FR2882105A1 - Dispositif de regulation thermique des gaz recircules d'un moteur a combustion interne - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de régulation thermique des gaz recirculés d'un moteur à combustion interne, comprenant un circuit (1) de liquide caloporteur raccordé à un moteur (2) à combustion interne, le circuit (1) comprenant des premiers moyens (3) d'échange thermique liquide caloporteur/air tel qu'un radiateur, situés dans une première boucle (13) raccordée au moteur (2), des seconds moyens (4) d'échange thermique liquide caloporteur/gaz d'échappement recirculés situés dans une seconde boucle (14) raccordée en parallèle à la première boucle (13), pour permettre l'alimentation des seconds (4) moyens d'échange thermique en liquide caloporteur provenant des premiers moyens (3) d'échange thermique, caractérisé en ce que les extrémités de la seconde boucle (14) sont raccordées directement sur le corps des premiers moyens (3) d'échange thermique.
Description
Dispositif de réqulation thermique des qaz recirculés d'un moteur à
combustion interne
L'invention se rapporte à dispositif de régulation 5 thermique des gaz recirculés d'un moteur à combustion interne.
Pour rendre plus efficace la recirculation d'une partie des gaz d'échappement dans les gaz frais d'admission d'un moteur, en vue notamment de la réduction des émissions des gaz Nox, io un échange de chaleur est généralement prévu entre ces gaz d'échappement recirculés et le liquide de refroidissement du moteur. A cet effet, un échangeur de chaleur gaz recirculés/liquide caloporteur est alimenté avec du liquide de refroidissement en sortie du moteur par un piquage sur le boîtier de sortie d'eau du moteur, en amont du thermostat.
Cependant, ces systèmes connus ne sont pas satisfaisants dans certaines situations de fonctionnement du moteur, la température des gaz d'échappement recirculés étant mal maîtrisée. En particulier, lorsque la température du moteur augmente, le liquide de refroidissement atteint des températures élevées nuisibles à l'efficacité du recyclage des gaz d'échappement pour la réduction des oxydes d'azote.
La figure 1 illustre un dispositif de régulation thermique des gaz recirculés d'un moteur à combustion interne selon l'art antérieur, comprenant un circuit 1 de liquide caloporteur raccordé à un moteur 2 à combustion interne, le circuit comprenant des premiers moyens 3 d'échange thermique liquide caloporteur/air A, tel qu'un radiateur, situés dans une première boucle 13 raccordée au moteur 2, des seconds moyens 4 d'échange thermique liquide caloporteur/gaz d'échappement recirculés GB situés dans une seconde boucle 14 raccordée en parallèle à la première boucle 13, pour permettre l'alimentation des seconds 4 moyens d'échange thermique en liquide caloporteur provenant des premiers 3 moyens d'échange thermique.
Une telle architecture est décrite notamment dans le document FR2752440A1.
Le débit de liquide caloporteur admis à circuler dans la première 13 boucle est commandé, par exemple, par un 5 thermostat 7 situé dans le boîtier 16 de sortie d'eau.
Cependant, ce type d'architecture hydraulique utilisant un radiateur présente des risques de fluctuation du débit de fluide au sein de ses composants.
En effet, lorsque le thermostat 7 est complètement ouvert io pour laisser circuler le fluide de refroidissement dans la première boucle (flèche 23 figure 1), il peut y avoir une inversion parasite (flèches 24 figure 1) du sens de circulation de fluide dans une partie 14 du circuit 1.
Une première pompe 10, par exemple mécanique, liée au moteur 2 assure l'activation du débit de fluide dans le circuit 1 de refroidissement. A des régimes moteur élevés il peut arriver qu'une partie du fluide sortant du moteur 2 au niveau du thermostat 7 entre directement dans le deuxième échangeur 4 (échangeur liquide/gaz recirculés) au lieu de passer d'abord quasi exclusivement dans le radiateur 3. Cette inversion de débit survient même lorsque une seconde pompe 5 située dans la boucle 14 du deuxième échangeur 4 fonctionne dans un sens qui s'oppose à cette inversion.
