Brevet FR2944324A1 — publié le 20101015

SYSTEME D'ECHANGE DE CHALEUR ENTRE DES GAZ DE SURALIMENTATION D'UN MOTEUR THERMIQUE ET UN FLUIDE CALORIFIQUE [000l] La présente invention concerne un système d'échange de chaleur entre des gaz de suralimentation d'un moteur thermique et un fluide calorifique. [0002] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des moteurs thermiques suralimentés. [0003] Dans ce type de moteurs, les gaz d'admission constitués d'air extérieur et, éventuellement, de gaz d'échappement récupérés, connus aussi sous le nom d'EGR (� Exhaust Gas Recirculation �) et de gaz de carter (ou gaz de � blow by �), sont comprimés par au moins un turbocompresseur avant d'être introduits dans les chambres de combustion. L'augmentation de la densité de l'air d'admission résultant de l'augmentation de la pression produite en sortie du compresseur permet d'améliorer la performance des moteurs notamment en termes de puissance. [0004] Cependant, la température des gaz de suralimentation en sortie du compresseur peut atteindre des valeurs très élevées de l'ordre de 150 à 180°C par exemple, ceci du fait de la compression elle-même et également du fait que les gaz entraînant la turbine du turbocompresseur sont des gaz d'échappement très chauds qui, par conduction, échauffent les gaz de suralimentation à l'intérieur du turbocompresseur. [0005] Cette élévation de température des gaz de suralimentation est en général préjudiciable au fonctionnement du moteur puisqu'elle tend à diminuer leur densité, et en particulier la densité de l'air extérieur qu'ils contiennent, ce qui a pour effet de limiter les performances en puissance du moteur. On a donc intérêt de ce point de vue à refroidir les gaz de suralimentation avant leur entrée dans les chambres d'admission. Une autre raison pour chercher à diminuer la température des gaz de suralimentation est liée à la production d'oxydes d'azote (NOx), particulièrement néfastes à l'environnement. On sait en effet que la formation des NOx dans les moteurs diesel et les moteurs à injection directe est fortement dépendante de la température. C'est d'ailleurs dans le but de réduire la température des chambres que l'on récupère au moins une partie des gaz EGR, la présence de ces gaz dans le mélange gazeux d'admission ayant pour effet de diminuer la température de combustion dans les chambres. [0006] Pour réduire la température des gaz de suralimentation en sortie du turbocompresseur, on utilise de manière classique des échangeurs de chaleur, couramment appelés refroidisseurs d'air de suralimentation (RAS), qui ont pour fonction de transférer les calories des gaz de suralimentation à un fluide calorifique circulant dans le refroidisseur, de manière à ramener la température des gaz au niveau du répartiteur d'admission à des valeurs de l'ordre de 45 à 50°C par exemple. [0007] Le fluide calorifique d'échange de chaleur peut être de l'air extérieur. Dans ce cas, le refroidisseur RAS est placé en face avant du véhicule de manière à être traversé par un flux d'air ambiant produit par le déplacement du véhicule ou par un ventilateur. On parle alors de RAS à air. [0008] Pour des raisons d'encombrement de la face avant du véhicule ainsi que pour d'autres raisons liées en particulier aux performances du moteur, il y a avantage à disposer le refroidisseur RAS au plus près du moteur lui-même. Dans cette configuration, le fluide calorifique est de l'eau circulant dans un circuit basse température à l'aide d'une pompe électrique entre le refroidisseur RAS et un échangeur de chaleur eau/air extérieur. On parle alors de RAS à eau. [0009i Toutefois, les diminutions de température obtenues avec les RAS à air ou à eau restent limitées. Il est donc souhaitable de pouvoir refroidir davantage les gaz de suralimentation en sortie du compresseur pour les raisons évoquées plus haut tenant aux performances du moteur et à la pollution. [ooio] Aussi, un but de l'invention est de proposer