Brevet FR2875857A1 — publié le 20060331

Echangeur de chaleur et procédé de refroidissement des gaz d'échappement recyclés dans un moteur à combustion interne. La présente invention concerne le refroidissement des gaz d'échappement recyclés à l'admission dans un moteur à combustion interne. Pour satisfaire aux normes concernant la pollution des rejets émis par les véhicules automobiles, il est fréquent de recourir à un recyclage partiel dans la tubulure d'admission des gaz d'échappement émis par le moteur. Afin que les rejets du véhicule soient le moins polluants possible, il est en outre nécessaire de refroidir les gaz d'échappement recyclés avant leur réinjection dans le moteur à combustion interne. Ce refroidissement est habituellement obtenu en disposant un échangeur de chaleur dans le circuit de dérivation amenant les gaz d'échappement recyclés à l'admission du moteur à combustion interne. Les gaz d'échappement traversent un tel échangeur de chaleur et cèdent leurs calories à un fluide de refroidissement qui circule dans un circuit ouvert comportant par exemple un radiateur éventuellement associé à un ventilateur. De tels échangeurs de chaleur de refroidissement, de type connu, présentent cependant l'inconvénient d'un encombrement relativement important si l'on veut obtenir un refroidissement suffisant des gaz d'échappement. Bien entendu, il est possible de diminuer les dimensions de l'échangeur de refroidissement, de façon par exemple à pouvoir le loger convenablement dans le véhicule automobile. Dans ce cas, cependant, il est nécessaire de recourir à des moyens de traitement supplémentaires des gaz d'échappement en installant dans la ligne d'échappement des dispositifs de filtrage, des dispositifs d'oxydation catalytiques, etc. On connaît également, par le brevet US 6 612 293, un échangeur de refroidissement des gaz d'échappement recyclés dans un moteur à combustion interne, qui utilise un fluide caloporteur, comme par exemple du méthanol, placé dans des tubes verticaux scellés, installés à l'intérieur d'une calandre d'échangeur de chaleur comportant deux parties séparées par une paroi horizontale. Dans la partie inférieure, circulent les gaz d'échappement à refroidir, tandis que dans la partie supérieure, circule un fluide de refroidissement. Les gaz d'échappement recyclés cèdent ainsi une partie de leurs calories au fluide caloporteur, en passant à l'extérieur des tubes scellés dans lesquels se trouve ledit fluide caloporteur. Le fluide caloporteur est choisi de façon à être capable de changer d'état par cet apport de calories. Il se vaporise donc et les vapeurs obtenues se déplacent vers le haut dans les tubes scellés jusqu'à la zone de l'échangeur dans laquelle s'écoule le fluide de refroidissement. Le fluide caloporteur est alors refroidi par le fluide de refroidissement qui passe à l'extérieur des tubes scellés, ce qui entraîne la condensation du fluide caloporteur et la redescente du liquide condensé dans les tubes scellés verticaux. Un tel échangeur de chaleur de refroidissement est intéressant, dans la mesure où il utilise un fluide caloporteur dans un circuit fermé à titre de circuit intermédiaire pour la transmission des calories depuis les gaz d'échappement recyclés vers le fluide de refroidissement. Toutefois, cette réalisation connue présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord, le passage des gaz d'échappement recyclés autour des tubes scellés contenant le caloporteur entraîne rapidement un encrassement de cette partie de l'échangeur de chaleur qui nuit au transfert des calories. De plus, malgré l'utilisation d'un fluide caloporteur dans un circuit intermédiaire, la quantité de calories qui peut être échangée reste insuffisante dans la plupart des cas. La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur de refroidissement pour gaz d'échappement recyclés dans un moteur à combustion interne, dans lequel la quantité de calories échangée est nettement plus importante. De plus, l'invention a également pour objet un échangeur de chaleur du type comportant un circuit intermédiaire fermé contenant un fluide caloporteur, dans lequel la structure permet une augmentation de l'échange thermique entre le fluide caloporteur et les gaz d'échappement recyclés. Enfin, l'invention a également pour objet un échangeur de chaleur dans lequel la diminution de l'échange thermique par suite de l'encrassement dû aux gaz d'échappement recyclés est considérablement diminué. Selon l'invention, l'échangeur de chaleur est adapté au refroidissement des gaz d'échappement recyclés dans un moteur à combustion interne. L'échangeur comprend un volume fermé rempli d'un fluide caloporteur capable de changer