Brevet FR3021103A1 — publié le 20151120

- 1 - PROCEDE DE DETECTION DE PERTE DE PERFORMANCE D'UN ECHANGEUR THERMIQUE DE CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT La présente invention se rapporte à la protection thermique des transmissions, en particulier des transmissions automatiques ou automatisées, dont certains organes exigent un contrôle thermique permanent des fluides de pression intervenant dans leurs systèmes de commande. Plus précisément, cette invention concerne un procédé de détection de perte de performance d'un échangeur thermique de circuit de refroidissement d'organes mécaniques comprenant un premier circuit de fluide fonctionnel traversant un organe mécanique de transmission de puissance entraîné par un moteur et un deuxième circuit de fluide de refroidissement, recevant la puissance calorifique dissipée par le premier fluide au travers de l'échangeur. L'organe mécanique de transmission peut être un réducteur de transmission, notamment de transmission 20 automatique ou automatisée. Dans les boîtes de vitesses automatiques dotées de convertisseur de couple et/ou d'un jeu d'embrayages, les changements de rapports sont assurés par un système hydraulique de commande, dont le fluide fonctionnel 25 nécessite un refroidissement efficace. Le glissement au sein des convertisseurs hydro-cinétiques de couple dissipe en effet une très forte énergie calorifique. L'actionnement de récepteurs hydrauliques (embrayages ou freins) à de forts niveaux de pression, nécessite une puissance 30 hydraulique soutenue. Le rendement hydraulique de ces organes n'étant jamais optimal en raison des fuites et des frottements, ils sont toujours le siège de pertes calorifiques plus ou moins importantes. Enfin, le graissage permanent des réducteurs de vitesses, exige également une 35 puissance hydraulique soutenue, avec des puissances calorifiques élevées à dissiper. Dans le cas particulier des transmissions automatiques à convertisseur de couple, les dégradations - 2 - touchent de nombreux éléments, dès que le refroidissement du fluide n'est plus assuré : fissuration et décollage des frictions des freins et des embrayages humides, blocage des vannes de séquences de passages par pollution, perturbation du limiteur et du régulateur de débit et de pression. Dans tous les cas, la température du fluide de pression doit être limitée à un niveau de sécurité préservant les systèmes de tout risque de détérioration par surchauffe. Le maintien de la température d'huile à un niveau satisfaisant est généralement assuré grâce à l'action d'un échangeur air / huile ou eau / huile. Les principaux risques de détérioration des échangeurs sont identifiés. Dans un échangeur air/ huile, le réseau aérien peut être colmaté par des boues, des insectes, des végétaux, etc. Dans un échangeur eau / huile, le réseau hydraulique peut être colmaté par la création de boues bactéricides, générées lorsque le circuit de refroidissement du moteur n'est pas entretenu périodiquement, ou bien lorsque le fluide de refroidissement n'est pas en accord avec les définitions de son cahier des charges. Dans les systèmes de détection connus, les informations thermiques, température d'eau du moteur et température d'huile au sein du réducteur, sont exploitées dans des stratégies de commande visant à protéger le réducteur. Par la publication FR 292 81 93, on connaît un procédé de protection thermique permettant de scruter finement le bilan thermique d'un réducteur de vitesses, et d'y associer des limitations de couple en vue de diminuer la dissipation de calories lorsque la sécurité l'impose. Toutefois, l'interprétation des données collectées ne permet pas d'évaluer les performances de l'échangeur, ni de détecter en temps réel ses pertes d'efficacité. La présente invention vise à analyser en temps réel 35 la performance d'un échangeur thermique de réducteur de vitesses, en vue d'anticiper la destruction de ses composants par surchauffe. -3 - Dans ce but, elle propose que la puissance calorifique dissipée dans l'échangeur par le premier fluide en direction du second, soit comparée à une puissance de référence déterminée en fonction du débit massique du 5 premier et du deuxième fluide au travers de l'échangeur. De préférence, la puissance dissipée est déterminée à partir d'une cartographie composée d'un réseau de courbes de puissance de dissipation de l'échangeur en fonction des débits massiques du premier et du deuxième fluide. 