Brevet FR2934362A1 — publié le 20100129

ECHANGEUR DE REFROIDISSEMENT [0001 ] La présente invention concerne un échangeur de refroidissement. [0002 ] Un moteur monté dans un véhicule automobile convertit l'énergie issue de la combustion du carburant en énergie mécanique. La combustion de combustible a pour conséquence une augmentation de la température du moteur qui peut entraîner la fusion du moteur. Il est donc utile de faire baisser la température du moteur. [0003 ] Par ailleurs, la combustion de combustible peut entraîner la production en quantité non négligeable de polluants qui peuvent être déchargés par l'échappement dans l'environnement et y causer des dégâts. Parmi ces polluants, l'émission des oxydes d'azote appelés NOX pose un problème puisque ces gaz sont soupçonnés d'être un des facteurs qui contribuent à la formation des pluies acides et à la déforestation. Les législations sur les émissions des véhicules et poids lourds prévoient entre autres une diminution des rejets d'oxydes d'azote NOX dans l'atmosphère. [0004] La recirculation des gaz d'échappement (ou � Exhaust gas recirculation � EGR en anglais) est un système introduit dans les années 70 qui consiste à rediriger une partie des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne vers l'admission. La recirculation permet de réduire la température de combustion. En effet, les gaz d'échappement sont riches en diazote (N2) et dioxyde de carbone (CO2) et diluent la charge combustible. La combustion est ainsi ralentie et refroidie. Or, la formation de NOX dans la chambre de combustion est favorisée par la température. La diminution de la température de combustion entraîne donc une réduction de la production de quantité de NOX produite à la source. Il est ainsi intéressant de pouvoir introduire des gaz d'échappement recirculés de faible température à l'admission. [0005 ] Il est ainsi utile de refroidir le moteur et les gaz d'échappement recirculés pour améliorer les performances du moteur et diminuer la pollution émise par le véhicule. [0006] Le document FR-A-2 872 545 décrit un dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne, comprenant au moins une première boucle de refroidissement du moteur à combustion interne dotée d'au moins un échangeur thermique liquide caloporteur - air en amont d'une pompe et en aval de moyens d'alimentation en liquide caloporteur, et une seconde boucle de refroidissement des gaz d'échappement recirculés (EGR) dotée d'au moins une pompe, d'un échangeur thermique EGR - liquide caloporteur et d'un échangeur thermique liquide caloporteur - air. Les échangeurs forment deux parties d'un échangeur communiquant au moyen d'une vanne pilotée. [0007] Le document US-A-2004/0194917 décrit un mécanisme de refroidissement des gaz d'échappement recirculés comprenant un échangeur de chaleur associé à un chemin d'introduction et un chemin de fourniture d'un agent de refroidissement liquide pour refroidir des gaz d'échappement recirculés. L'échangeur de chaleur comprend un organe en forme de tuyau ayant une entrée pour les gaz d'échappement recirculés situés à une extrémité et une sortie pour les gaz d'échappement recirculés situés à l'autre extrémité et un chemin d'écoulement pour les gaz d'échappement recirculés munis à l'intérieur de l'organe en forme de tuyau. Un agent fluide thermique ayant un haut point d'ébullition de 150 degrés Celsius ou plus est fourni sous forme d'agent de refroidissement liquide à l'échangeur de chaleur pour empêcher la suie et des liquides condensés d'être attachés à une surface intérieure du chemin d'écoulement pour les gaz d'échappement recirculés par une opération de chauffage de la surface intérieure du chemin d'écoulement pour les gaz d'échappement recirculés. [0008 Le document FR-A-2 872 546 décrit un dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne, comprenant au moins une première boucle de refroidissement du moteur à combustion interne dotée d'au moins un échangeur thermique liquide caloporteur - air en amont d'une pompe et en aval de moyens d'alimentation en liquide caloporteur, et une seconde boucle de refroidissement des gaz d'échappement recirculés (EGR) dotée d'au moins une pompe, d'un échangeur thermique EGR - liquide caloporteur et d'un échangeur thermique liquide caloporteur - air. Les boucles sont reliées entre elles respectivement en aval et en amont des échangeurs par des dérivations. [0009 ] Cependant, les dispositifs des documents précités sont complexes à mettre en oeuvre. [0010 ] Il existe donc un besoin pour un dispositif qui assure le refroidissement des liquides de refroidissement du moteur et des gaz d'échappement recirculés qui soit plus simple à mettre en oeuvre. [0011 ] Pour cela, l'invention propose un échangeur