EP1769145B1 - Dispositif de regulation thermique d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Dispositif de regulation thermique d'un moteur a combustion interne Download PDF

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EP1769145B1
EP1769145B1 EP05781802A EP05781802A EP1769145B1 EP 1769145 B1 EP1769145 B1 EP 1769145B1 EP 05781802 A EP05781802 A EP 05781802A EP 05781802 A EP05781802 A EP 05781802A EP 1769145 B1 EP1769145 B1 EP 1769145B1
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heat exchanger
coolant
loop
internal combustion
combustion engine
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EP1769145A1 (fr
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Jacques Portalier
Armel Le Lievre
William Perrard
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PSA Automobiles SA
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Peugeot Citroen Automobiles SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/20—Cooling circuits not specific to a single part of engine or machine

Definitions

  • the present invention relates to a thermal control device of an internal combustion engine.
  • the invention more particularly relates to a thermal control device comprising at least a first cooling loop of the internal combustion engine and a second cooling loop of the recirculated exhaust gas (EGR).
  • EGR recirculated exhaust gas
  • the temperature of the exhaust gas, and consequently that of the recirculated gases exceeds a certain threshold which compromises the efficiency of the recirculated gases in the combustion chamber of the engine.
  • a solution envisaged for this purpose by the car manufacturers is to implement, in addition to the conventional cooling circuit of the engine, a second cold loop including a heat exchanger liquid coolant / exhaust gas recirculated for cooling said recirculated gas and a heat exchanger thermal air / heat transfer liquid for cooling the coolant, the latter being generally a radiator located at the front face of the engine.
  • a cooling circuit having such an architecture, and further having communication means between the two loops involved.
  • the invention aims to provide a thermal control device of an internal combustion engine overcoming all or part of the disadvantages mentioned in the prior art.
  • the subject of the invention is a device for the thermal regulation of an internal combustion engine, comprising at least a first cooling loop of the internal combustion engine equipped with at least one heat transfer liquid / air heat exchanger upstream of the engine. a pump and downstream of the heat transfer liquid supply means, and a second recirculated exhaust gas cooling loop (EGR) provided with at least one pump, an EGR / heat transfer fluid heat exchanger and a heat exchanger liquid coolant / air, characterized in that the loops are interconnected respectively downstream and upstream of said exchangers by shunts.
  • EGR exhaust gas cooling loop
  • At least one of the branches comprises a pilot valve that allows among other things to communicate the two loops or isolate them.
  • the two liquid / heat exchanger heat exchangers form two non-communicating parts of an exchanger.
  • Said heat exchanger is a radiator.
  • the heat transfer liquid supply means of the first loop are provided with a valve.
  • the second loop is equipped with a non-return valve.
  • the internal combustion engine 2 shown in each of the figures conventionally comprises respectively intake ducts 11 and exhaust ducts 12.
  • a bypass 18 makes it possible to reinject part of the exhaust gases coming from the exhaust ducts 12 into the ducts.
  • intake ducts 11 A controlled valve 9 makes it possible to control the flow rate of the recirculated gases.
  • a first loop 13 dedicated to the cooling of the internal combustion engine 2 comprises in particular a heat exchanger 3a coolant / air upstream of a pump 10 and downstream of means 16 for supplying heat transfer liquid.
  • the means 16 for supplying heat transfer liquid are a brine outlet housing.
  • a thermostatic valve 7 makes it possible to control the flow of brine in loop 13.
  • the exchanger 3a is a radiator traversed by the brine of the loop 13, located on the front face of the engine 2.
  • the thermostatic valve 7 opens so that the brine circulates in the loop 13 to cool the motor.
  • the radiator 3a ensures the cooling of the brine which has circulated in the engine 2.
  • a second loop 14 dedicated to cooling the recirculated exhaust gas (EGR) comprises in particular a pump 5, a heat exchanger 4 EGR / coolant and a heat exchanger 3b coolant / air.
  • the coolant circulating in the loop 14 by means of the pump 5, is brine.
  • the exchanger 3b is a radiator traversed by the brine of the loop 14, located on the front face of the engine.
  • the recirculated gases are cooled in the exchanger 4 by thermally coupling the recirculated gases from the bypass 18, with the brine circulating in the loop 14.
  • the loops 13 and 14 are respectively connected upstream and downstream of the exchangers 3b and 3a by branches 20b, respectively 20a, provided with controlled valves 19b, respectively 19a.
