylindrique 4 pour définir respectivement avec les parois d'extrémité 6 et 8 des boîtes collectrices 24 et 26 qui communiquent entre elles par l'intermédiaire des tubes 10 pour la circulation du second fluide, par exemple les gaz d'échappement du véhicule (flèches 20 F3, F4). Une tubulure d'entrée 28 est prévue sur la coupelle 20 et une tubulure de sortie 30 sur la coupelle 22. Chacune des tubulures 28 et 30 comporte une bride de fixation 32 permettant de la raccorder respectivement à une canalisation d'amenée et à une canalisation d'échappement du deuxième fluide. 25 Enfin, l'échangeur 2 comporte une coquille cylindrique 34 qui entoure la paroi périphérique 4 de manière à ménager un espace annulaire 36 entre ces deux parois constituant une chambre pour le troisième fluide, par exemple l'eau de refroidissement du 30 moteur. Une tubulure d'entrée 38 et une tubulure de sortie 40 sont prévues sur la coquille 34 pour permettre respectivement l'entrée et la sortie du troisième fluide. La coquille 34 est liée de manière étanche aux coupelles annulaires de révolution et 22. La paroi périphérique 4 contenant le faisceau de tubes parallèles 10 constitue, avec les coupelles 20 et 22, un boîtier central 23 dans lequel le premier et le deuxième fluide circulent en échangeant de la chaleur. La coquille 34 constitue une enveloppe périphérique concentrique au boîtier 23, dans 5 laquelle circule le troisième fluide (flèches F5, F6). Le troisième peut ainsi échanger de la chaleur avec la premier fluide (flèches Fl, F2). On a représenté sur les Figures 2 à 4 trois schémas d'un 10 système de gestion de l'énergie thermique développée par un moteur de véhicule automobile 44. Le système comprend un circuit 46 de refroidissement du moteur. Ce circuit comprend un radiateur de refroidissement principal 48, disposé à l'avant du véhicule, et une pompe à eau 50, électrique ou mécanique, qui 15 fait circuler l'eau dans le circuit 46. Un groupe motoventilateur 52 accolé au radiateur de refroidissement principal 48 permet de forcer la circulation de l'air à travers les tubes du radiateur lorsque le véhicule ne circule pas à une vitesse suffisante, par exemple dans les encombrements. Un 20 thermostat 54 permet de contrôler la circulation de l'eau dans le circuit 46. Un vase d'expansion 56 permet d'absorber les dilatations du liquide lorsque sa température augmente. Le système de gestion de l'énergie thermique comprend également 25 un circuit de chauffage 58 comprenant un radiateur de chauffage de l'habitacle du véhicule 60, également appelé aérotherme. Une vanne à trois voies ou un thermostat à trois voies 62 permet de ramener le fluide de refroidissement du circuit de chauffage directement au moteur 44 par l'intermédiaire d'une canalisation 30 64, soit de le faire transiter par l'échangeur 2 au moyen d'une canalisation 66. Le système comprend également un circuit de refroidissement de l'huile du moteur 44 ou de la boîte de vitesse (non 35 représentée) du moteur 44. Dans l'exemple, le moteur 44 comporte un carter d'huile 70 relié à l'échangeur 2 par une canalisation 72 et une canalisation 74. Les entrées et sorties pour les trois fluides sont désignées par les mêmes flèches que sur la Figure 1, à savoir: - flèches Fl et F2 pour le premier fluide (huile, dans l'exemple); - flèches F3 et F4 pour le deuxième fluide (gaz d'échappement, dans l'exemple); et - flèches F5 et F6 pour le troisième fluide (eau de 10 refroidissement, dans l'exemple). On a représenté sur les Figures 5 et 6 le détail du circuit 76 de refroidissement des gaz d'échappement issus du moteur 44. Il comporte un pot catalytique 78, et un pot de catalyse 80, 15 appelé communément " pot DeNox", dont la fonction est de piéger les oxydes d'azote. Une vanne 82 est interposée entre le pot catalytique 78 et le pot de catalyse 80 sur une canalisation d'échappement 84 issue du moteur 44. En variante de réalisation, la vanne 82 pourrait être remplacée par une vanne 20 à trois voies 83 représentée en traits tiretés. L'échangeur à trois fluides 2 de l'invention est monté sur une dérivation 86 de la canalisation d'échappement 84. Sur les Figures 2 et 5, le système de gestion de l'énergie 25 thermique a été représenté en position de démarrage à froid et de circulation urbaine. Dans une telle configuration, il est nécessaire de raccourcir le plus possible la montée en température des fluides du système, en particulier de l'eau de refroidissement du moteur et de l'huile du moteur et de la 30 boîte de vitesse. La vanne ou le thermostat à trois voies 62, électrique ou pneumatique, ferme le débit d'eau dans l'échangeur 2. Tout le débit du liquide de chauffage qui a traversé l'aérotherme retourne directement dans le moteur 44. La totalité des gaz d'échappement traverse l'échangeur 2. A cet 35 effet, la vanne 82 est fermée. On récupère ainsi la chaleur des gaz d'échappement. L'huile moteur, au lieu d'être refroidie, est ainsi chauffée, ce qui permet d'accélérer sa montée en température et de diminuer la consommation de carburant du moteur 44. En fonctionnement normal du moteur, c'est-à-dire à charge moyenne, le thermostat ou la vanne à trois voies 62 laisse passer une partie du débit d'eau du circuit de chauffage 58 dans l'échangeur à trois fluides 2, l'autre partie retournant directement au moteur par la canalisation 64. L'eau de 10 refroidissement permet de refroidir modérément la température de l'huile du moteur. La vanne 82 ou la vanne à trois voies 83 peut être fermée (Figure 5), de telle sorte que la totalité des gaz d'échappement traverse