1 L'invention concerne un système de chauffage d'habitacle de véhiculeThe invention relates to a vehicle interior heating system
automobile. Les nouvelles motorisations Diesel ont atteint un niveau de rendement tel que le transfert de chaleur depuis les chambres de combustion et depuis les zones de frottement des éléments mécaniques entre eux vers le liquide de refroidissement est devenu très faible. Cette perte de puissance thermique empêche d'obtenir un confort thermique dans l'habitacle dans un délai raisonnable (environ 30 minutes après le démarrage du moteur). Pour améliorer la montée en température du liquide de refroidissement, il est possible d'utiliser la chaleur des gaz d'échappement normalement dissipée dans l'air ambiant au niveau de l'échappement, éventuellement après que ces gaz ont perdu une partie de leur enthalpie au niveau de la turbine de suralimentation dans le cas de moteurs Diesel suralimentés. Pour ce faire, on utilise un échangeur gaz-liquide de refroidissement sur la ligne d'échappement. automobile. The new diesel engines have reached a level of efficiency such that the transfer of heat from the combustion chambers and from the friction zones of the mechanical elements to each other towards the coolant has become very low. This loss of thermal power prevents thermal comfort in the cabin within a reasonable time (about 30 minutes after starting the engine). To improve the temperature rise of the coolant, it is possible to use the heat of the exhaust gas normally dissipated in the ambient air at the exhaust, possibly after these gases have lost part of their enthalpy at the supercharging turbine in the case of supercharged diesel engines. To do this, a gas-coolant exchanger is used on the exhaust line.
Cependant, lors de phases de roulage faiblement chargées (faibles vitesses du véhicule), la température des gaz d'échappement est faible et trop peu de chaleur peut être transférée au liquide de refroidissement. On connaît de la demande de brevet FR 2 854 103, un système de chauffage d'habitacle d'automobile comprenant un circuit de liquide de refroidissement présentant un aérotherme et un échangeur gaz d'échappement-liquide de refroidissement. Grâce à un tel système, une partie de la chaleur des gaz d'échappement sert à réchauffer le liquide de refroidissement qui est ensuite utilisé pour le chauffage de l'habitacle via 3,0 l'aérotherme. Afin d'augmenter la température des gaz d'échappement et par conséquent d'accélérer la phase de chauffage du liquide de MS\2.R442.12FR.26.dpt. doc 2908083 2 refroidissement, une stratégie de post-combustion est utilisée, c'est-à-dire qu'on injecte du carburant dans un ou plusieurs cylindres du moteur dans une phase de détente des gaz. Cependant, cette stratégie pose des problèmes. En effet, le carburant alors injecté peut impacter les parois de 5 la chambre de combustion, passer entre le piston et les parois du cylindre puis se retrouver dans le carter moteur dans l'huile de lubrification. On est alors confronté à un problème de dilution de l'huile par du carburant. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de diminuer l'intervalle de vidange de l'huile de lubrification. Ceci entraîne 10 des contraintes pratiques et financières pour l'utilisateur du véhicule. Le but de l'invention est de fournir un système de chauffage de liquide de refroidissement obviant aux inconvénients cités précédemment et améliorant les systèmes de chauffage de liquide de refroidissement 15 connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un système de chauffage de liquide de refroidissement permettant un chauffage rapide du liquide de refroidissement sans risque de dilution de l'huile de lubrification par du carburant. 20 Selon l'invention, le système de chauffage d'habitacle d'un véhicule automobile, comprend un échangeur de chaleur gaz-liquide dans une ligne d'échappement d'un moteur thermique du véhicule, l'échangeur étant destiné à récupérer de l'énergie thermique des gaz d'échappement. Il est caractérisé en ce que le système comprend, en amont de 25 l'échangeur gaz-liquide sur la ligne d'échappement, un injecteur de carburant. L'échangeur de chaleur gaz-liquide peut être du type à contre-courant. However, during lightly loaded taxiing phases (low vehicle speeds), the temperature of the exhaust gas is low and too little heat can be transferred to the coolant. Patent application FR 2 854 103 discloses an automobile cabin heating system comprising a coolant circuit having a heater and an exhaust