Brevet FR2875856A1 — 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. En effet, 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. 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 peut être 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, permettant 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. Dans un mode de réalisation, 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, des moyens pour faire passer les gaz d'échappement recyclés à l'intérieur de l'échangeur de chaleur de façon qu'ils cèdent leurs calories au fluide caloporteur et des moyens pour générer à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, une source froide en contact d'échange thermique avec le fluide caloporteur. Les moyens pour faire passer les gaz d'échappement recyclés à l'intérieur de l'échangeur de chaleur comprennent des tubes ou des plaques d'échange thermique à l'intérieur desquels circulent les gaz d'échappement. Les gaz d'échappement cèdent donc leurs calories par l'intermédiaire du fluide caloporteur et non pas directement à la source froide. La quantité de calories échangées est beaucoup plus importante que dans le cas d'un échange directe avec la source froide. Les calories récupérées par le fluide caloporteur qui se vaporise au contact thermique des gaz d'échappement sont ensuite cédées à la source froide lors de la condensation du fluide caloporteur. Dans un mode de réalisation préféré, la source froide est constituée par un fluide de refroidissement, s'écoulant dans un circuit ouvert et en contact avec au moins une paroi délimitant le volume fermé. Dans une première variante, le fluide de refroidissement est en contact d'échange thermique, uniquement avec le fluide caloporteur. Avantageusement, les tubes ou plaques d'échange thermique traversent le volume fermé et sont en contact par leur surface externe avec le fluide caloporteur animé d'un mouvement de convection. Dans une deuxième variante, l'écoulement du fluide de refroidissement à l'intérieur de l'échangeur est tel que les gaz d'échappement recyclés cèdent leurs calories à la fois au fluide de refroidissement et au fluide caloporteur. Avantageusement, dans cette deuxième variante, les tubes ou plaques d'échange thermique traversent le volume fermé et sont, dans ledit volume fermé, en contact par leur surface externe avec le fluide caloporteur animé d'un mouvement de convection vertical et, dans le reste de l'échangeur, en contact par leur surface externe avec le fluide de refroidissement en circulation entre une entrée et une sortie de l'échangeur. Les gaz d'échappement peuvent traverser d'abord le volume fermé contenant le fluide caloporteur, puis le reste de l'échangeur en étant en contact thermique avec le fluide de refroidissement ou, au contraire, traverser d'abord l'échangeur en étant en contact thermique avec le fluide de refroidissement puis le volume fermé contenant le fluide caloporteur. De préférence, dans tous les cas, la circulation des gaz d'échappement à l'intérieur de l'échangeur est sensiblement 5 horizontale, le fluide caloporteur étant animé d'un mouvement de convection sensiblement verticale en circuit fermé. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation particuliers décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 illustre schématiquement un premier mode de réalisation d'un échangeur de chaleur tubulaire inséré dans le circuit des gaz d'échappement recyclés (EGR) d'un moteur thermique; - la figure 2 illustre schématiquement un deuxième mode de réalisation de l'invention sous la forme d'un échangeur à plaques; - la figure 3 est une coupe selon III-III de la figure 2; et -la figure 4 illustre schématiquement un troisième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur tubulaire. Sur la figure 1, 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. 15 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 tubulaire. 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 tubulure d'entrée 18 pour l'entrée des gaz d'échappement recyclés. 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. Une tubulure de sortie 19 pour la sortie des gaz d'échappement refroidis est prévue sur la boîte de distribution 23. Les gaz d'échappement recyclés traversent ainsi les tubes 20 montés dans la calandre 15, en s'écoulant à l'intérieur des tubes 20 sur toute leur longueur. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, la paroi supérieure 24 de la calandre 15 constitue une paroi de séparation étanche aux fluides permettant un échange thermique. Une chambre 25, délimitée par la paroi de séparation 24, permet l'écoulement du fluide de refroidissement dans le sens symbolisé par la flèche 26, le fluide de refroidissement s'écoulant par ailleurs dans le circuit 12. A cet égard, la chambre 25 présente une bride d'entrée 27 pour l'entrée du fluide de refroidissement et une bride de sortie 28 pour sa sortie. A l'intérieur de la calandre 15, se trouve défini un volume fermé 29 occupant toute la longueur de la calandre 15, délimité par la paroi, par exemple cylindrique, de la calandre 15, la paroi de séparation 24 et les deux plaques tubulaires 21 et 22. A l'intérieur de ce volume fermé 29, se trouve confiné un fluide caloporteur capable de changer d'état aux températures de fonctionnement de l'échangeur 1. Le fluide caloporteur peut être par exemple du méthane, du sodium ou tout autre fluide. Le fluide caloporteur est confiné dans le volume fermé 29 qui peut être considéré comme un circuit intermédiaire pour le transfert de chaleur. Les gaz d'échappement recyclés (EGR) pénètrent dans l'échangeur 1 et traversent les tubes 20, dont les surfaces externes sont en contact avec le fluide caloporteur. Le fluide caloporteur subit un mouvement de convection représenté par les flèches 30 sur la figure. En effet, au contact thermique des gaz d'échappement à température élevée, le fluide caloporteur se vaporise dans la zone inférieure de la calandre 15 sur la figure 1 en entrant en ébullition le long des tubes 20. La vapeur formée s'élève sensiblement verticalement, comme indiqué par les flèches 30. Le fluide caloporteur se recondense en entrant en contact thermique avec la paroi de séparation 24 et redescend vers le bas. Le fluide caloporteur cède ainsi au fluide de refroidissement 26 qui s'écoule dans la chambre 25, les calories en provenance des gaz d'échappement recyclés s'écoulant dans les tubes 20. Ce mouvement de convection sensiblement vertical du fluide caloporteur 30 se maintient continuellement et assure le refroidissement des gaz d'échappement recyclés traversant l'échangeur 1. 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 caloporteur. Les figures 2 et 3 illustrent une variante, dans laquelle les tubes 20 ont été remplacés par des plaques parallèles 31. A part cette différence, la structure de l'échangeur 1 est sensiblement la même et les pièces identiques portent les mêmes références. Comme on peut le voir sur la coupe de la figure 3, les gaz d'échappement recyclés s'écoulent entre les plaques 31 à l'intérieur de canaux 32 définis chaque fois par une paire de plaques 31. Le fluide caloporteur est animé, quant à lui, d'un mouvement de convection vertical en étant en contact thermique avec les surfaces externes des plaques 31. Dans ces différents modes de réalisation, le fluide de refroidissement 26 est en contact d'échange thermique uniquement avec le fluide caloporteur par l'intermédiaire de la paroi de séparation 24. La figure 4 illustre un autre mode de réalisation, dans lequel le volume fermé 29 est limité à une partie de la calandre 15. Sur la figure 4, les pièces identiques portent les mêmes références. Dans ce mode de réalisation, les tubes 20, à l'intérieur desquels s'écoulent les gaz d'échappement recyclés (EGR), traversent une première partie 15a de la calandre 15, dans laquelle ils se trouvent en contact thermique avec l'écoulement 26 du fluide de refroidissement. Les tubes 20 traversent également une deuxième partie 15b de la calandre 15, dans laquelle se trouve disposé le volume fermé 29. Dans ce mode de réalisation, la calandre 15 comporte, en plus des plaques tubulaires 21 et 22, qui délimitent les boîtes de distribution 16 et 23, une plaque tubulaire intermédiaire 33. Le volume fermé 29 est délimité par cette plaque tubulaire intermédiaire 33, la plaque tubulaire 22 et une paroi horizontale de séparation 34. Ainsi, le fluide de refroidissement qui pénètre dans la calandre 15 par une bride d'entrée 27 et en ressort par une bride de sortie 28, reçoit des calories en provenance des gaz d'échappement recyclés qui circulent à l'intérieur des tubes 20 dans la première partie 15a de la calandre 15. Dans cette partie 15a, en effet, le fluide de refroidissement 26 s'écoule en contact avec les surfaces externes des tubes 20. De plus, le fluide de refroidissement 26 assure également, à titre