FR2831924A1 - Dispositif de regulation thermique d'air circulant dans un vehicule automobile - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif comprend un échangeur thermique (22) air / liquide caloporteur, dit échangeur de régulation, raccordé à un premier circuit (24) de liquide caloporteur dit froid, destiné à refroidir l'air, et un deuxième circuit (26) de liquide caloporteur dit chaud, destiné à réchauffer l'air, par l'intermédiaire de moyens (28) de répartition des liquides caloporteurs froid et chaud dans l'échangeur de régulation (22). L'échangeur de régulation (22) comprend deux parties (22A, 22B) de circulation de liquide caloporteur raccordées aux moyens de répartition (28), et des moyens (36) d'arrêt sélectif de circulation de liquide caloporteur dans une des parties (22A, 22B), dite partie obturable (22A). L'air est par exemple de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne (10) du véhicule.
Description
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La présente invention concerne un dispositif de régulation thermique d'air circulant dans un véhicule automobile.
Elle s'applique en particulier à la régulation thermique de l'air d'admission d'un moteur suralimenté raccordé le cas échéant à une ligne d'échappement munie d'un filtre à particules.
On connaît déjà dans l'état de la technique, notamment d'après US-A-4 096 697, un dispositif de régulation thermique d'air circulant dans un véhicule automobile, du type comprenant un échangeur thermique air/liquide caloporteur, dit échangeur de régulation, raccordé à un premier circuit de liquide caloporteur dit froid, destiné à refroidir l'air, et un deuxième circuit de liquide caloporteur dit chaud, destiné à réchauffer l'air, par l'intermédiaire de moyens de répartition des liquides caloporteurs froid et chaud dans l'échangeur de régulation.
Dans US-A-4 096 697, l'air régulé thermiquement est de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne du véhicule automobile. Ce moteur est suralimenté au moyen d'un ensemble turbo-compresseur muni, d'une part, d'une turbine entraînée par des gaz d'échappement du moteur, agencée en aval du moteur, et d'autre part, d'un compresseur d'air d'admission agencé en amont du moteur. L'air d'admission du moteur, se réchauffant dans le compresseur, est refroidi à la sortie du compresseur, à l'aide du dispositif de régulation thermique précité, afin d'optimiser les performances du moteur, lors de son fonctionnement à régime normal, et minimiser les émissions de polluants.
US-A-4 096 697 propose également de réchauffer l'air d'admission du moteur à la sortie du compresseur à l'aide du dispositif de régulation thermique du type précité, afin d'optimiser les performances du moteur lors de son démarrage ou de son fonctionnement à faible régime.
On souhaite également réchauffer l'air d'admission d'un moteur notamment lorsque ce dernier est raccordé à une ligne d'échappement munie d'un filtre à particules.
Ce filtre doit être régénéré périodiquement afin d'éliminer les particules de suie qui s'y accumulent. L'air d'admission doit être chauffé jusqu'à une température suffisante, cette condition étant nécessaire au bon fonctionnement du dispositif complet de régénération (combustion des suies stockées).
Le dispositif de régulation thermique du type précité a donc pour avantage de pouvoir aussi bien refroidir que chauffer l'air d'admission au moyen d'un même échangeur de régulation dédié à ces deux fonctions.
Toutefois, la puissance thermique que doit délivrer l'échangeur de régulation est généralement beaucoup plus élevée lors du refroidissement de l'air d'admission que lors du chauffage de cet air d'admission.
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En effet, dans les conditions de refroidissement de l'air d'admission les plus fréquentes, la puissance thermique de l'échangeur de régulation requise est de l'ordre de 10 à 25 kW. Par contre, dans les conditions de chauffage de l'air d'admission les plus fréquentes, la puissance thermique de l'échangeur de régulation requise est de l'ordre de 1 à 3 kW.
