Brevet FR3040479A1 — publié le 20170303

Echangeur de chaleur L'invention se rapporte notamment à un échangeur de chaleur, notamment pour un circuit de gaz d'échappement recirculés, ou EGR (Exhaust Gas Recirculation an anglais) de véhicule automobile. La technologie EGR essence peut être associée avantageusement à une plus grande compacité des moteurs à combustion liée à la tendance de « downsizing » des moteurs essence. La combinaison de la suralimentation avec de l'EGR refroidi basse pression permet des gains intéressants en terme d'économie de carburant. Une des problématiques est de contrôler précisément le débit de gaz recirculés par le circuit EGR avec pour objectif de contrôler le taux EGR en entrée cylindres avec une précision de +/-3% absolue. Le débit EGR est déterminé par la mesure de la température, du delta de pression amont/aval vanne ainsi que de la position de la vanne EGR, selon la formule ci-dessous : Pa 2y ( Pb% ( 13bY EGR ef 1/T y 13'a Concernant l'évaluation de la pression différentielle aux bornes de la vanne, l'une des possibilités est d'utiliser un capteur de différence de pression. La précision de ce capteur est directement liée à sa plage de mesure. Dans le cas d'une utilisation du capteur aux bornes du circuit EGR complet, comparativement à un emplacement directement aux bornes de la vanne EGR, la plage de mesure est plus importante donc la précision sera moindre. De plus, afin d'appliquer la formule d'estimation du débit EGR, il faut estimer la perte de charge due aux tuyaux et à l'échangeur des gaz EGR. Il peut être nécessaire de prendre en compte le vieillissement et l'encrassement de l'échangeur de chaleur et donc développer le modèle 3040479 2 associé pour estimer la perte de charge engendrée par l'échangeur de chaleur tout au long de la vie du véhicule. Cette baisse de précision du capteur assortie à une estimation de la perte de charge de l'échangeur des gaz entraîne une dégradation de 5 la mesure de la valeur de la différence de pression aux bornes de la vanne et donc un manque de précision du débit des gaz EGR. Concernant l'évaluation de la température des gaz EGR au niveau de la vanne, plusieurs possibilités sont envisageables, suivant les contraintes d'environnement moteur/véhicule. 10 Par exemple il est possible d'utiliser un modèle d'estimation de la température. Cette technique nécessite un modèle d'estimation de la température des gaz d'échappement au niveau du point de piquage des gaz EGR avec un modèle de perte thermique aux parois du circuit EGR. A l'heure actuelle, la température des gaz dans la ligne 15 d'échappement est estimée avec une erreur pouvant varier entre -50°C et +80°C. Ce manque de précision risque de s'accroître en prenant en compte la nécessité d'évaluer la chaine thermique du circuit EGR en lui-même (tuyaux et échangeur). On connait par exemple de la demande de brevet EP2853723 20 un procédé de détermination du taux d'EGR dans un moteur. L'invention vise à remédier aux inconvénients précités. L'invention a ainsi pour objet un échangeur de chaleur, notamment pour un circuit EGR d'un véhicule automobile, l'échangeur 25 comportant : - un corps, - un ensemble de surfaces d'échange de chaleur au contact desquelles du fluide circulant dans le corps est refroidi, - un élément de mesure agencé pour permettre la mesure d'une 30 caractéristique physique du fluide circulant dans une région de 3040479 3 sortie du corps, région qui est en aval de l'ensemble des surfaces d'échange de chaleur. Grâce à l'invention, la mesure de la caractéristique physique, 5 notamment une température ou une différence de pression du fluide, se fait à un emplacement approprié, au niveau de la sortie de l'échangeur, ce qui perme une meilleure précision de la mesure. De préférence, le fluide circulant dans le corps est un gaz 10 d'échappement recirculé (gaz EGR) issu de l'échappement du moteur à combustion du véhicule. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la région de sortie du corps présente une section transversale qui se réduit en s'éloignant de l'ensemble de surfaces d'échange de chaleur. 15 Par exemple la région de sortie présente une forme sensiblement tronconique. La section transversale de cette région peut être sensiblement rectangulaire. Le corps présente une région centrale dans laquelle est disposé 20 l'ensemble des surfaces d'échange de chaleur, cette région centrale se raccordant à la région de sortie. Par exemple, la région centrale présente une forme sensiblement cylindrique, par exemple de section transversale sensiblement rectangulaire. 