Brevet FR3032484A1 — publié le 20160812

Dispositif de refroidissement d'un élément fonctionnel d'un véhicule, et véhicule équipé d'un tel dispositif. La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l'automobile, et concerne plus précisément un dispositif de refroidissement d'un injecteur, par exemple un injecteur d'urée, ainsi qu'un véhicule équipé d'un tel dispositif. Dans la plupart des véhicules automobiles avec un moteur à combustion interne, notamment de type moteur diesel, la ligne d'échappement des gaz de la combustion est pourvue d'un dispositif de post-traitement des gaz comportant notamment un filtre à particules. De nouvelles normes réglementaires imposent également aux constructeurs de véhicule de réduire le rejet d'oxydes d'azote qui sont également émises par les véhicules équipés de ce type de moteur. L'injection d'urée dans la ligne d'échappement, en amont du dispositif de post-traitement des gaz est une solution reconnue pour l'atteinte de l'objectif de réduction des oxydes d'azote émis par le fonctionnement du moteur du véhicule. Le brevet FR2948969 décrit un système de gestion thermique d'un conduit d'alimentation en urée pour un système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur. Un tel système utilise un moyen de refroidissement basé sur l'échange thermique entre un conduit dans lequel circule un liquide de refroidissement du moteur à combustion interne et un conduit dans lequel circule l'urée destinée à être injectée dans la ligne d'échappement. Compte tenu du fait que le rendement d'un moteur est assujetti à la température du liquide de refroidissement, sa température nominale de fonctionnement est approximativement de 100°C à la sortie moteur, l'utilisation du liquide de refroidissement ne permet pas de réguler la température de l'urée à sa température optimale d'utilisation, à savoir 60°C. Au-delà de cette température, l'urée commence à perdre ses qualités lui 3032484 2 permettant une réduction des oxydes d'azote. Au-dessus de 120°C l'urée n'est plus utilisable en tant que telle pour la réduction des oxydes d'azote. D'autres solutions connues pour gérer thermiquement la température de fonctionnement d'un élément fonctionnel, tel qu'un injecteur d'urée ou un 5 échangeur thermique par exemple, consistent à utiliser un liquide de refroidissement circulant dans une boucle secondaire dans laquelle la température ne dépasse pas les 60°C. Une telle boucle secondaire est assimilable à une boucle basse température comparativement à la boucle de refroidissement moteur, qui est alors qualifiée de boucle haute température 10 étant donné que le liquide qui la traverse a une température supérieure à celle du liquide de refroidissement circulant au travers de la boucle secondaire. Toutefois, une telle solution a pour inconvénient de nécessiter l'ajout de moyens d'entrainement du liquide de refroidissement dans la boucle 15 secondaire, comme par exemple une pompe à eau dont l'intégration rencontre des difficultés d'encombrement et de pilotage dédié. En outre, du fait de ces éléments additionnels, une boucle secondaire engendrerait une augmentation de la masse du véhicule, ce qui est contraire à la réduction des émissions des gaz polluant. 20 Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients susmentionnés, en proposant un dispositif de refroidissement d'un élément fonctionnel d'un véhicule, comprenant une embase formant un échangeur de chaleur avec ledit élément fonctionnel, reliée à un refroidisseur par l'intermédiaire d'une conduite formant un chemin d'écoulement d'un fluide 25 de refroidissement, le refroidisseur est situé au-dessus de l'échangeur de chaleur de sorte que lors d'un changement d'état du fluide de refroidissement, la conduite et le refroidisseur sont traversés par le fluide de refroidissement. Le dispositif de refroidissement est remarquable en ce sens qu'il est de conception simple, compte tenu du fait que l'écoulement du fluide s'effectue 30 par gravité, sans nécessiter l'ajout d'un moyen forçant la circulation du fluide au travers de l'échangeur de chaleur et le refroidisseur. Par conséquent, un 3032484 3 tel dispositif permet de s'affranchir d'une pompe d'entraînement et de son moyen de pilotage associé. De manière avantageuse, l'embase, la