Brevet FR2908083A1 — publié le 20080509

L'invention concerne un système de chauffage d'habitacle de véhicule automobile. Les nouvelles motorisations Diesel ont atteint un niveau de rendement tel que le transfert de chaleur depuis les chambres de combustion et depuis les zones de frottement des éléments mécaniques entre eux vers le liquide de refroidissement est devenu très faible. Cette perte de puissance thermique empêche d'obtenir un confort thermique dans l'habitacle dans un délai raisonnable (environ 30 minutes après le démarrage du moteur). Pour améliorer la montée en température du liquide de refroidissement, il est possible d'utiliser la chaleur des gaz d'échappement normalement dissipée dans l'air ambiant au niveau de l'échappement, éventuellement après que ces gaz ont perdu une partie de leur enthalpie au niveau de la turbine de suralimentation dans le cas de moteurs Diesel suralimentés. Pour ce faire, on utilise un échangeur gaz-liquide de refroidissement sur la ligne d'échappement. Cependant, lors de phases de roulage faiblement chargées (faibles vitesses du véhicule), la température des gaz d'échappement est faible et trop peu de chaleur peut être transférée au liquide de refroidissement. On connaît de la demande de brevet FR 2 854 103, un système de chauffage d'habitacle d'automobile comprenant un circuit de liquide de refroidissement présentant un aérotherme et un échangeur gaz d'échappement-liquide de refroidissement. Grâce à un tel système, une partie de la chaleur des gaz d'échappement sert à réchauffer le liquide de refroidissement qui est ensuite utilisé pour le chauffage de l'habitacle via 3,0 l'aérotherme. Afin d'augmenter la température des gaz d'échappement et par conséquent d'accélérer la phase de chauffage du liquide de MS\2.R442.12FR.26.dpt. doc 2908083 2 refroidissement, une stratégie de post-combustion est utilisée, c'est-à-dire qu'on injecte du carburant dans un ou plusieurs cylindres du moteur dans une phase de détente des gaz. Cependant, cette stratégie pose des problèmes. En effet, le carburant alors injecté peut impacter les parois de 5 la chambre de combustion, passer entre le piston et les parois du cylindre puis se retrouver dans le carter moteur dans l'huile de lubrification. On est alors confronté à un problème de dilution de l'huile par du carburant. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de diminuer l'intervalle de vidange de l'huile de lubrification. Ceci entraîne 10 des contraintes pratiques et financières pour l'utilisateur du véhicule. Le but de l'invention est de fournir un système de chauffage de liquide de refroidissement obviant aux inconvénients cités précédemment et améliorant les systèmes de chauffage de liquide de refroidissement 15 connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un système de chauffage de liquide de refroidissement permettant un chauffage rapide du liquide de refroidissement sans risque de dilution de l'huile de lubrification par du carburant. 20 Selon l'invention, le système de chauffage d'habitacle d'un véhicule automobile, comprend un échangeur de chaleur gaz-liquide dans une ligne d'échappement d'un moteur thermique du véhicule, l'échangeur étant destiné à récupérer de l'énergie thermique des gaz d'échappement. Il est caractérisé en ce que le système comprend, en amont de 25 l'échangeur gaz-liquide sur la ligne d'échappement, un injecteur de carburant. L'échangeur de chaleur gaz-liquide peut être du type à contre-courant. L'échangeur de chaleur gaz-liquide peut être du type concentrique. MS\2.R442.12FR.26.dpt.doc 2908083 3 Le système peut comprendre un circuit de by-pass en parallèle de l'échangeur de chaleur gaz-liquide et une vanne pour diriger le flux des gaz d'échappement vers le circuit de by-pass ou vers l'échangeur de chaleur gaz-liquide. Un véhicule automobile selon l'invention comprend un système de chauffage défini précédemment. Selon l'invention, un procédé de fonctionnement d'un système de 10 chauffage défini précédemment est caractérisé