gas-coolant exchanger. With such a system, a portion of the heat of the exhaust gas is used to heat the coolant which is then used for heating the cabin via 3.0 the heater. In order to increase the temperature of the exhaust gas and therefore accelerate the liquid heating phase of MS \ 2.R442.12FR.26.dpt. In the case of cooling, an afterburner strategy is used, that is to say fuel is injected into one or more engine cylinders in a gas expansion phase. However, this strategy is problematic. Indeed, the fuel then injected can impact the walls of the combustion chamber, pass between the piston and the walls of the cylinder and then end up in the crankcase in the lubricating oil. We are then faced with a problem of diluting the oil with fuel. To solve this problem, it is necessary to decrease the emptying interval of the lubricating oil. This entails practical and financial constraints for the user of the vehicle. The object of the invention is to provide a coolant heating system obviating the disadvantages mentioned above and improving the cooling liquid heating systems known from the prior art. In particular, the invention provides a cooling liquid heating system for rapid heating of the coolant without risk of dilution of the lubricating oil with fuel. According to the invention, the cabin heating system of a motor vehicle comprises a gas-liquid heat exchanger in an exhaust line of a heat engine of the vehicle, the exchanger being intended to recover from the thermal energy of the exhaust gases. It is characterized in that the system comprises, upstream of the gas-liquid heat exchanger on the exhaust line, a fuel injector. The gas-liquid heat exchanger may be of the countercurrent type.
L'échangeur de chaleur gaz-liquide peut être du type concentrique. MS\2.R442.12FR.26.dpt.doc 2908083 3 Le système peut comprendre un circuit de by-pass en parallèle de l'échangeur de chaleur gaz-liquide et une vanne pour diriger le flux des gaz d'échappement vers le circuit de by-pass ou vers l'échangeur de chaleur gaz-liquide. Un véhicule automobile selon l'invention comprend un système de chauffage défini précédemment. Selon l'invention, un procédé de fonctionnement d'un système de 10 chauffage défini précédemment est caractérisé en ce qu'on pilote l'injection de carburant dans une ligne d'échappement en fonction de la température d'habitacle et de la température du moteur. Dans le cas où le système comprend un circuit de by-pass en parallèle 15 de l'échangeur de chaleur gaz-liquide et une vanne pour diriger le flux des gaz d'échappement vers le circuit de by-pass ou vers l'échangeur de chaleur gaz-liquide, le procédé de fonctionnement du système selon l'invention est caractérisé en ce qu'on pilote l'injection de carburant dans une ligne d'échappement en fonction de la température d'habitacle et de 20 la température du moteur et en ce qu'on dirige les gaz d'échappement vers l'échangeur de chaleur gaz-liquide ou vers le circuit de by-pass en fonction de la température d'habitacle et de la température du moteur. Le dessin annexé représente à titre d'exemple, un mode de réalisation 25 d'un système de chauffage de liquide de refroidissement selon l'invention. La figure 1 est un schéma représentant un moteur thermique équipé d'un mode de réalisation d'un système de chauffage de liquide de 30 refroidissement selon l'invention. MS\2.R442.12FR.26.dpt.doc 5 2908083 4 La figure 2 est un ordinogramme d'un mode d'exécution d'un procédé de fonctionnement d'un système de chauffage selon l'invention. Un moteur thermique 1 de véhicule automobile est représenté à la figure 5 1. Ce moteur thermique est équipé d'un système de refroidissement et d'un système de chauffage de l'habitacle du véhicule automobile. Le système de refroidissement comprend principalement un radiateur 2 consistant en un échangeur airûliquide de refroidissement pour dissiper 10 dans l'air ambiant de l'énergie thermique véhiculée par le liquide de refroidissement depuis le moteur via des conduites 7. Ce radiateur est relié à un vase d'expansion 3. Le système de chauffage de l'habitacle comprend principalement un 15 premier circuit 30 parcouru par le liquide de refroidissement et un deuxième circuit 31 parcouru par des gaz, notamment des gaz d'échappement. Le premier circuit comprend un aérotherme 11 consistant en un 20 échangeur air-liquide de refroidissement et permettant de réchauffer l'air contenu dans l'habitacle du véhicule. Cet aérotherme est relié au circuit de liquide de refroidissement du système de