Brevet FR3071556A1 — publié le 20190329

Description Titre de l'invention : Refroidisseur de gaz d'échappement et système de réinjection de gaz d'échappement équipé d'un refroidisseur de gaz d'échappement [0001] La présente invention se rapporte à un refroidisseur de gaz d'échappement, ainsi qu'à un système de réinjection de gaz d'échappement équipé d'au moins un refroidisseur de ce type. [0002] Dans le domaine des moteurs à combustion interne, il est habituel de réinjecter un certain volume de gaz d'échappement vers le côté air frais, en vue d'un abaissement de la consommation de carburant et d'une réduction d'émissions. Les gaz réinjectés doivent, au moins dans des conditions de fonctionnement déterminées, faire l'objet d'un refroidissement. [0003] Il est connu à cet égard, par exemple d'après le document JP 5941878 B2, de canaliser les gaz d'échappement par l'intermédiaire de nombreuses tubulures d'échappement logées dans un boîtier, ce qui permet d'engendrer respectivement, entre le boîtier et les tubulures ou entre lesdites tubulures, un écoulement comprenant par exemple un agent liquide de refroidissement, notamment de l'eau et du glycol. Dans ce cas, cependant, le refroidisseur se réchauffe en particulier du côté entrée des gaz, ce qui implique qu'il accuse, dans cette zone, une température nettement plus élevée que dans la poursuite du tracé. Cela gouverne une répartition de température non homogène dans le matériau du refroidisseur, et des contraintes en conséquence. Notamment des variations de température, affectant aussi bien les gaz que l'agent de refroidissement et imputables au comportement de fonctionnement instable du moteur à combustion interne (par exemple, démarrage à froid, alternance de charges, taux de recyclage des gaz d'échappement, etc.) se traduisent, en présence d'épaisseurs de matériaux différentes, et donc de différentes vitesses de variation de température, par des défauts d'homogénéité supplémentaires dans la répartition de température qui engendrent les contraintes décrites. [0004] De tels défauts d'homogénéité revêtent une forme particulièrement critique dans la zone d'admission des gaz car, en premier lieu, les minces arêtes 2 frontales des tubulures d'échappement entrent en contact avec le flux massique des gaz d'échappement chauds non refroidis et, du fait de la minceur des parois, la chaleur induite ne peut être cédée que lentement à l'eau de refroidissement. En second lieu, les tubulures d'échappement sont habituellement reliées, dans le sens latéral, à un boîtier qui présente une épaisseur de paroi nettement supérieure et dont la température varie, de ce fait, avec une inertie plus accentuée ; ou, respectivement, les parois dudit boîtier ne sont pas directement exposées audit flux massique des gaz d'échappement chauds. Dans maintes applications, une bride à paroi épaisse, située à l'extérieur du boîtier, rend la situation encore plus complexe. Les tubulures réchauffées se dilatent, dans la zone d'admission, étant donné que la température du boîtier et/ou de la bride n'a pas encore suffisamment varié pour provoquer une dilatation similaire, la dilatation différente gouvernant alors des contraintes. [0005] Les contraintes se traduisent par une déformation plastique dans le composant structurel plus mince, à savoir l'arête frontale de la tubulure d'échappement qui est refoulée et/ou se gondole. A stade du refroidissement, la tôle relativement mince refroidit plus rapidement, ou bien tous les composants structurels mentionnés refroidissent, certes, de façon simultanée, mais la tôle refoulée doit néanmoins recouvrer son emplacement initial et se dilater, ce qui engendre des contraintes de traction dans ladite arête frontale de la tubulure. Ces contrainte alternée et déformation plastique se soldent par la défaillance du matériau constituant ladite tubulure. Dans ce contexte, il convient également de tenir compte du fait que, pendant sa durée utile, un refroidisseur de gaz d'échappement doit résister plusieurs centaines de milliers de fois à la contrainte alternée décrite. [0006] Eu égard à ces considérations d'arrière-plan, l'invention a pour objet de fournir un refroidisseur de gaz d'échappement qui soit durablement stable, et économique dans le même temps. [0007] Conformément à l'invention, cet objet est atteint grâce à un refroidisseur de gaz d'échappement qui, muni d'au moins une tubulure d'échappement dévolue à des gaz d'échappement devant être refroidis, est caractérisé par le fait qu'au moins un espace interstitiel est prévu au niveau de l'admission d'au moins une 3 tubulure d'échappement, dans la direction de l'étendue d'au moins une paroi perpendiculaire à la direction de l'écoulement des gaz d'échappement, entre ladite paroi de la tubulure et des composants structurels voisins dans le sens latéral. [0008] Il est en conséquence prévu, au niveau de l'admission d'au moins une tubulure d'échappement, au moins un espace interstitiel réservé par rapport à des composants structurels latéralement voisins. En d'autres termes, au moins une tubulure d'échappement, dont la direction de l'étendue est perpendiculaire à la direction de l'écoulement, n'est pas fixée à des composants