de refroidissement, l'échangeur comprenant un circuit de liquide de refroidissement, des passages de gaz d'échappement recirculés au travers du circuit de liquide de refroidissement, et des canaux d'écoulement de l'air externe au travers du circuit de liquide de refroidissement. [0012 ] Dans une variante, les canaux comportent des ailettes. [0013 ] Dans une variante les canaux et les passages ont respectivement une direction privilégiée, la direction privilégiée des passages étant sensiblement perpendiculaire à la direction privilégiée des canaux. [0014] Dans une variante, l'échangeur comprend en outre un collecteur de gaz d'échappement recirculés, le collecteur alimentant les passages. [0015 ] L'invention a également pour objet un véhicule comprenant un échangeur tel que défini précédemment. [0016] Dans une variante, le véhicule comprend en outre un radiateur de refroidissement du liquide de refroidissement, le radiateur et l'échangeur étant adaptés à refroidir le liquide de refroidissement. De préférence, l'échangeur est adjacent au radiateur. [0017] De préférence encore, le véhicule comprend en outre une vanne thermostatique contrôlant l'alimentation du radiateur en liquide de refroidissement. Dans une variante, l'échangeur est alimenté en liquide de refroidissement indépendamment de l'état de la vanne thermostatique. Dans une autre variante, l'échangeur est alimenté en liquide de refroidissement selon l'état de la vanne thermostatique. [0018 ] Dans une variante, le véhicule comprend en outre une alimentation en liquide de refroidissement de l'échangeur, l'alimentation alimentant en série l'échangeur et le radiateur. [0019 ] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent : • figure 1, une vue schématique d'un moteur ; • figure 2, une vue d'un exemple d'échangeur de refroidissement ; et • figure 3, une vue en coupe d'un exemple d'échangeur de refroidissement. [0020 ] Il est proposé un échangeur de refroidissement. L'échangeur comprend un circuit de liquide de refroidissement et des passages de gaz d'échappement recirculés au travers du circuit de liquide de refroidissement. L'échangeur comporte en outre des canaux d'écoulement de l'air externe au travers du circuit de liquide de refroidissement. [0021 ] Un tel échangeur couple ainsi les fonctions de refroidissement des gaz d'échappement recirculés et du liquide de refroidissement. Cela permet de refroidir les gaz d'échappement recirculés plus efficacement. Le volume et la taille de l'échangeur peuvent ainsi être réduits. Il est de ce fait possible de diminuer l'espace alloué au refroidissement des gaz d'échappement recirculés. L'intégration de l'échangeur dans un véhicule est donc facilitée. La mise en oeuvre de l'échangeur est ainsi plus simple. [0022 ] L'échangeur peut être mis en oeuvre dans un moteur 10 de véhicule tel qu'illustré par la figure 1. Le moteur 10 peut être tout type de moteur. Le moteur 10 peut en particulier utiliser tout carburant comme l'essence, le Diesel, les biocarburants ou le GPL. Le moteur 10 comprend une ou plusieurs chambres 12 de combustion situées entre des conduits d'admission 14 et des conduits d'échappement 16. Des conduits d'admission 14 reçoivent de l'air à introduire dans la chambre 12 de combustion. Du carburant est également injecté dans la chambre 12 de combustion généralement par une buse d'injection qui n'est pas représentée sur la figure 1. Les conduits d'échappement 16 reçoivent les émissions de gaz produites par la combustion et les dirigent vers un catalyseur d'échappement non représenté. Le catalyseur traite les émissions produites par la combustion avant expulsion vers l'atmosphère extérieure. [0023] Le moteur 10 est refroidi par un liquide de refroidissement. Le liquide de refroidissement peut notamment être de l'eau ou de l'eau additionnée de glycol. Le trajet du liquide est représenté sur la figure 1 par des traits d'épaisseur plus faibles que les traits utilisés pour représenter le trajet des gaz. Le moteur 10 comprend également un radiateur 18 de refroidissement du liquide de refroidissement. Le radiateur 18 permet de refroidir le liquide de refroidissement généralement par contact avec l'air externe frais qui pénètre en façade avant du véhicule. [0024] Le moteur 10 comprend en outre un échangeur 20. Un tel échangeur combine les fonctions d'un échangeur dédié au refroidissement des gaz d'échappement recirculés et les fonctions du radiateur 18. L'échangeur 20 est représenté sur les figures 2 et 3. Un tel échangeur combine les fonctions d'un échangeur dédié au refroidissement des gaz d'échappement recirculés et les fonctions du radiateur 18. La figure 2 illustre une vue d'un exemple d'échangeur 20 de refroidissement. La figure 3 est une vue en coupe du