Brevet FR2953889A1 — publié le 20110617

CIRCUIT D'ECHANGE DE CALORIES ET PROCEDE DE REGULATION THERMIQUE D'UN FLUIDE CALOPORTEUR CIRCULANT DANS UN MOTEUR THERMIQUE D'UN VEHICULE AUTOMOBILE Domaine technique : L'invention se rapporte au domaine des échanges thermiques d'un fluide caloporteur circulant dans un moteur de véhicule automobile avec des organes annexes tels que des échangeurs de type gaz/eau pour chauffer l'habitacle d'un véhicule automobile également désigné par le terme d'aérotherme, ou des échangeurs eau/huile permettant d'améliorer la montée en température du moteur lorsque le moteur est froid. L'invention vise plus particulièrement un circuit d'échange de calories permettant d'améliorer à la fois la vitesse de chauffage du moteur afin de réduire la surconsommation lors des phases de montée en température et d'améliorer la vitesse de chauffage de l'habitacle si nécessaire. Art antérieur De façon générale, il est connu d'utiliser un échangeur de type gaz/eau placé sur la ligne d'échappement de façon à transmettre des calories aux fluides caloporteurs circulant dans le moteur. Un tel type de circuit a notamment été décrit dans le document FR 2 921 866. 25 Cependant dans ce cas, il n'est pas possible de réaliser de façon sélective le chauffage du compartiment du véhicule automobile et l'apport de calories à l'huile du moteur au moyen du fluide caloporteur. Ainsi, le but de l'invention est de permettre d'adapter la circulation du fluide caloporteur 30 d'une part, en fonction des besoins de chauffage dans le compartiment, et d'autre part pour optimiser la consommation lors d'un démarrage à froid du moteur. Exposé de l'invention20 - 2 L'invention concerne donc un circuit d'échange de calories d'un fluide caloporteur circulant dans un moteur thermique de véhicule automobile, un tel circuit comportant : • un échangeur gaz/eau agencé en aval du moteur, et dans lequel les gaz d'échappement issus de la combustion interne du moteur thermique apportent de l'énergie calorifique au fluide caloporteur ; • un aérotherme agencé en aval de l'échangeur gaz/eau, et dans lequel le fluide caloporteur apporte de l'énergie calorifique à de l'air pour réaliser le chauffage de l'habitacle du véhicule ; • un échangeur eau/huile agencé en aval de l'aérotherme, et en amont du moteur, et dans lequel le fluide caloporteur échange des calories avec l'huile moteur de lubrification; Selon l'invention, ce circuit se caractérise en ce qu'il comporte une première branche de dérivation agencée en parallèle de l'aérotherme et des moyens de sélection permettant d'orienter le fluide caloporteur de manière sélective soit dans l'aérotherme, soit dans la première branche de dérivation. Autrement dit, le fluide caloporteur peut soit être orienté à l'intérieur de l'aérotherme pour permettre de réchauffer de l'air cheminant ensuite jusqu'à l'habitacle de véhicule, soit être orienté à l'intérieur de la première branche de dérivation pour ne plus servir à chauffer l'habitacle mais pour transmettre directement ses calories à l'huile de lubrification moteur au moyen de l'échangeur liquide/huile agencé en aval de l'aérotherme. Avantageusement, le circuit peut comporter une seconde branche de dérivation agencée en parallèle du moteur. Dans ce cas, il est possible de fermer le circuit de refroidissement du moteur et ainsi le fluide caloporteur peut réchauffer l'habitacle au moyen de l'aérotherme et/ou réchauffer le moteur via l'échangeur eau/huile. Le fluide caloporteur peut ensuite emprunter cette seconde branche de dérivation pour retourner à l'échangeur gaz /liquide et recevoir à nouveau des calories de la part des gaz d'échappement. 