un système d'échange de chaleur entre des gaz de suralimentation d'un moteur thermique et un fluide calorifique, qui permettrait de refroidir les gaz de suralimentation de manière plus efficace qu'avec les refroidisseurs RAS à air ou à eau actuellement utilisés. [0011] Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait que ledit système comprend un échangeur de chaleur entre lesdits gaz de suralimentation et un fluide calorifique constitué par un fluide réfrigérant d'un circuit de climatisation. [0012] Ainsi, comme on le verra en détail plus loin, l'invention tire parti de la présence dans un véhicule d'un circuit de climatisation pour utiliser le fluide réfrigérant circulant dans le circuit comme fluide d'échange de chaleur avec les gaz de suralimentation. [0013] Dans un circuit de climatisation fonctionnant de manière classique en circuit de réfrigération, l'échangeur de chaleur du système selon l'invention joue le rôle de refroidisseur vis-à-vis des gaz de suralimentation, ceci en accord avec le but recherché. On a alors réalisé un RAS à réfrigérant. [0014] A cet effet, l'échangeur de chaleur est disposé de manière adéquate dans le circuit de climatisation. En particulier, selon un mode de réalisation, le système selon l'invention comprend en outre un condenseur du circuit de climatisation, une sortie de fluide réfrigérant dudit condenseur étant reliée à une entrée dudit échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur est donc placé en aval du condenseur du circuit de climatisation et reçoit le fluide réfrigérant après qu'il ait été refroidi par le condenseur. Au besoin, la température du fluide réfrigérant à l'entrée de l'échangeur peut être encore diminuée si, comme le prévoit l'invention, un organe de détente du fluide réfrigérant est disposé en entrée dudit échangeur de chaleur. [0015] Dans ce mode de fonctionnement du circuit de climatisation en réfrigération, ledit condenseur est apte à être relié à circuit de refroidissement du fluide réfrigérant. Le fluide de refroidissement peut être de l'air extérieur ou de l'eau à basse température [0016] Le système d'échange de chaleur selon l'invention permet d'obtenir des gaz de suralimentation refroidis jusqu'à des températures de l'ordre de 30°C par exemple, voire même inférieures. [ooi7] Si, au contraire, une température plus élevée dans les chambres de combustion s'avère nécessaire, pour régénérer le filtre à particules ou en cas de démarrage à froid par exemple, il est prévu par l'invention que le système d'échange de chaleur comprend des moyens de court-circuit dudit échangeur de chaleur par les gaz de suralimentation. [0018] Une autre solution pour réchauffer les gaz de suralimentation, notamment en ambiance froide, est d'utiliser le circuit de climatisation en mode de pompe à chaleur. Dans ce cas, l'invention prévoit que le condenseur est apte à être relié à un circuit de réchauffement du fluide réfrigérant. Le fluide de réchauffement peut être l'air sous capot, l'eau de refroidissement du moteur ou même les gaz d'échappement. [0019] Contrairement à son mode habituel de fonctionnement en refroidisseur, le condenseur du circuit de climatisation réchauffe alors le fluide réfrigérant, lequel réchauffe à son tour les gaz de suralimentation à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, afin d'accélérer la convergence des gaz de suralimentation vers leur température nominale de fonctionnement. [0020] Dans une variante destinée à améliorer l'efficacité de la pompe de chaleur, le système d'échange de chaleur selon l'invention comprend un réchauffeur de fluide réfrigérant disposé en parallèle du condenseur et des moyens de commutation de circulation de fluide réfrigérant entre ledit réchauffeur et ledit condenseur. [0021] Ainsi, en fonctionnement classique selon le mode réfrigération du circuit de climatisation, le réchauffeur est court-circuité et le fluide réfrigérant traverse le condenseur. A l'inverse, en mode pompe