  • the exchangers 3a and 3b form two non-communicating parts of an exchanger 3.
  • the two parts 3a and 3b forming the exchanger 3 are arranged in parallel on the aeraulic plane.
  • the two parts 3a and 3b forming the exchanger 3 are arranged in series on the aeraulic plane.
  • the exchanger 3 is the main cooling radiator of the engine 2.
  • piloted valves 19a, 19b are thermostatic valves.
  • the device 1 further comprises a non-return valve 6, which makes it possible to limit the counter-flow circulation of the coolant liquid coming from the loop 13 via the bypass 20b.
  • This same valve may further comprise a small opening intended to allow the counter-directional circulation of the coolant at a low flow rate.
  • the device 1 further comprises a third cooling loop 15 connected to the engine 2 between the brine outlet housing 16 and the pump 10.
  • the third loop 15 contains, for example, a heater 17 thermally coupling the coolant with heat transfer fluid. air intended to warm the cabin.
  • the thermal regulation device 1 has three operating configurations.
  • a first operating configuration when the engine 2 does not need to be cooled, that is to say when the temperature in the brine outlet housing 16 is lower than a threshold S1, the brine does not circulate in the loop 13 since the thermostatic valve 7 is closed. It then becomes possible, if necessary, to open the pilot valves 19a, 19b so that the brine circulating in the loop 14 can be cooled while also flowing in the exchanger 3a. It is thus possible to increase the heat exchange capacity of the loop 14 by using the two heat exchangers 3a and 3b, and consequently to optimize the function of the heat exchanger 4. If, on the other hand, the recirculated gases do not have to be cooled, it is also necessary that the operation of the loop 14 is stopped. The valves 19a, 19b then remain closed and the pump 5 is deactivated. This particular case of operation can be interesting when means of pollution control, such as catalytic converters, are not yet initiated because of a temperature of the exhaust gas sufficient.
  • a second operating configuration when the engine 2 needs to be cooled, that is to say when the temperature in the brine outlet housing 16 is greater than S1, the brine circulates in the loop 13 since the thermostatic valve 7 is open.
  • the temperature of the brine outlet housing 16 is lower than a threshold S2, that is, as long as the exchanger 3a sufficiently cools the brine circulating in the loop 13, the valves driven 19a, 19b remain closed, so that the brine from the loop 13 can not flow in the loop 14.
  • the loops 13, 14 admit a parallel operating configuration that allows to maintain a temperature in the loop 14 less than that in the loop 13.
  • the function of the heat exchanger 4 is preserved.
  • a third operating configuration when the temperature in the loop 13 exceeds a threshold S2, that is to say when the engine 2 requires a higher cooling, the piloted valves open so that part of the brine out of the loop 13 can flow via the bypass 20b in the exchanger 3b. At the outlet of the exchanger 3b, the brine joins part of the loop 13 via the bypass 20a and remains for the other part in the loop 14.
  • this configuration makes it possible to increase the heat exchange capacity of the the loop 13 using the two exchangers 3a and 3b.
  • the invention has the advantage of allowing the thermal regulation of an internal combustion engine and its EGR, thanks to a single heat exchanger 3 and two pilot valves, easily integrable at the engine architecture of the engine. its compactness, and which allows to cool modulably the heat transfer fluid from the engine cooling loops and recirculated gases.
  • the device 1 may not include the non-return valve 6, which makes it possible to limit the counter-flow circulation of the coolant liquid coming from the loop 13 via the bypass 20b.
  • the device 1 as described above may comprise only one piloted valve 19a or 19b.
  • the device 1 may not comprise the third cooling loop 15 connected to the motor 2 between the brine outlet housing 16 and the pump 10.

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Description

  • La présente invention a pour objet un dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne.
  • L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de régulation thermique comprenant au moins une première boucle de refroidissement du moteur à combustion interne et une seconde boucle de refroidissement des gaz d'échappement recirculés (EGR).
  • Afin de diminuer la quantité des oxydes d'azote, qui sont des émissions polluantes se formant à hautes températures dans la chambre de combustion du moteur à partir de l'oxygène non utilisé dans la phase de combustion et de l'azote contenus dans l'air admis dans la chambre de combustion, les constructeurs automobiles ont proposé des solutions consistant à faire recirculer les gaz d'échappement. En effet, afin de diminuer la proportion d'oxygène excédentaire qui se combine à hautes températures avec l'azote, il suffit de mélanger à l'air frais admis dans la chambre de combustion, une partie des gaz d'échappement pauvres en oxygène.