refroidissement via des conduites 10. Le premier circuit comprend en outre un échangeur de chaleur gaz-liquide de refroidissement 15 branché en parallèle de 25 l'aérotherme grâce à des conduites 14 munies d'une pompe 13 permettant d'obtenir un débit de liquide suffisant et d'une vanne trois voies 12 permettant d'activer ou de désactiver la circulation du liquide dans la boucle de circuit munie de l'échangeur de chaleur. De préférence, l'échangeur est du type à contre-courant mais peut 30 également être à co-courant. De préférence, l'échangeur est du type concentrique. MS\2.R442.12FR.26. dpt. doc 2908083 5 Le deuxième circuit comprend une ligne d'échappement 31 du moteur thermique. Elle comprend, d'amont en aval, un collecteur d'échappement 16, une turbine de suralimentation 17, un injecteur de carburant 18, un 5 filtre à particules et un catalyseur d'oxydation ou un catalyseur quatre voies 19, une vanne trois voies 20, un circuit de by-pass 21 en parallèle de l'échangeur gaz-liquide de refroidissement et une tubulure de sortie d'échappement 22. L'injecteur de carburant est placé en aval de la turbine de suralimentation et en amont du catalyseur d'oxydation et du 10 filtre à particules. Grâce à un tel système de chauffage, il est possible de chauffer l'habitacle d'un véhicule de manière rapide même en cas de faible charge du moteur suite à un démarrage à froid. En effet, l'injecteur 18 permet 15 l'injection de carburant dans la ligne d'échappement. Ce carburant réagit avec l'oxygène de l'air en excès dans les gaz d'échappement pour donner lieu à une combustion. La température des gaz d'échappement se trouve alors fortement augmentée avant que ceux-ci n'atteignent le filtre à particules. Ainsi, la température de régénération du filtre à 20 particules est rapidement atteinte même en cas de roulage faiblement chargé. En outre, les gaz d'échappement étant très chauds, il est possible de transférer, au niveau de l'échangeur de chaleur une énergie thermique importante des gaz d'échappement au premier circuit du système de chauffage, en orientant ces gaz d'échappement vers 25 l'échangeur de chaleur grâce à la vanne trois voies 20. Quand la température du liquide de refroidissement a atteint une valeur permettant d'assurer un chauffage rapide de l'habitacle, l'état de la vanne trois voies 20 peut être modifié pour diriger les gaz d'échappement vers 30 le circuit de by-pass 21. Ainsi, le liquide de refroidissement n'est plus chauffé par les gaz d'échappement. La vanne peut aussi diriger les gaz M S\2.R442.12FR.26. dpt. doc 2908083 6 d'échappement partiellement vers l'échangeur de chaleur gaz-liquide et partiellement vers le circuit de by-pass. Le pilotage de l'injecteur supplémentaire 18, de la vanne trois voies 20 5 mais aussi d'autres organes tels que la pompe électrique 13 et la vanne trois voies 12 est assuré par une unité de commande (non représentée). Ces différents organes sont reliés à des sorties de cette unité de commande. Le pilotage est notamment assuré en fonction de la température. Pour ce faire, des capteurs notamment un capteur de 10 température moteur et un capteur de température d'habitacle (non représentés) sont reliés à des entrées de l'unité de commande. Le moteur thermique peut être du type Diesel ou du type essence s'il fonctionne avec une richesse de 1. Dans le cas d'un moteur essence 15 dont l'injection ne se ferait que sur deux cylindres (par exemple du fait de la déconnexion des cylindres en faible charge), la richesse égale à 1 est rétablie par l'utilisation de l'injecteur supplémentaire (en amont du catalyseur). The gas-liquid heat exchanger may be of the concentric type. The system may include a bypass circuit in parallel with the gas-liquid heat exchanger and a valve for directing the flow of exhaust gases to the gas-liquid heat exchanger. bypass circuit or to the gas-liquid heat exchanger. A motor vehicle according to the invention comprises a heating system defined above. According to the invention, a method of operating a heating system defined above is characterized in that the injection of fuel into an exhaust line is controlled as a function of the cabin temperature and the temperature of the vehicle. engine. In the case where the system comprises a parallel bypass circuit 15 of the gas-liquid heat exchanger and a valve for directing the flow of exhaust gases to the bypass circuit or to the heat exchanger. gas-liquid heat, the operating method of the system according to the invention is characterized in that the fuel injection