Brevet FR2910388A3 — publié le 20080627

FR 2910388 A3 20080627 FR 0655814 A 20061221 SYSTEME DE REFROIDISSEMENT THERMIQUE L'invention concerne un groupe motopropulseur d'un compartiment moteur de véhicule automobile, comportant : - un moteur à combustion interne relié à un circuit d'admission et à un circuit d'échappement comportant un répartiteur d'échappement et un système de post-traitement, - au moins un système de refroidissement thermique io implanté dans un conduit le reliant au circuit d'admission et - au moins un circuit de recirculation des gaz d'échappement. Actuellement, la sévérisation des réglementations en matière de polluants favorise l'émergence de nouvelles techniques de 15 dépollution. Parmi ces nouvelles techniques, figure le recyclage des gaz d'échappement permettant de réduire la température maximale de combustion. Les émissions de NOx augmentant avec la température de combustion, le recyclage des gaz constitue un moyen efficace de réduction des émissions de NON. Dans le cas d'un 20 moteur suralimenté, la formation des NON peut être aussi réduite efficacement grâce au refroidissement de l'air de suralimentation. Une solution classique consiste à refroidir les gaz recyclés par le liquide de refroidissement du moteur thermique (US20030037774), dont la température ne doit pas dépasser 100 C 25 pour éviter l'ébullition et aussi pour rester à la limite de la température de fonctionnement classique d'un tel circuit. Ce type de refroidissement est bien adapté lorsque le débit des gaz recyclés est faible correspondant à un faible taux de recyclage ou/et une faible vitesse véhicule. 30 Pour les futures normes de dépollution, le débit des gaz à recycler est élevé, soit pour réduire encore plus les émissions de Nox à faible ou moyenne vitesse du véhicule, soit pour réduire les Nox à vitesse véhicule élevée. 2910388 -2 Les solutions existantes ne peuvent pas répondre à ces normes, elles sont trop limitées. En effet, une fois que les calories de gaz recyclés sont évacuées par l'eau du liquide de refroidissement, c'est l'air traversant le radiateur qui vient à son tour 5 évacuer les calories transportées par l'eau. Lorsque le débit de gaz à recycler est important, la puissance à évacuer du circuit de refroidissement peut augmenter de 30 à 50%. Ce qui nécessite d'augmenter la quantité d'air traversant le radiateur parce que l'écart de température entre l'eau et l'air est toujours le même. Or le débit io d'air traversant le radiateur est limité par l'architecture avant du véhicule. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention a pour objet d'augmenter la capacité du système de refroidissement. A cet effet, l'invention propose un groupe motopropulseur de 15 véhicule automobile du type cité ci-dessus, caractérisé en ce que le système de refroidissement thermique comporte au moins un caloduc agencé de telle façon qu'il est apte à refroidir les gaz entrant dans le circuit d'admission A par une zone froide du compartiment moteur. 20 Selon une autre caractéristique de l'invention, le système de refroidissement comporte un corps recevant au moins un caloduc comportant un évaporateur et un condenseur, l'évaporateur est inséré dans le corps, et en ce que le condenseur est hors du corps dans le compartiment moteur. 25 Selon une autre caractéristique de l'invention, la zone froide est l'air ambiant du compartiment moteur et le condenseur est fixé sur l'élément métallique du compartiment moteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, la zone froide est un élément métallique du compartiment moteur et le condenseur 30 est fixé sur l'élément métallique du compartiment moteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins le condenseur du caloduc est muni d'un réseau d'ailettes d'échange thermique. 2910388 -3- Selon une autre caractéristique de l'invention, le corps comporte une première partie comportant une circulation d'un fluide caloporteur autour du conduit et une deuxième partie recevant le caloduc. 