  • Cependant, lors de certains points de fonctionnement du moteur, la température des gaz d'échappement, et par voie de conséquence celle des gaz recirculés, dépasse un certain seuil qui compromet l'efficacité des gaz recirculés dans la chambre de combustion du moteur.
  • C'est pourquoi, il est nécessaire de procéder au refroidissement des gaz recirculés afin de contrôler au mieux la formation d'oxydes d'azote.
  • Une solution envisagée à cet effet par les constructeurs automobiles est d'implanter, en plus du circuit classique de refroidissement du moteur, une seconde boucle froide comportant notamment un échangeur thermique liquide caloporteur / gaz d'échappement recirculés pour refroidir lesdits gaz recirculés et un échangeur thermique air / liquide caloporteur pour refroidir le liquide caloporteur, ce dernier étant généralement un radiateur situé au niveau de la face avant du moteur. On connait du document DE19633190 un circuit de refroidissement présentant une telle architecture, et présentant en outre des moyens de communication entre les deux boucles mises en jeu.
  • Toutefois, l'utilisation d'un radiateur supplémentaire au niveau de la face avant du moteur présente des inconvénients en terme de compacité d'architecture et en terme de coût.
  • C'est pourquoi l'invention a pour but de proposer un dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne palliant tout ou partie des inconvénients mentionnés dans l'art antérieur.
  • Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne, comprenant au moins une première boucle de refroidissement du moteur à combustion interne dotée d'au moins un échangeur thermique liquide caloporteur / air en amont d'une pompe et en aval de moyens d'alimentation en liquide caloporteur, et une seconde boucle de refroidissement des gaz d'échappement recirculés (EGR) dotée d'au moins une pompe, d'un échangeur thermique EGR / liquide caloporteur et d'un échangeur thermique liquide caloporteur / air, caractérisé en ce que les boucles sont reliées entre elles respectivement en aval et en amont desdits échangeurs par des dérivations.
  • Selon d'autres caractéristiques :
  • Au moins une des dérivations comporte une vanne pilotée qui permet entre autre de faire communiquer les deux boucles ou de les isoler.
  • Les deux échangeurs thermiques liquide caloporteur / air forment deux parties non communicantes d'un échangeur.
  • Ledit échangeur est un radiateur.
  • Les moyens d'alimentation en liquide caloporteur de la première boucle sont munis d'une vanne.
  • La seconde boucle est munie d'un clapet anti-retour.
  • L'invention sera mieux comprise à l'étude de deux modes de réalisation particuliers décrits à titre nullement limitatif et illustrés par les figures 2 et 3. Sur chaque figure, les éléments correspondants portent les mêmes repères.
    • La figure 1 représente une vue schématique d'un dispositif, connu de l'art antérieur, de régulation thermique d'un moteur à combustion interne comportant deux boucles de refroidissement distinctes et non communicantes, destinées pour l'une à refroidir le moteur, et pour l'autre à refroidir les gaz recirculés.
    • La figure 2 représente une vue schématique d'un dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne conforme à l'invention suivant une première architecture.
    • La figure 3 représente une vue schématique d'un dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne conforme à l'invention suivant une seconde architecture.
  • Le moteur 2 à combustion interne représenté sur chacune des figures comprend de manière classique des conduits respectivement d'admission 11 et d'échappement 12. Une dérivation 18 permet de réinjecter une partie des gaz d'échappement issus des conduits d'échappement 12 dans les conduits d'admission 11. Une vanne pilotée 9 permet de contrôler le débit des gaz recirculés.
  • De manière classique et selon la figure 1, une première boucle 13 dédiée au refroidissement du moteur 2 à combustion interne comprend notamment un échangeur thermique 3a liquide caloporteur / air en amont d'une pompe 10 et en aval de moyens 16 d'alimentation en liquide caloporteur.
  • Avantageusement, les moyens 16 d'alimentation en liquide caloporteur sont un boîtier de sortie d'eau glycolée.
  • Avantageusement, une vanne thermostatique 7 permet de contrôler le débit d'eau glycolée dans la boucle 13.
  • Avantageusement, l'échangeur 3a est un radiateur traversé par l'eau glycolée de la boucle 13, situé sur la face avant du moteur 2.