is piloted in an exhaust line depending on the cabin temperature and the engine temperature and in that the exhaust gases are directed to the gas-liquid heat exchanger or to the bypass circuit as a function of the passenger compartment temperature and the engine temperature. The accompanying drawing shows, by way of example, an embodiment of a coolant heating system according to the invention. Fig. 1 is a diagram showing a heat engine equipped with an embodiment of a cooling liquid heating system according to the invention. FIG. 2 is a flowchart of an embodiment of a method of operating a heating system according to the invention. A motor vehicle engine 1 is shown in FIG. 1. This engine is equipped with a cooling system and a heating system of the passenger compartment of the motor vehicle. The cooling system mainly comprises a radiator 2 consisting of an air-liquid cooling exchanger for dissipating into the ambient air the thermal energy conveyed by the coolant from the engine via lines 7. This radiator is connected to a vessel 3. The cabin heating system mainly comprises a first circuit 30 traversed by the coolant and a second circuit 31 traversed by gases, in particular exhaust gases. The first circuit comprises a heater 11 consisting of an air-coolant exchanger and for heating the air contained in the passenger compartment of the vehicle. This heater is connected to the coolant circuit of the cooling system via lines 10. The first circuit further comprises a gas-liquid cooling heat exchanger 15 connected in parallel with the heater by means of lines 14 provided with a pump 13 for obtaining a sufficient liquid flow and a three-way valve 12 for activating or deactivating the flow of liquid in the circuit loop provided with the heat exchanger. Preferably, the exchanger is of the countercurrent type but may also be co-current. Preferably, the exchanger is of the concentric type. MS \ 2.R442.12FR.26. dept. The second circuit comprises an exhaust line 31 of the heat engine. It comprises, from upstream to downstream, an exhaust manifold 16, a turbocharger 17, a fuel injector 18, a particulate filter and an oxidation catalyst or a four-way catalyst 19, a three-way valve 20, a bypass circuit 21 in parallel with the gas-liquid cooling exchanger and an exhaust outlet pipe 22. The fuel injector is placed downstream of the supercharging turbine and upstream of the catalytic converter. oxidation and particulate filter. With such a heating system, it is possible to heat the passenger compartment of a vehicle quickly even in case of low engine load after a cold start. Indeed, the injector 18 allows the injection of fuel into the exhaust line. This fuel reacts with oxygen from the excess air in the exhaust gases to give rise to combustion. The temperature of the exhaust gases is then greatly increased before they reach the particulate filter. Thus, the regeneration temperature of the particulate filter is rapidly reached even in the case of a lightly laden roll. Furthermore, since the exhaust gases are very hot, it is possible to transfer, at the level of the heat exchanger, a large thermal energy of the exhaust gases to the first circuit of the heating system, by directing these exhaust gases. to the heat exchanger via the three-way valve 20. When the coolant temperature has reached a value to ensure rapid heating of the passenger compartment, the state of the three-way valve 20 can be changed for directing the exhaust gas to the by-pass circuit 21. Thus, the coolant is no longer heated by the exhaust gas. The valve can also direct the gases M S \ 2.R442.12FR.26. dept. Exhaust gas partially to the gas-liquid heat exchanger and partially to the bypass circuit. Piloting the additional injector 18, the three-way valve 20 5 but also other members such as the electric pump 13 and the three-way valve 12 is provided by a control unit (not shown). These different members are connected to outputs of this control unit. The steering is in particular ensured according to the temperature. To do this, sensors including a motor temperature sensor and a cabin temperature sensor (not shown) are connected to inputs of the control unit. The heat engine may be of the diesel type or the gasoline type if it operates with a wealth of 1. In the case of a gasoline engine 15 whose injection would be made on two cylinders (for example because of the disconnection cylinders in low load), the richness equal to 1 is restored by the use of the additional injector (upstream of the catalyst).