5 Selon une autre caractéristique de l'invention, le système de refroidissement thermique est implanté dans un conduit de recirculation du circuit de recirculation des gaz d'échappement et le conduit de recirculation relie l'aval du système de post-traitement au circuit d'admission. io Selon une autre caractéristique de l'invention, le système de refroidissement thermique est implanté dans un conduit de recirculation du circuit de recirculation des gaz d'échappement et le conduit de recirculation relie le répartiteur d'échappement au circuit d'admission. 15 Selon une autre caractéristique de l'invention, le moteur est suralimenté et le système de refroidissement thermique est implanté dans un conduit d'admission du circuit d'admission. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'invention 20 propose une utilisation d'un groupe motopropulseur comportant un système de refroidissement thermique dans un véhicule automobile pour refroidir des gaz entrant dans le circuit d'admission et réduire les émissions des composés NON. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 25 apparaîtront à la lecture de la description d'exemples de réalisation en référence aux figures annexées dans lesquelles : La figure 1 illustre un groupe motopropulseur comportant un circuit EGR basse pression refroidi par un système de refroidissement selon un premier mode de 30 réalisation de l'invention. La figure 2 illustre un groupe motopropulseur comportant un circuit EGR haute pression refroidi par un système de refroidissement selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. 2910388 -4 La figure 3 illustre un groupe motopropulseur comportant un circuit EGR basse pression et haute pression refroidis par différents systèmes de refroidissement selon un troisième mode de réalisation de 5 l'invention. Des éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes chiffres de référence. Le compartiment moteur est défini dans notre description comme un compartiment comportant le groupe io motopropulseur mais également une zone froide. La zone froide peut comporter l'air ambiant du compartiment moteur et/ou les éléments métalliques entourant le groupe motopropulseur. Dans le cas où le groupe motopropulseur est agencé à l'avant du véhicule, les éléments métalliques is peuvent être une traverse, une aile, un longeron, un capot. Tel que représenté aux figures 1, 2 et 3, un groupe motopropulseur d'un compartiment moteur d'un véhicule automobile est désigné de façon générale par la référence 1 et sa structure générale connue ne sera pas entièrement 20 détaillée ci-après. Le groupe motopropulseur 1 comporte un moteur à combustion interne 4, par exemple un moteur diesel à quatre cylindres 2 de type suralimenté. Le moteur 4 est relié à un circuit d'admission A et à un circuit 25 d'échappement E. Le groupe motopropulseur 1 comporte un système de commande (non représenté) et au moins un circuit de recirculation. Le circuit d'admission A comporte un conduit d'admission 9, un système de refroidissement 16 , un 30 turbocompresseur 15, un répartiteur d'admission 8, un filtre à air 10. Le conduit d'admission 9 guide l'air d'admission introduit par le filtre à air 10 vers le répartiteur d'admission 8. Le répartiteur d'admission 8 est raccordé au moteur 4 pour alimenter les cylindres 2 en air. 2910388 -5 Le moteur étant de type suralimenté, le groupe motopropulseur comporte un système de refroidissement thermique 16 dans le conduit d'admission 9 et un turbocompresseur 15. 5 Le compresseur 15a du turbocompresseur 15 et le système de refroidissement 16 sont disposés dans le conduit d'admission 9 entre le filtre à air 10. Le système de refroidissement 16 est disposé dans le conduit d'admission 9 en aval du compresseur 15a. io L'air d'admission nettoyé par un filtre à air 10 s'écoule vers le compresseur 15a à travers le conduit d'admission 9 pour y être comprimé. Puis, il est refroidi dans le système de refroidissement 16 et parvient au répartiteur d'admission 8 selon un débit contrôlé par la is soupape d'étranglement d'admission 13. Le système de commande non représenté comporte une unité de commande électronique UCE. Différents capteurs sont connectés à l'UCE. Leurs signaux de sortie sont exploités par l'UCE pour commander des moyens de 20 commande tels que la soupape d'étranglement d'admission 13. Le circuit d'échappement E forme un passage de gaz d'échappement à travers lequel le gaz d'échappement en provenance de chaque cylindre 2 est éjecté vers 25 l'extérieur du corps du moteur 4. Ce circuit