Brevet FR2861811A1 — publié le 20050506

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de régulation thermique de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile. Elle s'applique en particulier à la réduction de la quantité d'oxydes d'azote (NOx) contenue dans les gaz d'échappement rejetés dans l'environnement par un 5 véhicule à moteur thermique, notamment de type Diesel. Il est connu de réduire la quantité d'oxydes d'azote émis par un véhicule en piégeant ces oxydes à l'aide de moyens de catalyse/réduction disposés dans la ligne d'échappement du véhicule. Il est également connu de réduire la quantité d'oxydes d'azote émis par un véhicule à l'aide de moyens réduisant la production de ces oxydes à la source. En effet, la production d'oxydes d'azote est liée notamment à la température du mélange de gaz introduit dans les cylindres du moteur thermique du véhicule. Plus la température du mélange est élevée, plus la production d'oxydes d'azote est importante. Le mélange de gaz introduit dans les cylindres comprend notamment de l'air d'admission et, le cas échéant, des gaz d'échappement remis en circulation avec l'air d'admission. Ces gaz d'échappement sont communément appelés gaz d'échappement recirculés EGR (Exhaust Gaz Recycling). En abaissant la température des gaz recirculés on abaisse la température du mélange de gaz introduit dans les cylindres ce qui réduit d'autant la production d'oxydes 20 d'azote. Pour réduire la température des gaz recirculés, on a déjà proposé dans l'état de la technique un dispositif de régulation thermique de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile, du type comprenant des moyens principaux d'échange thermique entre les gaz d'échappement recirculés et un liquide caloporteur. Habituellement, ces moyens principaux d'échange thermique comprennent un échangeur gaz recirculés/liquide caloporteur raccordé à un circuit de liquide caloporteur de refroidissement du moteur thermique. Toutefois, de nouvelles réglementations exigent de réduire davantage les émissions d'oxydes d'azote vers l'atmosphère. Or, les moyens principaux d'échange thermique classiques ne permettent pas de limiter suffisamment la production de ces oxydes, pour le moins dans certaines conditions d'utilisation du véhicule, et requièrent des moyens supplémentaires de post-traitement. L'invention a notamment pour but de proposer un dispositif de régulation thermique de gaz d'échappement recirculés, du type précité, qui soit plus performant que 35 ceux déjà connus. 15 20 25 30 35 A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de régulation thermique de gaz d'échappement recirculés, du type précité, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens supplémentaires d'échange thermique entre les gaz d'échappement recirculés et un fluide véhiculant des frigories provenant d'une source froide de pompe à chaleur. Ces moyens supplémentaires d'échange thermique entre les gaz recirculés et un fluide véhiculant des frigories provenant d'une source froide de pompe à chaleur permettent de refroidir efficacement les gaz recirculés notamment dans les conditions de fonctionnement du moteur les plus critiques à l'égard de la production des oxydes d'azote. Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de ce dispositif: - les moyens principaux et supplémentaires d'échange thermique sont raccordés en série dans un circuit de gaz d'échappement recirculés; les moyens principaux d'échange thermique sont raccordés en amont des moyens supplémentaires d'échange thermique, en considérant le sens d'écoulement des gaz d'échappement recirculés; la source froide de la pompe à chaleur comprend au moins un premier échangeur thermique fluide frigorigène/fluide caloporteur, dit premier évaporateur, ce premier évaporateur fournissant les frigories aux gaz recirculés; la source froide de la pompe à chaleur comprend de plus un second échangeur thermique fluide frigorigène/fluide caloporteur, dit second évaporateur, les premier et second évaporateurs étant logés dans des compartiments différents du véhicule; le premier évaporateur est logé dans un compartiment moteur du véhicule automobile; le second évaporateur est un échangeur thermique fluide frigorigène/air et est logé dans un groupe de climatisation du véhicule automobile; le premier évaporateur est un échangeur gaz recirculés /fluide frigorigène formant les moyens supplémentaires d'échange thermique; le premier évaporateur est un échangeur fluide frigorigène/liquide caloporteur, ce liquide caloporteur circulant dans un circuit intermédiaire, les moyens supplémentaires d'échange thermique comprenant un échangeur liquide caloporteur/gaz recirculés raccordé au circuit intermédiaire; - le fluide frigorigène est choisi parmi un dérivé chloré et fluoré du méthane ou de l'éthane (Fréon), un hydrocarbure, l'ammoniac et le dioxyde de carbone; les moyens principaux d'échange thermique comprennent un échangeur gaz recirculés/liquide