2953889 -3 En pratique, le moteur peut être agencé en série avec une vanne à deux voies qui va permettre ou stopper la circulation du fluide caloporteur dans le moteur. Une telle vanne permet donc d'améliorer la montée en température du moteur. En effet, 5 tant que le moteur n'a pas atteint sa température normale de fonctionnement la vanne reste fermée et le fluide caloporteur ne circule pas dans le moteur. Lorsque l'on ouvre la vanne, la circulation du fluide caloporteur s'inverse à l'intérieur de la seconde branche de dérivation. Le fluide caloporteur peut alors traverser le radiateur du véhicule de façon à transmettre ses calories au milieu extérieur si nécessaire. Selon un mode de réalisation particulier, la seconde branche de dérivation peut être 15 agencée en parallèle du moteur et de la vanne à deux voies. Ainsi lorsque la vanne à deux voies est fermée, le fluide caloporteur peut traverser la seconde branche de dérivation et éviter le moteur pour retourner directement en direction de l'échangeur gaz/eau. A l'opposé, lorsque la vanne à deux voies est ouverte, le fluide caloporteur passe dans le moteur puis dans la vanne à deux voies et peut ensuite retourner dans la seconde branche de dérivation lorsque notamment il n'y a pas besoin de chauffer l'habitacle du véhicule automobile. Avantageusement, le circuit peut comporter une pompe électrique additionnelle agencée en amont de l'échangeur gaz/liquide et en aval d'une connexion entre la seconde branche de dérivation et la vanne à deux voies. 30 Ainsi, la pompe électrique permet de faire circuler le fluide caloporteur à l'intérieur du circuit lorsque notamment la vanne à deux voies est fermée et que par conséquent la pompe à fluide caloporteur du moteur n'est pas activée. 10 20 25 2953889 -4 Cette pompe peut également être activée si la pompe du moteur ne permet pas de réaliser un débit suffisant afin d'une part, de refroidir le moteur, et d'autre part, de réchauffer l'habitacle du véhicule automobile. 5 En pratique, le circuit peut comporter une unité électronique commandant les moyens de sélection en fonction de l'information de température fournie par un capteur de température de l'air extérieur. De cette manière, on peut privilégier le réchauffement du moteur lorsque la température 10 de l'air extérieur est supérieure ou égale à un seuil prédéterminé et par conséquent, les moyens de sélection orientent le fluide caloporteur dans la première branche de dérivation. De cette manière, il n'y a aucune source chaude au sein de la planche de bord dans 15 laquelle est intégré l'aérotherme et dans le cas d'un véhicule équipé d'un système de climatisation de l'habitacle, cela permet de ne pas générer d'ambiance chaude à l'intérieur de l'habitacle. En effet, l'aérotherme n' ayant plus de circulation d'eau interne, il ne rayonne plus sur 20 l'évaporateur du circuit de climatisation et la température de l'air soufflé en sorite de la planche de bord peut être diminuée de 5°C. L'invention concerne également un procédé de régulation thermique d'un fluide caloporteur circulant dans un circuit d'échange de calories tel que précédemment décrit 25 selon l'invention. Il se caractérise en ce que, lors du démarrage du moteur, on mesure la température de l'air extérieur et on oriente le fluide caloporteur dans la première branche de dérivation lorsque la température de l'air extérieur est supérieure à une valeur prédéterminée. Autrement dit, lorsque par exemple la température de l'air est supérieure à 15°C, il n'est donc pas nécessaire de faire circuler le fluide caloporteur à l'intérieur de l'aérotherme et par conséquent les moyens de sélection permettent d'orienter le fluide caloporteur à l'intérieur de la première branche de dérivation du circuit. 30 35 Description sommaire des figures. La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien du mode de la réalisation qui suit, donné à titre indicatif, mais non limitatif, à l'appui des figures annexées dans lesquelles les figures 1 à 6 représentent différents modes de fonctionnement du circuit. Manière de réaliser l'invention Comme déjà évoqué, l'invention concerne un circuit d'échange de calories d'un fluide caloporteur circulant dans un moteur thermique. Tel que représenté à la figure 1, le fluide caloporteur du circuit (1) est utilisé principalement pour refroidir le moteur thermique (2) lorsque celui-ci a atteint sa 15 température de fonctionnement. Pour ce faire, après avoir refroidi le moteur (2), le fluide caloporteur passe dans l'échangeur fluide/air (13), également désigné par le terme de radiateur. 