conduite et le refroidisseur sont traversés par un fluide de refroidissement à changement d'état. 5 Le dispositif de refroidissement définit ainsi une chambre commune à l'échangeur de chaleur, la conduite et au refroidisseur, au travers de laquelle le fluide de refroidissement peut circuler lors de son changement d'état ou de phase. La température de refroidissement de l'élément fonctionnel à refroidir 10 détermine la température de changement d'état ou de phase. Un matériau à changement de phase a un point de fusion compris entre 50°C et 60°C permettant de maintenir l'élément fonctionnel à refroidir à une température comprise entre 50 et 60°C. De préférence le matériau à changement de phase a un point de fusion de 60 °C permettant de maintenir 15 l'élément fonctionnel à refroidir à une température de 60°C. Selon d'autres caractéristiques avantageuses du dispositif de refroidissement selon l'invention, prises séparément ou en combinaison entre elles : - l'embase est un évaporateur comprenant au moins une chambre 20 destinée à recevoir un fluide de refroidissement, ladite chambre comportant un moyen de support dudit élément fonctionnel à refroidir, - ledit refroidisseur de chaleur est un condenseur destiné à être refroidi par un écoulement d'air, - le condenseur comprend un corps cylindrique dont une partie intérieure 25 (8) est ondulée afin d'améliorer l'échange thermique avec l'air extérieur, - le condenseur comprend un corps tubulaire dont la paroi périphérique une partie intérieure est ondulée afin d'améliorer l'échange thermique avec l'air extérieur, ledit condenseur formant une partie d'un conduit d'alimentation en air d'un moteur, 30 le fluide de refroidissement est de l'eau qui par échange thermique avec l'élément fonctionnel est susceptible de s'évaporer. 3032484 4 L'invention concerne également un véhicule du type d'une automobile comprenant un dispositif de refroidissement ayant au moins l'une quelconque des caractéristiques susmentionnées. Selon d'autres caractéristiques avantageuses du véhicule de 5 l'invention, prises séparément ou en combinaison entre elles : - le véhicule comprend une caisse délimitant un compartiment moteur adjacent à une boîte à eau délimitée en partie par une cloison transversale et un tablier avant, ledit élément fonctionnel à refroidir étant disposé dans le compartiment moteur, le refroidisseur étant traversé par un écoulement d'air 10 extérieur circulant dans le compartiment moteur ou dans la boîte à eau - le refroidisseur est disposé en amont d'un dispositif de gestion thermique de l'air à destination d'un habitacle, selon un sens d'écoulement de l'air vers l'habitacle - le refroidisseur est disposé en amont d'un collecteur d'air d'admission à 15 destination du moteur du véhicule, selon un sens d'écoulement de l'air extérieur vers le moteur - l'élément fonctionnel à refroidir est un injecteur d'urée ou de carburant situé en amont d'un dispositif de dépollution, selon un sens d'écoulement des gaz dans une ligne d'échappement. 20 Bien entendu, d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture des modes de réalisation décrits en référence aux figures, donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquelles : - la figure 1 représente de manière schématique et selon une vue en coupe longitudinale, un véhicule automobile partiellement représenté 25 comportant le dispositif de refroidissement, selon l'invention, - la figure 2 représente de manière schématique et selon une vue en coupe longitudinale, une variante de réalisation du dispositif de refroidissement de la figure 1, selon l'invention, - la figure 3 représente de manière schématique et selon une vue en 30 coupe longitudinale, une variante de réalisation d'un refroidisseur du dispositif de refroidissement de la figure 1, selon l'invention, 3032484 5 la figure 4 est un agrandissement d'un échangeur de chaleur du dispositif de refroidissement de la figure 1, selon une variante de réalisation de l'invention. Une partie de véhicule 20, tel que représenté de manière schématique 5 sur la figure 1, comprend un moteur 19 d'entraînement du véhicule alimenté en air par un conduit 9 relié au collecteur d'air d'admission. Les gaz de la combustion émis par le fonctionnement du moteur sont évacués vers l'extérieur via une ligne d'échappement 22. La ligne d'échappement 22 peut être reliée à au moins un dispositif de 10 traitement des gaz, tel que par exemple un dispositif de dépollution 21 destiné au traitement des oxydes d'azote selon une réduction catalytique sélective. Pour rendre le traitement possible, un dispositif d'injection d'urée est incorporé dans la ligne d'échappement 22, tout du moins par l'intermédiaire d'un injecteur 10 est monté directement sur la ligne d'échappement 22. 