On comprend donc que le dimensionnement de l'échangeur de régulation est imposé par la puissance requise pour refroidir l'air d'admission. Ainsi, l'échangeur thermique est généralement correctement dimensionné pour sa fonction de refroidissement de l'air d'admission mais surdimensionné pour sa fonction de chauffage de l'air d'admission. Ceci pose un problème d'inertie thermique de l'échangeur de régulation notamment lorsque l'on passe d'un régime de chauffage de l'air d'admission à un régime de refroidissement de cet air d'admission. Cette inertie thermique a un effet indésirable sur le fonctionnement du moteur du véhicule.
L'invention a notamment pour but de permettre aussi bien de refroidir que de chauffer l'air d'admission d'un moteur de véhicule au moyen d'un même échangeur de régulation dédié à ces deux fonctions, ceci en s'affranchissant du problème d'inertie thermique évoqué ci-dessus.
A cet effet, l'invention à pour objet un dispositif de régulation thermique d'air circulant dans un véhicule automobile, du type précité, caractérisé en ce que l'échangeur de régulation comprend : - deux parties de circulation de liquide caloporteur raccordées aux moyens de répartition, et - des moyens d'arrêt sélectif de circulation de liquide caloporteur dans une des parties, dite partie obturable.
Suivant d'autres caractéristiques de ce dispositif : - les moyens d'arrêt sélectif de circulation de liquide caloporteur comprennent des moyens d'obturation d'un passage de liquide caloporteur, dit passage obturable raccordé à la partie obturable de façon que les partie et passage obturables soient traversés par un même flux de liquide caloporteur lorsque ce passage obturable n'est pas obturé ; - les moyens d'obturation comprennent une vanne choisie parmi une électrovanne tout ou rien et une vanne thermostatique ; - les deux parties de circulation de liquide caloporteur sont raccordées à une entrée commune de liquide caloporteur reliée aux moyens de répartition, chaque partie de circulation de liquide caloporteur étant raccordée à une sortie de liquide caloporteur qui lui est propre, les moyens
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d'obturation étant agencés dans une des sorties de liquide caloporteur, dite sortie obturable ; - l'échangeur de régulation est du type à plaques ; - l'air est de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne du véhicule automobile ; - l'air d'admission est entraîné, à une pression supérieure à la pression atmosphérique, à travers l'échangeur de régulation, par un ensemble turbo-compresseur muni d'une turbine entraînée par des gaz d'échappement du moteur à combustion interne ; le premier circuit de liquide caloporteur froid comprend un échangeur thermique air/liquide caloporteur froid, dit échangeur basse température, porté de préférence par une face avant du véhicule automobile ; le liquide caloporteur froid est mis en circulation dans le premier circuit par une pompe ; le deuxième circuit de liquide caloporteur chaud est raccordé à un circuit de refroidissement du moteur à combustion interne ; le deuxième circuit de liquide caloporteur chaud est raccordé à un échangeur thermique formant une source chaude de pompe à chaleur ; les moyens de répartition comprennent une vanne de répartition, à trois voies, comprenant une première voie d'entrée de liquide caloporteur raccordée au premier circuit de liquide caloporteur, une deuxième voie d'entrée de liquide caloporteur raccordée au deuxième circuit de liquide caloporteur et une troisième voie sortie de liquide caloporteur raccordée à une entrée de liquide caloporteur dans l'échangeur de régulation ; le moteur à combustion interne, par exemple de type Diesel, est raccordé à une ligne d'échappement munie d'un filtre à particules ; le liquide caloporteur est un mélange d'eau et d'antigel.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins dans lesquels : - la figure 1 est vue schématique d'un moteur à combustion interne raccordé à des moyens amont formant circuit d'admission d'air et à des moyens aval formant ligne d'échappement ; - la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif de régulation thermique selon l'invention ; - les figures 3 et 4 sont des vues schématiques de l'échangeur de régulation dans deux configurations de fonctionnement respectivement.
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On a représenté sur la figure 1 un moteur à combustion interne 10 de véhicule automobile, par exemple de type Diesel, raccordé à des moyens amont formant un circuit 12 d'admission d'air dans le moteur 10 et à des moyens aval formant une ligne d'échappement 14.
