Brevet FR2883923A1 — publié le 20061006

Dispositif et procédé de refroidissement d'un organe de véhicule par pompe auxiliaire. L'invention concerne le domaine du refroidissement des moteurs de véhicules automobiles permettant en particulier de refroidir également certains organes du véhicule, tel qu'un dispositif de recyclage partiel de gaz d'échappement. Le moteur d'entraînement des véhicules automobiles peut être refroidi par la mise en circulation d'un liquide de refroidissement caloporteur, en pratique de l'eau, qui traverse les principales parties du moteur qu'il convient de refroidir. Le circuit de refroidissement inclut essentiellement une pompe de circulation entraînée par le moteur et un radiateur constitué d'un échangeur de chaleur eau/air capable de refroidir l'eau mise en circulation par la pompe. Une vanne thermostatique est également prévue en général, de façon à isoler la partie du circuit principal de refroidissement qui contient le radiateur pendant la durée du démarrage à froid où un refroidissement excessif du moteur n'est pas souhaité. La vanne thermostatique s'ouvre progressivement en fonction de la température de l'eau mise en circulation, réchauffée par le moteur après la période de démarrage. C'est ainsi que le document FR 2 673 241 (Valeo) décrit un radiateur équipé d'obturateurs actionnés en fonction de la température du moteur de manière à régler l'efficacité du radiateur. Par ailleurs, comme il est rappelé dans la demande FR 2 778 947 (Valeo), il est intéressant de recycler une partie des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne en la réinjectant, et en la mélangeant avec de l'air dans le collecteur d'admission. Ce recyclage a pour effet d'abaisser la température de combustion des oxydes d'azote et donc de limiter la quantité d'oxydes d'azote émis dans ces gaz. On sait que le taux de recyclage des gaz d'échappement est limité en raison des émissions de particules. Le refroidissement des gaz recyclés permet d'augmenter l'effet de réduction de la quantité d'oxyde d'azote tout en conservant une émission de particules inchangée. Il est donc également connu de faire passer les gaz recyclés dans un échangeur de chaleur en vue de les refroidir. Dans la demande de brevet FR 2 824 595 (Volkswagen) il a été proposé de refroidir les gaz d'échappement par un flux d'air ambiant. Dans la demande de brevet JP 4 187 810 (Calsonic) il a été proposé, pour réduire les dilatations d'un pot catalytique, un moyen de refroidissement des gaz à l'aide d'un radiateur d'eau. Lorsque les gaz sont chauds, correspondants à une vitesse de déplacement élevée du véhicule, la montée en température du pot catalytique est limitée par l'action du moyen de refroidissement, lorsque les gaz sont froids, une pompe retire de l'eau restant dans le collecteur d'échappement. Dans la demande de brevet JP 4 246 222 (Daihatsu) il a été proposé de refroidir les gaz d'échappement avec un radiateur en créant une circulation d'eau sans pompe. Les demandes de brevet FR 2 812 027 (Daimler-Chrysler) et FR 2 830 929 (Denso) traitent de constructions particulières d'échangeurs de chaleur pour gaz d'échappement, mais ne décrivent pas de lien entre la régulation du refroidissement du moteur et la régulation du refroidissement des gaz d'échappement. On pourrait imaginer de juxtaposer deux circuits de refroidissement totalement indépendants. Mais cette solution présenterait l'inconvénient de dédoubler tous les équipements et notamment les radiateurs qui sont chers et volumineux. L'invention propose un dispositif de refroidissement du moteur et d'un organe du véhicule qui résolve cet inconvénient. Le dispositif de l'invention permet au moteur d'atteindre rapidement une température élevée et de refroidir efficacement un organe, tel qu'un dispositif de recyclage de gaz d'échappement, surtout lorsque le moteur est encore à basse température, tout en refroidissant efficacement le moteur lorsque celui-ci est à température élevée. Selon un mode de réalisation, le dispositif de refroidissement pour véhicule