10 L'invention permet d'informer le conducteur, ou l'opérateur d'un réseau de maintenance, de la perte de performance du circuit de refroidissement. Un simple remplacement de l'échangeur, permet d'éviter la destruction de la boîte de vitesse, ou de la machine hydraulique 15 considérée. Le nouveau procédé permet d'évaluer en temps réel les performances de l'échangeur, d'arbitrer et de décider de mesures préventives et sécuritaires, en informant notamment le conducteur ou le réseau de maintenance, des 20 situations à risque. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en liaison avec les dessins annexés, sur lesquels : 25 la figure 1 est un schéma simplifié d'architecture de refroidissement, la figure 2 montre le type de cartographie exploitée, la figure 3 illustre le fonctionnement d'un 30 échangeur thermique, et la figure 4 explique la méthode. Sur la figure 1, on a regroupé de façon schématique différents organes autour d'un échangeur thermique de transmission 1: 35 le moteur d'entraînement du véhicule 2 (qui peut être thermique hydraulique ou électrique), un organe de transmission 3, tel qu'un réducteur -4 à commande hydraulique (ou une machine hydraulique), une unité de contrôle ECU 4 du moteur 2, qui reçoit les informations de capteurs de régime moteur CD'' de couple moteur Cm°, de régime de rotation (Ope de la pompe à eau le circuit de refroidissement du moteur 5 qui relie le moteur 2, et l'échangeur 1 par un ensemble 8 incluant des conduites, une pompe mécanique ou électrique, un échangeur thermique. Des capteurs de température d'entrée et de sortie d'huile Tfe, Tfs et d'eau, Tce, Tcs sont prévus sur l'échangeur 1. L'organe de transmission 3 est piloté par son propre calculateur de transmission (TCU) 6, qui est informé notamment de la température moyenne d'huile Thn, et du régime de rotation cop, de la pompe à huile. Le circuit hydraulique (non représenté) de l'organe de transmission 3 comprend par exemple : - une réserve d'huile gravitaire ou à carter sec, une pompe hydraulique à entrainement mécanique ou électrique ou pneumatique ou vapeur, un réseau de distribution hydraulique, des consommateurs hydrauliques, des actuateurs électro hydrauliques, des capteurs de vitesse d'entrée et de sortie 25 du réducteur. Le réseau de refroidissement d'huile est composé principalement de l'échangeur air / huile ou eau / huile 1, d'un ensemble 7 de pompe mécanique ou électrique, et de conduites, de l'échangeur 1, et des capteurs de température 30 d'entrée Tfe et de sortie Tfs d'huile sur l'échangeur 1. Dans l'échangeur 1, l'eau peut être acheminée par une pompe auxiliaire à entrainement mécanique, électrique, ou pneumatique. Dans une transmission automatique, le flux d'huile est en relation directe avec le mode de 35 fonctionnement de la pompe à huile. -5 Un microprocesseur gère les entrées de donnée et les calculs de contrôle. Les informations utiles relatives au fonctionnement du moteur, sont le couple disponible, le régime moteur et la température de l'eau. La méthode vise à 5 détecter la perte de performance de l'échangeur thermique 1 du système de refroidissement de l'organe mécanique de transmission de puissance 3. Ce système comprend un premier circuit de fluide fonctionnel tel que de l'huile, qui traverse un l'organe 3 entraîné par le moteur 2 et un 10 deuxième circuit de fluide de refroidissement recevant la puissance calorifique dissipée au travers de l'échangeur par le premier fluide. La puissance de dissipation calorifique P de l'échangeur, se calcule comme le produit de la surface 15 d'échange entre les fluides S, par l'écart de température moyen AT, entre les fluides et par un coefficient de transmission thermique surfacique moyen K : P = K* S *AT,. Dans cette formule, les valeurs de K et de An, sont des 20 valeurs moyennes, car les températures des deux fluides et le coefficient K varient d'un endroit à l'autre de l'échangeur. En régime permanent on peut supposer que : - l'échangeur est parfaitement isolé de l'extérieur (pas de pertes), 25 - on néglige la conduction axiale, - les coefficients K et Cp sont constants, et - la température de chaque fluide est homogène dans une section donnée. Avec ces hypothèses, la puissance dissipée P 30 s'évalue par le produit du débit