FR2936979A1 - Dispositif de chauffage d'un habitacle de vehicule automobile. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de chauffage d'un habitacle de véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne (1) suralimenté par un turbocompresseur ayant une turbine (4) placée dans une ligne d'échappement (3) du moteur (1) en aval dudit moteur (1) et en amont d'un ensemble de dépollution (8), et comprenant en outre une soupape de décharge (9) des gaz d'échappement placée dans la ligne d'échappement (3) en aval du moteur (1) et en amont de la turbine (4) de manière à dévier en tout ou en partie les gaz d'échappement destinés à la turbine (4) dans une conduite de dérivation (10) en direction de l'ensemble de dépollution (8), caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur thermique (11) placé dans la conduite de dérivation (10) entre la soupape de décharge (9) et l'ensemble de dépollution (8), ledit échangeur thermique (11) étant en outre placé dans un circuit de régulation thermique (12) comprenant une pompe (13) pour faire circuler un fluide caloporteur et comprenant un aérotherme (14) pour souffler dans l'habitacle de l'air régulé thermiquement.
Description
Dispositif de chauffage d'un habitacle de véhicule automobile
DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine de l'automobile, et plus particulièrement le chauffage des habitacles de véhicules automobiles.
ETAT DE LA TECHNIQUE Dans les véhicules automobiles, les moteurs thermiques comprennent un circuit de régulation thermique dans lequel circule un fluide caloporteur qui est destiné à refroidir le moteur, et qui est également utilisé pour chauffer l'habitacle de ce véhicule. A cet effet, le circuit comprend en particulier une pompe et un aérotherme dans lequel circule un flux d'air qui récupère la chaleur emmagasinée par le fluide caloporteur avant d'être soufflé dans l'habitacle du véhicule pour le chauffer.
Une telle solution pour chauffer l'habitacle du véhicule n'est toutefois pas totalement satisfaisante puisqu'elle s'avère inefficace pendant les premières minutes suivant le démarrage du véhicule ou lorsqu'il fonctionne en ambiance froide, c'est à dire lorsque le moteur n'est pas suffisamment chaud pour chauffer le fluide caloporteur du circuit de régulation thermique.
Plusieurs solutions ont été proposées pour améliorer rapidement le chauffage de l'habitacle. Il a en particulier été proposé d'utiliser des auxiliaires électriques, tels que des résistances à coefficients de température positif (dites CTP), implantés soit directement sur le circuit d'air destiné à être soufflé dans l'habitacle, soit sur le circuit de régulation thermique du moteur. Une telle solution est toutefois pénalisante puisqu'elle entraine une surconsommation du véhicule, d'autant plus que pour la génération de la puissance électrique les pertes de l'alternateur (50 à 60 %) viennent s'ajouter aux pertes du moteur thermique. Outre l'inconvénient économique directement lié à cette surconsommation du véhicule, cela entraine également des émissions polluantes plus importantes, notamment de CO2, ce qui est très pénalisant. Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile permettant de résoudre au moins l'un des inconvénients précités. En particulier, un but de la présente invention est de proposer un dispositif de chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile qui limite, voire élimine totalement, la consommation supplémentaire du véhicule pour chauffer l'habitacle en ambiance froide.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif permettant de chauffer l'habitacle d'un véhicule automobile y compris dans les phases où le moteur ne fonctionne pas.
EXPOSE DE L'INVENTION A cette fin, on propose un dispositif de chauffage d'un habitacle de véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne suralimenté par un turbocompresseur ayant une turbine placée dans une ligne d'échappement du moteur en aval dudit moteur et en amont d'un ensemble de dépollution, et comprenant en outre une soupape de décharge des gaz d'échappement placée dans la ligne d'échappement en aval du moteur et en amont de la turbine de manière à dévier en tout ou en partie les gaz d'échappement destinés à la turbine dans une conduite de dérivation en direction de l'ensemble de dépollution, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur thermique placé dans la conduite de dérivation entre la soupape de décharge et l'ensemble de dépollution, ledit échangeur thermique étant en outre placé dans un circuit de régulation thermique comprenant une pompe pour faire circuler un fluide caloporteur et comprenant un aérotherme pour souffler dans l'habitacle de l'air régulé thermiquement.