Le moteur 10 est suralimenté au moyen d'un ensemble turbo-compresseur muni, d'une part, d'une turbine 16 entraînée par des gaz d'échappement du moteur 10, agencée en aval du moteur 10 dans la ligne d'échappement 14, et d'autre part, d'un compresseur 18 d'air d'admission agencé en amont du moteur 10 dans le circuit 12 d'admission d'air. La turbine 16 et le compresseur 18 sont couplés en rotation entre eux de façon connue en soi.
La ligne d'échappement est munie d'un filtre à particules classique 19.
La température de l'air d'admission sortant du compresseur 18 est régulée au moyen d'un dispositif 20 de régulation thermique selon l'invention dont un mode de réalisation est représenté sur les figures 2 à 4.
Sur la figure 2, on voit que le dispositif 20 comprend un échangeur thermique 22 air d'admission/liquide caloporteur, dit échangeur de régulation, destiné à réguler la température de l'air d'admission à sa sortie du compresseur 18. Cet échangeur 22 sera décrit plus en détail par la suite.
L'échangeur de régulation 22 est raccordé à un premier circuit 24 de liquide caloporteur dit froid, destiné à refroidir l'air d'admission, et un deuxième circuit 26 de liquide caloporteur dit chaud, destiné à réchauffer l'air d'admission, par l'intermédiaire de moyens de répartition des liquides caloporteurs froid et chaud dans l'échangeur 22.
L'air d'admission est entraîné à travers l'échangeur de régulation 22 à une pression supérieure à la pression atmosphérique par le compresseur 18. Le flux d'air d'admission traversant cet échangeur 22 est représenté sur la figure 2 par des flèches épaisses orientées de gauche à droite.
Les moyens de répartition comprennent une vanne de répartition trois voies classique 28, par exemple de type tout ou rien ou de type proportionnel. Cette vanne 28 comprend une première voie d'entrée de liquide caloporteur 28A raccordée au premier circuit 24 de liquide caloporteur, une deuxième voie d'entrée de liquide caloporteur 28B raccordée au deuxième circuit 26 de liquide caloporteur et une troisième voie de sortie de liquide caloporteur 28C raccordée à une entrée E de liquide caloporteur dans l'échangeur de régulation 22.
Le liquide caloporteur circulant dans chacun des premier 24 et deuxième 26 circuits est de type classique et comprend par exemple un mélange d'eau et d'antigel.
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Le premier circuit 24 de liquide caloporteur froid comprend un échangeur thermique classique 30 air extérieur au véhicule/liquide caloporteur froid, dit échangeur basse température, porté de préférence par une face avant 31 du véhicule automobile. Le liquide caloporteur froid est mis en circulation dans le premier circuit 24 par une pompe électrique classique 32.
Le deuxième circuit 26 de liquide caloporteur chaud est raccordé par exemple à un circuit classique de refroidissement du moteur 10, non représenté sur les figures. En variante, ce deuxième circuit 26 peut être raccordé à un échangeur thermique formant une source chaude d'une pompe à chaleur classique ou raccordé à toute autre source chaude.
On décrira ci-dessous plus en détail l'échangeur de régulation 22 en se référant aux figures 3 et 4.
Sur ces figures, on voit que l'échangeur de régulation 22 comprend deux parties séparées 22A, 22B de circulation de liquide caloporteur raccordées à l'entrée commune E. La séparation de ces deux parties 22A, 22B est matérialisée par une paroi de séparation 34 représentée schématiquement.
Chaque partie 22A, 22B de circulation de liquide caloporteur est raccordée à une sortie de liquide caloporteur SA, SB qui lui est propre.
Une sortie SA de liquide caloporteur est munie de moyens d'obturation 36A.
Cette sortie est dite sortie obturable SA.
Les moyens d'obturation 36A forment des moyens d'arrêt sélectif de circulation de liquide caloporteur dans une des parties 22A, 22B de l'échangeur de régulation 22, à savoir, dans l'exemple illustré, la partie 22A dite partie obturable.