caloporteur raccordé à un circuit de liquide caloporteur de refroidissement d'un moteur du véhicule. L'invention a également pour objet un procédé pour la régulation thermique de gaz d'échappement recirculés au moyen d'un dispositif tel que défini ci-dessus, les gaz d'échappement étant émis par un moteur thermique du véhicule, caractérisé en ce que, les moyens principaux d'échange thermique étant activés, on active les moyens supplémentaires d'échange thermique en fonction de la valeur d'au moins un paramètre choisi parmi l'ensemble de paramètres comprenant la teneur en oxydes d'azote dans les gaz d'échappement, la température des gaz d'échappement, la température du liquide caloporteur, le couple du moteur et le régime du moteur. Suivant une autre caractéristique optionnelle de ce procédé, l'ensemble de paramètres comprend également un état de fonctionnement du groupe de climatisation. 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 dans lesquels les figures 1 à 3 sont des vues schématiques d'un dispositif de régulation thermique de gaz d'échappement recirculés selon trois modes de réalisation de l'invention. On a représenté sur la figure 1 un dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile selon un premier mode de réalisation de l'invention, désigné par la référence générale 10. Ce dispositif 10 est destiné à réguler la température de gaz d'échappement recirculés circulant dans un circuit 12, plus particulièrement à refroidir ces gaz recirculés. Les gaz d'échappement recirculés sont destinés à être mélangés à l'aide de moyens connus en soi à de l'air d'admission d'un moteur thermique du véhicule, notamment de type Diesel. Dans ce qui suit, deux organes sont dits couplés thermiquement entre eux lorsqu'ils échangent de la chaleur entre eux au moyen d'un échangeur thermique approprié. Afin notamment de refroidir les gaz d'échappement recirculés, le dispositif de régulation thermique 10 comprend des moyens principaux d'échange thermique entre les gaz recirculés circulant dans le circuit 12 et un liquide caloporteur circulant dans un circuit principal 14. Les moyens principaux d'échange thermique comprennent un échangeur principal 16 gaz recirculés/liquide caloporteur raccordé au circuit 12 de gaz recirculés et au circuit principal 14 de liquide caloporteur. L'échangeur 16 couple donc thermiquement les circuits 12, 14. De préférence, le liquide caloporteur du circuit 14 participe au refroidissement du moteur thermique du véhicule. Le dispositif de régulation thermique 10 comprend également une pompe à chaleur 18 comportant un circuit 20 de fluide frigorigène, du type à compression, prélevant des calories d'une source froide 22 pour les transférer, au moins partiellement, vers une source chaude 24. On notera que les sens de circulation des fluides dans les circuits 12, 14 et 20 10 sont indiqués par des flèches sur la figure 1. Les sources froide 22 et chaude 24 sont raccordées entre elles par un compresseur 26 (de type électrique ou mécanique). Le fluide frigorigène se vaporise en enlevant de la chaleur à la source froide 22. Le compresseur 26 aspire le fluide vaporisé et le refoule vers la source chaude 24 où il se condense en se refroidissant. La source froide 22 comprend de préférence des premier et second échangeurs thermiques fluide frigorigène/fluide caloporteur, dits premier 28A et second 28B évaporateurs, raccordés respectivement à deux branches parallèles 20A, 20B du circuit 20 de fluide frigorigène. Chaque branche 20A, 20B du circuit 20 de fluide frigorigène est munie d'une vanne de détente 30A, 30B. Ces vannes de détente 30A, 30B raccordées aux branches respectives 20A, 20B en amont des évaporateurs 28A, 28B sont destinées à laisser passer le fluide frigorigène liquide vers ces évaporateurs 28A, 28B en abaissant la pression du fluide frigorigène. De préférence, les vannes de détente 30A, 30B comprennent chacune un détendeur thermostatique de type TXV (conformément à la terminologie anglaise: Thermostatic Expansion Valve) muni de moyens formant vanne tout ou rien. En variante, les vannes de détente 30A, 30B ci dessus peuvent être remplacées par d'autres moyens comprenant par exemple des orifices calibrés ou des détendeurs électroniques de type EXV (conformément à la terminologie anglaise: Electronic Expansion Valve). La source chaude 24 comprend de préférence un échangeur thermique classique 31 fluide frigorigène/air agencé dans une face avant du véhicule. Dans le premier mode de réalisation de l'invention, le premier évaporateur 28A est raccordé au circuit 12 de gaz d'échappement recirculés et forme donc un 35 échangeur thermique gaz recirculés/fluide frigorigène couplant thermiquement le circuit 12 de gaz d'échappement recirculés avec la première branche 20A du circuit de fluide frigorigène. Ainsi, le premier évaporateur 28A peut participer au refroidissement des gaz d'échappement recirculés en formant des moyens supplémentaires d'échange thermique 