d'échappement E comporte un répartiteur d'échappement 18, qui est relié au moteur 4 et à la turbine 15b du turbocompresseur 15, ce circuit E comporte également un système de post-traitement 3. Un tuyau d'échappement 19 relie la turbine 30 15b au système de post-traitement 3 et se poursuit en aval du système de post-traitement 3. Le système de post-traitement comporte, en particulier, un filtre à particules 3. Le ou les circuits de recirculation HP, BP relie(nt) le circuit d'échappement E au circuit d'admission A. 2910388 -6 Selon un premier mode de réalisation de l'invention, tel que représenté à la figure 1, le groupe motopropulseur comporte un circuit de recirculation à basse pression BP. Le circuit de recirculation BP comporte un conduit de 5 recirculation 20, un système de refroidissement thermique 26 et une vanne V1. Par l'intermédiaire du conduit de recirculation 20, une partie des gaz issus du filtre à particules 3 retourne en amont du circuit d'admission A, en aval du filtre à air 10. io Le système de refroidissement thermique 26 comporte au moins un caloduc 5 agencé de telle façon qu'il est apte à refroidir les gaz entrant dans le circuit d'admission A par une zone froide du compartiment moteur. Le système de refroidissement 16 est un système de 15 refroidissement par air ou par eau. Le système de refroidissement 26 est composé d'un corps 7 recevant au moins un caloduc 5. Dans les modes de réalisation décrits, le corps 7 comporte deux caloducs 5. Un caloduc 5 est une enceinte hermétique qui renferme un 20 liquide en équilibre avec sa phase vapeur. Le caloduc 5 peut être tubulaire à section cylindrique. Le caloduc 5 comporte trois parties successives axialement : une première partie d'extrémité formant un évaporateur 51, une deuxième partie d'extrémité formant un condenseur 52 et une partie centrale formant une zone 25 adiabatique. L'évaporateur 51 est inséré dans le corps 7, et le condenseur 52 est hors du corps 7 dans le compartiment moteur. L'évaporateur 51 est en contact avec les gaz d'échappement. Le condenseur 52 est donc en contact avec l'air ambiant du compartiment moteur sous 30 le capot ou en contact avec les parois d'un élément du véhicule. Le caloduc 5 peut être positionné en fonction des caractéristiques du caloduc 5 choisi. Les différentes positions et orientations possibles sont décrites plus loin. 2910388 -7 Le caloduc 5 peut être muni d'un réseau d'ailettes d'échange thermique 12 au niveau de sa paroi externe afin d'améliorer son refroidissement. Elles peuvent être à la fois disposées sur l'évaporateur 51 et le condenseur 52. Telles que représentées aux 5 figures 1 à 3, les ailettes 12 sont disposées sur le condenseur 52. Le choix du type de caloduc 5 (en particulier pour le matériau, le fluide et les dimensions) est réalisé selon la température. La plage de fonctionnement du caloduc 5 en température est choisie entre la température ambiante et 600 C. En io conséquence, le caloduc 5 peut être, par exemple, choisi en cuivre, en acier. Le fluide du caloduc 5 peut être choisi, par exemple, parmi l'eau, l'heptane, le toluène, méthanol, acétone, fréon. Le caloduc 5 peut comporter une paroi interne lisse, on parle alors de "thermosyphon". Dans ce cas, le caloduc 5 est positionné de 15 telle façon que le condenseur 52 est situé verticalement plus haut que l'évaporateur 51. Ce caloduc 5 fonctionne avec la gravité. En effet, la vapeur produite au niveau de l'évaporateur 51 monte dans le caloduc 5 et se condense au niveau du condenseur 52 et retourne dans la partie évaporateur 51 par gravité. 20 La paroi interne du caloduc 5 peut comporter un réseau capillaire qui peut être, par exemple, des rainures ou un matériau poreux. La position du condenseur 52 par rapport à l'évaporateur 51 peut alors être choisie indifféremment de la gravité. Le condenseur 52 n'est pas nécessairement positionné verticalement plus haut que 25 l'évaporateur 51. Le réseau capillaire permet de ramener le liquide vers l'évaporateur 51. Le caloduc 5 peut être un caloduc à conductance variable. Le principe de fonctionnement de ce caloduc 5 est basé sur la régulation des surfaces d'échange au condenseur 52 par la présence 30 d'un réservoir de gaz incondensable. Ceci permet alors de réguler le fonctionnement du caloduc 