La sortie obturable SA forme un passage obturable de liquide caloporteur raccordé à la partie obturable 22A de façon que les partie 22A et passage SA obturables soient traversés par un même flux de liquide caloporteur lorsque ce passage obturable SA n'est pas obturé.
Les deux sorties SA, SB sont reliées aux premier 24 et second 26 circuits de liquide caloporteur par un collecteur commun S agencé en aval des moyens d'obturation 36 en considérant le sens de circulation du liquide caloporteur dans l'échangeur de régulation 22 représentés par des flèches fines sur les figures 3 et 4.
Les moyens d'obturation 36 sont d'un type classique et comprennent, par exemple, une vanne choisie parmi une électrovanne tout ou rien et une vanne thermostatique.
De préférence, l'échangeur de régulation 22 est du type à plaques.
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On précisera ci-dessous les principaux aspects du fonctionnement du dispositif de régulation thermique 20 liés à l'invention.
Pour refroidir l'air d'admission à la sortie du compresseur 18, la vanne de répartition 28 est réglée de façon à raccorder l'entrée E de l'échangeur de régulation 22 au premier circuit 24 de liquide caloporteur froid. Le débit de liquide caloporteur froid traversant l'échangeur basse température 30 est réglé par la pompe 32.
Par ailleurs, la vanne d'obturation 36 est ouverte si bien que le liquide caloporteur circule dans les deux parties 22A, 22B de l'échangeur de régulation 22. Le liquide caloporteur circulant dans cet échangeur 22 refroidit l'air d'admission en lui cédant des frigories.
La circulation du liquide caloporteur dans les deux parties 22A, 22B de l'échangeur de régulation 22 permet d'obtenir la puissance thermique requise d'environ 10 à 25 kW pour refroidir l'air d'admission dans les conditions les plus fréquentes.
Pour réchauffer l'air d'admission afin, par exemple, de régénérer le filtre à particules 19, la vanne de répartition 28 est réglée de façon à raccorder l'entrée E de l'échangeur de régulation 22 au second circuit 26 de liquide caloporteur chaud.
Par ailleurs, la vanne d'obturation 36 est fermée, si bien que le liquide caloporteur ne circule que dans une seule partie de l'échangeur de régulation 22, à savoir la partie 22B. En effet, cette seule partie 22B est suffisante pour obtenir la puissance thermique requise d'environ 1 à 3 kW pour chauffer l'air d'admission dans les conditions les plus fréquentes.
Le liquide caloporteur circulant dans la partie 22B de l'échangeur réchauffe l'air d'admission en lui cédant des calories.
Lorsque, à la fin d'une phase de régénération du filtre à particules 19 (chauffage de l'air d'admission), on souhaite refroidir l'air d'admission, on raccorde l'entrée E de l'échangeur de régulation 22 au premier circuit 24 de liquide caloporteur et on ouvre la vanne d'obturation 36 de façon à remplacer la circulation de liquide caloporteur chaud dans la seule partie 22B de l'échangeur de régulation par une circulation de liquide caloporteur froid dans les deux parties 22A, 22B de l'échangeur de régulation. Ceci permet de limiter très efficacement l'inertie thermique de l'échangeur de régulation 22 lors du passage d'une phase de chauffage de l'air d'admission à une phase de refroidissement de cet air, par rapport à un échangeur de régulation classique systématiquement traversé en totalité aussi bien par le liquide caloporteur chaud que par le liquide caloporteur froid.
L'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit précédemment.
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En particulier, l'utilisation du dispositif 20 selon l'invention n'est pas limitée à la régulation thermique d'air d'admission dans un moteur de véhicule, ce dispositif 20 pouvant être utilisé pour la régulation thermique d'un flux d'air quelconque circulant dans un véhicule automobile.
Par ailleurs, inversement à ce qui est illustré sur les figures 3 et 4, les deux parties 22A, 22B de circulation de liquide caloporteur peuvent être raccordées à une sortie commune de liquide caloporteur, chaque partie de circulation de liquide caloporteur 22A, 22B étant raccordée dans ce cas à une entrée de liquide caloporteur qui lui est propre.