d'état en circulant à l'intérieur dudit volume fermé et des moyens pour faire passer un fluide de refroidissement à l'intérieur de l'échangeur de chaleur. L'échangeur comprend également des moyens pour faire passer les gaz d'échappement recyclés à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, ces moyens étant tels que les gaz d'échappement recyclés cèdent leurs calories à la fois au fluide de refroidissement et au fluide caloporteur. L'échangeur de chaleur présente donc un circuit fermé qui contient le fluide caloporteur et un circuit ouvert dans lequel circule le fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement joue le rôle de source froide à la fois pour les gaz d'échappement recyclés et pour le fluide caloporteur. Les calories échangées sont plus importantes que dans les systèmes connus puisque les gaz d'échappement recyclés sont amenés à céder leurs calories par deux fois. Dans un mode de réalisation préféré, l'échangeur de chaleur présente un circuit de passage en U pour les gaz d'échappement recyclés, lesquels traversent successivement deux parties de l'échangeur, l'une de ces parties comprenant des moyens d'échange thermique avec le fluide de refroidissement et l'autre partie comprenant des moyens d'échange thermique avec le fluide caloporteur. Les deux parties de l'échangeur sont avantageusement séparées par un élément de séparation étanche aux fluides et conducteur de la chaleur, la partie d'échange thermique avec le fluide caloporteur étant disposée dans le bas de l'échangeur de façon à générer une circulation du fluide caloporteur par convection. L'échangeur de chaleur peut comprendre des tubes ou des plaques d'échange thermique à l'intérieur desquels circulent les gaz d'échappement. Dans la partie d'échange thermique avec le fluide caloporteur, les tubes ou plaques d'échange thermique sont en contact par leur surface externe avec le fluide caloporteur animé d'un mouvement de convection vertical. Dans la partie d'échange thermique avec le fluide de refroidissement, les tubes ou plaques d'échange thermique sont en contact par leur surface externe avec le fluide de refroidissement en circulation entre une entrée et une sortie de l'échangeur. Dans un mode de réalisation, les gaz d'échappement traversent d'abord la partie d'échange thermique avec le fluide de refroidissement puis la partie d'échange thermique avec le fluide caloporteur. Dans un autre mode de réalisation, au contraire, les gaz d'échappement traversent d'abord la partie d'échange thermique avec le fluide caloporteur puis la partie d'échange thermique avec le fluide de refroidissement. L'invention concerne également un procédé de refroidissement des gaz d'échappement recyclés dans un moteur à combustion interne, dans lequel on fait circuler les gaz d'échappement recyclés en contact d'échange thermique, successivement avec un fluide de refroidissement en circulation dans un circuit ouvert et avec un fluide caloporteur capable de changer d'état animé d'un mouvement de convection en circuit fermé ou l'inverse. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation particulier décrit à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par le dessin annexé. Sur la figure unique du dessin annexé, est représenté un échangeur de chaleur référencé 1 dans son ensemble, adapté au refroidissement des gaz d'échappement recyclés dans un moteur à combustion interne. Le moteur à combustion interne 2, représenté schématiquement, reçoit, du côté admission 3, de l'air qui a été comprimé par un compresseur 4. Le compresseur 4 est entraîné par un arbre 5 lié à une turbine 6, qui peut par exemple être une turbine à géométrie variable, et qui est traversée par les gaz d'échappement issus du moteur thermique 2 provenant de la conduite d'échappement 7. Bien entendu, différents dispositifs de filtration et/ou de traitement peuvent être disposés dans la ligne d'échappement 8 à la sortie de la turbine 6. Une branche de dérivation 9 est piquée en sortie de la conduite d'échappement 7, en aval du moteur à combustion 2 et en amont de la turbine 6, de façon à recycler une partie des gaz d'échappement provenant du moteur à combustion 2. Les gaz d'échappement (appelés fréquemment EGR dans la littérature) provenant de la branche en dérivation 9, traversent l'échangeur de chaleur 1 avant d'être réinjectés par la conduite 10 dans le conduit d'admission 3 du moteur à combustion 2. La régulation de la quantité de gaz d'échappement recyclés est effectuée par une vanne commandée 11, dite vanne EGR . L'échangeur de chaleur 1 est en outre monté dans un circuit ouvert de refroidissement 12, qui comprend un radiateur 13 associé à un ventilateur 14. Le radiateur 13 peut