25 Le cas échéant, le corps comporte une région d'entrée se raccordant à la région centrale, cette région d'entrée présentant une section transversale qui se réduit en s'éloignant de la région centrale, cette région d'entrée présentant par exemple une forme sensiblement tronconique ou ayant une section transversale sensiblement rectangulaire. 30 Par exemple, le corps est réalisé en aluminium par moulage ou en acier inoxydable. 3040479 4 Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'ensemble de surfaces d'échange de chaleur est refroidi par un fluide de refroidissement provenant d'une dérivation du circuit principal de refroidissement existant du moteur à combustion. 5 Avantageusement l'ensemble de surfaces d'échange de chaleur comportent des surfaces sensiblement parallèles entre elles et entre lesquelles circulent les gaz EGR. De préférence, le corps comporte un orifice agencé pour permettre le passage de l'élément de mesure dans la région de sortie. 10 L'élément de mesure est monté dans l'orifice par vissage par exemple dans un plot fileté de même matière que le corps sur lequel il est assemblé soit brasé dans le cas de l'inox soit par soudure dans le cas d'utilisation d'un alliage d'aluminium. Par exemple l'élément de mesure est agencé pour mesurer une 15 température des gaz EGR qui circulent dans la région de sortie. Le capteur de température EGR est par exemple un capteur à thermistance dont la résistance évolue en fonction avec la température. En variante, l'élément de mesure est agencé pour mesurer une pression des gaz EGR qui circulent dans la région de sortie. 20 Le capteur de pression peut par exemple comporter un élément capacitif ou piezzorésistif permettant de délivrer une tension en fonction de la pression mesurée. En variante encore, l'échangeur comporte, pour la région de sortie, à la fois un élément de mesure de la température et un élément de 25 mesure de la pression des gaz EGR circulant dans la région de sortie. Grâce à l'invention, concernant une mesure de différence de pression par un capteur de pression avec une prise de mesure en amont de la vanne EGR, et de préférence avec un piquage (ou prise de mesure), supplémentaire en aval de cette vanne EGR, il est possible d'avoir une 30 mesure directe de la différence de pression aux bornes de la vanne et 3040479 5 d'avoir une plage de mesure réduite, ce qui peut faciliter l'estimation du débit de gaz EGR passant par la vanne EGR. Par exemple, il est possible de garantir une estimation du taux EGR à +/-3% en absolu. 5 Concernant la mesure de température, l'invention permet d'avoir une mesure directe de la température des gaz EGR. L'invention peut permettre de mesurer la température des gaz avec une précision inférieure garantissant une estimation du taux EGR à +/-3% en absolu. 10 L'invention a également pour objet un circuit EGR de véhicule automobile comportant un échangeur de chaleur selon tel que défini ci-dessus. La vanne EGR est avantageusement agencée pour réguler le débit des gaz EGR. 15 Selon un mode de réalisation, la vanne de réglage du débit de gaz d'échappement recirculés EGR est de type à volet rotatif. Ce type de vanne offre une bonne perméabilité, c'est-à-dire qu'elle engendre peu de pertes de charges. Selon un autre mode de réalisation, la vanne de réglage du débit 20 de gaz d'échappement recirculés EGR est de type à soupape. Ce type de vanne offre une bonne étanchéité et est compatible avec des températures de gaz élevées De préférence la vanne EGR est disposée en aval de l'échangeur de chaleur. 25 De préférence encore, l'élément de mesure est agencé pour mesurer une pression et cet élément de mesure fait partie d'un capteur de pression qui comporte un autre élément de mesure de pression permettant de mesurer une différence de pression entre l'amont et l'aval de la vanne EGR grâce à ces deux éléments de mesure de pression du capteur de 30 pression. 3040479 6 Avantageusement un seul élément électronique de mesure est utilisé, pour éviter d'accumuler les erreurs Le cas échéant, le circuit comporte une conduite de circulation de gaz EGR entre l'échangeur et la vanne, et l'élément de mesure est 5 agencé pour mesurer une caractéristique physique des gaz EGR qui circulent dans cette conduite. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le circuit est agencé pour un moteur à essence. De préférence, le circuit EGR est à basse pression. Par exemple 10 les gaz EGR sont prélevés dans la ligne d'échappement en aval de la turbine et plus précisément soit en amont soit en aval du catalyseur, pour être recirculés dans un circuit d'admission d'air comburant en amont du dispositif de suralimentation. L'invention concerne également un procédé de mesure d'une 15 caractéristique physique de gaz EGR circulant dans un circuit EGR, ce procédé comportant l'étape suivante : - mesurer cette caractéristique en amont d'une vanne EGR du circuit EGR. 20 Cette mesure est réalisée de préférence entre un échangeur de chaleur et la vanne EGR. De préférence, la vanne peut être placée dans une boucle EGR comprenant un échangeur et un canal de dérivation contournant ledit échangeur, l'organe de dosage régulant le flux gazeux dans ladite boucle 25 EGR et l'organe d'aiguillage obturant, soit une voie d'accès audit échangeur, soit ledit canal de dérivation. La boucle EGR peut être une boucle haute pression ou basse pression. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, après 30 détente dans la turbine, les gaz d'échappement traversent au moins un dispositif de post-traitement, comprenant un catalyseur qui catalyse les 3040479 7 réactions chimiques d'oxydation et de réduction des polluants se trouvant dans les gaz d'échappement. On donne ci-après, une description détaillée, de modes de 5 réalisation d'un circuit EGR selon l'invention, en se référant aux figures 1 à 4: - La figure 1 est une vue schématique et partielle d'un circuit EGR basse pression selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, 10 - La figure 2 représente, schématiquement et partiellement, en coupe, un échangeur équipant le circuit de la figure 1, - Les figures 3 et 4 sont des vues schématiques et partielles d'un circuit EGR basse pression selon d'autres exemples de mise en oeuvre de l'invention. 15 On a représenté sur la figure 1 un circuit EGR 1 de véhicule automobile. Ce circuit 1 comporte une vanne EGR 2 basse pression placée sur une ligne retour 10 reliant une ligne d'échappement 3 en aval d'une 20 turbine 4 à une ligne d'admission 5 d'air frais en amont d'un compresseur 6. L'ensemble turbine 4 et compresseur 6 forme un turbocompresseur 11 qui équipe un moteur à combustion 7, de manière connue en soi. 25 En aval de la turbine 4, la ligne d'échappement comprend le catalyseur d'oxydation-réduction 9 élément de dépollution pour les moteurs essence. La ligne retour 10 comprend en outre un échangeur de chaleur 20 qui comprend : 30 - un corps 21, 3040479 8 - un ensemble de surfaces d'échange de chaleur 22 au contact desquelles des gaz EGR circulant dans le corps 21 sont refroidis, - des éléments de mesure, décrits plus bas, agencés pour permettre la mesure de caractéristiques physiques des gaz EGR 5 circulant dans une région de sortie 23 du corps 21, région 23 qui est en aval de l'ensemble des surfaces d'échange de chaleur 22. La région de sortie 23 du corps présente une section transversale S qui se réduit en s'éloignant de l'ensemble de surfaces 10 d'échange de chaleur 20. La section transversale S de cette région 23 est sensiblement rectangulaire. Le corps 21 présente une région centrale 25 dans laquelle est disposé l'ensemble des surfaces d'échange de chaleur 22, cette région 15 centrale 25 se raccordant à la région de sortie 23. La région centrale 25 présente une forme sensiblement cylindrique de section transversale sensiblement rectangulaire. Le corps 21 comporte une région d'entrée 26 se raccordant à la région centrale 25, cette région d'entrée 26 présentant une section 20 transversale qui se réduit en s'éloignant de la région centrale 25, cette région d'entrée présentant une section transversale sensiblement rectangulaire. Le corps 21 est réalisé en acier inoxydable. L'ensemble de surfaces d'échange de chaleur 22 est refroidi par 25 un fluide de refroidissement provenant d'une dérivation du circuit principal de refroidissement existant du moteur. L'ensemble de surfaces d'échange de chaleur 22 comportent des surfaces 27 sensiblement parallèles entre elles et entre lesquelles circulent les gaz EGR. 3040479 9 Le corps 21 comporte un orifice 30 agencé pour permettre le passage de l'élément de mesure dans la région de sortie 23, comme illustré sur la figure 2. Parmi les éléments de mesure, l'un d'eux, référencé 35 est 5 agencé pour mesurer une température des gaz EGR qui circulent dans la région de sortie 23. Cet élément de mesure 35 est monté dans l'orifice 30 par vissage d'un plot fileté 50 de même matière que le corps sur lequel il est assemblé soit brasé dans le cas de l'inox soit par soudure dans le cas 10 d'utilisation d'un alliage d'aluminium. Dans le cas du vissage, un écrou 29 peut être ajouté, comme illustré sur la figure 2. L'élément