  • Ainsi lorsque la température dans le boîtier de sortie d'eau glycolée 16, dépasse un certain seuil S1, la vanne thermostatique 7 s'ouvre de manière à ce que l'eau glycolée circule dans la boucle 13 pour refroidir le moteur.
  • De plus, le radiateur 3a assure le refroidissement de l'eau glycolée qui a circulé dans le moteur 2.
  • De manière classique également et selon la figure 1, une seconde boucle 14 dédiée au refroidissement des gaz d'échappement recirculés (EGR) comprend notamment une pompe 5, un échangeur thermique 4 EGR / liquide caloporteur et un échangeur thermique 3b liquide caloporteur / air.
  • Avantageusement le liquide caloporteur circulant dans la boucle 14 au moyen de la pompe 5, est de l'eau glycolée.
  • Avantageusement, l'échangeur 3b est un radiateur traversé par l'eau glycolée de la boucle 14, situé sur la face avant du moteur.
  • Ainsi, les gaz recirculés sont refroidis dans l'échangeur 4 en couplant thermiquement les gaz recirculés issus de la dérivation 18, avec l'eau glycolée circulant dans la boucle 14.
  • De plus, l'eau glycolée circulant dans la boucle 14 est à son tour refroidie en traversant le radiateur 3b.
  • Selon l'invention et tel que représentés sur les figures 2 et 3, les boucles 13 et 14 sont reliées respectivement en amont et en aval des échangeurs 3b et 3a par des dérivations 20b, respectivement 20a, munies de vannes pilotées 19b, respectivement 19a.
  • Selon l'invention les échangeurs 3a et 3b forment deux parties non communicantes d'un échangeur 3.
  • Suivant un premier mode de réalisation représenté sur la figure 2, les deux parties 3a et 3b formant l'échangeur 3 sont disposées en parallèle sur le plan aéraulique.
  • Suivant un second mode de réalisation représenté sur la figure 3, les deux parties 3a et 3b formant l'échangeur 3 sont disposées en série sur le plan aéraulique.
  • Avantageusement, l'échangeur 3 est le radiateur principal de refroidissement du moteur 2.
  • Avantageusement, les vannes pilotées 19a, 19b sont des vannes thermostatiques.
  • Le dispositif 1 comporte en outre un clapet anti-retour 6, qui permet de limiter la circulation à contre-sens du liquide caloporteur issu de la boucle 13 via la dérivation 20b. Ce même clapet peut comporter en outre une petite ouverture destinée à permettre la circulation à contre-sens du liquide caloporteur suivant un faible débit.
  • Le dispositif 1 comporte en outre une troisième boucle de refroidissement 15 raccordée au moteur 2 entre le boîtier 16 de sortie d'eau glycolée et la pompe 10. La troisième boucle 15 contient par exemple un aérotherme 17 couplant thermiquement le liquide caloporteur avec de l'air destiné à réchauffer l'habitacle.
  • Selon l'invention, le dispositif 1 de régulation thermique admet trois configurations de fonctionnement.
  • Suivant une première configuration de fonctionnement, quand le moteur 2 n'a pas besoin d'être refroidi, c'est à dire quand la température dans le boîtier de sortie d'eau glycolée 16 est inférieure à un seuil S1, l'eau glycolée ne circule pas dans la boucle 13 puisque la vanne thermostatique 7 est fermée. Il devient alors possible, si nécessaire, d'ouvrir les vannes pilotées 19a, 19b de manière à ce que l'eau glycolée circulant dans la boucle 14 puisse être refroidie en circulant aussi dans l'échangeur 3a. On peut ainsi augmenter la capacité d'échange thermique de la boucle 14 en utilisant les deux échangeurs 3a et 3b, et par voie de conséquence optimiser la fonction de l'échangeur thermique 4. Si, au contraire, les gaz recirculés ne doivent pas être refroidis, il faut également que le fonctionnement de la boucle 14 soit arrêté. Les vannes 19a, 19b restent alors fermées et la pompe 5 est désactivée. Ce cas particulier de fonctionnement peut être intéressant lorsque des moyens de dépollution, tels que les convertisseurs catalytiques, ne sont pas encore amorcés faute d'une température des gaz d'échappement suffisante.