5 : tant que le réservoir n'a pas atteint une valeur seuil, la surface d'échange au condenseur 52 est faible et l'énergie transférée est faible puis une fois la température seuil 2910388 -8 atteinte, la surface d'échange au condenseur 52 devient maximale et l'énergie transférée est fortement augmentée. Le caloduc 5 permet, en profitant des changements de phase du fluide caloporteur, de prélever de fortes énergies 5 thermiques entre un endroit chaud et de la redistribuer à un autre froid sans utiliser de pompe électrique ou autre moyen électrique ou mécanique. La consommation d'énergie est donc diminuée. Selon un second mode de réalisation, tel que représenté à la figure 2, le circuit de recirculation est un io circuit de recirculation à haute pression HP. Le circuit de recirculation HP comporte un conduit de recirculation 23, un système de refroidissement thermique 36 et une vanne V2. Par l'intermédiaire du conduit de recirculation 23, une partie des gaz issus du répartiteur d'échappement 18 15 retourne au circuit d'admission A en particulier au répartiteur d'admission 8. Le système de refroidissement 16 est un système de refroidissement par air ou par eau. Le système de refroidissement 36 se caractérise de 20 la même façon que le système de refroidissement 26 décrit dans le premier mode de réalisation. Selon un troisième mode de réalisation, tel que représenté à la figure 3, le groupe motopropulseur 1 comporte un circuit de recirculation à haute pression HP et 25 un circuit de recirculation à basse pression BP. Le circuit de recirculation BP comporte un conduit de recirculation 20, un système de refroidissement thermique 26 et une vanne V1. Le circuit de recirculation HP comporte un conduit 30 de recirculation 23, un système de refroidissement thermique 36 et une vanne V2. Le système de refroidissement thermique 16, 26, 36 des circuits de recirculation HP, BP et du circuit d'admission A comporte au moins un caloduc 5 agencé de telle façon qu'il est apte à refroidir les gaz 2910388 -9- entrant dans le circuit d'admission A par une zone froide du compartiment moteur. Les systèmes de refroidissement 16, 26 du circuit d'admission A et du circuit de recirculation BP se caractérisent de la 5 même façon que le système de refroidissement 26 décrit dans le premier mode de réalisation. Dans le cas du système de refroidissement 16 du circuit d'admission A, l'évaporateur 51 est en contact avec les gaz comportant de l'air comprimé par le compresseur 15a. io Le système de refroidissement 36 du circuit de recirculation HP comporte un corps 7 divisé en deux parties 71, 72. La première partie 71 comporte une double paroi où peut circuler un fluide caloporteur, par exemple de l'eau, permettant de refroidir les gaz passant dans le conduit 23. La circulation du fluide caloporteur est 15 réalisée autour du conduit 23. La deuxième partie 72 reçoit au moins un caloduc 5 agencé de telle façon qu'il est apte à refroidir les gaz entrant dans le circuit d'admission A par une zone froide du compartiment moteur. Ce système de refroidissement 36 permet de refroidir les gaz passant dans le conduit 23, dans un premier temps 20 par le caloduc 5 et dans un deuxième temps par le circuit d'eau de la première partie 71. Les systèmes de refroidissement 16, 26, 36 comportant au moins un caloduc 5 permettent, en profitant des changements de phase du fluide caloporteur, de prélever de fortes énergies 25 thermiques entre une zone chaude (groupe motopropulseur) et de la redistribuer à une autre froide sans utiliser de pompe électrique ou autre moyen électrique ou mécanique. La consommation d'énergie est donc diminuée. La zone froide peut être l'air ambiant du compartiment moteur qui peut varier entre une température 30 ambiante extérieure (par exemple 20 C) et 150 C. La zone froide peut aussi être un élément métallique tel qu'un capot, une aile, un pare-chocs, qui peut varier entre 50 et 100 C. Dans ce dernier cas, le condenseur 51 du caloduc 5 est fixé sur cet élément métallique et le système de refroidissement est alors apte à refroidir 2910388 - 10 - les gaz entrant dans le circuit d'admission A par une zone froide du compartiment moteur. L'invention permet donc d'augmenter la capacité du système de refroidissement sans augmenter le