à chaleur, le condenseur est court-circuité et le fluide réfrigérant traverse le réchauffeur. [0022] Enfin, même si le circuit de climatisation ne fonctionne pas, le compresseur étant arrêté, il est possible d'obtenir un refroidissement ou un réchauffement des gaz de suralimentation au moyen du système d'échange de chaleur selon l'invention dans lequel le condenseur comprend des moyens d'échange de chaleur entre les gaz de suralimentation et un fluide caloporteur traversant ledit condenseur, ledit système comprenant des moyens de transport des gaz de suralimentation vers lesdits moyens d'échange de chaleur. [0023] Dans cette situation, le trajet du flux de gaz de suralimentation évite l'échangeur de chaleur pour être dirigé par les moyens de transport vers le condenseur dans lequel les gaz de suralimentation traversent les moyens d'échange de chaleur avec le fluide caloporteur. Le condenseur est alors un échangeur à trois fluides, à savoir le fluide réfrigérant du circuit de climatisation, le fluide caloporteur qui échange de la chaleur soit avec le fluide réfrigérant soit avec les gaz de suralimentation, lesquels constituent le troisième fluide. [0024] Hors fonctionnement du circuit de climatisation, l'échange de chaleur dans le condenseur s'effectue entre les gaz de suralimentation et le fluide caloporteur. Si le condenseur fonctionne en refroidisseur, le fluide caloporteur est un fluide de refroidissement, comme l'air extérieur ou de l'eau basse température. Si, au contraire, le condenseur fonctionne en réchauffeur, le fluide caloporteur est alors un fluide de réchauffement, comme l'air sous capot, l'eau de refroidissement du moteur ou les gaz d'échappement. [0025] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. ^ La figure 1 est un schéma d'un premier mode de réalisation du système d'échange de chaleur conforme à l'invention. • La figure 2 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation du système d'échange de chaleur conforme à l'invention. • La figure 3 est un schéma d'un troisième mode de réalisation du système d'échange de chaleur conforme à l'invention. • La figure 4 est une vue en perspective d'un système d'échange de chaleur conforme à l'invention. [0026] Sur la figure 1 est représenté un circuit classique de climatisation comprenant un compresseur 10 de fluide réfrigérant 1, qui peut être par exemple du dioxyde de carbone CO2 supercritique ou le réfrigérant connu sous la référence R134a. En aval du compresseur 10, le fluide réfrigérant 1 sous pression traverse un échangeur 11 de chaleur appelé � refroidisseur de gaz � (� Gas _ o er �) pour le dioxyde de carbone ou � condenseur � pour le R134a car dans ce cas le réfrigérant initialement en phase gazeuse sort du condenseur en phase liquide. Pour simplifier le vocabulaire, on utilisera dans la suite le seul terme de � condenseur � pour désigner l'échangeur 11 de chaleur. [0027] Dans l'exemple de la figure 1, le condenseur 11 est un condenseur à eau, le fluide 100 de refroidissement mis en oeuvre étant de l'eau glycolée circulant dans un circuit 110 de refroidissement basse température constitué d'une pompe électrique 111 à eau et d'un radiateur 112 refroidi par l'air extérieur. D'autres condenseurs peuvent être néanmoins envisagés, comme les condenseurs à air refroidis directement par l'air extérieur. [0028] Le fluide réfrigérant 1 est ensuite conduit vers un détendeur 12 afin de ramener sa température à des valeurs voisines de 0°C avant de pénétrer dans l'évaporateur 13 où se produit alors un échange de chaleur entre le réfrigérant refroidi et de l'air pulsé en direction de l'habitacle du véhicule. [0029] Le fluide réfrigérant 1, réchauffé en sortie de l'évaporateur 13, est alors retourné au compresseur 10 pour effectuer un nouveau cycle thermique. [0030] On a montré également sur la figure 1 un moteur thermique 20 suralimenté dont le répartiteur 21 d'admission reçoit des gaz comprimés 200 provenant d'un turbocompresseur 