15 L'injecteur est connecté fluidiquement à un réservoir d'urée, au moyen d'une canalisation dédiée et électriquement à une unité électronique de commande afin de piloter la périodicité ainsi que la durée d'injection d'urée dans la ligne d'échappement. Selon le sens d'écoulement des gaz, l'injecteur est disposé en amont 20 d'un dispositif de dépollution 21 agissant sous l'effet de l'urée, afin de traiter les oxydes d'azote. Du fait de la localisation de l'injecteur sur la ligne d'échappement, dont la température peut avoisiner les 400°C, les propriétés physico-chimiques de l'urée injectée sont maintenues du fait de l'utilisation d'un dispositif de 25 refroidissement de l'injecteur décrit plus en détails ci-après. Le dispositif de refroidissement 1 est formé d'une embase coopérant par complémentarité de forme avec l'élément fonctionnel à refroidir, l'injecteur d'urée par exemple, afin d'opérer un échange thermique entre l'embase et l'injecteur. 30 Selon l'exemple de réalisation visible aux figures 2 et 4, l'embase comprend une ouverture 24 d'axe A-A au travers de laquelle l'injecteur est 3032484 6 destiné à être inséré. Le contact thermique entre la paroi de l'ouverture 24 et une partie périphérique du corps de l'injecteur permet un transfert thermique. L'embase 2 est un échangeur de chaleur délimitant une chambre d'échange thermique dans laquelle peut circuler un fluide de refroidissement. 5 La chaleur de l'injecteur est ainsi transmise par convection à l'embase 2, qui en tant qu'échangeur de chaleur opère une transmission des calories au liquide de refroidissement. Le dispositif de refroidissement 1 est du type d'un caloduc en ce sens qu'il comprend, une conduite 4 présentant deux extrémités, l'une étant reliée à 10 un refroidisseur 3, l'autre située à l'opposé, est reliée à l'échangeur de chaleur précédemment décrit. La conduite 4 permet l'écoulement du fluide de refroidissement entre l'échangeur de chaleur 2 et le refroidisseur 3, sans nécessiter le moindre apport d'énergie ou de moyen complémentaire, telle qu'une pompe à titre 15 d'exemple. Selon un repère orthonormé lié au dispositif de refroidissement, la conduite 4 s'étend du bas vers le haut, voire partiellement de manière sensiblement verticale de sorte que le fluide de refroidissement puisse évoluer librement entre l'échangeur de chaleur et le refroidisseur. 20 Selon un mode de réalisation du dispositif de refroidissement 1, le fluide de refroidissement est chauffé par l'échangeur de chaleur de sorte qu'il s'évapore le long de la conduite 4, avant d'être refroidit par un effet de condensation dans le refroidisseur 3. Le fluide de refroidissement peut avoir une température d'évaporation 25 définie selon la température optimale de fonctionnement de l'élément fonctionnel à refroidir, soit 60°C dans le cas de l'urée circulant dans l'injecteur à refroidir. Le dispositif de refroidissement 1 peut aussi contenir au niveau de son embase un milieu composé d'un matériau à changement de phase de type 30 solide / liquide en tant que premier matériau complété par un second matériau 3032484 7 de nature différente, destiné à être utilisé pour ses caractéristiques de changement d'état liquide / vapeur. Les matériaux à changement de phase peuvent être choisis pour avoir des températures de changement d'état voisines pour assurer la stabilité de la 5 température de l'injecteur d'urée. Le premier matériau tapisse le corps inférieur du caloduc, celui-ci peut être choisi pour son changement de phase solide / liquide autour de 60°C et le second pour son changement de phase liquide / vapeur à 60°C ou 65°C. Le premier matériau peut par exemple être une paraffine et le second 10 de l'eau. La vaporisation de l'eau pouvant être ramenée à 60°C ou 65°C par ajustement de la pression à l'intérieur du corps du caloduc. Le dispositif de refroidissement 1 est du type d'un caloduc basé sur le fonctionnement d'un principe d'évaporation et de condensation du fluide de refroidissement. Au niveau de l'embase formant un moyen de support de 15 l'injecteur à refroidir, le caloduc comprend un échangeur de chaleur qui permet l'évaporation du fluide de refroidissement. Compte tenu de la position de l'embase verticalement vers le bas comparativement au refroidisseur, le fluide de refroidissement évaporé circule dans le conduit 4 jusqu'au refroidisseur 3. 