FR2901599A1 - Echangeur de chaleur, notamment pour le refroidissement des gaz d'echappement d'un vehicule - Google Patents

Echangeur de chaleur, notamment pour le refroidissement des gaz d'echappement d'un vehicule Download PDF

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Abstract

L'échangeur (1) permet un échange de chaleur entre un premier et un deuxième fluides et comprend un élément d'échange (15) séparant les premier et deuxième fluides. Il est caractérisé en ce que la conductance thermique de l'élément d'échange peut être modifiée.

Description

est de nature a affecter l'efficacité thermique de l'échangeur. II
apparaît par conséquent nécessaire de nettoyer périodiquement l'échangeur et particulièrement sa surface d'échange en contact avec les gaz d'échappement, faute de quoi la fonction de refroidissement des gaz d'échappement ne serait plus correctement assurée. En conséquence, le défaut de refroidissement des gaz d'échappement peut conduire à un endommagement de l'échangeur.
Il est connu du document JP 2004 211649 un procédé de nettoyage d'un échangeur gaz d'échappement destinés à l'EGR/liquide de refroidissement encrassé sur la surface d'échange en contact avec les gaz d'échappement. Ce procédé propose de faire circuler des gaz d'échappement chauds dans l'échangeur sans les diriger ensuite vers l'admission du moteur. Un premier inconvénient du procédé réside dans le fait qu'il nécessite un système d'échappement ayant au moins une vanne supplémentaire par rapport aux systèmes habituellement utilisés. Ceci a bien entendu un impact sur le coût du système. Un deuxième inconvénient réside dans le fait que la circulation prolongée de gaz d'échappement chauds dans l'échangeur provoque un phénomène d'ébullition du liquide de refroidissement. Cette ébullition est néfaste car elle contribue à détériorer les propriétés du liquide de refroidissement et notamment celles des agents anti-corrosion qu'il contient. Elle contribue également à limiter la montée en température des gaz d'échappement dans l'échangeur du fait de l'énergie latente d'ébullition du liquide de refroidissement qui est tirée de l'énergie calorifique des gaz d'échappement.
Dans un système d'échangeur gaz d'échappement destinés à l'EGR/liquide de refroidissement classique, une limitation du débit de 30 liquide refroidissement ne saurait être une solution permettant un • 2901599 3 nettoyage de l'échangeur. En effet, le deuxième inconvénient exposé plus haut s'appliquerait à une telle solution.
Le but de l'invention est de fournir un échangeur obviant aux 5 inconvénients cités précédemment et améliorant les échangeurs connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un échangeur dont la structure permet la mise en oeuvre de phases de nettoyage de manière aisée et présente de faibles coûts de fabrication.
10 L' échangeur selon l'invention permet un échange de chaleur entre un premier et un deuxième fluides et comprend un élément d'échange séparant les premier et deuxième fluides. Il est caractérisé en ce que la conductance thermique de l'élément d'échange peut être modifiée.
15 Le premier fluide peut comprendre des gaz d'échappement d'un véhicule automobile et le deuxième fluide peut comprendre un liquide de refroidissement.
L'élément d'échange peut comprendre une première et une deuxième 20 parois distantes délimitant un milieu dont la conductance thermique est modifiable.
L'échangeur peut comprendre des moyens pour faire un vide de gaz entre la première et la deuxième paroi. Le milieu dont la conductance thermique est modifiable peut comprendre un matériau poreux isolant. L'élément d'échange peut comprendre des ailettes augmentant l'aire de 30 la surface d'échange avec les fluides. 25 • 2901599 4 L'échangeur peut être coaxial.
Au moins un échangeur défini précédemment peut être utilisé dans un véhicule automobile. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux modes de réalisation d'un échangeur selon l'invention.
La figure 1 est une vue schématique en perspective d'un premier mode 10 de réalisation d'un échangeur selon l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe transversale d'un deuxième mode de réalisation d'échangeur selon l'invention.
15 La figure 3 est un schéma d'un système de refroidissement du moteur d'un véhicule automobile, le système de refroidissement comprenant un échangeur selon l'invention.
La figure 4 est un schéma d'un système de refroidissement comprenant 20 un échangeur selon l'invention et dédié au refroidissement des gaz d'échappement destinés à l'EGR.