20 Un mode d'exécution d'un procédé de fonctionnement d'un système de chauffage d'habitacle selon l'invention est décrit ci-après en référence à la figure 2. Dans une première étape 100, on démarre le moteur thermique. Dans une étape de test 110, on détermine si la température du moteur, par exemple mesurée dans le liquide de refroidissement est inférieure à une température seuil T1, par exemple égale à 60 C. MS\2. R442.12FR.26. dpt. doc 2:5 2908083 7 Si tel n'est pas le cas, on passe à une étape 120, dans laquelle on pilote l'arrêt de l'injection de carburant dans la ligne d'échappement au moyen de l'injecteur supplémentaire 18.One embodiment of a method of operating a cabin heating system according to the invention is described below with reference to FIG. 2. In a first step 100, the engine is started. In a test step 110, it is determined whether the temperature of the engine, for example measured in the coolant, is lower than a threshold temperature T1, for example equal to 60 C. MS \ 2. R442.12FR.26. dept. If this is not the case, proceed to a step 120, in which the stopping of the injection of fuel into the exhaust line is controlled by means of the additional injector 18.
5 Dans une étape de test 130, on détermine si la température de l'habitacle du véhicule est inférieure à une température de consigne T2 saisie par l'utilisateur, par exemple égale à 21 C. Si tel n'est pas le cas, on passe à une étape de test 140, dans laquelle 10 on détermine si le moteur est faiblement chargé. Si tel n'est pas le cas, dans une étape 160, on pilote la vanne trois voies 20 de manière à diriger les gaz d'échappement vers le circuit de by-pass 21. On boucle ensuite sur l'étape 110.In a test step 130, it is determined whether the temperature of the passenger compartment of the vehicle is lower than a user-entered reference temperature T2, for example equal to 21 C. If this is not the case, proceeds to a test step 140, in which it is determined whether the engine is lightly loaded. If this is not the case, in a step 160, the three-way valve 20 is piloted so as to direct the exhaust gases to the bypass circuit 21. Next, step 110 is looped.
15 Suite à l'étape 140, si la température de l'habitacle du véhicule est inférieure à une température de consigne T2, on passe à une étape 170 dans laquelle on dirige les gaz d'échappement vers l'échangeur de chaleur gaz-liquide tant que la température du moteur est inférieure à 20 une température seuil T3, par exemple 80 C. On pilote ensuite la vanne trois voies 20 de manière à diriger les gaz d'échappement vers le circuit de by-pass 21. Enfin, on boucle sur l'étape 110. Suite à l'étape 130, si la température de l'habitacle du véhicule est 25 inférieure à la température de consigne T2 saisie par l'utilisateur, on dirige, dans une étape 150, les gaz d'échappement vers l'échangeur gaz-liquide. On boucle ensuite sur l'étape 110. Suite à l'étape 110, si la température du moteur est inférieure à la 30 température seuil T1, on déclenche, dans une étape 180, l'injection de MS\2.R442.12FR.26.dpt.doc 2908083 8 carburant dans la ligne d'échappement. Ce carburant est alors brûlé dans la ligne d'échappement. Dans une étape de test 190, on détermine si la température de l'habitacle 5 du véhicule est inférieure à une température de consigne T2 saisie par l'utilisateur. Si tel n'est pas le cas, on passe à une étape 200, dans laquelle on pilote l'arrêt de l'injection de carburant dans la ligne d'échappement au moyen 10 de l'injecteur supplémentaire 18. Puis, dans une étape 210, on dirige les gaz d'échappement vers l'échangeur gaz-liquide. On boucle ensuite sur l'étape 110.Following step 140, if the temperature of the passenger compartment of the vehicle is lower than a set temperature T2, it goes to a step 170 in which the exhaust gas is directed to the gas-liquid heat exchanger as long as the temperature of the engine is below a threshold temperature T3, for example 80 C. The three-way valve 20 is then piloted so as to direct the exhaust gases towards the bypass circuit 21. on step 110. Following step 130, if the temperature of the passenger compartment of the vehicle is lower than the set temperature T2 entered by the user, it directs, in a step 150, the exhaust gas towards the gas-liquid exchanger. Then, step 110 is over. Following step 110, if the temperature of the motor is lower than the threshold temperature T1, the injection of MS \ 2.R442.12FR is initiated in a step 180. 26.dpt.doc 2908083 8 fuel in the exhaust line. This fuel is then burned in the exhaust line. In a test step 190, it is determined whether the temperature of the passenger compartment 5 of the vehicle is less than a setpoint temperature T2 entered by the user. If this is not the case, we proceed to a step 200, in which we control the stopping of the injection of fuel into the exhaust line by means of the additional injector 18. Then, in a step 210, the exhaust gas is directed to the gas-liquid exchanger. We then loop on step 110.