Pour un circuit déterminé, lorsque le régime moteur est de l'ordre de 3300 tours/min par exemple, la pompe mécanique 10 du moteur génère un débit dans le radiateur 3 de l'ordre, par exemple de 80001/h. Dans ces conditions, un radiateur classique crée une perte de charge de l'ordre de 300 mbar.
A débit nul, une pompe 5 électrique de type standard assure dans la seconde boucle 14 une contre-pression de 200 mbar environ, donc inférieure à la perte de charge dans le radiateur 3.
De ce fait, dans certaines conditions de fonctionnement, il y a une inversion du sens de circulation du fluide dans le deuxième échangeur 4 (ce sens de circulation parasite est représenté par les flèches 24 à la figure 1). Cette inversion de circulation est précédée d'un point de fonctionnement durant lequel il y a un débit nul ou quasi nul dans le deuxième échangeur 4. Ce point de fonctionnement à débit nul peut se présenter, par exemple à un régime de l'ordre de 2700 tours/min.
lo Ce type de fonctionnement défectueux entraîne une baisse d'efficacité du radiateur et du second échangeur 4. En cas de débit nul ou faible dans le second échangeur 4, il y a, de plus, un risque d'ébullition du liquide de refroidissement dans ce dernier.
En outre, ces points de fonctionnement dégradés peuvent coïncider avec des états du moteur ou d'autres organes dans lesquels la régulation thermique est cruciale. De ce fait, il est nécessaire d'une part de détecter le débit de fluide circulant dans le second échangeur 4 et, d'autre part, de prévoir une stratégie complexe de pilotage de la pompe 5.
Pour résoudre ces problèmes, une solution consiste à disposer un clapet anti-retour 17 dans la seconde branche 14, de façon à réduire le débit dans celle-ci en phase de refroidissement du moteur (cf. figure 1). Cette solution est globalement satisfaisante pour le débit parasite inversé mais elle entraîne un surcoût important dans le cadre d'une production à grande échelle. De plus, l'utilisation d'un clapet anti-retour génère une perte de charge supplémentaire dans le circuit hydraulique et nécessite de calibrer une fuite pour maintenir un débit minimum dans l'échangeur 4.
Une autre solution consiste à augmenter la puissance de la pompe 5 électrique disposée dans la seconde boucle 14. Cette solution présente les mêmes inconvénients en terme de coût, nécessite une stratégie complexe de pilotage de la pompe 5 et entraîne une surconsommation de carburant.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, le dispositif de régulation thermique des gaz recirculés d'un moteur à combustion interne selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que les extrémités de la seconde boucle sont raccordées directement sur le corps des premiers moyens d'échange thermique.
io Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les extrémités de la seconde boucle sont raccordées respectivement à des entrée et sortie des premiers moyens d'échange thermique distinctes des entrée et sortie de raccordement des premiers moyens d'échange thermique au moteur, - les extrémités de la seconde boucle sont raccordées aux premiers moyens d'échange thermique de façon à relier les entrée et sortie des seconds moyens d'échange thermique avec, respectivement des sortie et entrée des premiers moyens d'échange thermique, - les premiers moyens d'échange thermique comportent au moins un faisceau échangeur de chaleur relié à un boîtier d'entrée de fluide et un boîtier de sortie de fluide, les extrémités de la seconde boucle étant raccordées directement sur respectivement les boîtiers d'entrée et de sortie de fluide, - la seconde boucle comprend des moyens d'activation pilotés du débit de liquide caloporteur, tel qu'une pompe, - le dispositif comporte des moyens de régulation du débit 3o de liquide caloporteur admis à circuler dans la première boucle, - les moyens de régulation du débit comportent une vanne de type proportionnel, tel qu'un thermostat, - les moyens de régulation du débit comportent une pompe, - les moyens d'activation du débit dans la seconde boucle et les moyens de régulation du débit dans la première boucle sont indépendants, de façon à permettre la mise en marche ou l'arrêt des moyens d'activation du débit dans la seconde boucle quel que soit le débit de liquide caloporteur admis à circuler dans la première boucle.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la io lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles: - la figure 1 représente une vue schématique d'un circuit de refroidissement d'un moteur à combustion interne selon l'art antérieur, - la figure 2 représente une vue schématique d'un circuit de refroidissement d'un moteur à combustion interne selon un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente une vue schématique et de face d'un détail de la figure 2, illustrant un exemple de réalisation des moyens d'échange thermique tel qu'un radiateur, conforme à l'invention, - la figure 4 représente une vue en coupe transversale et schématique du moyen d'échange thermique de la figure 3, selon la ligne AA, - la figure 5 représente de façon schématique un graphique illustrant des débits comparés de fluide de refroisissement dans la seconde boucle 14 du circuit en fonction du régime moteur.