de mesure 35 est agencé pour mesurer une température des gaz EGR qui circulent dans la région de sortie 23. Parmi les éléments de mesure, deux d'entre eux, référencé 36, 15 sont agencés pour mesurer une pression des gaz EGR qui circulent en amont et en aval de la vanne 2. Ces éléments 36 font partie d'un capteur de pression différentiel 39 permettant de mesurer une différence de pression entre l'amont et l'aval de la vanne EGR 2. En variante, comme illustré sur la figure 3, l'échangeur 20 20 comporte, pour la région de sortie 23, un des éléments 36 de mesure de la pression qui mesure la pression des gaz EGR en amont de la vanne 2. Dans l'exemple de la figure 3, l'élément de mesure de la température 35 est agencé pour mesurer la température des gaz EGR qui circulent dans une conduite 40 reliant l'échangeur 20 à la vanne 2. 25 Cette conduite 40 pourrait être inexistante et l'échangeur 20 débouche directement sur la vanne 2. En variante, comme illustré sur la figure 4, l'échangeur 20 comporte, pour la région de sortie 23, à la fois un élément de mesure de la température 35 et un élément de mesure de la pression 36 des gaz EGR 30 circulant dans la région de sortie. Le circuit 1 est agencé pour un moteur à essence. 3040479 10 Les éléments de mesure 35 et 36 sont reliés à une unité de traitement, non représentée, capable de traiter les données venant de ces éléments, notamment en vue de contrôler le débit de gaz EGR dans le circuit. Le débit d'EGR peut ainsi être estimé en temps réel par l'unité de 5 commande du moteur, à partir des mesures de température, de pression et de la position angulaire de la vanne. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (1), notamment pour un circuit EGR d'un véhicule automobile, l'échangeur comportant : un corps (21), un ensemble de surfaces d'échange de chaleur (22) au contact desquelles du fluide circulant dans le corps est refroidi, 10 un élément de mesure (35, 36) agencé pour permettre la mesure d'une caractéristique physique du fluide circulant dans une région de sortie du corps, région (23) qui est en aval de l'ensemble des surfaces d'échange de chaleur. 15 2. Echangeur selon la revendication précédente, le fluide circulant dans le corps (21) étant un gaz recirculé (gaz EGR) issu de l'échappement du moteur à combustion du véhicule. 3. Echangeur l'une des revendications précédentes, la région de 20 sortie (23) du corps présentant une section transversale qui se réduit en s'éloignant de l'ensemble de surfaces d'échange de chaleur. 4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, le corps présentant une région centrale (25) dans laquelle est disposé 25 l'ensemble des surfaces d'échange de chaleur, cette région centrale se raccordant à la région de sortie. 5. Ensemble selon la revendication précédente, le corps comportant une région d'entrée (26) se raccordant à la région centrale, 30 cette région d'entrée présentant une section transversale qui se réduit en s'éloignant de la région centrale. 6. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, le corps comportant un orifice (30) agencé pour permettre le passage de l'élément de mesure dans la région de sortie. 7. Echangeur selon la revendication précédente, l'élément de mesure étant monté dans l'orifice par vissage. 10 8. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, l'élément de mesure étant agencé pour mesurer une température des gaz EGR qui circulent dans la région de sortie. 9. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, 15 l'élément de mesure étant agencé pour mesurer une pression des gaz EGR qui circulent dans la région de sortie. 10. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, comportant, pour la région de sortie, à la fois un élément de mesure de la 20 température et un élément de mesure de la pression des gaz EGR circulant dans la région de sortie. 11. Circuit EGR de véhicule automobile comportant un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes. 25 12. Circuit selon la revendication précédente, comportant une vanne EGR agencée pour réguler le débit des gaz EGR. 13. Circuit selon la revendication précédente, la vanne 30 EGR étant disposée en aval dé l'échangeur de chaleur. 14. Circuit selon l'une des revendications 11 à 13, le circuit EGR étant à basse pression. P+ecédé de mesure d'une caractéristique physique de gaz EGR circulant dans un circuit EGR, ce procédé comportant l'étape suivante - mesurer cette caractéristique en amont d'une vanne EGR du circuit EGR, le circuit EGR comportant un échangeur de chaleur, selon l'une des revendications précédentes.