en ce qu'on pilote l'injection de carburant dans une ligne d'échappement en fonction de la température d'habitacle et de la température du moteur. Dans le cas où le système comprend un circuit de by-pass en parallèle 15 de l'échangeur de chaleur gaz-liquide et une vanne pour diriger le flux des gaz d'échappement vers le circuit de by-pass ou vers l'échangeur de chaleur gaz-liquide, le procédé de fonctionnement du système selon l'invention est caractérisé en ce qu'on pilote l'injection de carburant dans une ligne d'échappement en fonction de la température d'habitacle et de 20 la température du moteur et en ce qu'on dirige les gaz d'échappement vers l'échangeur de chaleur gaz-liquide ou vers le circuit de by-pass en fonction de la température d'habitacle et de la température du moteur. Le dessin annexé représente à titre d'exemple, un mode de réalisation 25 d'un système de chauffage de liquide de refroidissement selon l'invention. La figure 1 est un schéma représentant un moteur thermique équipé d'un mode de réalisation d'un système de chauffage de liquide de 30 refroidissement selon l'invention. MS\2.R442.12FR.26.dpt.doc 5 2908083 4 La figure 2 est un ordinogramme d'un mode d'exécution d'un procédé de fonctionnement d'un système de chauffage selon l'invention. Un moteur thermique 1 de véhicule automobile est représenté à la figure 5 1. Ce moteur thermique est équipé d'un système de refroidissement et d'un système de chauffage de l'habitacle du véhicule automobile. Le système de refroidissement comprend principalement un radiateur 2 consistant en un échangeur airûliquide de refroidissement pour dissiper 10 dans l'air ambiant de l'énergie thermique véhiculée par le liquide de refroidissement depuis le moteur via des conduites 7. Ce radiateur est relié à un vase d'expansion 3. Le système de chauffage de l'habitacle comprend principalement un 15 premier circuit 30 parcouru par le liquide de refroidissement et un deuxième circuit 31 parcouru par des gaz, notamment des gaz d'échappement. Le premier circuit comprend un aérotherme 11 consistant en un 20 échangeur air-liquide de refroidissement et permettant de réchauffer l'air contenu dans l'habitacle du véhicule. Cet aérotherme est relié au circuit de liquide de refroidissement du système de refroidissement via des conduites 10. Le premier circuit comprend en outre un échangeur de chaleur gaz-liquide de refroidissement 15 branché en parallèle de 25 l'aérotherme grâce à des conduites 14 munies d'une pompe 13 permettant d'obtenir un débit de liquide suffisant et d'une vanne trois voies 12 permettant d'activer ou de désactiver la circulation du liquide dans la boucle de circuit munie de l'échangeur de chaleur. De préférence, l'échangeur est du type à contre-courant mais peut 30 également être à co-courant. De préférence, l'échangeur est du type concentrique. MS\2.R442.12FR.26. dpt. doc 2908083 5 Le deuxième circuit comprend une ligne d'échappement 31 du moteur thermique. Elle comprend, d'amont en aval, un collecteur d'échappement 16, une turbine de suralimentation 17, un injecteur de carburant 18, un 5 filtre à particules et un catalyseur d'oxydation ou un catalyseur quatre voies 19, une vanne trois voies 20, un circuit de by-pass 21 en parallèle de l'échangeur gaz-liquide de refroidissement et une tubulure de sortie d'échappement 22. L'injecteur de carburant est placé en aval de la turbine de suralimentation et en amont du catalyseur d'oxydation et du 10 filtre à particules. Grâce à un tel système de chauffage, il est possible de chauffer l'habitacle d'un véhicule de manière rapide même en cas de faible charge du moteur suite à un démarrage à froid. En effet, l'injecteur 18 permet 15 l'injection de carburant dans la ligne d'échappement. Ce carburant réagit avec l'oxygène de l'air en excès dans les gaz d'échappement pour donner lieu à une combustion. La température des gaz d'échappement se trouve alors fortement augmentée avant que ceux-ci n'atteignent le filtre à particules. Ainsi, la température de régénération