Brevet FR2921866A3 — publié le 20090410

FR 2921866 A3 20090410 FR 0758037 A 20071003 DISPOSITIF ET PROCEDE DE MONTEE EN TEMPERATURE D'UN MOTEUR ET DU CHAUFFAGE D'UN HABITACLE DE VEHICULE La présente invention concerne les dispositifs de gestion de la température d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, et plus particulièrement les dispositifs permettant d'améliorer la montée en température d'un moteur et du chauffage d'un habitacle de véhicule automobile. Les dispositifs de ce type comportent un circuit parcouru par un fluide caloporteur, encore appelé liquide de refroidissement . Le circuit, décrit par exemple par le document FR2800016, se compose essentiellement d'une branche de refroidissement et d'une branche de chauffage. La branche de refroidissement comporte un radiateur de refroidissement, de type fluide caloporteur ù air extérieur, et un moyen autorisant la circulation du fluide lorsque la température du liquide de refroidissement est supérieure à une valeur prédéterminée, par exemple un thermostat. La branche de chauffage comporte un radiateur de chauffage de l'habitacle, encore appelé aérotherme, relié à une sortie en fluide issue du moteur. La circulation du fluide dans les branches de refroidissement et de chauffage est assurée par une pompe, appelée pompe à eau. Cette pompe est généralement placée au niveau d'une entrée en liquide de refroidissement du moteur. Le circuit comporte également une branche de dérivation du moteur et des moyens de sélection de la branche de dérivation. La branche de dérivation est reliée entre la sortie de la pompe à eau et l'entrée du moteur. En fonction des besoins de chauffage et de montée en température, les moyens de sélection du document FR2800016 sont aptes à autoriser la circulation de fluide dans la branche de dérivation et dans la branche de chauffage. Un tel dispositif n'apporte cependant pas une pleine satisfaction, car la branche de dérivation autorise un débit de dérivation qui augmente le débit pouvant traverser l'aérotherme, sans que le liquide circulant dans la conduite de dérivation n'ait pu être chauffé. De plus, selon les conditions extérieures, c'est-à-dire notamment de la température extérieure de l'air, un tel dispositif ne permet pas de monter en température le moteur et de chauffer l'habitacle de manière optimale. L'invention vise à pallier les inconvénients ci-dessus, en proposant un dispositif de montée en température d'un moteur et du chauffage d'un habitacle de véhicule automobile qui soit, de surcroît, simple et peu coûteux. L'invention propose dans ce but un dispositif de montée en température d'un moteur et du chauffage d'un habitacle d'un véhicule, comportant un circuit parcouru par un fluide caloporteur. Le circuit est composé d'au moins : une branche de chauffage comportant un radiateur de chauffage de 5 l'habitacle, une pompe placée au niveau d'une entrée en fluide du moteur, une branche de dérivation de fluide du moteur reliée d'une part entre la pompe et l'entrée en fluide du moteur, et d'autre part à la branche de chauffage, 10 - des moyens de sélection de la branche de dérivation, et des moyens de commandes propres à placer les moyens de sélection dans des positions déterminées. Selon l'invention, la branche de chauffage comporte des moyens supplémentaires de chauffage placés en amont de l'aérotherme, et les moyens de 15 sélection de la branche de dérivation sont du type tout ou rien. Selon d'autres aspects de l'invention : les moyens supplémentaires de chauffage peuvent comporter un échangeur de chaleur disposé dans la ligne d'échappement du moteur ; le circuit peut comporter une branche de refroidissement, dont l'entrée est connectée à la sortie du moteur, et dont la sortie et connectée en amont de l'entrée de la pompe à eau ; les moyens de commandes comportent une unité électronique commandant les moyens de sélection en fonction d'informations de température fournies par un capteur de température de fluide de refroidissement et par un capteur de température extérieure de l'air ; le dispositif peut comporter des moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement qui traversent l'échangeur de chaleur ; les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement peuvent comporter des moyens de commande du système d'injection du moteur pour augmenter la température des gaz d'échappement ; 20 25 30 les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement peuvent également comporter un catalyseur d'oxydation des HC et CO placé dans