massique Qmassique du deuxième fluide (l'eau) par l'écart de température du premier fluide (l'huile) entre son entrée et sa sortie de l'échangeur 1 par la chaleur spécifique de l'huile Cpc. L'équation s'écrit : 35 P = K* S */T, = Qmassique * Cpc* (Tce-Tcs) = Qmassique * Clof* (Tfs-Tfe), - 6 - où : Qmassique est le débit massique d'eau (kg/s), calculé en temps réel, Tce-Tcs est l'écart de température entre l'entrée et la sortie d'eau de l'échangeur, Tfs-Tfe est l'écart de température entre l'entrée et la sortie d'huile de l'échangeur, Cpc est la chaleur spécifique du fluide chaud (l'huile) et Cpf, celle du fluide froid (l'eau). Le débit massique se calcule par intégration à partir du régime de rotation de la pompe à eau, en fonction de la définition technique et des constantes (pertes de charge, dérivation, consommateurs etc.) du circuit hydraulique. La puissance calorifique P dissipée dans l'échangeur par le premier fluide (huile) en direction du second (eau) est comparée à une puissance de référence Pr déterminée en fonction du débit massique déterminé à partir des données originelles cartographiées, tout en tenant compte des dispersions au sein des différents composants. Le calcul est de préférence réinitialisé à chaque nouveau démarrage du moteur. Il est également souhaitable que la stratégie soit abandonnée, en cas de dégradation avérée de la fonction de refroidissement. La cartographie de référence, illustrée par la figure 2 regroupe un ensemble de courbes de puissance dissipée dans l'échangeur en fonction du débit massique d'eau, selon le débit massiques d'huile Ql, Q2, Q3, Q4, etc. le traversant. Cette cartographie permet de déterminer La puissance dissipée de référence Pr, en fonction des débits massiques du premier fluide (huile) et du deuxième fluide (eau). La quantité massique des fluides est en rapport direct avec le débit volumétrique de la pompe à eau et de la pompe à huile. Comme indiqué plus haut, la puissance dissipée P se calcule en temps réel par la relation : P = Q massique * Cpc* (Tce - Tcs). Ainsi, en comparant cette -7 - valeur avec les valeurs de référence indiquées de la cartographie on sait détecter une baisse de performance de l'échangeur. Toute baisse significative de performance donne lieu à l'envoi d'un message d'alerte vers le 5 conducteur. En mémorisant l'alerte dans le calculateur, le réseau de maintenance du véhicule est capable de retrouver le problème détecté pour d'intervenir de manière efficace. Si une dérive thermique est identifiée, on informe le conducteur (affichage au tableau de bord ou sonore) en 10 niveau d'alerte de premier niveau, et on mémorise le contexte de détection. La figure 4 met en évidence un autre aspect de l'invention, consistant à définir une enveloppe de tolérance Env-toi, autour de la puissance dissipée de 15 référence. Cette enveloppe est ajustée de manière à englober les dispersions en rapport avec la chaîne des composants du système de refroidissement. La puissance dissipée de référence Pr peut ainsi être corrigée à la baisse par l'enveloppe de tolérance Env-toi, qui est 20 ajustée de manière à englober les dispersions des composants. Dans ce cas, si la puissance dissipée calculée est inférieure au seuil Seuill Env-toi, en fonctionnement normal (mode non dégradé), la défaillance de l'échangeur est établie, et le conducteur en est informé. 25 Une étape préliminaire, ou première étape, de la méthode consiste à documenter lors de prototypages, une cartographie représentative de la puissance de dissipation de l'échangeur. Le travail est opéré sur la base de mesures de température d'entrée et de sortie d'eau, et d'huile, et 30 de calculs de débits d'huile et d'eau, ainsi que de quantités massiques d'eau et d'huile. Ces mesures et ces calculs sont opérés sur différents points de fonctionnement du moteur, afin d'établir une cartographie de référence. 