débit d'air traversant le 5 radiateur. L'air ambiant du compartiment moteur en particulier sortant du radiateur ayant une température de 80-90 C et/ou un élément métallique du compartiment moteur peuvent donc refroidir les gaz recyclés ayant une température de 400 C à 600 C ainsi que les gaz contenant de l'air d'admission ayant une température de 40 à 230 C. io La description ci-dessus n'est pas limitative. Par exemple, le système de refroidissement 26, 36 peut être implanté dans un circuit de recirculation HP et/ou un circuit de recirculation BP. Le système de refroidissement 16 peut s'appliquer à un moteur suralimenté, ou atmosphérique (sans turbocompresseur et donc sans 15 refroidissement de l'air d'admission mais avec nécessité de refroidir les gaz recirculés du circuit de recirculation HP ou du circuit de recirculation BP). Le système peut s'appliquer à des moteurs à allumage par compression (Diesel) ou à allumage commandé (essence entre autres). REVENDICATIONS 1. Groupe motopropulseur (1) d'un compartiment moteur de véhicule automobile, comportant : - un moteur (4) à combustion interne relié à un circuit d'admission (A) et à un circuit d'échappement (E) comportant un répartiteur d'échappement (18) et un système de post-traitement (3), - au moins un système de refroidissement thermique io (16, 26, 36) implanté dans un conduit (9, 20, 23) le reliant au circuit d'admission (A) et - au moins un circuit de recirculation (BP, HP) des gaz d'échappement, caractérisé en ce que le système de refroidissement thermique 15 (16, 26, 36) comporte au moins un caloduc (5) agencé de telle façon qu'il est apte à refroidir les gaz entrant dans le circuit d'admission (A) par une zone froide du compartiment moteur. 2. Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce que le système de refroidissement (16, 26, 36) comporte un corps (7) recevant au moins un caloduc (5) comportant un évaporateur (51) et un condenseur (52), en ce que l'évaporateur (51) est inséré dans le corps (7), et en ce que le condenseur (52) est hors du corps (7) dans le compartiment moteur. 25 3. Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zone froide est l'air ambiant du compartiment moteur et en ce que le condenseur (52) est fixé sur l'élément métallique du compartiment moteur. 4. Groupe motopropulseur (1) selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que la zone froide est un élément métallique du compartiment moteur et en ce que le 30 2910388 - 12 - condenseur (52) est fixé sur l'élément métallique du compartiment moteur. 5. Groupe motopropulseur (30) de véhicule automobile selon l'une 5 des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'au moins le condenseur (52) du caloduc (5) est muni d'un réseau d'ailettes d'échange thermique (12). 6. Groupe motopropulseur (30) de véhicule automobile selon l'une io des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le corps (7) comporte une première partie (71) comportant une circulation d'un fluide caloporteur autour du conduit (23) et une deuxième partie (72) recevant le caloduc (5). is 7. Groupe motopropulseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de refroidissement thermique (26) est implanté dans un conduit de recirculation (20) du circuit de recirculation (BP) des gaz d'échappement et en ce que le conduit de 20 recirculation (20) relie l'aval du système de post-traitement (3) au circuit d'admission (A). 8. Groupe motopropulseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de 25 refroidissement thermique (36) est implanté dans un conduit de recirculation (23) du circuit de recirculation (HP) des gaz d'échappement et en ce que le conduit de recirculation (23) relie le répartiteur d'échappement (18) au circuit d'admission (A). 30 9. Groupe motopropulseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur (4) est suralimenté et en ce que le système de refroidissement 2910388 - 13 - thermique (16) est implanté dans un conduit d'admission (9) du circuit d'admission (A). 10. Utilisation d'un groupe motopropulseur comportant un système 5 de refroidissement thermique selon l'une des revendications précédentes dans un véhicule automobile pour refroidir des gaz entrant dans le circuit d'admission (A) et réduire les émissions des composés NON. 15 20 25 30