de source froide, le refroidissement du fluide caloporteur se trouvant à l'intérieur du volume fermé 29, grâce à l'échange thermique entre l'écoulement de fluide de refroidissement 26 et la paroi de séparation 34, qui laisse un espace entre le volume fermé 29 et la paroi de la chambre 25, ainsi que la plaque tubulaire intermédiaire 33. Dans ce mode de réalisation, se trouvent ainsi associés un échangeur classique correspondant à la première partie 15a de la calandre 15 et un échangeur à caloporteur correspondant à la deuxième partie 15b. Il devient ainsi possible de dimensionner avec précision chacune des parties de la calandre 15 en fonction du refroidissement souhaité qui dépend notamment des températures d'entrée des gaz d'échappement recyclés EGR. Dans ce mode de réalisation, comme dans les précédents, le fluide caloporteur est animé d'un mouvement de convection verticale 30. Le fluide caloporteur se vaporise en effet au contact des tubes 20 pour remonter jusqu'à la source froide qui est ici le liquide de refroidissement circulant dans la chambre 25, dans la partie 15b de la calandre 15. Le caloporteur refroidi redescend à l'intérieur du volume fermé 29 et ce processus se poursuit. On comprendra, bien entendu, qu'il soit possible d'inverser les deux parties 15a et 15b de la calandre 15, en faisant passer par exemple les gaz d'échappement recyclés tout d'abord dans le volume fermé contenant le fluide caloporteur et ensuite dans la partie échangeur en contact thermique avec le fluide de refroidissement. On notera également que la disposition des différentes brides d'entrée et de sortie ainsi que la structure générale de l'échangeur, peuvent être modifiées sans pour autant sortir de la présente invention. REVENDICATIONS 1-Echangeur de chaleur pour gaz d'échappement recyclés dans un moteur à combustion interne (2), du type comprenant un volume fermé (29) 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 de façon qu'ils cèdent leurs calories au fluide caloporteur et des moyens pour générer à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, une source froide en contact d'échange thermique avec le fluide caloporteur, caractérisé par le fait que les moyens pour faire passer les gaz d'échappement recyclés à l'intérieur de l'échangeur de chaleur comprennent des tubes (20) ou des plaques (31) d'échange thermique à l'intérieur desquels circulent les gaz d'échappement. 2-Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la source froide est constituée par un fluide de refroidissement s'écoulant dans un circuit ouvert (12), en contact avec au moins une paroi (24, 34) délimitant le volume fermé. 3-Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le fluide de refroidissement est en contact d'échange thermique, uniquement avec le fluide caloporteur. 4-Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les tubes ou plaques d'échange thermique traversent le volume fermé et sont en contact par leur surface externe avec le fluide caloporteur animé d'un mouvement de convection. 5-Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'écoulement du fluide de refroidissement à l'intérieur de l'échangeur est tel que les gaz d'échappement recyclés cèdent leurs calories à la fois au fluide de refroidissement et au fluide caloporteur. 6-Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les tubes ou plaques d'échange thermique traversent le volume fermé et sont, dans ledit volume fermé, en contact par leur surface externe avec le fluide caloporteur animé d'un mouvement de convection vertical et, dans le reste de l'échangeur, en contact par leur surface externe avec le fluide de refroidissement en circulation entre une entrée et une sortie de l'échangeur. 7-Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les gaz d'échappement traversent d'abord le volume fermé contenant le fluide caloporteur, puis le reste de l'échangeur en étant en contact thermique avec le fluide de refroidissement. 8-Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les gaz d'échappement traversent d'abord l'échangeur en étant en contact thermique avec le fluide de refroidissement, puis le volume fermé contenant le fluide caloporteur. 9-Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la circulation des gaz d'échappement à l'intérieur de l'échangeur est sensiblement horizontale, le fluide caloporteur étant animé d'un mouvement de convection sensiblement verticale en circuit fermé.