En plus des caractéristiques décrites ci-dessus, le dispositif de régulation thermique selon l'art antérieur représenté à la figure 1 comprend également une troisième boucle 19, facultative raccordée en parallèle aux première 13 et seconde 14 boucles du circuit 1. La troisième boucle 19 comprend un échangeur 18 liquide de refroidissement/air tel qu'un aérotherme destiné, par exemple, à céder des calories à un volume tel qu'un habitacle de véhicule.
Un tel moteur 2 à combustion interne comprend classiquement, des conduits d'admission (non représentés) délivrant des gaz frais dans les cylindres du moteur 2. Les gaz brûlés GB issus de la combustion dans les cylindres sont collectés par des conduits d'échappement (non représentés). Classiquement, une dérivation permet de faire recirculer une io fraction des gaz d'échappement au niveau de l'admission. La dérivation peut comporter à cet effet une vanne pilotée pour réguler le débit des gaz d'échappement recirculés.
Le dispositif selon l'invention va à présent être décrit en référence à la figure 2. Par souci de concision, les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques et ne seront pas décrits en détail une seconde fois.
Le circuit 1 selon l'invention se distingue de celui décrit précédemment en ce que la seconde boucle 14 qui contient l'échangeur 4 liquide caloporteur/gaz d'échappement recirculés GB est raccordée en parallèle à la première boucle 13 directement sur le corps des premiers moyens 3 d'échange thermique. Par ailleurs, cette seconde boucle 14 peut se dispenser de clapet 17 anti-retour et dans ce cas contient uniquement une pompe 5, de préférence électrique.
On constate selon l'invention une réduction très importante les pertes de charge aux extrémités de la seconde boucle 14 par rapport aux solutions de l'art antérieur.
Par exemple, les deux extrémités de la seconde boucle 14 sont raccordées directement sur le radiateur 3, de façon à relier les entrée 11 et sortie 12 de l'échangeur 4 liquide caloporteur/gaz d'échappement recirculés avec, respectivement des sortie 6 et entrée 50 du radiateur 3.
Le radiateur 3 peut comporter un échangeur de chaleur comprenant au moins un faisceau 7 de tubes/ailettes dont les extrémités sont reliées respectivement un boîtier d'entrée 8 de fluide et un boîtier de sortie 9 de fluide (figures 3 et 4). Les deux extrémités des conduites de la seconde boucle 14 peuvent être raccordée directement sur, respectivement, les boîtiers d'entrée 8 et de sortie 9 de fluide du radiateur 3.
L'invention permet ainsi de minimiser les pertes de charge hydrauliques aux bornes du circuit 14, notamment au sein des io boîtiers d'entrée 8 de sortie 9 de fluide, par rapport au système selon l'art antérieur dans lequel la seconde boucle 14 est raccordée sur des conduites ou durits de la première 13 boucle.
L'invention permet ainsi, pour un même type de pompe 5 disposée dans la seconde boucle 14, de repousser à des régimes supérieurs les points de fonctionnement à risque (débit nul ou inverse dans la seconde boucle 14 de l'échangeur liquide/gaz d'échappement recirculés). Le dispositif selon l'invention permet même, dans certains cas, de supprimer ces modes de fonctionnement à risque. L'usage d'un clapet antiretour sur la seconde branche 14 peut ainsi être évité.
