Brevet FR3006244A1 — publié le 20141205

Echangeur thermique pour véhicule automobile La présente invention a pour objets un échangeur thermique entre des gaz d'échappement et un fluide à réchauffer ainsi qu'une ligne des gaz d'échappement pour véhicule comprenant un tel échangeur. Les véhicules, notamment les automobiles, sont équipées d'une ligne de gaz d'échappement. Cette ligne de gaz d'échappement comprend classiquement un pot catalytique et un pot d'échappement. La fonction d'un pot catalytique classique consiste à réduire la nocivité des gaz d'échappement. Il est constitué d'une chambre d'acier inoxydable et de conduits formant une structure en nid d'abeille conçue pour offrir une grande surface de contact aux gaz d'échappement. L'intérieur des conduits est recouvert d'une fine couche d'éléments catalyseurs qui sont généralement des cristaux combinant des métaux précieux. Ces éléments catalyseurs déclenchent ou accentuent les réactions chimiques qui permettent de transformer les constituants les plus nocifs des gaz d'échappement (monoxyde de carbone, hydrocarbures imbrûlés, oxyde d'azote), en éléments moins nocifs (eau et dioxyde de carbone). Il a par ailleurs déjà été proposé de récupérer l'énergie des gaz d'échappement de différentes façons. Il existe cependant un besoin pour améliorer et/ou compléter les solutions déjà connues. L'invention vise, à cet effet, un échangeur thermique comprenant un faisceau configuré pour être positionné dans la ligne d'échappement d'un véhicule et assurer un échange thermique entre des gaz d'échappement et un fluide à réchauffer, ledit faisceau comprenant un catalyseur destiné à réagir avec lesdits gaz d'échappement. Autrement dit, l'échangeur thermique permet non seulement de récupérer l'énergie des gaz d'échappement et ainsi réchauffer un fluide, mais également, grâce à la présence du catalyseur, de transformer les constituants nocifs des gaz d'échappement en constituants moins nocifs, c'est à dire jouer le rôle d'un pot catalytique classique. Il pourra en particulier s'agir d'un catalyseur d'oxydation et/ou réduction ou tri-fonctionnel. Selon un aspect de l'invention, ledit catalyseur est choisi pour présenter une activité exothermique. Ledit échangeur est ainsi configuré pour que la chaleur dégagée par ladite activité soit échangée avec ledit fluide à réchauffer. En effet, un exotherme de 50 °C est couramment observé dans une telle réaction. La chaleur dégagée peut ainsi être récupérée grâce à l'échangeur thermique pour réchauffer le fluide, créant ainsi un effet de synergie. Cet exotherme permet d'améliorer significativement le rendement de l'échangeur thermique. Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - ledit faisceau comprend des premiers conduits de circulation des gaz d'échappement et des seconds conduits de circulation dudit fluide à réchauffer, l'intérieur desdits premiers conduits comprenant le catalyseur, - ledit faisceau est configuré pour que ledit fluide à réchauffer soit de l'air, - ledit air est de l'air comprimé, - ledit échangeur est configuré pour être situé au plus près de la sortie d'échappement du moteur, - lesdits premiers conduits comprennent des perturbateurs, - l'intérieur desdits conduits et/ou lesdits perturbateurs sont recouverts dudit catalyseur, - ledit catalyseur comprend un ou des métaux précieux tels que alumine, cérium, platine, palladium et/ou rhodium. Dans le cas d'un échangeur gaz/air, l'échangeur, de façon avantageuse, ne contient pas de liquide ou de fluide organique. Il n'a donc pas besoin d'être by-passé en forte charge à cause d'un risque d'ébullition du liquide ou de dégradation du fluide. Sa fonction catalytique est alors opérationnelle dès que la température adéquate est atteinte et jusqu'aux températures maximum des gaz d'échappement. Dans le cas d'un échangeur gaz/liquide, ledit échangeur pourra comprendre un circuit de by-pass afin de limiter les risques d'ébullition du liquide caloporteur échangeant de la chaleur avec les gaz d'échappement. L'invention concerne encore une ligne des gaz d'échappement comprenant un échangeur tel que décrit précédemment. Dans un mode de réalisation de l'invention, ladite ligne des gaz d'échappement comprend, en outre un pot catalytique. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, ladite ligne des gaz d'échappement est dépourvue de pot catalytique. En fonction du type de véhicule, de l'efficacité nécessaire de la catalyse et de l'efficacité du catalyseur intégré à l'échangeur, le pot catalytique classique pourra être soit réduit en taille, soit totalement remplacé par l'échangeur. Le gain en volume pourra ainsi être récupéré pour intégrer au mieux l'échangeur et le placer au plus près de la sortie d'échappement du moteur et ainsi limiter les déperditions. De plus, la perte de charge non produite par le pot catalytique classique pourra être utilisée sur l'échangeur thermique pour en augmenter l'échange et la performance. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'au moins un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique d'un système comprenant une ligne d'échappement selon l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective, d'un conduit d'un faisceau d'un échangeur selon l'invention, - la figure 3 est une vue en perspective d'une partie d'un intercalaire du conduit de la figure 1. Comme illustré à la figure 1, l'invention concerne un échangeur thermique 1. Il comprend un faisceau configuré pour être positionné dans la ligne d'échappement 2 d'un véhicule et assurer un échange thermique entre des gaz d'échappement 3 et un fluide à réchauffer 4. Ledit faisceau comprend un catalyseur 5, en particulier un catalyseur d'oxydoréduction ou tri-fonctionnel destiné à réagir avec lesdits gaz d'échappement 3. Le catalyseur 5 permet de transformer les constituants nocifs des gaz d'échappement en constituants moins nocifs. L'échangeur thermique 1 joue ainsi le rôle d'un pot catalytique classique en plus d'échangeur de chaleur. Ledit échangeur pourra comprendre une boîte collectrice d'entrée des gaz d'échappement, non-représentée, reliée à une partie amont de la ligne d'échappement, et/ou une boîte collectrice de sortie desdits gaz, également non-représentée, reliée à une partie avale de la ligne d'échappement. La ou lesdites boîtes collectrices sont reliées audit faisceau, par exemple, par deux de ses faces opposées, de sorte que les gaz d'échappement traversent successivement ladite boîte collectrice d'entrée, le dit faisceau et ladite boîte collectrice de sortie. Ledit faisceau pourra être du type à empilement de plaques, les plaques définissent successivement des canaux de circulation pour les gaz d'échappement et le fluide à réchauffer. Il pourra encore s'agir d'un faisceau du type tubes et boîtier (pour « tubes and shell » en anglais) dans lequel les gaz d'échappement circulent dans les tubes, par exemple disposés dans le boîtier et reliés aux boîtes collectrices par une plaque collectrice. Le fluide à réchauffer circulent autour des tubes, à l'intérieur dudit boîtier. Plus largement, tout type de faisceau pourra être utilisé, en particulier des faisceaux comprenant des premiers conduits 6 de circulation des gaz d'échappement 3 et des seconds conduits de circulation dudit fluide 4 à réchauffer. Le fluide à réchauffer peut être de l'air et notamment de l'air comprimé utilisable à toutes fins utiles. Comme illustré à la figure 2, le conduit 6 représenté est un conduit de circulation des gaz d'échappement 3. Il est ici défini, à titre d'exemple, par un tube présentant une forme sensiblement aplatie, c'est-à-dire, présentant deux grandes faces planes parallèles opposées, reliées par des petits côtés. A l'intérieur du conduit 6, on peut prévoir des perturbateurs 7, qui sont, ici, des intercalaires de forme ondulée. Ces intercalaires 7 perturbent la circulation des gaz d'échappement 3 et augmentent la surface d'échange. L'échange de chaleur entre les gaz d'échappement 3 et le fluide 4 à réchauffer est ainsi amélioré. Ils peuvent également comprendre des fentes ou persiennes pour améliorer encore l'échange. Ces intercalaires 7 peuvent être disposés de façon à être en contact voire solidaires des parois internes du conduit. On renforce de la sorte la résistance à la pression interne dans les tubes ou conduits 6. L'intérieur du conduit 6 peut comprendre un catalyseur 5. Notamment, les parois du conduit 6 et/ou les intercalaires 7 peuvent être composés d'acier inoxydable et être recouverts de catalyseur 5 sur tout ou partie de leurs faces balayées par les gaz d'échappement. Comme illustrée à la figure 3, l'intercalaire 7 comprend une âme, par exemple en métal inoxydable, en particulier en acier inoxydable, et une couche de catalyseur sur l'une et/ou l'autre des faces de l'âme, ici sur les deux faces. Toute la