20 Le refroidisseur 3 permet un échange thermique entre le fluide de refroidissement à l'état de vapeur et l'air extérieur plus froid. Cet échange thermique génère une condensation du fluide de refroidissement qui par effet de gravité rejoint l'échangeur de chaleur 2 formé par l'embase du caloduc. Selon un premier mode de réalisation du dispositif de refroidissement 25 1, le refroidisseur 3 est un réceptacle de section sensiblement cylindrique. Selon un mode préféré de réalisation, le refroidisseur 3 comprend des ailettes périphériques afin d'augmenter l'échange thermique avec l'air extérieur. A titre d'exemple, les ailettes du refroidisseur 3 sont des ondulations. 30 A titre d'exemple, le refroidisseur 3 est réalisé à partir d'hydroformage créant ainsi lesdites ailettes périphériques. 3032484 8 Des parties sommitale et distale du refroidisseur présentent des ouvertures, l'une des ouvertures pouvant être fermée au moyen d'un bouchon non représenté, l'autre des ouvertures pouvant être reliée au conduit 4 par le biais d'un moyen de liaison approprié. 5 Dans l'hypothèse d'une conception du conduit 4 en aluminium, ce dernier peut être relié au refroidisseur 3 au moyen d'une opération de brasage. Un tel refroidisseur 3 est disposé dans une zone du véhicule qui est traversée par de l'air extérieur, afin d'aller puiser les frigories de l'air pour 10 opérer la condensation. A cet effet, le refroidisseur 3 peut être disposé dans la boîte à eau 13 située approximativement au niveau inférieur d'un parebrise non représenté du véhicule. La boite à eau 13 représentée sur la figure 1 est délimitée par une cloison transversale 14 s'étendant sensiblement parallèle au tablier 15 de séparation des compartiments moteur 12 et d'habitacle 17. La 15 boîte à eau 13 est pourvue d'une ouverture d'entrée d'air extérieur au véhicule et une ouverture de sortie d'air vers un dispositif de gestion thermique de l'air circulant vers l'habitacle 17. Sur la figure 1, seul le ventilateur 16 du dispositif de gestion thermique de l'air est représenté. L'écoulement de l'air dans la boîte à eau est représenté par la flèche F1. 20 Le ventilateur 16 peut être piloté selon le besoin thermique de condensation du fluide de refroidissement du dispositif selon l'invention. L'unité électronique de contrôle permettant le cadencement des injections, peut également piloter la vitesse de rotation du ventilateur 16 selon la température de l'injecteur. 25 Le dispositif de refroidissement 1 de la figure 2 est représenté avec un manchon 24 de protection thermique du conduit 4 de sorte que seules les calories de l'élément à refroidir, ici l'injecteur, utilise le principe de l'évaporation et de la condensation du fluide de refroidissement pour opérer son refroidissement. Le manchon 24 de protection thermique permet d'isoler 30 le dispositif de refroidissement 1 de toute autre source de chaleur avoisinante, 3032484 9 tel qu'un catalyseur 25 par exemple, situé en amont de l'injecteur selon le sens d'écoulement des gaz de la combustion dans la ligne 22 d'échappement. Selon un autre mode de réalisation du dispositif 1 de l'invention, le refroidisseur 3 est localisé au niveau du circuit d'alimentation en air du 5 véhicule, lequel est propulsé par un moteur à combustion interne pourvu d'un collecteur 18 d'air d'admission, comme cela est rendu visible sur la figure 3. Le refroidisseur 3 peut être positionné dans un boîtier contenant un filtre à air d'admission ou par exemple encore dans un circuit d'alimentation en air du moteur, le refroidisseur 3 étant alors assimilable à un manchon de 10 ce circuit. Le refroidisseur 3 peut être une partie d'une tubulure 9 d'admission d'air, définissant un conduit