15 Suite à l'étape 190, si la température de l'habitacle du véhicule est inférieure à la température de consigne T2 saisie par l'utilisateur, on passe à l'étape 210. On boucle ensuite sur l'étape 110. Comme vu précédemment, dans le cas d'un groupe motopropulseur 20 équipé d'un filtre à particules avec un injecteur de Diesel supplémentaire, il est donc possible d'envisager l'utilisation de cet injecteur pour augmenter la température des gaz d'échappement en amont d'un échangeur gaz-liquide de refroidissement et, par conséquent, d'augmenter la puissance thermique récupérée par l'échangeur gaz- 25 liquide de refroidissement. On peut aussi envisager de doter un moteur à essence à injection directe d'un tel système. En effet, un tel type de moteur présente également un faible transfert thermique vers le liquide de refroidissement dans 30 certaines phases de fonctionnement. Cependant, les moteurs à essence ne sont normalement pas équipés d'injecteurs supplémentaires. M S \2. R442.12 FR. 2 6. dpt. do c 15 2908083 9 Pour les moteurs Diesel comme pour les moteurs essence, il est nécessaire de s'assurer au niveau du contrôle moteur que le mélange air/carburant est suffisamment pauvre pour qu'il y ait suffisamment 5 d'oxygène en excès qui sera utilisé pour brûler le carburant qui sera injecté par cet injecteur supplémentaire sans émission de composants imbrûlés (CO, HC, particules). En effet, les moteurs essence fonctionnent souvent à la stoechiométrie pour des raisons d'efficacité du catalyseur trois voies.Following step 190, if the temperature of the passenger compartment of the vehicle is lower than the set temperature T2 entered by the user, proceed to step 210. Then loop on step 110. As seen previously, in the case of a powertrain 20 equipped with a particulate filter with an additional diesel injector, it is therefore possible to envisage the use of this injector to increase the temperature of the exhaust gas upstream of the engine. a gas-coolant exchanger and, consequently, to increase the thermal power recovered by the gas-liquid cooling exchanger. One can also consider providing a gasoline engine with direct injection of such a system. Indeed, such a type of engine also has a low heat transfer to the coolant in certain operating phases. However, gasoline engines are not normally equipped with additional injectors. M S \ 2. R442.12 EN. 2 6. dpt. For both diesel and gasoline engines, it is necessary to ensure at the engine control that the air / fuel mixture is sufficiently depleted so that there is sufficient excess oxygen which will be used to burn the fuel that will be injected by this additional injector without emission of unburned components (CO, HC, particles). Indeed, gasoline engines often operate at stoichiometry for reasons of efficiency of the three-way catalyst.
10 L'injecteur supplémentaire 18 comme l'échangeur de chaleur gaz-liquide de refroidissement 15 et la vanne trois voies 20 peuvent être contenus dans un même boîtier avec le dispositif de dépollution 19. MS\2.R442.12FR.26.dpt.docThe additional injector 18 such as the gas-coolant heat exchanger 15 and the three-way valve 20 may be contained in the same housing with the pollution control device 19. MS \ 2.R442.12EN.26.dpt. doc