structurels environnants tels qu'un boîtier et/ou une bride, par exemple ; en revanche, un espace interstitiel se trouve directement au voisinage latéral d'au moins une paroi de ladite tubulure et au moins d'un côté, de préférence au voisinage de toutes les parois, si bien que ladite tubulure peut se dilater librement, au cours du réchauffement, perpendiculairement à ladite direction de l'écoulement. Ainsi, la dilatation n'est pas le siège des contraintes et déformations plastiques décrites ci-avant, génératrices de détériorations. La liaison entre les tubulures et le boîtier est instaurée en aval de l'écoulement gazeux, en un emplacement auquel une répartition de température homogène est escomptée. Qui plus est, la canalisation de l'agent de refroidissement peut être avantageusement conçue de façon telle qu'elle assure un bon refroidissement d'une telle liaison sur l'intégralité des composants structurels. [0009] L'on fera observer, à titre complémentaire, que la paroi de la tubulure d'échappement, respectivement concernée, peut être considérée comme une mince platine s'étendant, d'une part, dans la direction de l'écoulement et, d'autre part, perpendiculairement à cette direction. De surcroît, la direction de l'épaisseur de ladite platine s'étend, elle aussi, perpendiculairement à la direction de l'écoulement ; conformément à l'invention, cependant, il convient de prévoir des espaces interstitiels non pas dans la direction de l'épaisseur, en d'autres termes au-dessus et/ou au-dessous de la paroi lorsque celle-ci est orientée horizontalement, mais plutôt dans le sens latéral par rapport à cette dernière, en d'autres termes « à côté » de ladite paroi dans la direction de l'étendue susdécrite, perpendiculaire à la direction de l'écoulement. Lorsque, dans ce cas, 4 un espace interstitiel est prévu sur au moins un côté et de préférence des deux côtés, d'une manière autre que celle habituelle dans l'art antérieur, il peut être tiré parti de l'effet exercé par l'invention. [0010] Par souci de complétude, l'on fera par ailleurs observer que le refroidisseur de gaz d'échappement conforme à l'invention est préférentiellement pourvu de tubes aplatis qui peuvent, de préférence, être empilés de telle sorte que les côtés longs de la section transversale rectangulaire d'un tel tube aplati forment, simultanément, la délimitation de tubulures d'échappement occupant des emplacements contigus. Les espaces interstitiels conformes à l'invention sont prévus, de préférence, pour ces côtés longs. [0011] Concernant le dimensionnement de l'espace interstitiel décrit, dans la direction d'écoulement des gaz d'échappement, de bons résultats sont escomptés en présence d'une longueur ou étendue minimale de 5 mm, et/ou d'une étendue maximale de 2 cm. [0012] II en va de même pour un dimensionnement d'au moins 1 mm et/ou mesurant, au maximum, jusqu'à 5 mm perpendiculairement à la direction de l'écoulement. [0013] De préférence, en vue d'un ample transfert de chaleur s'opérant depuis les gaz d'échappement jusqu'à l'agent de refroidissement circulant autour des tubulures d'échappement, au moins une tubulure d'échappement est pourvue, dans son espace interne, de nervures ou d'ailettes pouvant être, préférentiellement, de réalisation ondulée dans la direction de l'écoulement. [0014] Les avantages procurés par l'invention peuvent être notamment mis à profit en présence d'un refroidisseur de gaz d'échappement comportant au moins une tubulure d'échappement dotée d'au moins une paroi présentant une épaisseur de 0,3 mm à 0,5 mm. Une telle tubulure est de réalisation relativement mince, et donc « légère », les mesures conformes à l'invention permettant, dans le même temps, d'éviter des détériorations au niveau de l'admission. [0015] Au moins une tubulure d'échappement est typiquement entourée d'un boîtier et/ou d'une bride muni(e), de préférence, d'au moins une paroi présentant une épaisseur de 1 mm à 1,5 mm et/ou une épaisseur de 5 mm à 8 mm. De la sorte, ledit boîtier et/ou ladite bride est (sont) nettement plus épais(se) et plus stable(s) que les tubulures d'échappement et confère ainsi globalement, au refroidisseur de gaz d'échappement, une stabilité avantageuse. Simultanément, du fait de la mesure conforme à l'invention, ils ne bloquent pas à demeure les zones d'admission des tubulures, ce qui permet d'éviter les problèmes décrits. [0016] De préférence, d'autres espaces interstitiels sont prévus en d'autres emplacements le long du tracé d'au moins une tubulure d'échappement, dans la direction de l'écoulement, et jouxtent latéralement ladite tubulure, ce qui, dans ce cas, autorise un flux enveloppant par de l'agent de refroidissement et permet concomitamment d'obtenir en des emplacements bien définis, entre les espaces interstitiels décrits, une fixation bien définie des tubulures opérée, par exemple, sur le boîtier environnant. [0017] Le refroidisseur de gaz d'échappement conforme à l'invention offre des avantages particuliers lorsqu'il est employé en tant que refroidisseur de réinjection des gaz d'échappement. [0018] La présente demande a en outre pour objet, de façon correspondante, un système de réinjection de gaz d'échappement, équipé d'au