l'échangeur. Cela permet de les refroidir et, par conséquent, améliore l'efficacité du pot de 15 catalyse 80 ou bien, en variante, la vanne à trois voies pourrait répartir la circulation des gaz de manière sélective entre la canalisation d'échappement 84 et la dérivation 86. On a représenté sur les Figures 4 et 6 le système de gestion de 20 l'énergie du moteur 44 dans une configuration de pleine charge moteur. La vanne à trois voies 62 est fermée, de telle sorte que la totalité du fluide de refroidissement du circuit de chauffage 58 transite par l'échangeur 2 avant de retourner vers le moteur 44. Cette caractéristique permet de refroidir l'huile 25 moteur. Par ailleurs, la vanne 82 (ou en variante la vanne 83) est en position ouverte, de telle sorte que la plus grande partie des gaz d'échappement évite l'échangeur 2. L'échange thermique des gaz d'échappement vers l'huile moteur est ainsi réduit ou supprimé. L'échangeur 2 fonctionne ainsi comme un 30 échangeur à deux fluides (eau et huile) qui assure le refroidissement de l'huile moteur comme un échangeur classique. Le système de gestion de la Figure 7 est semblable à celui des Figures 2 à 4, les éléments communs étant désignés par les 35 mêmes références numériques. L'échangeur 2 est ici monté, non pas une dérivation de la canalisation d'échappement, mais sur une canalisation de recirculation des gaz d'échappement 90. Cette canalisation 90 est interposée entre l'échappement 92 et l'admission 94 du moteur thermique 44 pour retourner à l'admission du moteur une partie des gaz d'échappement et les 5 brler à nouveau. La canalisation 90 constitue ce que l'on appelle communément la ligne "EGR" (abréviation de "Exhaust Gas Recirculation", expression anglo-saxonne signifiant "recirculation des gaz d'échappement"). En dehors de cette différence, le fonctionnement du système de gestion de la Figure 7 est semblable à celui des Figures 2 à 4. L'échangeur de chaleur de l'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Revendications 1. Echangeur de chaleur, notamment pour un véhicule automobile, pour l'échange de chaleur entre des fluides, 5 caractérisé en ce qu'il des moyens d'échange de chaleur (23, 10, 34) entre un premier, un deuxième et un troisième fluide. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier fluide est constitué par l'huile du moteur et/ou 10 l'huile de la boîte de vitesse, le deuxième fluide par les gaz d'échappement du moteur et le troisième fluide par l'eau de refroidissement du moteur (44). 3. Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce 15 qu'il comporte un boîtier central (23) dans lequel le premier et le deuxième fluide circulent en échangeant de la chaleur et une enveloppe périphérique (34) concentrique au boîtier (23) dans laquelle circule le troisième fluide. 4. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le boîtier central (23) comporte une paroi périphérique (4) munie de tubulures d'entrée et de sortie (14, 16) pour le premier fluide (Fl, F2) et par deux parois d'extrémité (6, 8), un faisceau de tubes (10) allongés, les 25 régions d'extrémité de chaque tube (10) traversant de manière étanche au fluide des ouvertures ménagées dans les parois d'extrémité (6, 8), et les faces externes des tubes délimitant à l'intérieur du boîtier une chambre (12) pour la circulation du premier fluide, et deux coupelles annulaires (20, 22) de 30 révolution coiffant respectivement les deux extrémités du boîtier et liées de manière étanche à la périphérie de ce dernier pour définir des boîtes collectrices qui communiquent entre elles par l'intermédiaire des tubes (10) pour la circulation du second fluide. 5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'une au moins des coupelles (20, 22) présente, à son extrémité axiale tournée à l'opposé du boîtier, une portion cylindrique (28, 30) définissant une tubulure axiale d'entrée ou de sortie pour le second fluide (F3, F4). 6. Système de gestion de l'énergie thermique développé par un moteur thermique (44) de véhicule automobile, comprenant un moteur thermique (44) , un circuit de refroidissement (46) du moteur thermique (44) incluant un radiateur principal (48) dans 10 lequel circule un fluide caloporteur, un circuit de chauffage (58) incluant un aérotherme (60), un circuit de refroidissement de l'huile du moteur (44) et/ou de la boîte de vitesse, un circuit de refroidissement des gaz d'échappement du moteur (44), caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur (2) selon 15 l'une des revendications 1 à 5. 7. Système de gestion selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'échangeur (2) est monté sur une dérivation (86) d'une canalisation d'échappement (84) issue du moteur thermique 20 (44). 8. Système de gestion selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne (82) interposée sur la canalisation d'échappement (84) pour faire circuler les gaz 25 d'échappement de manière sélective dans la canalisation d'échappement (84) et/ou dans la dérivation (86) et l'échangeur (2). 9. Système de gestion selon la revendication 6, caractérisé 30 en ce que l'échangeur (2) est monté sur une canalisation de recirculation des gaz d'échappement (90) interposée entre l'échappement (92) et l'admission (94) du moteur thermique (44). 10. Système de gestion selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le circuit de chauffage (58) comprend une vanne à trois voies ou un thermostat à trois voies (62) pour ramener le fluide du circuit de chauffage directement au moteur thermique (44) ou faire transiter ce fluide par l'échangeur (2).