automobile comprend un circuit principal de fluide caloporteur, traversant le moteur et équipé d'une pompe de circulation, d'une vanne thermostatique et d'un radiateur principal. Un circuit auxiliaire, ne traversant pas le moteur, parallèle au radiateur principal, comprend un refroidisseur auxiliaire d'un organe du véhicule et une pompe auxiliaire de manière que, lorsque la vanne thermostatique est fermée, la pompe auxiliaire fasse circuler une partie du fluide caloporteur dans le refroidisseur auxiliaire et à travers le radiateur principal. Avantageusement, l'organe précité est un dispositif de recyclage partiel des gaz d'échappement. Il peut aussi être un alternodémarreur. On comprend que, lorsque la vanne thermostatique est fermée, c'est-à-dire lorsque le moteur est à basse température, la circulation de fluide générée par la pompe auxiliaire n'affecte que le radiateur principal et le refroidisseur de l'organe. Cela permet d'optimiser à la fois le réchauffement rapide du moteur et l'effet de réduction des oxydes d'azote. En revanche, lorsque la température du moteur augmente et que la vanne thermostatique s'ouvre, le radiateur principal sert en priorité à refroidir le moteur, le refroidissement des gaz d'échappement devient alors secondaire car la température de combustion est plus élevée et la quantité d'oxydes d'azote dans les gaz d'échappement est moindre. Selon une variante, le dispositif comprend une branche en parallèle du circuit principal munie d'une deuxième vanne thermostatique et d'un deuxième radiateur, de capacité de refroidissement inférieure à celle du radiateur principal. Avantageusement, le radiateur principal et le deuxième radiateur sont associés dans un radiateur unique comprenant une pluralité de passages parallèles, et dont les extrémités débouchent dans deux boîtes à eau, l'une au moins des boîtes à eau étant séparée en deux zones par une cloison. Selon une autre variante, le fluide caloporteur est de l'eau et la température d'ouverture de la vanne thermostatique du radiateur principal est comprise entre 88 C et 100 C, et de préférence de l'ordre de 89 C. Avantageusement, la température d'ouverture de la deuxième vanne thermostatique est inférieure à la température d'ouverture de la vanne thermostatique du radiateur principal et est comprise entre 80 C et 90 C, et de préférence de l'ordre de 85 C. Selon un mode de réalisation, le procédé de refroidissement pour véhicule automobile comprend l'étape de, lorsque la température du moteur est audelà d'un seuil de température élevée, faire circuler un fluide caloporteur à travers le moteur et un radiateur principal, et l'étape de faire circuler, hors du moteur, et tant que la température du moteur reste en deçà du seuil de température élevée, une partie du fluide caloporteur à travers un refroidisseur auxiliaire d'un organe du véhicule, et à travers le radiateur principal. Le seuil de température élevée correspond à la température d'ouverture de la vanne thermostatique du circuit principal. Avantageusement, le procédé utilise une pompe auxiliaire pour faire circuler le fluide caloporteur dans le refroidisseur auxiliaire. Avantageusement encore, le procédé comprend l'étape, lorsque la température du moteur est supérieure à une limite intermédiaire prédéterminée, inférieure ou égale au seuil de température élevée, de faire circuler le fluide caloporteur à travers le moteur et à travers un deuxième radiateur, de capacité calorifique inférieure à celle du radiateur principal. La limite intermédiaire correspond à la température d'ouverture de la deuxième vanne thermostatique. Le fait d'avoir un deuxième radiateur permet de faire se chevaucher le comportement du dispositif pour moteur à basse température et celui pour moteur à température élevée. A température moyenne, il est intéressant de commencer à refroidir le moteur, sans pour autant arrêter le cycle de dépollution en refroidissant les gaz d'échappement destinés à être recyclés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: -la figure unique est une représentation