du filtre à 20 particules est rapidement atteinte même en cas de roulage faiblement chargé. En outre, les gaz d'échappement étant très chauds, il est possible de transférer, au niveau de l'échangeur de chaleur une énergie thermique importante des gaz d'échappement au premier circuit du système de chauffage, en orientant ces gaz d'échappement vers 25 l'échangeur de chaleur grâce à la vanne trois voies 20. Quand la température du liquide de refroidissement a atteint une valeur permettant d'assurer un chauffage rapide de l'habitacle, l'état de la vanne trois voies 20 peut être modifié pour diriger les gaz d'échappement vers 30 le circuit de by-pass 21. Ainsi, le liquide de refroidissement n'est plus chauffé par les gaz d'échappement. La vanne peut aussi diriger les gaz M S\2.R442.12FR.26. dpt. doc 2908083 6 d'échappement partiellement vers l'échangeur de chaleur gaz-liquide et partiellement vers le circuit de by-pass. Le pilotage de l'injecteur supplémentaire 18, de la vanne trois voies 20 5 mais aussi d'autres organes tels que la pompe électrique 13 et la vanne trois voies 12 est assuré par une unité de commande (non représentée). Ces différents organes sont reliés à des sorties de cette unité de commande. Le pilotage est notamment assuré en fonction de la température. Pour ce faire, des capteurs notamment un capteur de 10 température moteur et un capteur de température d'habitacle (non représentés) sont reliés à des entrées de l'unité de commande. Le moteur thermique peut être du type Diesel ou du type essence s'il fonctionne avec une richesse de 1. Dans le cas d'un moteur essence 15 dont l'injection ne se ferait que sur deux cylindres (par exemple du fait de la déconnexion des cylindres en faible charge), la richesse égale à 1 est rétablie par l'utilisation de l'injecteur supplémentaire (en amont du catalyseur). 20 Un mode d'exécution d'un procédé de fonctionnement d'un système de chauffage d'habitacle selon l'invention est décrit ci-après en référence à la figure 2. Dans une première étape 100, on démarre le moteur thermique. Dans une étape de test 110, on détermine si la température du moteur, par exemple mesurée dans le liquide de refroidissement est inférieure à une température seuil T1, par exemple égale à 60 C. MS\2. R442.12FR.26. dpt. doc 2:5 2908083 7 Si tel n'est pas le cas, on passe à une étape 120, dans laquelle on pilote l'arrêt de l'injection de carburant dans la ligne d'échappement au moyen de l'injecteur supplémentaire 18. 5 Dans une étape de test 130, on détermine si la température de l'habitacle du véhicule est inférieure à une température de consigne T2 saisie par l'utilisateur, par exemple égale à 21 C. Si tel n'est pas le cas, on passe à une étape de test 140, dans laquelle 10 on détermine si le moteur est faiblement chargé. Si tel n'est pas le cas, dans une étape 160, on pilote la vanne trois voies 20 de manière à diriger les gaz d'échappement vers le circuit de by-pass 21. On boucle ensuite sur l'étape 110. 15 Suite à l'étape 140, si la température de l'habitacle du véhicule est inférieure à une température de consigne T2, on passe à une étape 170 dans laquelle on dirige les gaz d'échappement vers l'échangeur de chaleur gaz-liquide tant que la température du moteur est inférieure à 20 une température seuil T3, par exemple 80 C. On pilote ensuite la vanne trois voies 20 de manière à diriger les gaz d'échappement vers le circuit de by-pass 21. Enfin, on boucle sur l'étape 110. Suite à l'étape 130, si la température de l'habitacle du véhicule est 25 inférieure à la température de consigne T2 saisie par l'utilisateur, on dirige, dans une étape 150, les gaz d'échappement vers l'échangeur gaz-liquide. On boucle ensuite sur l'étape 110. Suite à l'étape 110, si la température du moteur est inférieure à la 30 température seuil T1, on déclenche, dans une étape 180, l'injection de MS\2.R442.12FR.26.dpt.doc 2908083 8 carburant dans la ligne d'échappement. Ce carburant est alors brûlé dans la ligne d'échappement. Dans une étape de test 190, on détermine si la température de l'habitacle 5 du véhicule est inférieure à une température de consigne T2 saisie par l'utilisateur. Si tel n'est pas le cas, on passe à une étape 200, dans laquelle on pilote l'arrêt de l'injection de carburant dans la ligne d'échappement au moyen 10 de l'injecteur supplémentaire 18. Puis, dans une étape 210, on dirige les gaz d'échappement vers l'échangeur gaz-liquide. On boucle ensuite sur l'étape 110. 