même échangeur 20 de refroidissement selon l'axe AA représenté sur la figure 2. Dans un souci de clarté, des axes ont été ajoutés sur la figure 3. L'axe X correspond à la direction parallèle à la longueur de la feuille, l'axe Y à la direction perpendiculaire à la feuille et l'axe Z à la direction parallèle à la largeur de la feuille. [0025] L'échangeur 20 comprend un circuit 22 de liquide de refroidissement. Comme mentionné plus haut, le liquide de refroidissement sert en particulier à refroidir le moteur 10 et les gaz EGR. [0026 ] L'échangeur 20 comporte des passages 24 de gaz d'échappement recirculés visibles sur les figures 2 et 3 (seules quatre séries de passages 24 sont représentées sur la figure 3). L'échangeur 20 peut concerner aussi bien les gaz d'échappement recirculés à haute pression qu'à basse pression. Selon l'exemple de la figure 1, il s'agit de gaz d'échappement recirculés haute pression. Le moteur 10 comprend un piquage 25 de gaz d'échappement recyclés. La recirculation des gaz d'échappement (ou � Exhaust gas recirculation � EGR en anglais) est un système qui consiste à rediriger une partie des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne vers l'admission. Une vanne 27 permet de doser la quantité de gaz d'échappement recirculés à l'admission. Les émissions de polluants sont réduites en présence du système de recirculation. [0027] Les passages 24 sont au travers du circuit 22 de liquide de refroidissement comme représenté sur la figure 3. Les passages 24 sont donc entourés de liquide de refroidissement ce qui permet de refroidir les gaz d'échappement recirculés de manière efficace. [0028 ] L'échangeur 20 comporte en outre des canaux 26 d'écoulement de l'air externe au travers du circuit 22 de liquide de refroidissement. L'air externe peut ainsi refroidir le circuit 22 et donc le liquide de refroidissement. [0029 ] L'échangeur 20 cumule ainsi les fonctions de refroidissement des gaz d'échappement recirculés et de refroidissement du liquide de refroidissement. Un tel échangeur 20 permet un refroidissement efficace des gaz d'échappement recirculés. Le volume requis pour l'implantation de l'échangeur 20 peut ainsi être réduit tout en conservant un bon refroidissement des gaz d'échappement recirculés. La mise en oeuvre de l'échangeur 20 est ainsi facilitée. Cela est d'autant plus intéressant que l'environnement sous-capot d'un véhicule est un environnement très contraint dans lequel l'espace disponible pour l'ajout de composant est généralement faible. [0030 ] Selon l'exemple de la figure 2, les canaux 26 comportent des ailettes 29. La présence des ailettes 29 permet d'augmenter la surface de contact entre les canaux 26 et l'air externe. De ce fait, le refroidissement du liquide de refroidissement est amélioré. De manière indirecte, les ailettes en permettant un meilleur refroidissement du liquide améliorent aussi le refroidissement des gaz d'échappement recirculés. [0031 ] Les canaux 26 et les passages 24 peuvent avoir respectivement une direction privilégiée. La direction privilégiée des passages 24 est sensiblement perpendiculaire à la direction privilégiée des canaux 26. Selon l'exemple de la figure 3, les canaux 26 sont selon la direction X et les passages 24 selon la direction Y. Cela permet une meilleure intégration des gaz d'échappement recirculés dans l'échangeur 20. [0032 ] Dans la figure 2, l'échangeur 20 comprend en outre un collecteur 28 de gaz d'échappement recirculés, le collecteur 28 alimentant les passages 24. Les différents passages 24 sont ainsi alimentés à l'aide d'une seule arrivée de gaz d'échappement recirculés. L'encombrement de l'échangeur 20 est ainsi réduit. [0033] Le radiateur 18 et l'échangeur 20 sont adaptés à refroidir le liquide. L'utilisation combinée du radiateur 18 et de l'échangeur 20 assure un refroidissement efficace du liquide en particulier lorsque le moteur 10 fonctionne à plein régime soit lorsque le moteur 10 est le plus chaud. [0034] Selon l'exemple de la figure 1, le radiateur 18 et l'échangeur 20 sont adjacents. La séparation entre les deux éléments permet une mise en oeuvre plus aisée de l'échangeur 20 dans le moteur 10. [0035] Le moteur 10 peut en outre comprendre une vanne 32 thermostatique contrôlant l'alimentation du radiateur 18 en liquide de refroidissement. La vanne 32 thermostatique est fermée lorsque la température du moteur 10 est faible alors que la vanne 32 est ouverte lorsque le moteur 10 est chaud. La vanne 32 assure ainsi un refroidissement efficace du moteur 10. La vanne 32 est généralement placée dans le boîtier 34 de sortie de liquide placé après le moteur 10, le liquide de refroidissement étant envoyé dans le moteur 10 via une pompe 36. [0036 ] Dans le cas de la figure 1, l'échangeur 