5 entre les gaz recirculés et le fluide frigorigène véhiculant des frigories provenant de la source froide 22, plus particulièrement du premier évaporateur 28A. On notera que les moyens principaux et supplémentaires d'échange thermique, plus particulièrement l'échangeur principal 16 et le premier évaporateur 28A, sont raccordés en série dans le circuit 12 de gaz d'échappement recirculés. De préférence, comme cela est représenté sur la figure 1, dans le circuit 12 de gaz d'échappement recirculés, l'échangeur principal 16 est raccordé en amont du premier évaporateur 28A en considérant le sens de circulation des gaz dans le circuit 12. Le cas échéant, les premier 28A et second 28B évaporateurs sont logés dans des compartiments différents du véhicule. Ainsi, le premier évaporateur 28A est logé avantageusement dans un compartiment moteur M du véhicule alors que le second évaporateur 28B est logé dans un groupe de climatisation du véhicule de façon à participer plus particulièrement à la climatisation de l'habitacle H du véhicule. Le second évaporateur 28B logé dans le groupe de climatisation est 20 généralement un échangeur thermique fluide frigorigène/air. De préférence, dans le premier mode de réalisation de l'invention, le liquide caloporteur circulant dans le circuit 14 est un mélange d'eau et d'antigel et le fluide frigorigène circulant dans le circuit 20 est choisi parmi un dérivé chloré et fluoré du méthane ou de l'éthane (Fréon), un hydrocarbure et l'ammoniaque ou encore choisi parmi d'autres fluides habituels véhiculant des frigories provenant d'une source froide de pompe à chaleur. On précisera ci-dessous les principaux aspects liés à l'invention du fonctionnement du dispositif de régulation thermique 10. Généralement, dans les conditions habituelles d'utilisation du véhicule et de fonctionnement du moteur, les moyens principaux d'échange thermique, comprenant l'échangeur principal 16, sont activés en permanence. Ainsi, les gaz recirculés circulant dans le circuit 12 sont refroidis par échange thermique avec le liquide caloporteur circulant dans le circuit 14 de refroidissement du moteur. Dès que la teneur en oxydes d'azote dans les gaz d'échappement émis par le 35 véhicule dépasse un seuil prédéterminé, on active les moyens supplémentaires d'échange thermique, à savoir le premier évaporateur 28A, en activant le compresseur 26. En variante, les moyens supplémentaires d'échange thermique peuvent être activés en fonction de la valeur d'un ou plusieurs paramètres choisis parmi l'ensemble de paramètres comprenant la teneur en oxydes d'azote dans les gaz d'échappement, la température de ces gaz d'échappement, la température du liquide caloporteur, le couple du moteur thermique, le régime de ce moteur et un état de fonctionnement du groupe de climatisation. Le premier évaporateur 28A activé apporte des frigories supplémentaires aux gaz d'échappement recirculés circulant dans le circuit 12 de façon à abaisser la température du mélange d'admission du moteur thermique du véhicule et ainsi réduire la production d'oxydes d'azote. L'activation du premier évaporateur 28A n'est nécessaire que pendant les phases d'utilisation du véhicule engendrant une quantité d'oxydes d'azote importante. On notera que les vannes de détente 30A, 30B permettent d'activer chacun des évaporateurs 28A, 28B indépendamment l'un de l'autre. Sur les figures 2 et 3, on a représenté un dispositif de régulation thermique 10 selon des deuxième et troisième modes de réalisation de l'invention respectivement. Sur ces figures 2 et 3, les éléments analogues à ceux de la figure 1 sont désignés par des références identiques. Dans le deuxième mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 2, le premier évaporateur 28A est raccordé à un circuit intermédiaire 32 de liquide caloporteur et forme donc un échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur couplant thermiquement la première branche 20A du circuit de fluide frigorigène avec le circuit intermédiaire 32. Ce circuit 32 est muni d'une pompe classique 34. De préférence, le liquide caloporteur circulant dans le circuit 32 est un mélange d'eau et d'antigel. Dans ce cas, les moyens supplémentaires d'échange thermique comprennent un échangeur supplémentaire 36 liquide caloporteur/gaz recirculés raccordé au circuit intermédiaire 32 et au circuit 12 de gaz d'échappement recirculés de manière à coupler thermiquement ces circuits 32, 12. On notera que, comme dans le premier mode de réalisation de l'invention, les moyens principaux et supplémentaires d'échange thermique, plus particulièrement l'échangeur principal 16 et l'échangeur supplémentaire 36, sont raccordés en série dans le circuit 12 de gaz d'échappement recirculés, l'échangeur principal 16 étant raccordé en amont du premier évaporateur 28A en considérant le sens de circulation des gaz dans le circuit 12. Dans le troisième mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 3, le fluide