De ce fait, selon le mode de réalisation choisi, le passage obturable peut former une sortie ou une entrée de la partie obturable 22A.
Parmi les avantages de l'invention, on notera les suivants.
L'invention permet aussi bien de refroidir que de chauffer l'air d'admission d'un moteur de véhicule au moyen d'un même échangeur de régulation dédié à ces deux fonctions, si bien que l'installation de régulation thermique est relativement compacte et peu encombrante.
Par ailleurs, l'invention permet de limiter notablement l'inertie thermique de l'échangeur de régulation lors de la transition d'une phase de chauffage de l'air d'admission à une phase de refroidissement de cet air d'admission.
Claims (14)
1. Dispositif de régulation thermique d'air circulant dans un véhicule automobile, du type comprenant un échangeur thermique (22) air/liquide caloporteur, dit échangeur de régulation, raccordé à un premier circuit (24) de liquide caloporteur dit froid, destiné à refroidir l'air, et un deuxième circuit (26) de liquide caloporteur dit chaud, destiné à réchauffer l'air, par l'intermédiaire de moyens (28) de répartition des liquides caloporteurs froid et chaud dans l'échangeur de régulation (22), caractérisé en ce que l'échangeur de régulation (22) comprend : deux parties (22A, 22B) de circulation de liquide caloporteur raccordées aux moyens de répartition (28), et - des moyens (36) d'arrêt sélectif de circulation de liquide caloporteur dans une des parties (22A, 22B), dite partie obturable (22A).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'arrêt sélectif de circulation de liquide caloporteur comprennent des moyens (36) d'obturation d'un passage de liquide caloporteur, dit passage obturable (SA), raccordé à la partie obturable (22A) de façon que les partie (22A) et passage (SA) obturables soient traversés par un même flux de liquide caloporteur lorsque ce passage obturable (SA) n'est pas obturé.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'obturation comprennent une vanne (36) choisie parmi une électrovanne tout ou rien et une vanne thermostatique.
4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les deux parties (22A, 22B) de circulation de liquide caloporteur sont raccordées à une entrée commune (E) de liquide caloporteur reliée aux moyens de répartition (28), chaque partie de circulation de liquide caloporteur (22A, 22B) étant raccordée à une sortie (SA, SB) de liquide caloporteur qui lui est propre, les moyens d'obturation (36) étant agencés dans une des sorties de liquide caloporteur, dite sortie obturable (SA).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de régulation (22) est du type à plaques.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'air est de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne (10) du véhicule automobile.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'air d'admission est entraîné, à une pression supérieure à la pression atmosphérique, à travers
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l'échangeur de régulation (22), par un ensemble turbo-compresseur muni d'une turbine (16) entraînée par des gaz d'échappement du moteur à combustion interne (10).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier circuit (24) de liquide caloporteur froid comprend un échangeur thermique (30) air/liquide caloporteur froid, dit échangeur basse température, porté de préférence par une face avant (31) du véhicule automobile.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide caloporteur froid est mis en circulation dans le premier circuit (24) par une pompe (32).
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le deuxième circuit de liquide caloporteur chaud (26) est raccordé à un circuit de refroidissement du moteur à combustion interne.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le deuxième circuit de liquide caloporteur chaud (26) est raccordé à un échangeur thermique formant une source chaude de pompe à chaleur.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de répartition comprennent une vanne de répartition (28), à trois voies, comprenant une première voie (28A) d'entrée de liquide caloporteur raccordée au premier circuit (24) de liquide caloporteur, une deuxième voie (28B) d'entrée de liquide caloporteur raccordée au deuxième circuit (26) de liquide caloporteur et une troisième voie (28C) de sortie de liquide caloporteur raccordée à une entrée de liquide caloporteur dans l'échangeur de régulation (22).
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne (10), par exemple de type Diesel, est raccordé à une ligne d'échappement (14) munie d'un filtre à particules (19).
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide caloporteur est un mélange d'eau et d'antigel.
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