à l'intérieur duquel l'air d'admission est apte à circuler, comme cela est représenté par des flèches F2. Les extrémités longitudinales du refroidisseur 3 peuvent comprendre des brides de fixation 15 qui rendent aptes la fixation du refroidisseur 3 aux éléments adjacents, tel qu'un collecteur par exemple, sachant que selon d'autres exemples non limitatifs, il peut également s'agir d'un refroidisseur d'air de suralimentation ou d'un dispositif de filtration de l'air. Afin de rendre possible l'échange thermique entre le fluide de 20 refroidissement est l'air d'admission, le refroidisseur 3 comprend deux enveloppes concentriques, nommées par la suite enveloppe extérieure 7 et enveloppe intérieure 8, lesquelles sont reliées mutuellement l'une à l'autre par leurs extrémités libres. Par exemple, un tel refroidisseur est réalisé selon un assemblage de deux tubes en aluminium de telle sorte que la liaison des 25 extrémités 7 et 8 des deux enveloppes est réalisée par brasage. A titre d'exemple, les brides de fixation sont rapportées puis soudées aux enveloppes reliées, notamment par brasage. Le refroidisseur 3 est pourvu d'un moyen permettant un écoulement turbulent de l'air permettant d'augmenter l'échange thermique entre l'air 30 d'admission et le fluide de refroidissement. 3032484 10 Dans ce but, l'enveloppe intérieure 8 peut être ondulée de sorte que l'air d'admission à localement un écoulement tourbillonnaire à proximité de l'enveloppe intérieure 8, comme cela est représenté sur la figure 3. L'enveloppe extérieure 7 est sensiblement tubulaire est comprend une 5 ouverture radiale de communication avec la conduite 4. Le fluide de refroidissement à l'état de vapeur se condense de telle sorte que les gouttelettes d'eau se forment dans la chambre de condensation délimitée par les enveloppes extérieure 7 et intérieure 8 de refroidisseur 3. Quel que soit le refroidisseur 3 précédemment décrit, les gouttelettes 10 d'eau s'écoulent par gravité le long de la paroi intérieure de la conduite 4 afin de venir compléter la réserve 31 de fluide de refroidissement à l'état liquide. Le dispositif de refroidissement 1 contient une quantité de fluide de refroidissement définit de telle sorte que dans son état de fonctionnement normal, la quantité de fluide évaporé permet de maintenir constamment une 15 quantité de fluide à l'état liquide dans ledit dispositif de l'invention. Comme cela est rendu visible à la figure 4, l'embase 2 peut contenir un matériau 32 à changement de phase, tel qu'un matériau à base de paraffine. Le matériau à changement de phase permet avantageusement de créer une stabilité thermique [ MERCI DE BIEN VOULOIR DETAILLER ]. 20 Le matériau à changement de phase peut également être choisi afin d'absorber des calories lors de sa transformation de l'état solide à l'état liquide. Son point de fusion peut être autour de la température préconisée d'utilisation du fluide à injecter, par exemple 60°C pour de l'urée A l'état solide, le matériau 32 à changement de phase est 25 thermiquement isolé du fluide de refroidissement de sorte que le processus d'évaporation et de condensation autonome du dispositif de refroidissement est inactif. Dès lors que la température du matériau 32 atteint sa température de fusion, il y a fusion du matériau 32 et conduction de ses calories au fluide 31 30 de refroidissement. Le processus d'évaporation et de condensation prend dès 3032484 11 lors effet, afin de refroidir le matériau 32 à changement de phase en contact thermique avec l'injecteur. Le matériau à changement de phase contenu dans l'échangeur de chaleur peut être un alcane à chaine longue telle qu'une paraffine dont la 5 température de fusion est inférieure à la température prédéterminée du fluide à injecter, par exemple une température de 60°C pour de l'urée. Le dispositif de refroidissement contient également un liquide dont la température d'évaporation peut être de 60°C à 65°C. Dans ce qui précède, l'injecteur à refroidir est l'injecteur d'urée utilisée 10 pour le traitement des oxydes d'azote rejetés par le moteur du véhicule. Le dispositif 1 de refroidissement peut également être utilisé dans le refroidissement d'un injecteur de carburant également disposé dans la ligne d'échappement et dont le but est de générer une post-combustion de carburant dans un but d'une régénération du filtre à particules. 