20 Un tel circuit (1) comporte également un échangeur de type gaz/liquide (3) permettant de transmettre les calories des gaz d'échappement au fluide caloporteur afin d'améliorer sa montée en température lors des phases de démarrage. En effet, cette montée en température rapide est importante de façon à permettre un 25 chauffage rapide du compartiment du véhicule mais également pour réduire la consommation du moteur lors des phases de démarrage à froid. Ainsi, le circuit (1) comporte également un aérotherme (4) permettant de réaliser le chauffage du compartiment. Il comporte également un échangeur liquide/huile (5) dans lequel le fluide caloporteur transmet ses calories à l'huile de lubrification du moteur. Tel que représenté, le circuit (1) comporte des moyens de sélection (7) qui peuvent être 35 totalement réalisés au moyen d'une vanne électrique à trois voies. -5 30 2953889 -6 Cette vanne est, dans ce cas, commandée par une unité électronique de commande (20), recevant des informations sur la température de l'air extérieur au moyen d'un capteur de température (21). En effet, en fonction de la température extérieure, il est possible d'orienter le fluide caloporteur soit dans l'aérotherme (4) soit dans une première tranche de dérivation (6). Ainsi, tel que représenté par la figure 1, le fluide caloporteur est orienté dans l'aérotherme 10 (4) grâce aux moyens de sélection (7). Cette position de moyens de sélection (7) peut notamment être commandée lorsque la température extérieure est inférieure à 15°C. Le circuit comporte également une vanne à deux voies (9) permettant de commander ou de fermer la circulation du fluide caloporteur à l'intérieur du moteur. Une pompe à eau mécanique (10) est également positionnée en série avec le moteur (2) de façon à permettre la circulation du fluide caloporteur dans le circuit du moteur (2). Le circuit (1) comporte également une seconde branche de dérivation (8) permettant de 20 fermer le circuit sur lui-même lorsque la vanne à deux voies (9) est fermée. Dans ce cas, une pompe électrique additionnelle (14) peut être agencée en amont de l'échangeur gaz/liquide (3) pour faire circuler le fluide caloporteur. 25 Cette disposition du circuit (1) s'opère donc dans les phases de démarrage lorsqu'il n'est pas nécessaire de refroidir le moteur mais au contraire d'en augmenter rapidement sa température afin de limiter la surconsommation. De même, tel que représenté à la figure 2, lorsqu'il n'est pas nécessaire de fournir des 30 calories à l'aérotherme (4), les moyens de sélection (7) peuvent orienter le fluide caloporteur à l'intérieur de la première branche de dérivation (6). Ceci peut notamment être le cas lorsque la température extérieure est supérieure à une valeur de seuil telle que 15°C. 5 35 2953889 -7 Le fluide caloporteur sert, dans ce cas, uniquement à transmettre ses calories captées au niveau de l'échangeur gaz/liquide (3) à l'huile du moteur au niveau de l'échangeur liquide/huile (5). 5 La pompe additionnelle électrique (14) fonctionne et permet la circulation du fluide caloporteur dans le circuit (1). Tel que représenté à la figure 3, le circuit (1) peut être dépourvu d'une seconde branche de dérivation, et par conséquent dans ce cas, le fluide caloporteur traverse le moteur 10 constamment. La pompe électrique additionnelle (14) peut fonctionner dans ce cas, mais peut également dépendre du régime du moteur thermique, et donc du régime de la pompe à eau mécanique (10). Par exemple, pour un régime moteur inférieur à 2500 tour/minutes et lors d'une demande 15 de chauffage de l'habitacle, la pompe électrique additionnelle (14) peut fonctionner. Sans demande de chauffage de l'habitacle, et pour un régime moteur supérieur 2500 tour/minutes, la pompe électrique additionnelle (14) peut être arrêtée. Tel que représenté à la figure 4, lorsque la température extérieure est supérieure à une 20 valeur de seuil prédéterminé, les moyens de sélection (7) peuvent orienter le fluide caloporteur dans la première branche de dérivation (6). Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de faire fonctionner la pompe électrique additionnelle (14). Tel que représenté à la figure 5, une fois la température de consigne l'habitacle et la température normale de fonctionnement du moteur thermique atteintes, le circuit (1) passe en mode de refroidissement du moteur thermique. 