Des aspects préférés mais non limitatifs de ce dispositif de chauffage de 20 l'habitacle d'un véhicule automobile sont les suivants : - le dispositif de chauffage comprend des moyens de commande de la pompe pour contrôler la circulation du fluide caloporteur dans le circuit de régulation thermique ; - le dispositif de chauffage comprend un capteur de température agencé pour 25 mesurer la température des gaz d'échappement en entrée de l'ensemble de dépollution, et les moyens de commande comprennent des moyens pour contrôler la circulation du fluide caloporteur en fonction de la température mesurée en entrée de l'ensemble de dépollution ; - le dispositif de chauffage comprend un capteur de température agencé pour 30 mesurer la température de l'air soufflé dans l'habitacle, et les moyens de commande comprennent des moyens pour contrôler la circulation du fluide caloporteur en fonction de la température mesurée de l'air soufflé dans l'habitacle ; - le dispositif de chauffage comprend un capteur de débit agencé pour mesurer le débit des gaz d'échappement déviés par la soupape de décharge dans la conduite 35 de dérivation en direction de l'ensemble de dépollution, et les moyens de commande comprennent des moyens pour contrôler le débit du fluide caloporteur dans le circuit de régulation thermique en fonction du débit mesuré des gaz d'échappement déviés par la soupape de décharge dans la conduite de dérivation en direction de l'ensemble de dépollution ; - le circuit de régulation thermique comprend un accumulateur de chaleur ; - le dispositif de chauffage comprend un organe de dérivation agencé dans la conduite de dérivation pour dévier les gaz d'échappement destinés à l'échangeur thermique directement vers l'ensemble de dépollution ; - le dispositif de chauffage comprend un circuit de régulation thermique du moteur distinct du circuit de régulation thermique couplé à la conduite de dérivation de la ligne d'échappement, le circuit de régulation thermique du moteur comprenant également un aérotherme pour souffler dans l'habitacle de l'air régulé thermiquement.
DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est un diagramme représentant schématiquement le dispositif de chauffage d'un habitacle de véhicule selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 illustre schématiquement le dispositif de chauffage de l'habitacle d'un véhicule selon l'invention, et en particulier son intégration au sein de la ligne d'échappement du système de motorisation du véhicule. Sur la figure 1, il a en particulier été représenté un moteur thermique 1 à combustion interne, par exemple un moteur diesel à injection directe.
Ce moteur thermique 1 est couplé en entrée à une ligne d'admission 2 qui permet notamment au moteur 1 d'être alimenté en air, nécessaire au mélange air-carburant permettant de faire fonctionner le moteur thermique 1. Le moteur thermique 1 est en outre couplé en sortie à une ligne d'échappement 3 qui permet d'évacuer les gaz d'échappement issus de la combustion du mélange air- carburant dans le moteur thermique 1, la ligne d'échappement 3 permettant une évacuation desdits gaz d'échappement. Le moteur thermique 1 à combustion interne est en outre couplé à un turbocompresseur qui est destiné à augmenter la pression des gaz admis en entrée du moteur thermique 1, opérant ainsi une suralimentation du moteur thermique 1, et permettant un meilleur remplissage des cylindres du moteur en air. Le turbocompresseur comprend une turbine 4 placée dans la ligne d'échappement 3 de sorte que cette turbine 4 est entrainée par le flux des gaz d'échappement sortant du moteur thermique 1. La turbine 4 est couplée à un compresseur 5, par l'intermédiaire d'un arbre d'entrainement 6 par exemple, de sorte que le mouvement de la turbine 4 actionne le compresseur 5. Ce compresseur 5, qui est placé dans la ligne d'admission 2 du moteur thermique 1, aspire de l'air et le comprime avant de l'envoyer dans les cylindres du moteur thermique 1 qui est alors suralimenté. En effet, le fait d'envoyer de l'air comprimé dans les cylindres du moteur thermique 1 permet d'améliorer le remplissage de ces derniers, qui sinon se remplissent par simple dépression, et permet donc d'augmenter sensiblement la quantité du mélange air-carburant injecté dans le moteur thermique, et d'augmenter en conséquence la puissance en sortie du moteur thermique 1. Il peut également d'être prévu d'utiliser un refroidisseur d'air de suralimentation 7 disposé dans la ligne d'admission 2 en aval