22. Ces gaz 200 de suralimentation sont constitués d'air extérieur 201 auquel peuvent être ajoutés des gaz d'EGR récupérés à l'échappement et des gaz de carter (ou gaz de � blow by �). [0031] On a vu plus haut combien il était avantageux de refroidir les gaz de suralimentation avant qu'ils ne soient introduits dans le répartiteur 21 d'admission. C'est dans ce but que l'invention propose le système 30 d'échange de chaleur de la figure 1 permettant un refroidissement amélioré des gaz 200 de suralimentation sortant du turbocompresseur 22. [0032] Comme le montre la figure 1, le système 30 comprend un échangeur 31 de chaleur entre les gaz 200 de suralimentation et le fluide réfrigérant 1 du circuit de climatisation. [0033] Dans le mode de réalisation proposé sur la figure 1, le fluide réfrigérant 1 traversant l'échangeur 31 est prélevé du circuit de climatisation proprement dit sur une sortie 113 du condenseur 11 reliée à une entrée 311 de l'échangeur 31 de chaleur. [0034] L'échangeur 31 est donc placé en parallèle de l'évaporateur 13 de climatisation et fonctionne de manière équivalente. Il permet d'obtenir des températures de refroidissement des gaz de suralimentation bien plus basses qu'avec un refroidisseur RAS classique, à air ou à eau. Au besoin un organe 32 de détente est disposé en entrée de l'échangeur 31. [0035] A titre indicatif, la température des gaz 200 de suralimentation en sortie de l'échangeur 31 peut être de l'ordre de 30°C, voire même inférieure à la température de l'air ambiant. [0036] Si le refroidissement des gaz de suralimentation doit être interrompu pour régénérer le filtre à particules du véhicule ou en cas de démarrage à froid par exemple, la traversée de l'échangeur 31 peut être court-circuitée de manière connue au moyen d'un by-pass, non représenté sur la figure 1. [0037] Dans certaines situations, il peut être avantageux de réchauffer les gaz de suralimentation au lieu de les refroidir. C'est le cas notamment dans des ambiances froides où la température extérieure est très basse, inférieure à 0°C. Dans ces conditions, le circuit de climatisation est utilisé en pompe à chaleur en déconnectant le condenseur 11 du circuit 110 de refroidissement du fluide réfrigérant 1 représenté sur la figure 1, pour le relier à un circuit de réchauffement du fluide réfrigérant dans lequel le fluide de réchauffement peut être l'air sous capot, l'eau de refroidissement du moteur ou les gaz d'échappement. Avec ce système de pompe à chaleur, la température au niveau de l'échangeur 31 peut atteindre 30 à 40°C. [0038] Une autre façon d'utiliser le circuit de climatisation en pompe à chaleur est représentée sur la figure 2. Comme on peut le voir sur cette figure, le système 30 d'échange de chaleur comprend également un réchauffeur 33 de fluide réfrigérant indépendant disposé en parallèle du condenseur 11 et dans lequel le fluide réfrigérant 1 du circuit de climatisation échange de la chaleur avec un fluide 300 de réchauffement tel que l'air sous capot, l'eau de refroidissement du moteur ou les gaz d'échappement. Il est alors prévu des moyens 341, 342 de commutation de circulation du fluide réfrigérant entre le réchauffeur 33 et le condenseur 11, lequel fonctionne toujours en refroidisseur. Dans une première position des moyens de commutation, le fluide réfrigérant 1 traverse le condenseur 11 du circuit de climatisation fonctionnant en boucle de réfrigération, tandis que dans une deuxième position des moyens de commutation, le fluide réfrigérant 1 traverse le réchauffeur 33, le circuit de climatisation fonctionnant en mode pompe à chaleur. [0039] La figure 3 montre comment les gaz 200 de suralimentation peuvent être refroidis ou réchauffés alors que le circuit de climatisation ne fonctionne pas, le compresseur 10 étant arrêté. [0040] On peut voir sur la figure 3 que, dans ce cas, les gaz 200 de suralimentation sont conduits par une vanne 35 vers un condenseur 11' où ils peuvent échanger de