20 est alimenté en liquide de refroidissement indépendamment de l'état de la vanne 32 thermostatique. Ainsi, lorsque le moteur 10 est froid, la vanne 32 thermostatique est fermée et le liquide de refroidissement alimente exclusivement l'échangeur 20 puis un aérotherme 30. L'aérotherme 30 permet la régulation thermique de l'habitacle du véhicule. C'est le trajet représenté en trait plein sur la figure 1. Cela permet de refroidir avec efficacité les gaz d'échappement recirculés lorsque le moteur 10 est encore froid. Notamment, au démarrage, comme le moteur est froid, il n'est pas utile de beaucoup refroidir le liquide de refroidissement alors qu'introduire des gaz d'échappement recirculés bien refroidis permet de diminuer la production d'oxydes d'azote à la source. La pollution est ainsi réduite. Lorsque le moteur 10 est chaud, la vanne 32 thermostatique s'ouvre et le circuit 22 de liquide de refroidissement est scindé en deux parties pour alimenter d'une part l'aérotherme 30 et l'échangeur 20 et d'autre part le radiateur 18. Le liquide suit alors en outre le trajet représenté en pointillés sur la figure 1. Cela assure un refroidissement efficace du liquide lorsque le moteur 10 est chaud. [0037] Il peut aussi être intéressant que l'échangeur 20 soit alimenté en liquide de refroidissement selon l'état de la vanne 32 thermostatique. Ainsi, le liquide n'est refroidi qu'à partir d'une certaine température. Cela permet de ne refroidir le liquide que lorsque cela est indispensable au fonctionnement du moteur. De l'énergie est ainsi économisée. [0038] Dans un tel cas, pour diminuer encore plus l'encombrement, l'alimentation en liquide de refroidissement de l'échangeur 20 peut alimenter en série l'échangeur 20 et le radiateur 18. Le liquide de refroidissement circule alors au travers de l'échangeur 20 puis au travers du radiateur 18. Cette variante permet également des économies d'énergies en ne recirculant pas dans le moteur le liquide de refroidissement de l'échangeur 20 lorsque la vanne thermostatique est fermée. Toutefois, cette approche n'est réalisable que si le besoin de refroidissement des gaz EGR est synchronisé avec le besoin en refroidissement du moteur [0039 ] L'échangeur 20 combine les fonctions d'un échangeur dédié au refroidissement des gaz d'échappement recirculés et les fonctions du radiateur 18. Dans certaines configurations non représentées sur les figures, l'échangeur 20 peut donc remplacer le radiateur 18. Un seul échangeur 20 assure ainsi le refroidissement des gaz d'échappement recirculés et du liquide de refroidissement. Cela permet d'améliorer encore plus l'intégration du refroidissement dans l'environnement sous- capot du véhicule. REVENDICATIONS1. Un échangeur (20) de refroidissement, l'échangeur (20) comprenant • un circuit (22) de liquide de refroidissement, • des passages (24) de gaz d'échappement recirculés au travers du circuit (22) de liquide de refroidissement, • des canaux (26) d'écoulement de l'air externe au travers du circuit (22) de liquide de refroidissement. 2. L'échangeur (20) selon la revendication 1, dans lequel les canaux (26) comportent des ailettes. 3. L'échangeur (20) selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel les canaux (26) et les passages (24) ont respectivement une direction privilégiée, la direction privilégiée des passages (24) étant sensiblement perpendiculaire à la direction privilégiée des canaux (26). 4. L'échangeur (20) selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre un collecteur (28) de gaz d'échappement recirculés, le collecteur (28) alimentant les passages (24). 5. Un véhicule comprenant l'échangeur (20) selon l'une des revendications 1 à 4. 6. Le véhicule selon l'une des revendications 1 à 5 comprenant en outre - un radiateur (18) de refroidissement du liquide de refroidissement, le radiateur (18) et l'échangeur (20) étant adaptés à refroidir le liquide de refroidissement. 7. Le véhicule selon la revendication 6, dans lequel l'échangeur (20) est adjacent au radiateur (18). 8. Le véhicule selon l'une des revendications 6 à 7 comprenant en outre une vanne (32) thermostatique contrôlant l'alimentation du radiateur (18) en liquide de refroidissement. 9. Le véhicule selon la revendication 8, dans lequel l'échangeur (20) est alimenté en liquide de refroidissement indépendamment de l'état de la vanne (32) thermostatique. 10. Le véhicule selon la revendication 8, dans lequel l'échangeur (20) est alimenté 5 en liquide de refroidissement selon l'état de la vanne (32) thermostatique. 11. Le véhicule selon l'une des revendications 6 à 10, comprenant en outre une alimentation en liquide de refroidissement de l'échangeur (20), l'alimentation alimentant en série l'échangeur (20) et le radiateur (18).