30 Pour ce faire, la vanne à deux voies (9) est ouverte et le fluide caloporteur traverse alors la seconde branche de dérivation dans le sens inverse de celui de la figure 1. Pour une température d'air extérieur inférieure à 15°C, le mode de régulation thermique est enclenché tout en continuant à avoir besoin de chauffage dans l'habitacle. 25 35 2953889 -8 Ainsi, le moteur thermique peut conserver une température de fonctionnement normale comprise entre 90 et 115°C. Tel que représenté à la figure 6, en phase de refroidissement et sans demande de 5 chauffage de l'habitacle, par exemple pour une température d'air extérieur supérieure à 15°C, les moyens de sélection (7) orientent le fluide caloporteur à l'intérieur de la première branche de dérivation (6). Dans ce cas, aucune source chaude au sein de la planche de bord n'est générée par 10 l'aérotherme. Ainsi, un véhicule équipé d'un système de climatisation de l'habitacle ne générera pas d'ambiance chaude pour le confort thermique. 15 En effet, l'aérotherme n'ayant plus de circulation d'eau en son sein, il ne rayonne plus sur l'évaporateur du circuit de climatisation et la température d'air soufflé en sortie de planche de bord peut être diminuée de 5 degrés °C. Il ressort de ce qui précède qu'un circuit et un procédé de circulation conformes à 20 l'invention présentent de nombreux avantages et notamment : - ils permettent de diminuer la consommation des moteurs thermiques lors des phases de montées en température ; 25 - ils permettent de réaliser un chauffage rapide de l'habitacle ; - un tel circuit comporte un nombre restreint d'éléments et leur fonctionnement permet de réaliser une architecture comportant un minimum de connections entre les différents éléments. REVENDICATIONS1. Circuit (1) d'échange de calories d'un fluide caloporteur circulant dans un moteur thermique (2) d'un véhicule automobile, ledit circuit (1) comportant : un échangeur gaz/liquide (3) agencé en aval du moteur, et dans lequel les gaz d'échappement issus de la combustion interne du moteur thermique (2) apportent de l'énergie calorifique audit fluide caloporteur ; un aérotherme (4) agencé en aval dudit échangeur gaz/liquide (3), et dans lequel le fluide caloporteur apporte de l'énergie calorifique à de l'air pour chauffer l'habitacle du véhicule ; un échangeur liquide/huile (5) agencé en aval de l'aérotherme (4), et en amont du moteur (2), et dans lequel le fluide caloporteur échange des calories avec l'huile moteur de lubrification ; caractérisé en ce qu'il comporte une première branche de dérivation (6) agencée en parallèle de l'aérotherme (4) et des moyens de sélection (7) permettant d'orienter le fluide caloporteur de manière sélective soit dans l'aérotherme (4), soit dans la première branche de dérivation (6). 2. Circuit d'échange de calories selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde branche de dérivation (8) agencée en parallèle du moteur (2). 3. Circuit d'échange de calories selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur (2) est agencé en série avec une vanne à deux voies (9) apte à permettre ou stopper la circulation du fluide caloporteur dans le moteur (2). 4. Circuit d'échange de calories selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la seconde branche de dérivation (8) est agencée en parallèle du moteur (2) et de la vanne à deux voies (9). 5. Circuit d'échange de calories selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe électrique additionnelle (14) agencée en amont de l'échangeur gaz/liquide (3) et en aval d'une connexion (15) entre la seconde branche de dérivation (8) et la vanne à deux voies (9). 35 2953889 - 10 - 6. Circuit d'échange de calories selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une unité électronique (20) commandant les moyens de sélection (7) en fonction d'informations de température fournies par un capteur de température (21) de l'air extérieure. 5 7. Procédé de régulation thermique du fluide caloporteur circulant dans un circuit d'échange de calories selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors du démarrage du moteur, on mesure la température de l'air extérieur, et on oriente le fluide caloporteur dans la première branche de dérivation (6) lorsque la température de 10 l'air extérieur est supérieure à une valeur prédéterminée.