La figure 5 illustre sur un même graphique la variation du débit D de fluide de refroidissement dans l'échangeur 4 liquide caloporteur/gaz d'échappement recirculés en litres par minute (en ordonnée) en fonction du régime N du moteur en tours par minutes (en abscisse). Le graphique représente ce débit pour un circuit selon l'art antérieur (courbe 20) et pour un circuit modifié selon l'invention (courbe 21).
C'est-à-dire que pour un circuit hydraulique selon l'art antérieur (conforme à la figure 1), on constate que le débit dans la seconde boucle 14 et donc dans l'échangeur 4 liquide/gaz recirculés, devient nul et s'inverse à partir de 2700 tr./min. environ.
En revanche, pour un circuit identique où seul le raccordement de la seconde boucle 14 a été modifié selon l'invention (piquage directement sur le radiateur 3 conformément à la figure 2), le débit D dans la seconde boucle 14 reste supérieur à 8 litres par minute environ.
L'invention permet une régulation thermique (refroidissement) optimale du moteur en s'affranchissant des risques d'ébullition dans l'échangeur 4 liquide/gaz d'échappement recirculés et des risques de dégradation io d'efficacité de cet échangeur 4.
Comme représenté aux figures 3 et 4, les extrémités de la seconde boucle 14 peuvent être raccordées respectivement à des entrée 50 et sortie 6 du radiateur 3 qui sont distinctes des entrée 15 et sortie 16 de raccordement du radiateur 3 au moteur 2.
En particulier, le dispositif selon l'invention permet, avec une structure simple et peu coûteuse, de garantir une température optimale pour les gaz d'échappement recirculés.
De plus, l'augmentation du débit dans l'échangeur 3, 20 généré par la pompe 5, permet d'obtenir un gain d'efficacité de cet échangeur pour le refroidissement moteur.
L'efficacité nominale de l'échangeur 4 liquide/gaz d'échappement recirculés est conservée sur une plage de fonctionnement moteur très étendue (et englobant les points d'utilisation actuellement définis de cet échangeur). En particulier, l'invention permet d'assurer un débit minimum de 5 à 6I/min dans un échangeur 4 classique lorsque ce dernier doit être opérationnel.
Selon d'autres particularités, les circulations du liquide de refroidissement dans les première 13 et seconde 14 boucles peuvent être commandées de façon indépendante. La circulation du liquide caloporteur dans la troisième boucle 19 est également indépendante de la circulation dans l'autre boucle 14.
Lorsque le moteur 2 est très chaud, le circuit 1 selon l'invention permet d'alimenter l'échangeur 4 liquide caloporteur/gaz d'échappement recirculés avec du liquide refroidi par le radiateur 3.
Lorsque le thermostat 7 qui commande la circulation naturelle du liquide caloporteur dans le radiateur 3 est fermé, le liquide caloporteur qui circule dans l'échangeur 4 liquide caloporteur/gaz recirculés reste à une température proche de la température ambiante. De cette façon, l'efficacité de io l'échangeur 4 est améliorée, ce qui favorise la réduction des polluants dans les gaz d'échappement du moteur (Nox notamment).
La pompe 5 électrique du second circuit 4 peut être mise en marche pour augmenter l'échange thermique entre le is liquide caloporteur et les gaz d'échappement recirculés.
L'arrêt de cette pompe 5 électrique permet également de supprimer la circulation de liquide caloporteur dans l'échangeur 4 liquide/gaz recirculés dans la phase de démarrage du moteur, c'est-à-dire à un moment où le démarrage d'un système de catalyse n'est pas encore amorcé (en général lorsque la température des gaz d'échappement est inférieure à une température seuil comprise entre 100 et 250 C, en général 150 C environ). Cette configuration permet de réduire les polluants du type notamment CO et HC et permet donc de supprimer les by-pass classiques sur le liquide caloporteur ou sur les gaz d'échappement.