moins un refroidisseur de ce type. [0019] Un exemple de réalisation préférentiel de l'invention, illustré sur les figures, fait l'objet d'un commentaire détaillé ci-après. Sur les dessins : [0020] la figure 1 est une vue partielle, en perspective, d'un refroidisseur de gaz d'échappement conforme à l'invention ; et [0021] la figure 2 est une coupe de la zone d'admission d'un refroidisseur de gaz d'échappement conforme à l'invention. [0022] Comme cela est mis en lumière par la figure 1, un refroidisseur 10 de gaz d'échappement conforme à l'invention présente, dans le cas illustré, une section transversale substantiellement rectangulaire et une étendue longiligne (vers la gauche en partie haute de la figure 1). Au moyen d'une bride 22, ledit refroidisseur peut être respectivement raccordé à un conduit non représenté (de réinjection) de gaz d'échappement, ou relié à un carter de vanne, en particulier d'une vanne EGR (de recyclage des gaz d'échappement), ou à un module EGR. Ladite bride peut, par exemple, être venue de fonderie ; les parois des tubulures 6 d'échappement, décrites ci-après, les nervures prévues dans ces dernières, et le boîtier, peuvent être réalisés en de la tôle coudée ou cintrée de manière correspondante. De nombreuses tubulures d'échappement 12, logées dans l'espace interne du refroidisseur, sont formées en substance par des platines métalliques 20 orientées parallèlement les unes aux autres, par des parois latérales relativement aplaties, et par des nervures ou des ailettes 18 respectivement placées entre ces dernières, ce qui ressort mieux de la coupe par-dessus de la figure 2. Ainsi, lesdites platines 20 forment des parois des tubulures d'échappement se présentant comme des tubes aplatis relativement minces qui peuvent, de ce fait, subir des détériorations résultant de la dilatation et de la contraction, comme décrit ci-avant. [0023] Une observation de la figure 2 révèle la présence, entre la bride 22 et la tubulure d'échappement 12, d'un boîtier 26 qui entoure les nombreuses tubulures 12 de façon telle que lesdites tubulures, fermées dans le sens latéral, puissent baigner dans un agent liquide de refroidissement, de l'eau par exemple, afin de refroidir les gaz d'échappement qui les parcourent. [0024] Le boîtier 26 est, à chaque fois, relié extérieurement à la bride massive 22, sachant toutefois qu'il est réservé conformément à l'invention, au niveau d'une admission 14 de la tubulure d'échappement 12 considérée et dans le sens latéral par rapport à cette dernière, comme cela est mis en lumière à gauche et à droite sur la figure 2, un espace interstitiel 16 qui autorise, de manière avantageuse, une dilatation de ladite tubulure d'échappement lors d'un réchauffement provoqué par la circulation des gaz d'échappement chauds. L'étendue dans le sens latéral, en d'autres termes perpendiculairement à la direction de l'écoulement (de bas en haut sur la figure 2), est mise en évidence à gauche et à droite sur la figure 2. L'étendue des espaces interstitiels 16 dans la direction de l'écoulement, jusqu'à une zone 28 de fixation de la tubulure d'échappement au boîtier 26, offre pareillement un tracé de bas en haut, sur la figure 2, et mesure préférentiellement de 5 mm à 2 cm. D'autres espaces interstitiels 24 sont prévus dans la poursuite du tracé de la liaison entre ledit boîtier 26 et ladite tubulure 12. [0025] En outre, la figure 2 met en lumière la configuration ondulée des nervures 18, s'étendant dans la direction de l'écoulement dans la forme de réalisation illustrée. 7 [0026] Dans l'exemple de réalisation représenté, la zone de fixation 28 s'étend au moins de quelques millimètres, par exemple de 5 mm, et/ou jusqu'à 2 cm dans la direction de l'écoulement. De façon correspondante, cela met en évidence la considération suivante : si, dans une telle réalisation, la zone de fixation 28 était prévue directement à l'extrémité située en amont sur la paroi 20, et donc au niveau de l'admission, il est impossible de délivrer un agent de refroidissement à cet emplacement du fait de l'étendue de ladite zone 28 dans la direction de l'écoulement. En conséquence, il survient le problème décrit ci-avant, résolu par l'espace interstitiel 16 conforme à l'invention, qui décale ladite zone 28 dans une certaine mesure en aval dans ladite direction de l'écoulement. [0027] Dans la forme de réalisation illustrée, la bride 22 présente une épaisseur qui, mesurée dans la direction de l'écoulement, est supérieure à l'étendue de l'espace interstitiel 16 en vue d'obtenir, dans l'ensemble, une réalisation stable. [0028] Conformément à l'exemple de réalisation, le refroidisseur de gaz d'échappement comprend deux admissions agencées en juxtaposition et des groupes « empilés » de tubulures d'échappement qui s'y raccordent, mais ledit refroidisseur selon l'invention peut toutefois également comporter une unique admission et un groupe de tubulures d'échappement s'y raccordant, de même que plus de deux admissions et des tubulures d'échappement prévues de façon correspondante. [0029] II va donc de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'invention telle que décrite et représentée, sans s'écarter du cadre de cette dernière. 8