schématique d'un dispositif de refroidissement d'un mode de réalisation de l'invention. Dans l'exemple illustré sur la figure, le dispositif de refroidissement comprend un circuit principal 1 de fluide caloporteur traversant le moteur 3. Le fluide caloporteur est généralement de l'eau, avec des additifs anti-gel. Le circuit principal 1 est équipé d'une pompe de circulation 4, d'une première vanne thermostatique 5 et d'un radiateur 6. Un circuit auxiliaire 7 comprend une pompe auxiliaire 8 et un refroidisseur auxiliaire 9 destiné à refroidir un organe du véhicule. Le radiateur 6 comprend une pluralité de passages 10 parallèles dont l'ensemble des extrémités 11 d'un côté débouche dans une boîte à eau amont 12 et l'ensemble des extrémités 13 de l'autre côté débouche dans une boîte à eau aval 14. La boîte à eau amont 12 est partagée en deux zones par une cloison 15. Une première zone principale 16, présentant une ouverture 17, reçoit le circuit principal 1. Une deuxième zone 18 présente une deuxième ouverture 19. La boîte à eau aval 14 présente une ouverture principale 20 reliée au circuit principal 1 et une ouverture auxiliaire 21 reliée au circuit auxiliaire 7. Les passages 10 peuvent être des tubes cylindriques, ou des plaques de n'importe quelle autre section transversale, aptes à laisser passer le fluide caloporteur. Les passages sont en matériau thermoconducteur et sont entourés d'ailettes de refroidissement 22 de manière à favoriser l'échange thermique entre de l'air extérieur et le fluide caloporteur. La capacité de refroidissement du radiateur 6 est d'autant plus importante que l'air extérieur est froid et passe à travers les ailettes 22 du radiateur 6 à grande vitesse, que le fluide caloporteur est à température élevée et que le débit de fluide caloporteur traversant le radiateur 6 est important. La boîte à eau aval 14 comporte deux portions, une portion contenant les extrémités des passages débouchant dans la zone principale 16 et une portion correspondant à la deuxième zone 18. La partie du radiateur 6 comprenant l'ouverture] 7, la zone principale 16 de la boîte à eau amont 12, les passages 10 correspondants et la portion correspondante de la boîte à eau avale 14, forme une partie principale 28 du radiateur 6. De même, l'ouverture 19, la deuxième zone 18, les passages 10 et la portion correspondante, forme une deuxième partie 27 du radiateur 6. Dans le mode de réalisation illustré dans la figure, le raccordement aval des deux parties 27, 28 du radiateur 6 a lieu à l'intérieur de la boîte à eau aval 14, et une seule ouverture 20 suffit à raccorder les deux parties de radiateur 27, 28 au circuit principal 1. Une cloison 15 peut séparer les deux portions de la boîte à eau aval 14. Les deux parties 27, 28 du radiateur 6 sont alors raccordées chacune au circuit principal 1, à l'extérieur du radiateur 6. En variante, les deux portions de la boîte à eau aval 14 peuvent également être séparées par un ajutage présentant une perte de charge pour le fluide transitant d'une portion à l'autre. Cela offre un degré de liberté supplémentaire pour régler les débits dans les différents circuits du dispositif. Le circuit auxiliaire 7 est relié au circuit principal 1 en un point de jonction 26 situé entre l'ouverture 17 du radiateur 6 et la première vanne thermostatique 5. Le dispositif de refroidissement comprend également une deuxième vanne thermostatique 23 insérée sur une branche de circuit 24 disposée entre la deuxième ouverture 19 du radiateur 6 et un point de jonction 25 avec le circuit principal 1 situé en amont de la première vanne thermostatique 5. L'invention est particulièrement utile lorsque l'organe du véhicule nécessite d'être tout particulièrement refroidi lorsque le moteur est froid. C'est le cas des organes de recyclage partiel des gaz d'échappement. Le circuit principal peut aussi comprendre d'autres éléments non représentés sur la figure tels que des vases d'expansion qui permettent de maintenir la pression du fluide caloporteur à l'intérieur du dispositif de refroidissement