la chaleur avec un fluide caloporteur qui peut être soit un fluide 100 de refroidissement, tel que représenté sur la figure 3, ou un fluide de réchauffement comme ceux précédemment cités. [0041] Le condenseur 11' est alors un condenseur à trois fluides dont un exemple de réalisation est donné sur la figure 4. [0042] Sur cette figure, le condenseur 11' représenté comprend des moyens d'échange de chaleur entre les gaz 200 de suralimentation et le fluide caloporteur, ici le fluide 100 de refroidissement, constitués par des tubes 142 de circulation du fluide 100 de refroidissement en contact thermique avec des tubes 143 de circulation des gaz 200 de suralimentation. En outre, des tubes 141 assurent la circulation du fluide réfrigérant 1 et le contact thermique avec les tubes 142 lorsque le circuit de climatisation est en fonctionnement. [0043] L'échangeur 31 de chaleur a une constitution similaire, mais ne comporte que des tubes 141' de circulation du fluide réfrigérant 1 et des tubes 143' de circulation des gaz 200 de suralimentation. [0044] On notera que le système d'échange de chaleur de la figure 4 constitue un système intégré dans lequel l'échangeur 31 de chaleur et le condenseur 11' forment un composant unique et compact. [0045] Comme on peut le voir sur la figure 4, les tubes 141 de circulation de fluide réfrigérant dans le condenseur 11' et les tubes 141' de circulation de fluide réfrigérant dans l'échangeur 31 communiquent par l'intermédiaire de l'organe 32 de détente placé sur une sortie du condenseur, l'autre sortie amenant le fluide réfrigérant 1 vers le détendeur 12 de l'évaporateur 13 de climatisation. Après traversée de l'échangeur 31, le fluide réfrigérant 1 est dirigé vers le compresseur 10. [0046] Un calfeutrage isolant, non représenté, peut être disposé entre l'échangeur 31 et le condenseur 11'. REVENDICATIONS1. Système (30) d'échange de chaleur entre des gaz (200) de suralimentation d'un moteur thermique et un fluide calorifique, caractérisé en ce que ledit système comprend un échangeur (31) de chaleur entre lesdits gaz de suralimentation et un fluide calorifique constitué par un fluide réfrigérant (1) d'un circuit de climatisation. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel un organe (32) de détente du fluide réfrigérant (1) est disposé en entrée dudit échangeur (31) de chaleur. 3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant des moyens de court-circuit dudit échangeur (31) de chaleur par les gaz (200) de suralimentation. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un condenseur (11 ; 11') du circuit de climatisation, une sortie (113) de fluide réfrigérant (1) dudit condenseur étant reliée à une entrée (311) dudit échangeur (31) de chaleur. 5. Système selon la revendication 4, dans lequel ledit condenseur (11 ; 11') est apte à être relié à un circuit (110) de refroidissement du fluide réfrigérant (1). 6. Système selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel le condenseur (11 ; 11') est apte à être relié à circuit de réchauffement du fluide réfrigérant (1). 7. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, comprenant un réchauffeur (33) de fluide réfrigérant disposé en parallèle du condenseur (11) et des moyens (341, 342) de commutation de circulation du fluide réfrigérant (1) entre ledit réchauffeur (33) et ledit condenseur (11). 8. Système selon quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel le condenseur (11') comprend des moyens (142, 143) d'échange de chaleur entre les gaz (200) de suralimentation et un fluide caloporteur (100 ; 300) traversant ledit condenseur, ledit système comprenant des moyens (35) de transport des gaz (200) de suralimentation vers lesdits moyens d'échange de chaleur. 9. Système selon la revendication 8, dans lequel ledit fluide caloporteur est un fluide (100) de refroidissement. 10. Système selon la revendication 8, dans lequel ledit fluide caloporteur est un fluide (300) de réchauffement.5