L'échangeur 1 représenté à la figure 1 permet le refroidissement de gaz d'échappement destinés à l'EGR dans un moteur d'un véhicule 25 automobile. Dans cet échangeur, les gaz d'échappement sont refroidis par échange calorifique avec un liquide de refroidissement par exemple le liquide de refroidissement du moteur du véhicule. Une des particularités de cet échangeur réside dans son efficacité ou sa conductance thermique variable. Ainsi, à débits de gaz d'échappement et de liquide de refroidissement, et à températures d'entrée de gaz d'échappement et de liquide de refroidissement fixés, la puissance 5 calorifique échangée entre les gaz d'échappement et le liquide de refroidissement peut être modifiée. Cette modification d'efficacité de l'échangeur est permise par une modification de la conductance thermique d'un élément d'échange 15 séparant les gaz d'échappement du liquide de refroidissement dans l'échangeur.
L'échangeur 1 est principalement constitué par trois parois cylindriques de révolution et coaxiales : une paroi externe 2, une paroi intermédiaire 3 et une paroi interne 4. Ces parois sont de préférence réalisées en acier inoxydable afin qu'elles ne se corrodent pas du fait de l'acidité des gaz d'échappement, les gaz d'échappement présentant des oxydes d'azote et les gaz d'échappement des moteurs Diesel présentant en outre des éléments soufrés. Entre les parois interne 4 et intermédiaire 3, une couche 5 de matériau poreux et isolant est disposé. L'épaisseur de la couche de ce matériau est faible. Elle peut être comprise entre 2 mm et 10 mm. Le matériau isolant est par exemple composé de fibres minérales ou organiques tel que de la fibre de verre.
Au voisinage de ses extrémités, la paroi externe est percée et présente des pipes d'admission 6 et d'échappement 7 de liquide de refroidissement soudées à la paroi. Grâce à la pipe d'admission 6, le liquide de refroidissement peut être introduit dans un espace 13 délimité par les parois externe et intermédiaire, ce liquide de refroidissement pouvant être extrait de cet espace grâce à la pipe d'échappement 7.
Les gaz d'échappement circulent dans l'espace délimité par la paroi interne 4. Une flèche 8 représente l'entrée dans l'échangeur des gaz d'échappement destinés à l'EGR tandis qu'une flèche 9 représente la sortie de l'échangeur des gaz d'échappement destinés à l'EGR.
L'échangeur 1 représenté est ainsi du type à contre-courant. L'échangeur selon l'invention peut cependant également être du type co-courant.
Dans l'échangeur 1 représenté, l'élément d'échange assurant les transferts thermiques entre les gaz d'échappement destinés à l'EGR et le liquide de refroidissement comprend la paroi intermédiaire 3, la paroi interne 4 et la couche 5 de matériau isolant séparant ces deux parois. La paroi intermédiaire est percée et présente une pipe 10 permettant l'extraction de l'air contenu dans l'espace délimité par les parois interne et intermédiaire ou l'injection d'air dans cette espace. Cette pipe traverse de manière étanche la paroi externe 2. Elle est raccordée à une pompe à vide dédiée à l'échangeur et commandée par un calculateur du véhicule ou raccordée à une pompe utilisée dans un système d'assistance au freinage du véhicule.
Grâce à sa structure, la conductance thermique de l'élément d'échange peut être modifiée. En effet, il suffit d'aspirer l'air contenu dans l'élément d'échange grâce à l'action de la pompe à vide pour diminuer la conductance thermique de l'élément d'échange. A l'inverse, il suffit de rétablir la pression atmosphérique dans l'élément d'échange pour rétablir la conductance thermique initiale de l'élément d'échange.
Dans une premier mode de fonctionnement l'échangeur (mode de fonctionnement normal), celui-ci permet un bon refroidissement des gaz d'échappement destinés à l'EGR. L'air contenu dans l'élément d'échange est à pression atmosphérique et la couche de matériau isolant est suffisamment fine pour ne pas affecter de manière rédhibitoire l'efficacité de l'échangeur.
Lorsque le calculateur du véhicule détermine qu'un désencrassement de l'échangeur est nécessaire, il commande l'activation de la pompe à vide pour extraire l'air de l'élément d'échange et créer un vide partiel. De ce fait, la conductance thermique de l'élément d'échange diminue.
L'échangeur se trouve alors dans un deuxième mode de fonctionnement (mode de fonctionnement périodique de nettoyage). Dans ce mode, le refroidissement des gaz d'échappement est limité. La limitation du refroidissement des gaz d'échappement provoque une augmentation de la température de la paroi de l'élément d'échange en contact avec les gaz d'échappement. La température de cette paroi peut ainsi atteindre une température dépassant 250 C. A une telle température, les particules qui étaient contenues dans les gaz d'échappement et s'étaient déposées sur la paroi commencent à être brûlées.
Dans le mode de réalisation décrit précédemment, les gaz d'échappement destinés à l'EGR circulent dans l'espace délimité par la paroi interne 4 tandis que le liquide de refroidissement circule dans l'espace limité par les parois externe 2 et intermédiaire 3. Cependant, il est évident que le liquide de refroidissement pourrait circuler dans l'espace délimité par la paroi interne 4 tandis que les gaz d'échappement destinés à l'EGR pourraient circuler dans l'espace limité par les parois externe 2 et intermédiaire 3.