surface interne du conduit 6 et/ou toute la surface des intercalaires 7 pourra de la sorte être en contact avec les gaz d'échappement 3 et servir à la catalyse, améliorant l'activité et l'efficacité catalytique de l'échangeur 1. Le catalyseur 5 comprend un ou des métaux précieux connus et utilisés pour favoriser la transformation de composants nocifs, tels que hydrocarbures, monoxyde de carbone, oxyde d'azote, en composants moins nocifs comme l'eau et le 002, en particulier selon une réaction exothermique. Ces métaux sont classiquement de l'alumine, du cérium, du platine, du palladium et/ou du rhodium. L'intérieur du conduit 6 et/ou les intercalaires 7 sont alors recouverts d'une fine couche comprenant un ou une combinaison de ces métaux. L'échangeur 1 est configuré pour être positionné dans la ligne des gaz d'échappement 2 et de façon avantageuse au plus près de la sortie d'échappement du moteur. Cela permet de diminuer les déperditions de chaleur et d'améliorer l'efficacité de l'échangeur thermique 1. En effet, une perte de l'ordre de 100 °C par mètre est observée dans la ligne d'échappement. Ainsi, en positionnant l'échangeur le plus proche possible de la sortie d'échappement du moteur, il est possible de gagner 50 °C. Cette augmentation additionnée à l'exotherme de la réaction de catalyse permettent d'améliorer l'efficacité de récupération d'énergie. De façon classique, la ligne d'échappement comprend en sortie du moteur un pot catalytique classique et un pot d'échappement. Dans le système représenté à la figure 1, la ligne d'échappement 2 comprend un échangeur 1 tel que décrit précédemment, un pot d'échappement 9 et est dépourvu de pot catalytique classique. Les gaz d'échappement 3 qui sont à température élevée passent au travers de l'échangeur thermique 1 comprenant le catalyseur 5. Les composants nocifs sont alors transformés par une réaction exothermique et les gaz rejetés sont moins nocifs. La chaleur des gaz d'échappement récupérée ainsi que celle dégagée par la réaction catalytique sont parallèlement transmises au fluide 4 qui entre froid dans l'échangeur 1 et en ressort réchauffé. L'échangeur thermique 1 joue ainsi son rôle d'échangeur de chaleur ainsi que le rôle de pot catalytique. Il est à noter que des variantes de réalisation sont bien sûr possibles. Notamment, il est possible d'avoir une ligne des gaz d'échappement 2 comprenant un pot catalytique et un échangeur 1. Dans ce mode de réalisation, la taille du pot catalytique sera alors réduite et adaptée en fonction de l'efficacité de l'activité catalytique de l'échangeur thermique 1 et les nécessité du véhicule. REVENDICATIONS1. Echangeur thermique (1) comprenant un faisceau configuré pour être positionné dans la ligne d'échappement (2) d'un véhicule et assurer un échange thermique entre des gaz d'échappement (3) et un fluide à réchauffer (4), ledit faisceau comprenant un catalyseur (5) destiné à réagir avec lesdits gaz d'échappement (3). 2. Echangeur (1) selon la revendication précédente dans lequel le catalyseur (5) est choisi pour présenter une activité exothermique, ledit échangeur (1) étant configuré pour que la chaleur dégagée par ladite activité soit échangée avec ledit fluide (4) à réchauffer. 3. Echangeur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit faisceau comprend des premiers conduits (6) de circulation des gaz d'échappement et des seconds conduits de circulation dudit fluide (4) à réchauffer, l'intérieur desdits premiers conduits (6) comprenant le catalyseur (5). 4. Echangeur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit faisceau est configuré pour que ledit fluide à réchauffer (4) soit de l'air. 5. Echangeur (1) selon la revendication précédente dans lequel ledit air est de l'air comprimé. 6. Echangeur (1) selon l'une des revendications précédentes, configuré pour être situé au plus près de la sortie d'échappement du moteur. 7. Echangeur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits premiers conduits (6) comprennent des perturbateurs (7), l'intérieur desdits conduits (6) et/ou lesdits perturbateurs (7) étant recouverts dudit catalyseur (5). 8. Ligne des gaz d'échappement comprenant un échangeur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Ligne des gaz d'échappement selon la revendication précédente comprenant un pot catalytique. 10. Ligne des gaz d'échappement selon la revendication 8, dépourvue de pot catalytique.