frigorigène circulant dans le circuit 20 comprend du dioxyde de carbone (CO2). Dans ce cas, la pompe à chaleur 18 est adaptée de la façon suivante. Le circuit de fluide frigorigène 20 comporte un échangeur interne 38 couplant thermiquement, d'une part, une branche du circuit 20 reliant la sortie de la source chaude 24 à l'entrée du premier évaporateur 28A et, d'autre part, une branche du circuit 20 reliant la sortie du premier évaporateur 28A à l'entrée du compresseur 26. Par ailleurs, le circuit 20 de fluide frigorigène comporte un séparateur de phase ou accumulateur 40 reliant la sortie du premier évaporateur 28A à l'échangeur interne 38. L'échangeur interne 38 et l'accumulateur ou séparateur de phase 40 sont des 10 organes classiques habituellement utilisés dans une pompe à chaleur utilisant le dioxyde de carbone comme fluide frigorigène. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-dessus. En particulier, la source froide du dispositif de régulation thermique 10 selon l'invention peut ne comporter qu'un seul évaporateur, à savoir un évaporateur participant au refroidissement des gaz d'échappement recirculés. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation thermique de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile, du type comprenant des moyens principaux (16) d'échange thermique entre les gaz d'échappement recirculés et un liquide caloporteur, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens supplémentaires (28A; 36) d'échange thermique entre les gaz d'échappement recirculés et un fluide véhiculant des frigories provenant d'une source froide (22) de pompe à chaleur (18). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens 10 principaux (16) et supplémentaires (28A; 36) d'échange thermique sont raccordés en série dans un circuit (12) de gaz d'échappement recirculés. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens principaux d'échange thermique (16) sont raccordés en amont des moyens supplémentaires d'échange thermique (28A; 36), en considérant le sens d'écoulement des gaz d'échappement recirculés. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source froide (22) de la pompe à chaleur comprend au moins un premier échangeur thermique (28A) fluide frigorigène/fluide caloporteur, dit premier évaporateur, ce premier évaporateur (28A) fournissant les frigories aux gaz recirculés. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source froide (22) de la pompe à chaleur comprend de plus un second échangeur thermique (28B) fluide frigorigène/fluide caloporteur, dit second évaporateur, les premier (28A) et second (28B) évaporateurs étant logés dans des compartiments différents (M, H) du véhicule. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le premier évaporateur (28A) est logé dans un compartiment moteur (M) du véhicule automobile. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le second évaporateur (28B) est un échangeur thermique fluide frigorigène/air et est logé dans un groupe de climatisation du véhicule automobile. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en 30 ce que le premier évaporateur (28A) est un échangeur gaz recirculés /fluide frigorigène formant les moyens supplémentaires d'échange thermique. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le premier évaporateur (28A) est un échangeur fluide frigorigène/liquide caloporteur, ce liquide caloporteur circulant dans un circuit intermédiaire (32), les moyens supplémentaires d'échange thermique comprenant un échangeur (36) liquide caloporteur/gaz recirculés raccordé au circuit intermédiaire (32). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que le fluide frigorigène est choisi parmi un dérivé chloré et fluoré du méthane ou de l'éthane (Fréon), un hydrocarbure, l'ammoniac et le dioxyde de carbone. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens principaux d'échange thermique comprennent un échangeur (16) gaz recirculés/liquide caloporteur raccordé à un circuit (14) de liquide caloporteur de refroidissement d'un moteur du véhicule. 12. Procédé pour la régulation thermique de gaz d'échappement recirculés au moyen d'un dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, les gaz d'échappement étant émis par un moteur thermique du véhicule, caractérisé en ce que, les moyens principaux d'échange thermique (16) étant activés, on active les moyens supplémentaires d'échange thermique (28A; 36) en fonction de la valeur d'au moins un paramètre choisi parmi l'ensemble de paramètres comprenant la teneur en oxydes d'azote dans les gaz d'échappement, la température des gaz d'échappement, la température du liquide caloporteur, le couple du moteur et le régime du moteur. 13. Procédé selon la revendication 12 pour la régulation thermique de gaz d'échappement recirculés au moyen d'un dispositif (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'ensemble de paramètres comprend également un état de fonctionnement du groupe de climatisation.