la ligne d'échappement en amont de l'échangeur de chaleur, et des moyens de commandes du système d'injection pour apporter du carburant sous forme gazeuse au catalyseur d'oxydation ; les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement peuvent également comporter des moyens de commandes d'un injecteur placé dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur d'oxydation et pouvant fournir du carburant au catalyseur d'oxydation ; les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement peuvent également comporter un filtre à particules placé entre le catalyseur d'oxydation et l'échangeur de chaleur, et des moyens d'estimation du colmatage du filtre. L'invention concerne également un procédé de commande d'un dispositif du type ci-dessus, dans lequel, lors d'une étape de démarrage du moteur, on mesure la température du fluide caloporteur et la température extérieure de l'air, et on dérive le fluide caloporteur en sortie de pompe lorsque la température 20 extérieure de l'air est supérieure à une valeur prédéterminée et lorsque la température du fluide est inférieure à un seuil. Selon d'autres aspects du procédé : on peut agir également sur les moyens de chauffage supplémentaires ; on peut agir également sur les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement qui traversent l'échangeur de chaleur ; la branche de dérivation peut être désélectionnée au bout d'un temps prédéterminé ; on peut faire une estimation du colmatage du filtre, et si cette estimation et supérieure à une valeur prédéterminée, on procède à une étape de régénération du filtre. Mais l'invention sera encore détaillée à l'aide de la description suivante et des dessins annexés, donnés à titre illustratif, et dans lesquels : 10 15 25 30 la figure 1 montre de façon schématique un dispositif permettant d'améliorer la montée en température d'un moteur et du chauffage d'un habitacle de véhicule automobile ; la figure 2 représente un premier mode d'utilisation du dispositif de la figure 1 lors d'un démarrage à froid du moteur; la figure 3 représente un deuxième mode d'utilisation du dispositif de la figure 1 lors d'un démarrage à froid du moteur; la figure 4 représente un mode d'utilisation du dispositif avec la branche de refroidissement en fonctionnement ; la figure 5 montre de façon schématique une ligne d'échappement du moteur et les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement qui traversent l'échangeur de chaleur. Le dispositif de la figure 1 comporte un circuit parcouru par un fluide caloporteur. Le circuit peut être composé d'une branche de refroidissement 10, d'une branche de chauffage 20 et d'une branche de dérivation 30. La branche de refroidissement 10 comporte un radiateur 11 de refroidissement, de type fluide caloporteur ù air extérieur, et un moyen 12 autorisant la circulation du fluide lorsque la température du liquide de refroidissement est supérieure à une valeur prédéterminée. Ce moyen peut consister en un thermostat bien connu de la personne du métier. Un premier conduit 13 relie une sortie en fluide caloporteur du moteur à une entrée du radiateur 11 de refroidissement. Comme illustré à la figure 1, le premier conduit 13 peut comporter le thermostat 12. La circulation du fluide dans la branche de refroidissement est assurée par une pompe 15, appelée pompe à eau. Cette pompe 15 est généralement placée au niveau d'une entrée en liquide de refroidissement du moteur. Un deuxième conduit 14 de la branche de refroidissement 10 relie une sortie du radiateur 11 à une entrée en fluide caloporteur de la pompe 15. Un échangeur thermique supplémentaire de type refroidisseur d'huile 16 peut se piquer sur le deuxième conduit 14 en amont de la pompe 15. La branche de chauffage 20 est disposée en parallèle de la branche de refroidissement 10. Elle comporte un radiateur de chauffage de l'habitacle, encore appelé aérotherme 21, un premier conduit 23 reliant la sortie en fluide du moteur M à une entrée de l'aérotherme 21, et un deuxième conduit 24 reliant une sortie de l'aérotherme 21 à l'entrée en fluide de la pompe 15. La branche 30 de dérivation comporte un conduit relié d'une part à la branche de refroidissement 10 entre la pompe 15 et l'entrée en fluide du moteur, et d'autre part à la branche de chauffage 20 en amont de l'aérotherme. Le dispositif comporte également des moyens de sélection 40 de la branche de dérivation 30, et des moyens de commandes 50 propres à placer les moyens de sélection 40 dans des positions déterminées. Les moyens