15 Suite à l'étape 190, si la température de l'habitacle du véhicule est inférieure à la température de consigne T2 saisie par l'utilisateur, on passe à l'étape 210. On boucle ensuite sur l'étape 110. Comme vu précédemment, dans le cas d'un groupe motopropulseur 20 équipé d'un filtre à particules avec un injecteur de Diesel supplémentaire, il est donc possible d'envisager l'utilisation de cet injecteur pour augmenter la température des gaz d'échappement en amont d'un échangeur gaz-liquide de refroidissement et, par conséquent, d'augmenter la puissance thermique récupérée par l'échangeur gaz- 25 liquide de refroidissement. On peut aussi envisager de doter un moteur à essence à injection directe d'un tel système. En effet, un tel type de moteur présente également un faible transfert thermique vers le liquide de refroidissement dans 30 certaines phases de fonctionnement. Cependant, les moteurs à essence ne sont normalement pas équipés d'injecteurs supplémentaires. M S \2. R442.12 FR. 2 6. dpt. do c 15 2908083 9 Pour les moteurs Diesel comme pour les moteurs essence, il est nécessaire de s'assurer au niveau du contrôle moteur que le mélange air/carburant est suffisamment pauvre pour qu'il y ait suffisamment 5 d'oxygène en excès qui sera utilisé pour brûler le carburant qui sera injecté par cet injecteur supplémentaire sans émission de composants imbrûlés (CO, HC, particules). En effet, les moteurs essence fonctionnent souvent à la stoechiométrie pour des raisons d'efficacité du catalyseur trois voies. 10 L'injecteur supplémentaire 18 comme l'échangeur de chaleur gaz-liquide de refroidissement 15 et la vanne trois voies 20 peuvent être contenus dans un même boîtier avec le dispositif de dépollution 19. MS\2.R442.12FR.26.dpt.doc Revendications : 1. Système de chauffage d'habitacle d'un véhicule automobile, comprenant un échangeur de chaleur gaz-liquide (15) dans une ligne d'échappement (31) d'un moteur thermique (1) du véhicule, l'échangeur étant destiné à récupérer de l'énergie thermique des gaz d'échappement, caractérisé en ce que le système comprend, en amont de l'échangeur gaz-liquide sur la ligne d'échappement, un injecteur de carburant (18). 2. Système de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur gaz-liquide est du type à contre-courant. 3. Système de chauffage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur gaz-liquide est du type concentrique. 4. Système de chauffage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système comprend un circuit de by-pass (21) en parallèle de l'échangeur de chaleur gaz-liquide et une vanne (20) pour diriger le flux des gaz d'échappement vers le circuit de by-pass ou vers l'échangeur de chaleur gaz-liquide. 5. Véhicule automobile comprenant un système de chauffage selon 2.5 l'une des revendications précédentes. 6. Procédé de fonctionnement d'un système de chauffage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on pilote l'injection de carburant dans une ligne d'échappement en fonction de la 30 température d'habitacle et de la température du moteur. MS\2.R442.12FR.26.dpt.doc 10 2908083 Il 7. Procédé de fonctionnement d'un système de chauffage selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on pilote l'injection de carburant dans une ligne d'échappement en fonction de la température d'habitacle et de la température du moteur et en ce 5 qu'on dirige les gaz d'échappement vers l'échangeur de chaleur gaz-liquide ou vers le circuit de by-pass en fonction de la température d'habitacle et de la température du moteur. MS\2.R442.12FR.26. dpt.doc