être inclus dans le circuit de refroidissement du moteur thermique 2, ou inséré dans le circuit de chauffage de l'habitacle du véhicule. En tout état de cause, le fluide de refroidissement qui circule dans le circuit de refroidissement 12, constitue une source froide pour l'échange thermique lors du passage des gaz d'échappement recyclés à haute température, à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 1. A cet effet, dans le mode de réalisation illustré sur la figure, l'échangeur de chaleur 1 est du type en U. La calandre 15 de l'échangeur de chaleur 1, qui présente dans l'exemple illustré une forme générale cylindrique, comporte en effet une boîte de distribution 16 présentant une cloison de séparation 17. La boîte de distribution présente une tubulure d'entrée 18 pour l'entrée des gaz d'échappement recyclés à haute température et une tubulure de sortie 19 pour la sortie des gaz d'échappement recyclés refroidis. Une pluralité de tubes 20 sont disposés axialement et horizontalement dans la calandre 15, entre une plaque tubulaire d'entrée 21 et une plaque tubulaire de sortie 22 placée du côté d'une deuxième boîte de distribution 23, assurant le retour des gaz d'échappement recyclés qui traversent ainsi tout d'abord les tubes 20 montés dans la partie supérieure 15a de la calandre 15, puis, lors de leur retour, les tubes 20 montés dans la partie inférieure 15b de la calandre 15. Les deux parties 15a et 15b de la calandre 15 sont séparées par une cloison de séparation 24 disposée horizontalement parallèlement aux différents tubes 20. La cloison de séparation 24 est étanche aux fluides, mais de préférence en un matériau bon conducteur de la chaleur. Dans l'exemple illustré, les deux parties 15a, 15b de la calandre 15 sont de dimensions sensiblement égales. On comprendra, bien entendu, que des dimensions différentes pourraient parfaitement être adoptées en fonction de l'échange thermique souhaité. La partie supérieure 15a de la calandre 15, délimitée de chaque côté par les plaques tubulaires 21 et 22 ainsi que par la paroi de séparation 24, permet une circulation du fluide de refroidissement, schématisée par les flèches 25. Le fluide de refroidissement pénètre dans la partie 15a par une tubulure d'entrée 26 et ressort par une tubulure de sortie 27. Dans l'exemple illustré, les tubulures 26 et 27 sont placées sur la paroi supérieure de la calandre 15. On comprendra, bien entendu, qu'une disposition différente pourrait être envisagée. Le fluide de refroidissement circule ainsi dans un circuit ouvert en traversant la partie 15a de l'échangeur de chaleur 1, puis le radiateur 13. Dans la partie inférieure 15b de la calandre 15, se trouve un fluide caloporteur, qui peut être par exemple du méthane, du sodium ou tout autre fluide capable de changer d'état aux températures de fonctionnement de l'échangeur 1. Ce fluide caloporteur est contenu dans un volume fermé délimité par la calandre 15, les deux plaques tubulaires 21 et 22 et la paroi de séparation 24. Le fluide caloporteur se trouve ainsi confiné dans un volume fermé, qui peut être considéré comme un circuit intermédiaire pour le transfert de chaleur. Les gaz d'échappement recyclés qui, dans l'exemple illustré, ont déjà subi un premier refroidissement dans la première partie 15a où ils ont cédé une partie de leurs calories au fluide de refroidissement 25, traversent ensuite les tubes 20 de la deuxième partie 15b remplie du fluide caloporteur dont le mouvement de convection est représenté par les flèches 28. Au contact thermique des gaz d'échappement, qui se trouvent encore à température élevée, le fluide caloporteur se vaporise dans la zone basse de la partie 15b de la calandre 15. Le fluide caloporteur entre en ébullition le long des tubes 20. La vapeur formée s'élève sensiblement verticalement, comme indiqué par les flèches 28. Le fluide caloporteur se recondense en entrant en contact thermique avec la plaque de séparation 24 et redescend vers le bas de la calandre 15. Le fluide caloporteur cède ainsi au fluide de refroidissement 25 qui s'écoule dans la partie supérieure 15a, les calories en provenance des gaz d'échappement recyclés s'écoulant dans la partie 15b. Ce mouvement de convection sensiblement vertical du fluide caloporteur 28, se maintient continuellement et assure ainsi une partie du refroidissement des gaz d'échappement recyclés qui traversent l'échangeur 1. Grâce à la disposition de l'échangeur 1, il apparaît que les gaz d'échappement recyclés subissent deux refroidissements successifs, le premier, directement en raison de la circulation en circuit ouvert du fluide de refroidissement 25, et le deuxième, en raison de la circulation en circuit fermé