de sélection 40 peuvent consister en une vanne. La position de la vanne détermine le guidage du flux de fluide caloporteur provenant de la pompe 15 vers la branche de dérivation 30 ou vers l'entrée en fluide du moteur M. Les moyens de commandes 50 comportent une unité électronique commandant les moyens de sélection 40, notamment en fonction d'informations de température fournies par un capteur de température de fluide de refroidissement T°eau et par un capteur de température extérieure de l'air T°ext. Selon l'invention, la branche de chauffage 20 comporte des moyens supplémentaires de chauffage placé en amont de l'aérotherme 21, et les moyens de sélection 40 sont du type tout ou rien. Selon un mode préféré de l'invention, et en référence aussi à la figure 5, les moyens supplémentaires de chauffage peuvent comporter un échangeur de chaleur 25 disposé dans la ligne d'échappement 1 du moteur M. La ligne d'échappement 1 du moteur M recueille les gaz d'échappement du moteur M. Les gaz d'échappement se forment dans les chambres de combustions (non représentées) du moteur M et proviennent de l'inflammation d'un mélange d'air et de carburant. Le carburant est pulvérisé directement dans les chambres de combustion par des injecteurs faisant partie d'un système d'injection (non représenté). La ligne d'échappement 1, illustrée à la figure 5, peut comporter, pris dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement représentés par une flèche : - une turbine 2 d'un turbocompresseur ; - un injecteur supplémentaire 3 pouvant pulvériser du carburant dans la ligne d'échappement 1 ; - un catalyseur d'oxydation 4 des hydrocarbures imbrûlés (désignés HC) et du monoxyde de carbone (désignés CO) ; - un filtre à particules 5 pouvant comporter en plus une formule catalytique d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés (désignés HC) et du monoxyde de carbone (désignés CO) ; - l'échangeur de chaleur 25. L'échangeur de chaleur 25, pouvant être illustré par exemple par le document FR2854103, peut être traversé par les gaz d'échappement pour réchauffer le fluide caloporteur circulant dans la branche de chauffage 20. L'échangeur comporte dans cet exemple un premier conduit 26 qui comporte l'organe échangeur proprement dit au contact du fluide caloporteur de la branche de chauffage 20, un deuxième conduit 27 servant de conduit de dérivation de l'échangeur chaleur 25, et des moyens pour sélectionner l'un ou l'autre des conduits, comportant par exemple un volet 28. Quand l'échangeur de chaleur 25 doit être utilisé, le volet 28 se met en position dite de chauffage, pour que le débit de gaz d'échappement passe au moins en partie par le premier conduit 26 qui comporte l'organe échangeur. Selon un aspect complémentaire de l'invention, pour améliorer l'efficacité de l'échangeur de chaleur 25 lorsqu'il doit être sollicité, le dispositif peut comporter des moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement qui sont destinés à traverser l'échangeur de chaleur 25, lorsque le volet 28 est dans la position dite de chauffage. Tout d'abord, les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement peuvent comporter des moyens de commande du système d'injection du moteur pour augmenter la température des gaz d'échappement. Ces moyens de commandes peuvent agir directement sur les injecteurs du moteur pour dégrader le rendement de la combustion, par exemple en décalant l'injection principale de carburant et/ou en modifiant la quantité de cette injection principale, et/ou en ajoutant une injection supplémentaire, dite post-injection rapprochée , qui est réalisée peu de temps (c'est-à-dire quelques degrés de rotation du vilebrequin) après l'injection principale, de sorte de le carburant de la post-injection rapprochée brûle dans le cylindre en générant le moins de couple moteur possible, voire pas de couple moteur du tout. Ensuite, les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement peuvent également comporter le catalyseur d'oxydation 4 des HC et CO placé dans la ligne d'échappement 1 en amont de l'échangeur de chaleur, et des moyens de commandes du système d'injection pour apporter du carburant sous forme gazeuse au catalyseur d'oxydation 4. Enfin, les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement peuvent également comporter des moyens de commandes de l'injecteur 3 placé dans la ligne d'échappement 1 en amont du catalyseur d'oxydation 4 et pouvant fournir du carburant brûlant dans le catalyseur d'oxydation 4. De manière