Des moyens de mesure de la température des gaz d'échappement, tels qu'une sonde peuvent être prévus à cet effet au niveau de l'échappement.
De la même façon, si le circuit 14 comporte un clapet antiretour, lorsque la recirculation des gaz d'échappement est interrompue par la vanne correspondante, la pompe 5 située dans la seconde boucle 14 n'est pas mise en marche. De préférence, la pompe 5 est mise à l'arrêt avec une temporisation déterminée après cet arrêt du recyclage. Ainsi, io de préférence, la pompe 5 située dans la seconde boucle 14 n'est alimentée que lorsque les gaz d'échappement sont recirculés et que la température de ces derniers a atteint une valeur seuil (catalyseur amorcé).
Lorsque la configuration de fonctionnement du moteur nécessite un refroidissement simultané du moteur 2 et des gaz d'échappement recirculés, le thermostat 7 est ouvert et la pompe 5 située dans la seconde boucle 14 est mise en marche. Le liquide caloporteur refroidit dans le radiateur 3 est io partagé entre le moteur 2 et l'échangeur 4 liquide/gaz recirculés. De même, le radiateur 3 est alimenté par un mélange de liquide provenant du moteur 2 et de l'échangeur liquide/gaz d'échappement recirculés.
2882105 Il
Claims (9)
1. Dispositif de régulation thermique des gaz recirculés d'un moteur à combustion interne, comprenant un circuit (1) de liquide caloporteur raccordé à un moteur (2) à combustion interne, le circuit (1) comprenant des premiers moyens (3) d'échange thermique liquide caloporteur/air tel qu'un radiateur, situés dans une première boucle (13) raccordée au moteur (2), des seconds moyens (4) d'échange thermique liquide caloporteur/gaz d'échappement recirculés situés dans une io seconde boucle (14) raccordée en parallèle à la première boucle (13), pour permettre l'alimentation des seconds (4) moyens d'échange thermique en liquide caloporteur provenant des premiers moyens (3) d'échange thermique, caractérisé en ce que les extrémités de la seconde boucle (14) sont raccordées directement sur le corps des premiers moyens (3) d'échange thermique.
2. Dispositif de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités de la seconde boucle (14) sont raccordées respectivement à des entrée (50) et sortie (6) des premiers moyens (3) d'échange thermique distinctes des entrée (15) et sortie (16) de raccordement des premiers moyens (3) d'échange thermique au moteur (2).
3. Dispositif de régulation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les extrémités de la seconde boucle (14) sont raccordées aux premiers moyens (3) d'échange thermique de façon à relier les entrée (11) et sortie (12) des seconds moyens (4) d'échange thermique avec, respectivement des sortie (6) et entrée (50) des premiers moyens (3) d'échange thermique.
4. Dispositif de régulation selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que les premiers moyens (3) d'échange thermique comportent au moins un faisceau (7) échangeur de chaleur relié à un boîtier d'entrée (8) de fluide et un boîtier de sortie (9) de fluide, et en ce que les extrémités de la seconde boucle (14) sont raccordées directement sur respectivement les boîtiers d'entrée (8) et de sortie (9) de fluide.
5. Dispositif de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde boucle (14) comprend des moyens (5) d'activation pilotés du débit de liquide caloporteur, tel qu'une pompe.
6. Dispositif de régulation selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (7, 10) de régulation du débit de liquide caloporteur admis à circuler dans la première boucle (13) .
7. Dispositif de régulation selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de régulation du débit comportent une vanne (7) de type proportionnel, tel qu'un thermostat.
8. Dispositif de régulation selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de régulation du débit comportent une pompe (10).
9. Dispositif de régulation selon la revendication 5 prise en combinaison avec l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens (5) d'activation du débit dans la seconde boucle (14) et les moyens (7, 10) de régulation du débit dans la première boucle (13) sont indépendants, de façon à permettre la mise en marche ou l'arrêt des moyens (5) d'activation du débit dans la seconde boucle (14) quel que soit le débit de liquide caloporteur admis à circuler dans la première boucle (13).
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