du fluide caloporteur 28. De plus, les gaz d'échappement recyclés passant à l'intérieur des tubes 20, l'encrassement dû à leur passage est considérablement limité. Il est également possible d'augmenter l'échange thermique en utilisant des tubes 20 du type vrillé ou des tubes munis d'éléments turbulateurs sur leur surface extérieure de façon à améliorer l'échange thermique résultant de la circulation à l'extérieur des tubes, du fluide de refroidissement et du fluide caloporteur. La source froide constituée par le fluide de refroidissement est utilisée selon l'invention comme moyen de refroidissement direct, ce qui revient à coupler un échangeur classique avec un échangeur à fluide caloporteur. La forme en U de l'échangeur réduit les dimensions d'ensemble et facilite l'intégration de l'échangeur de refroidissement dans un véhicule automobile. Cette configuration en U permet également d'obtenir aisément une utilisation directe du liquide de refroidissement comme source froide pour le fluide caloporteur, grâce à l'existence de la paroi de séparation conductrice 24. De plus, cette configuration permet d'utiliser le fluide caloporteur comme source froide intermédiaire pour le refroidissement des gaz d'échappement recyclés lors de leur passage dans la deuxième partie de l'échangeur de chaleur. Bien que l'on ait illustré dans l'exemple décrit, un passage des gaz d'échappement tout d'abord en contact thermique avec le fluide de refroidissement, puis avec le fluide caloporteur, on comprendra qu'une circulation inverse pourrait parfaitement être adoptée. REVENDICATIONS 1-Echangeur de chaleur pour gaz d'échappement recyclés dans un moteur à combustion interne (2), du type comprenant un volume fermé (15b) rempli d'un fluide caloporteur capable de changer d'état en circulant à l'intérieur dudit volume fermé, des moyens pour faire passer les gaz d'échappement recyclés à l'intérieur de l'échangeur de chaleur et des moyens pour faire passer un fluide de refroidissement à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, caractérisé par le fait que les moyens pour faire passer les gaz d'échappement recyclés à l'intérieur de l'échangeur de chaleur sont tels que les gaz d'échappement recyclés cèdent leurs calories à la fois au fluide de refroidissement (25) et au fluide caloporteur (28). 2-Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il présente un circuit de passage en U pour les gaz d'échappement recyclés, lesquels traversent successivement deux parties (15a, 15b) de l'échangeur, l'une de ces parties (15a) comprenant des moyens d'échange thermique avec le fluide de refroidissement et l'autre partie (15b) comprenant des moyens d'échange thermique avec le fluide caloporteur. 3-Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les deux parties de l'échangeur sont séparées par un élément de séparation (24) étanche aux fluides et conducteur de la chaleur, la partie d'échange thermique avec le fluide caloporteur étant disposée dans le bas de l'échangeur. 4-Echangeur de chaleur selon les revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'il comprend des tubes (20) ou des plaques d'échange thermique à l'intérieur desquels circulent les gaz d'échappement. 5-Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que dans la partie d'échange thermique avec le fluide caloporteur, les tubes ou plaques d'échange thermique sont en contact par leur surface externe avec le fluide caloporteur animé d'un mouvement de convection vertical. 6-Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que dans la partie d'échange thermique avec le fluide de refroidissement, les tubes (20) ou plaques d'échange thermique sont en contact par leur surface externe avec le fluide de refroidissement en circulation entre une entrée (26) et une sortie (27) de l'échangeur. 7-Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait que les gaz d'échappement traversent d'abord la partie (15a) d'échange thermique avec le fluide de refroidissement puis la partie (15b) d'échange thermique avec le fluide caloporteur. 8-Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait que les gaz d'échappement traversent d'abord la partie (15b) d'échange thermique avec le fluide caloporteur, puis la partie (15a) d'échange thermique avec le fluide de refroidissement. 9-Procédé de refroidissement des gaz d'échappement recyclés dans un moteur à combustion interne, caractérisé par le fait qu'on fait circuler les gaz d'échappement recyclés en contact d'échange thermique, successivement avec un fluide de refroidissement en circulation dans un circuit ouvert et avec un fluide caloporteur capable de changer d'état animé d'un mouvement de convection en circuit fermé ou l'inverse.