15 Avantageusement, le dispositif 1 de refroidissement de l'invention est autonome dans son fonctionnement de sorte que les émissions polluantes du véhicule peuvent être traitées sans requérir une énergie complémentaire. Avantageusement encore, le dispositif 1 de refroidissement peut être adapté au refroidissement d'autres éléments fonctionnels, comme par 20 exemple un palier d'un turbo compresseur, un convertisseur de courant ou une machine électrique de type d'un moteur d'entraînement d'un véhicule. L'adaptation du dispositif 1 de refroidissement auxdits éléments fonctionnels susmentionnés consiste en une modification de l'embase 2 de sorte que l'échange thermique avec le fluide de refroidissement et l'élément à refroidir 25 puisse être effectif. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de refroidissement d'un élément fonctionnel (10) d'un véhicule, comprenant une embase (2) formant un échangeur de chaleur avec ledit élément fonctionnel (10), reliée à un refroidisseur (3) par l'intermédiaire d'une conduite (4) formant un chemin d'écoulement d'un fluide de refroidissement, le refroidisseur (3) est situé au-dessus de l'embase (2) de sorte que lors d'un changement d'état du fluide de refroidissement, la conduite (4) et le refroidisseur (3) sont traversés par le fluide de refroidissement. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, selon lequel l'embase (2), la conduite (4) et le refroidisseur (3) sont traversés par un fluide de refroidissement à changement d'état. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, selon lequel l'embase (2) est un évaporateur comprenant au moins une chambre destinée à recevoir un fluide de refroidissement, ladite chambre comportant un moyen de support dudit élément (10) fonctionnel à refroidir. 4. Dispositif (1) selon l'une quelconques des revendications 1 à 3, selon lequel ledit refroidisseur (3) de chaleur est un condenseur destiné à être refroidi par un écoulement d'air. 5. Dispositif (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le condenseur comprend un corps (7) cylindrique dont la paroi périphérique est pourvue d'ailettes afin d'améliorer l'échange thermique avec de l'air extérieur. 6. Dispositif (1) selon à la revendication 4, caractérisé en ce que le condenseur comprend un corps (7) tubulaire dont une partie intérieure (8) est ondulée afin d'améliorer l'échange thermique avec l'air extérieur, ledit condenseur formant une partie d'un conduit d'alimentation en air d'un moteur. 7. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est de l'eau de sorte que 3032484 13 lors d'un échange thermique avec l'élément fonctionnel, le fluide de refroidissement est susceptible de s'évaporer de l'embase (2) vers le refroidisseur (3). 8. Véhicule (20) du type d'une automobile caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de refroidissement conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Véhicule (20) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une caisse (11) délimitant un compartiment (12) moteur adjacent à une boîte à eau (13) délimitée en partie par une cloison transversale (14) et un tablier 10 avant (15), ledit élément fonctionnel (10) à refroidir étant disposé dans le compartiment (12) moteur, le refroidisseur (3) étant traversé par un écoulement d'air extérieur circulant dans le compartiment (12) moteur ou dans la boîte à eau (13). 10. Véhicule (20) selon la revendication 9, caractérisé en ce que le 15 refroidisseur (3) est disposé en amont d'un dispositif (16) de gestion thermique de l'air à destination d'un habitacle (17), selon un sens d'écoulement (F1) de l'air vers l'habitacle. 11. Véhicule (20) selon la revendication 10, caractérisé en ce que le refroidisseur (3) est disposé en amont d'un collecteur (18) d'air d'admission à 20 destination du moteur (19) du véhicule, selon un sens d'écoulement (F2) de l'air extérieur vers le moteur. 12. Véhicule (20) selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que l'élément fonctionnel (10) à refroidir est un injecteur d'urée ou de carburant situé en amont d'un dispositif de dépollution (21), 25 selon un sens d'écoulement (G) des gaz dans une ligne d'échappement (22).