de sorte que de l'eau peut circuler dans le dispositif jusqu'à environ 115 C sans être pour autant en ébullition. Dans le dispositif décrit, la première vanne thermostatique 5 s'ouvre lorsque la température du moteur atteint un seuil de température élevé qui est compris entre 88 et 100 C et de préférence de l'ordre de 89 C. La deuxième vanne thermostatique 23 s'ouvre lorsque la température du moteur atteint une limite intermédiaire comprise entre 80 et 90 C et de préférence de l'ordre de 85 C. Pour la suite de la description, on appellera température basse la température comprise entre la température ambiante et la limite intermédiaire. On appellera température moyenne la température comprise entre la limite intermédiaire et le seuil de température élevée, et température élevée la température au-dessus du seuil de température élevée. On va maintenant décrire le procédé de refroidissement pour véhicule automobile dans une phase où le moteur est à température basse. Les deux vannes thermostatiques 5 et 23 sont fermées de sorte que le fluide caloporteur ne circule pas à travers le moteur, et la pompe de circulation 4 est inactive. Dans ces conditions, la totalité des calories générées par la combustion du moteur 3 du véhicule, qu'il s'agisse d'un moteur à essence ou d'un moteur diesel, est utilisée pour réchauffer le moteur 3 le plus rapidement possible. Durant cette phase, la pompe auxiliaire 8 est en fonctionnement et fait circuler le fluide caloporteur à l'intérieur du refroidisseur auxiliaire 9 et, par l'ouverture 21, à travers le radiateur 6. Le fluide caloporteur circule à travers les passages 10 de la partie principale du radiateur 6, sort du radiateur 6 par la boîte à eau 12 et l'ouverture 17 et rejoint le circuit auxiliaire 7 par le point de jonction 26. On pourrait également concevoir que la pompe auxiliaire 8 fasse circuler le fluide caloporteur intermédiaire, la première vanne thermostatique 5 est toujours fermée tandis que la deuxième vanne thermostatique 23 s'ouvre. La pompe de circulation 4 fait alors circuler le fluide caloporteur à travers le circuit principal 1 et la branche 24 de manière que le fluide caloporteur traverse la deuxième partie de radiateur 27 et rejoigne le circuit principal 1 par l'ouverture 20. Durant cette phase de température moyenne, le moteur 3 est uniquement refroidi par la deuxième partie dans l'autre sens, c'est-à-dire en allant de l'ouverture 17 vers l'ouverture 21, puis en traversant le refroidisseur auxiliaire 9. limite Lorsque la température du moteur atteint la 27 du radiateur 6. La pompe auxiliaire 8 est toujours en action et la partie principale 28 du radiateur 6 est utilisée pour refroidir le fluide caloporteur circulant à l'intérieur du refroidisseur auxiliaire 9. Lorsque la température du moteur est au-delà du seuil de température élevée, les deux vannes thermostatiques 5, 23 sont ouvertes et le flux à l'intérieur du circuit principal 1 se partage à travers les deux vannes thermostatiques 5, 23, rejoint principalement la boîte à eau amont 12 et ressort par la boîte à eau aval 14 pour rejoindre par l'ouverture 20 le circuit principal 1. Une partie néanmoins du fluide caloporteur peut être prélevée au point de jonction 26 par le circuit auxiliaire 7 de façon à alimenter le refroidisseur auxiliaire 9. Lorsque le refroidisseur auxiliaire est associé à un dispositif de recyclage partiel des gaz d'échappement comme illustré sur la figure, le fluide caloporteur ne traverse plus le circuit auxiliaire 7 et la pompe auxiliaire 8 est arrêtée, de sorte que la totalité de la capacité calorifique du radiateur 6 est entièrement utilisée pour refroidir le moteur 3. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure, la partie principale du radiateur 6 est utilisée lorsque le moteur 3 est à basse température, pour refroidir des gaz d'échappement destinés à être recyclés à l'admission du moteur pendant que le moteur est isolé pour permettre son réchauffement le plus rapide possible. Le réchauffement optimisé du moteur peut aussi servir à alimenter un aérotherme destiné à chauffer l'habitacle du véhicule et pour lequel on souhaite obtenir le plus rapidement possible une élévation de la température du fluide caloporteur à 70 C. A température élevée, le radiateur 6 est alors utilisé principalement pour refroidir le moteur 3. Le refroidisseur auxiliaire 9 peut être utilisé pour refroidir des organes de véhicule à température élevée tels qu'un dispositif de récupération d'une partie des gaz d'échappement (EGR) en vue de leur recyclage à l'admission du moteur ou bien un autre organe du véhicule tel qu'un alterno-démarreur. On pourrait aussi concevoir de refroidir d'autres organes tels que la boîte de vitesses du véhicule. REVENDICATIONS 1 -Dispositif de refroidissement pour véhicule automobile comprenant un circuit principal (1) de fluide caloporteur (2), traversant le moteur (3) et équipé d'une pompe de circulation (4), d'une vanne thermostatique (5) et d'un radiateur principal (28), et un circuit auxiliaire (7), ne traversant pas le moteur (3), parallèle au radiateur principal (28), et comprenant un refroidisseur auxiliaire (9) d'un organe du véhicule, caractérisé par le fait que le circuit auxiliaire (7) comprend une pompe auxiliaire (8) de manière que, lorsque la vanne thermostatique (5) est fermée, la pompe auxiliaire (8) fasse circuler une partie du fluide caloporteur (2) dans le refroidisseur auxiliaire (9) et à travers le radiateur principal (28). 2 -Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'organe précité est un dispositif de recyclage partiel des gaz d'échappement. 3 -Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'organe précité est un alterno-démarreur. 4 -Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une branche (24) en parallèle du circuit principal (1) munie d'une deuxième vanne thermostatique (5) et d'un deuxième radiateur (27), de capacité de refroidissement inférieure à celle du radiateur principal (28). -Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le radiateur principal (28) et le deuxième radiateur (27) sont associés dans un radiateur unique (6) comprenant une pluralité de passages (10) parallèles, et dont les extrémités (11, 13) débouchent dans deux boîtes à eau (12, 14), l'une (12) au moins des boîtes à eau (12, 14) étant séparée en deux zones (16, 18) par une cloison (15). 6 -Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le fluide caloporteur (2) est de l'eau et que la température d'ouverture de la vanne thermostatique (5) du radiateur principal (28) est comprise entre 88 C et 100 C, et de préférence de l'ordre de 89 C. 7 -Dispositif selon les revendications 4 et 6 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que température d'ouverture de la deuxième vanne thermostatique (23) est inférieure à la température d'ouverture de la vanne thermostatique (5) du radiateur principal (28) et est comprise entre 80 C et 90 C, et de préférence de l'ordre de 85 C. 8 -Procédé de refroidissement pour véhicule automobile dans lequel, lorsque la température du moteur (3) est au-delà d'un seuil de température élevée, on fait circuler un fluide caloporteur (2) à travers le moteur (3) et un radiateur principal (28), caractérisé par le fait que, tant que la température du moteur reste en deçà du seuil de température élevée, on fait circuler, hors du moteur, une partie du fluide caloporteur (2) à travers un refroidisseur auxiliaire (9) d'un organe du véhicule, et à travers le radiateur principal (28). 9 -Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'on utilise une pompe auxiliaire (8) pour faire circuler le fluide caloporteur (2) dans le refroidisseur auxiliaire (9). - Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 9, caractérisé par le fait que, lorsque la température du moteur (3) est supérieure à une limite intermédiaire prédéterminée, inférieure ou égale au seuil de température élevée, on fait circuler le fluide caloporteur (2) à travers le moteur (3) et à travers un deuxième radiateur (27), de capacité calorifique inférieure à celle du radiateur principal (28).