Dans un deuxième mode de réalisation représenté à la figure 2, l'échangeur 1' diffère de l'échangeur décrit précédemment en ce que des ailettes 11 sont disposées sur la surface externe de la paroi intermédiaire 3' et en ce que des ailettes 12 sont disposées sur la surface interne de la paroi interne 4' afin d'améliorer l'efficacité thermique de l'échangeur. De préférence, les ailettes sont disposées parallèlement aux flux du liquide de refroidissement et des gaz d'échappement de manière à ne pas trop perturber leurs écoulements et donc ne pas trop générer de pertes de charge.
Le tuyau raccordant la pipe d'extraction 10 à la pompe à vide doit être résistant à la chaleur, et cela particulièrement dans le cas où les gaz d'échappement circulent dans l'espace délimité par les parois intermédiaire et externe.
Dans un troisième mode de réalisation non représenté, l'échangeur ne comprend pas de couche de matériau isolant entre les parois interne et intermédiaire. Ainsi, une partie de la chaleur transférée entre le liquide de refroidissement et les gaz d'échappement l'est sous forme de rayonnement. La conductance variable de l'élément d'échange d'un tel échangeur est également assurée par la possibilité d'extraire partiellement l'air contenu entre les parois interne et intermédiaire.
Les gaz d'échappement peuvent être refroidis par une circulation de liquide de refroidissement ayant une température chaude d'environ 90 C à 100 C ou une température froide d'environ 50 C.
Pour refroidir les gaz d'échappement grâce à une circulation de liquide de refroidissement ayant une température chaude, il suffit d'intégrer l'échangeur 1 dans le circuit de refroidissement du moteur du véhicule. Comme représenté à la figure 3, un tel circuit de refroidissement comprend le moteur 110 du véhicule, une pompe à eau 100 mécanique ou électrique assurant la circulation du liquide de refroidissement dans le circuit, un thermostat 130 de régulation de la température du liquide de refroidissement dans le circuit, un aérotherme 120 permettant de chauffer l'habitacle du véhicule, un bocal 150 de dégazage et de remplissage du circuit en liquide de refroidissement, un échangeur 140 liquide de refroidissement ù huile permettant de refroidir l'huile de lubrification du moteur 110 et un radiateur 160 permettant de refroidir le liquide de refroidissement circulant dans le circuit.
II est également possible de refroidir les gaz d'échappement grâce à une circulation de liquide de refroidissement ayant une température froide, il • 2901599 9 suffit pour cela d'intégrer l'échangeur 1 dans un circuit de liquide de refroidissement dédié au refroidissement des gaz d'échappement destinés à l'EGR. Un tel circuit est représenté à la figure 4. Il comprend une pompe à eau 180 électrique assurant la circulation du liquide de 5 refroidissement dans le circuit, un bocal 190 de dégazage et de remplissage du circuit en liquide de refroidissement et un radiateur 170 permettant de refroidir le liquide de refroidissement circulant dans le circuit.
10 Le liquide de refroidissement peut par exemple comprendre un mélange d'eau, d'éthylène glycol et d'agents anti-corrosion.
Par conductance thermique de l'élément d'échange, on entend dans cette demande la quantité de chaleur échangée à travers l'élément 15 d'échange par unité de temps, par unité de surface et par degré de différence de température entre les deux fluides séparés par l'élément d'échange.

Claims (8)

  1. Revendications
    : 1. Echangeur (1 ; 1') permettant un échange de chaleur entre un premier et un deuxième fluides et comprenant un élément d'échange (15) séparant les premier et deuxième fluides, caractérisé en ce que la conductance thermique de l'élément d'échange peut être modifiée.
  2. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier fluide comprend des gaz d'échappement d'un véhicule automobile et en ce que le deuxième fluide comprend un liquide de refroidissement.
  3. 3. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément d'échange comprend une première (4) et une deuxième (3) parois distantes délimitant un milieu dont la conductance thermique est modifiable.
  4. 4. Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (10) pour faire un vide de gaz entre la première et la deuxième paroi.
  5. 5. Echangeur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le milieu comprend un matériau poreux isolant (5).
  6. 6. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément d'échange comprend des ailettes (11, 12) augmentant l'aire de la surface d'échange avec les fluides. 30
  7. 7. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est coaxial.25
  8. 8. Utilisation dans un véhicule automobile d'au moins un échangeur (1 ; 1') selon l'une des revendications précédentes.5
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