35 Une deuxième étape consiste à prendre en compte les variables de mesure, et les constantes, en rapport avec le calcul de dissipation thermique, pour calculer la puissance - 8 - dissipée réelle P. Une troisième étape consiste à comparer les données calculées et les données cartographiées représentatives d'un environnement de référence sur un point de fonctionnement moteur identifié. La comparaison et l'arbitrage entre ces données, conduit à une décision de défaillance de l'échangeur ou non. Une quatrième étape consiste à informer le conducteur de la perte de performance de l'échangeur par 10 une alerte visuelle et/ou sonore, et à mémoriser dans le calculateur, les circonstances de l'incident. La qualité des résultats dépend de celle des informations transmises et du débit du fluide réfrigérant. Afin d'éviter des erreurs de diagnostic, les organes du 15 circuit de refroidissement situés en amont de l'échangeur, doivent donc toujours être contrôlés. En conclusion, la méthode proposée permet de surveiller les performances d'un échangeur thermique de circuit de refroidissement, et de détecter les colmatages 20 ou les obstructions dégradant progressivement la qualité de l'échange calorifique. Cette invention trouve une application privilégiée sur les réducteurs de vitesses hydrauliques à commande automatisée. Dans le domaine de l'automobile, elle est applicable au diagnostic de 25 puissance de dissipation calorifique des échangeurs de climatisation ou de chauffage. En dehors de celle-ci, d'autres applications sont possibles, par exemple dans le domaine du chauffage domestique ou industriel, pour diagnostiquer des pertes progressives de rendement. 30 REVENDICATIONS1. Procédé de détection de perte de performance d'un échangeur thermique (1) de circuit de refroidissement d'organes mécaniques comprenant un premier circuit de fluide fonctionnel traversant un organe mécanique de transmission de puissance (3) entraîné par un moteur (2) et un deuxième circuit de fluide de refroidissement recevant la puissance calorifique dissipée au travers de l'échangeur (1) par le premier fluide, caractérisé en ce que la puissance calorifique (P) dissipée dans l'échangeur par le premier fluide en direction du second est comparée à une puissance de référence (Pr) déterminée en fonction du débit massique du premier et du deuxième fluide au travers de l'échangeur. 2. Procédé de détection de perte de performance selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puissance dissipée de référence (Pr.) est déterminée à partir d'une cartographie composée d'un réseau de courbes de puissance de dissipation de l'échangeur (1) en fonction des débits massiques du premier et de deuxième fluide le traversant. 3. Procédé de détection de perte de performance selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la puissance dissipée de référence (Pr) est corrigée à la baisse par une enveloppe de tolérance (Env-toi) ajustée de manière à englober les dispersions des composants du circuit de refroidissement. 4. Procédé de détection de perte de performance 30 selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la puissance dissipée (P) est calculée comme le produit de la surface d'échange entre les fluides (S) par l'écart de température moyen (ATJ entre les fluides et par un coefficient de transmission thermique surfacique moyen (K). 35 5. Procédé de détection de perte de performance selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance dissipée (P) est évaluée en temps réel- 10 - comme le produit du débit massique (Qmassique) du deuxième fluide par l'écart de température (Tfe-Tfs) du premier fluide entre son entrée et sa sortie de l'échangeur (1), par sa chaleur spécifique (Cpc). 6. Procédé de détection de perte de performance selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un étape préliminaire consistant à documenter, une cartographie représentative de la puissance de dissipation de l'échangeur en fonction de mesures de températures d'entrée et de sortie des fluides, et de calculs de leurs débits. 7. Procédé de détection de perte de performance selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conducteur est informé par un message d'alerte visuel et/ou sonore, de la perte de performance de l'échangeur thermique (1). 8. Procédé de détection de perte de performance selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la perte de performance est mémorisée avec les circonstances de l'incident. 9. Procédé de détection de perte de performance selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la détection est abandonnée lors d'une dégradation avérée de la fonction de refroidissement. 10. Procédé de détection de perte de performance selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boucle de calcul est réinitialisée à chaque nouveau démarrage du moteur.