  • Suivant une seconde configuration de fonctionnement, quand le moteur 2 a besoin d'être refroidi, c'est à dire quand la température dans le boîtier de sortie d'eau glycolée 16 est supérieure à S1, l'eau glycolée circule dans la boucle 13 puisque la vanne thermostatique 7 est ouverte. Tant que la température du boîtier de sortie d'eau glycolée 16 est inférieure à un seuil S2, c'est à dire tant que l'échangeur 3a refroidit suffisamment l'eau glycolée circulant dans la boucle 13, les vannes pilotées 19a, 19b restent fermées, de manière à ce que l'eau glycolée issue de la boucle 13 ne puisse pas circuler dans la boucle 14. Ainsi les boucles 13, 14 admettent une configuration de fonctionnement parallèle qui permet de conserver une température dans la boucle 14 inférieure à celle dans la boucle 13. De ce fait, on préserve la fonction de l'échangeur thermique 4.
  • Suivant une troisième configuration de fonctionnement, lorsque la température dans la boucle 13 dépasse un seuil S2, c'est à dire lorsque le moteur 2 nécessite un refroidissement supérieur, les vannes pilotées s'ouvrent de manière à ce qu'une partie de l'eau glycolée issue de la boucle 13 puisse circuler via la dérivation 20b dans l'échangeur 3b. En sortie de l'échangeur 3b, l'eau glycolée rejoint pour une partie la boucle 13 via la dérivation 20a et reste pour l'autre partie dans la boucle 14. De ce fait, cette configuration permet augmenter la capacité d'échange thermique de la boucle 13 en utilisant les deux échangeurs 3a et 3b.
  • En définitive, l'invention a pour intérêt de permettre la régulation thermique d'un moteur à combustion interne et de ses EGR, grâce à un seul échangeur thermique 3 et deux vannes pilotées, aisément intégrables au niveau de l'architecture du moteur de par sa compacité, et qui permet de refroidir de manière modulable le liquide caloporteur issu des boucles de refroidissement du moteur et des gaz recirculés.
  • Suivant une variante de réalisation, le dispositif 1 peut ne pas comporter le clapet anti-retour 6, qui permet de limiter la circulation à contre-sens du liquide caloporteur issu de la boucle 13 via la dérivation 20b.
  • Suivant une autre variante de réalisation, le dispositif 1 tel que décrit précédemment peut ne comporter qu'une seule vanne pilotée 19a ou 19b.
  • Suivant une autre variante de réalisation, le dispositif 1 peut ne pas comporter la troisième boucle de refroidissement 15 raccordée au moteur 2 entre le boîtier 16 de sortie d'eau glycolée et la pompe 10.

Claims (7)

  1. Dispositif (1) de régulation thermique d'un moteur (2) à combustion interne, comprenant au moins une première boucle (13) de refroidissement du moteur (2) à combustion interne dotée d'au moins un échangeur thermique (3a) liquide caloporteur / air en amont d'une pompe (10) et en aval de moyens (16) d'alimentation en liquide caloporteur, et une seconde boucle (14) de refroidissement des gaz d'échappement recirculés (EGR) dotée d'au moins une pompe (5), d'un échangeur thermique (4) EGR / liquide caloporteur et d'un échangeur thermique (3b) liquide caloporteur / air, caractérisé en ce qu'une première dérivation (20a) relie l'aval de l'échangeur thermique liquide caloporteur / air (3a) de la première boucle (13) à l'aval de l'échangeur thermique liquide caloporteur /air (3b) de la seconde boucle (14), et une seconde dérivation (20b) relie l'amont de l'échangeur thermique liquide caloporteur / air (3a) de la première boucle (13) à l'amont de l'échangeur thermique liquide caloporteur /air (3b) de la seconde boucle (14)
  2. Dispositif (1) de régulation thermique selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'au moins une des dérivations (20a, 20b) comporte une vanne pilotée (19a, 19b) permettant de faire communiquer les deux boucles (13, 14) ou de les isoler.
  3. Dispositif (1) de régulation thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les vannes pilotées (19a, 19b) sont des vannes thermostatiques.
  4. Dispositif (1) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les échangeurs (3a, 3b) forment deux parties non communicantes d'un échangeur (3).
  5. Dispositif (1) de régulation thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'échangeur (3) est un radiateur.
  6. Dispositif (1) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (16) d'alimentation en liquide caloporteur sont munis d'une vanne (7).
  7. Dispositif (1) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boucle (14) est munie d'un clapet anti-retour (6).
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