additionnelle, les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement chauffage peuvent comporter le filtre à particules 5 placé entre le catalyseur d'oxydation 4 et l'échangeur de chaleur 25, et des moyens d'estimation du colmatage du filtre à particules 5, comme par exemple un capteur de pression différentielle ou encore des cartographies préenregistrées dans la mémoire de l'unité électronique 50. L'invention concerne également un procédé de commande du dispositif inventif du type ci-dessus. En fonction des critères de température du fluide caloporteur et de température extérieure de l'air, le procédé va commander, lors d'une étape de démarrage du moteur, la configuration la plus appropriée du dispositif de montée en température du moteur et de chauffage de l'habitacle selon l'invention. Dans un premier temps, il est nécessaire de connaître la température du fluide caloporteur. Cette information est fournie par le capteur de température T°mes.eau à l'unité électronique de commande. L'unité électronique 50 compare cette valeur T°mes.eau à une valeur prédéterminée T°cons.eau qui est enregistrée en mémoire. Par exemple, la valeur prédéterminée de température du fluide caloporteur peut être de 60°C. Si cette valeur T°mes.eau est inférieure à la valeur prédéterminée T°cons.eau, condition selon laquelle le moteur peut être considéré comme froid et comme ayant besoin d'être monté en température, il est alors nécessaire de connaître la température extérieure de l'air pour déterminer la configuration la plus appropriée du dispositif selon l'invention. Pour y parvenir, l'information de température extérieure de l'air est fournie par le capteur de température T°mes.ext à l'unité électronique de commande 50. L'unité électronique compare cette valeur à une valeur prédéterminée T°cons.ext qui est enregistrée en mémoire. Cette valeur peut être par exemple de 0°C. Si la valeur mesurée T°mes.ext est inférieure à la valeur prédéterminée T°cons.ext, alors le procédé va placer le dispositif de montée en température du moteur et de chauffage de l'habitacle dans une première configuration. Si cette valeur mesurée T°mes.ext est supérieure à la valeur prédéterminée T°cons.ext, alors le procédé va placer le dispositif dans une deuxième configuration. La première configuration est illustrée à la figure 2. Dans cette configuration, la branche 30 de dérivation n'est pas activée par les moyens de sélection 40. Le fluide caloporteur circule depuis la pompe 15 dans les organes suivants, pris dans le sens de circulation du fluide - moteur M ; - échangeur de chaleur 25 ; - aérotherme 21 ; - et le refroidisseur d'huile 16 (par un piquage sur la portion active du deuxième conduit 14 de la branche de refroidissement en amont de la pompe 15). Ces organes se retrouvent en série pour chauffer ensemble le moteur et l'habitacle du véhicule. Dans cette première configuration, on peut agir également sur les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement tels que décrits ci avant dans la description, c'est-à-dire qu'on utilise ces moyens présents dans la ligne d'échappement 1 pour aider au chauffage et à la montée en température du moteur. La deuxième configuration est illustrée à la figure 3. Dans cette configuration, la branche 30 de dérivation est activée par les moyens de sélection 40. Le fluide caloporteur circule depuis la pompe 15 dans les organes suivants, pris dans le sens de circulation du fluide : - échangeur de chaleur 25 ; - aérotherme 21 ; - et le refroidisseur d'huile 16 (par un piquage sur la portion active du deuxième conduit 14 de la branche de refroidissement en amont de la pompe 15). L'échangeur de chaleur 25 se retrouve seul pour chauffer l'habitacle du véhicule. Dans cette deuxième configuration, on considère que le besoin en chauffage de l'habitacle est moindre. Par conséquent, la circulation du fluide caloporteur dans le moteur est coupée, grâce à l'activation de la branche de dérivation 30, de sorte que le moteur puisse monter en température plus rapidement. Et l'aérotherme 21 n'est chauffé que par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur 25 placé dans la ligne d'échappement 1. On peut cependant agir sur les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement si la température extérieure de l'air mesurée T°mes.ext est inférieure à une valeur prédéterminée. Dans cette deuxième configuration du dispositif de chauffage habitacle et de montée en température du moteur, la branche de dérivation 30 peut être désélectionnée au bout d'un temps prédéterminé enregistré dans la mémoire de l'unité électronique 50. Pour les deux configurations possibles, lorsqu'il est nécessaire d'utiliser les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement qui sont destinés à traverser l'échangeur de chaleur 25, et tant que la température du fluide de refroidissement T°mes.eau est inférieure à la valeur prédéterminée T°cons.eau, on peut faire une estimation du colmatage du filtre. On peut par exemple estimer le colmatage par le biais d'un capteur de pression différentielle ou encore de cartographies préenregistrées dans la mémoire de l'unité électronique 50. Si cette estimation et supérieure à une valeur prédéterminée, on procède à une étape de régénération du filtre à particules 5. L'avantage du déclenchement de la régénération du filtre à particules est que l'on optimise la surconsommation de carburant qui a lieu lors de la régénération et du chauffage et de la montée en température du moteur. En effet, l'énergie dégagée par la régénération peut chauffer les gaz d'échappement qui traversent l'échangeur de chaleur 25. Revendications 1) Dispositif de montée en température d'un moteur et du chauffage d'un habitacle d'un véhicule comportant un circuit, parcouru par un fluide caloporteur, composé d'au moins : - une branche de chauffage (20) comportant un radiateur (21) de chauffage de l'habitacle, - une pompe (15) placée au niveau d'une entrée en fluide du moteur, - une branche de dérivation (30) de fluide du moteur reliée d'une part entre la pompe (15) et l'entrée en fluide du moteur, et d'autre part à la branche de chauffage (20), - des moyens de sélection (40) de la branche de dérivation (30), - et des moyens de commandes (50) propres à placer les moyens de sélection (40) dans des positions déterminées, caractérisé en ce que la branche de chauffage (20) comporte des moyens supplémentaires de chauffage placés en amont du radiateur (21) de chauffage, et les moyens de sélection (40) de la branche de dérivation (30) sont du type tout ou rien. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens supplémentaires de chauffage comportent un échangeur de chaleur (25) disposé dans la ligne d'échappement (1) du moteur. 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit comporte une branche de refroidissement (10), dont l'entrée est connectée à la sortie en fluide du moteur, et dont la sortie et connectée en amont de l'entrée de la pompe à eau (15). 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commandes (50) comportent une unité électronique commandant les moyens de sélection (40) en fonction d'informations de température fournies par un capteur de température de fluide de refroidissement et par un capteur de température extérieure de l'air. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement qui traversent l'échangeur de chaleur (25). 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement comportent des moyens de commande du système d'injection du moteur pour augmenter la température des gaz d'échappement. 10 11 7) Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement comportent un catalyseur d'oxydation des HC et CO placé dans la ligne d'échappement en amont de l'échangeur de chaleur, et des moyens de commandes du système d'injection pour apporter du carburant sous forme gazeuse au catalyseur d'oxydation. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement comportent des moyens de commandes d'un injecteur placé dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur d'oxydation et pouvant fournir du carburant au catalyseur d'oxydation. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que les moyens d'augmentation de la température des gaz d'échappement comportent un filtre à particules placé entre le catalyseur d'oxydation et l'échangeur de chaleur, et des moyens d'estimation du colmatage du filtre. 10) Procédé de commande du dispositif selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors d'une étape de démarrage du moteur, on mesure la température du fluide caloporteur et la température extérieure de l'air, et on dérive le fluide caloporteur en sortie de pompe lorsque la température extérieure de l'air est supérieure à une valeur prédéterminée et lorsque la température du fluide est inférieure à un seuil. 11) Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on agit également sur les moyens de chauffage supplémentaires. 12) Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la branche de dérivation est désélectionnée au bout d'un temps prédéterminé.