du compresseur 5 et en amont du moteur thermique 1. Ce refroidisseur d'air de suralimentation 7 est destiné à refroidir l'air qui a subi une forte augmentation de température lors de sa compression dans le compresseur 5. Cette diminution de la température de l'air comprimé destiné à être injecté dans le moteur thermique 1 permet d'améliorer sa densité, ce qui permet d'avoir un débit d'air plus important en direction du moteur thermique 1, et entraine en conséquence une combustion plus efficace et donc une meilleure performance du moteur thermique 1. Il est également prévu dans la ligne d'échappement 3, en sortie de la turbine 4, d'utiliser un ensemble de dépollution 8 destiné à traiter les gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement 3 et destiné à être rejeté dans l'atmosphère de manière à réduire la quantité de polluants présents dans ces gaz d'échappement. Un tel ensemble de dépollution 8 comprend par exemple des éléments catalyseurs qui sont adaptés pour déclencher ou accentuer des réactions chimiques tendant à transformer les constituants les plus toxiques des gaz d'échappement (monoxyde de carbone, hydrocarbure non brûlé, oxyde d'azote, etc.), en des éléments moins toxiques (eau et CO2). Un tel ensemble de dépollution 8 peut également comprendre un filtre à particules qui permet de filtrer les gaz d'échappement pour éliminer les plus fines particules qu'ils contiennent, ces fines particules étant réputées cancérigènes. Lorsqu'un filtre à particules est utilisé dans l'ensemble de dépollution 8, il est important de pouvoir régénérer ce filtre de manière régulière pour réduire la perte de charge qui augmente en fonction de l'accumulation des particules dans le filtre, cette perte de charge ayant tendance à nuire au bon fonctionnement du moteur thermique 1, en entrainant notamment une perte de puissance. La méthode de régénération généralement utilisée est basée sur la combustion des suies par une élévation de la température des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules.
Une motorisation comprenant un moteur thermique 1 suralimenté par un turbocompresseur comprend en général en outre une soupape de décharge 9, appelée également waste gate , qui a pour objet principal de dévier en tout ou en partie les gaz d'échappement arrivant à la turbine 4 dans un circuit ou conduite de dérivation 10, ces gaz d'échappement déviés étant donc transmis à l'ensemble de dépollution 8 sans passer par la turbine 4. La déviation de tout ou partie des gaz d'échappement vers le circuit de dérivation 10 entraine une diminution de la vitesse de la turbine 4, ce qui en retour réduit la vitesse de rotation du compresseur 5. La fonction première de la soupape de décharge 10 est de stabiliser la pression de suralimentation afin de protéger à la fois le turbocompresseur et le moteur thermique 1. Une telle soupape de décharge 9 peut par exemple être commandée par un actionneur ad hoc en fonction de la pression d'alimentation du moteur thermique 1. La soupape de décharge 9 permet également de dévier les gaz d'échappement lorsque le turbocompresseur n'est pas utilisé, c'est-à-dire lorsque le moteur 1 n'est pas chargé. Le circuit de dérivation 10 rejoint la ligne d'échappement 3 en amont de l'ensemble de dépollution 8. Ainsi, les gaz d'échappement déviés par la soupape de décharge 9 rejoignent en principe directement l'ensemble de dépollution 8 sans passer par la turbine 4. L'enthalpie de ces gaz d'échappement déviés peut être utilisée dans l'ensemble de dépollution 8 pour accélérer la montée en température du catalyseur d'amorçage. Toutefois, une fois la température d'amorçage atteinte, l'enthalpie des gaz d'échappement déviés n'a plus d'intérêt pour l'ensemble de dépollution 8 et elle n'est en principe pas récupérée. Au cours du fonctionnement du véhicule, l'enthalpie des gaz d'échappement déviés n'est donc quasiment pas exploitée ce qui correspond à une perte énergétique non négligeable. C'est pourquoi on propose de placer un échangeur thermique 11 placé au sein de la conduite de dérivation 10 entre la sortie de dérivation de la soupape de décharge 9 et l'entrée de l'ensemble de dépollution 8. Cet échangeur thermique 11 est également couplé à un circuit de régulation thermique 12 à travers lequel circule un fluide caloporteur de sorte que le fluide caloporteur récupère les calories des gaz d'échappement déviés pour augmenter sa température. Le circuit de régulation thermique 12 comprend en outre une pompe 13 permettant de faire circuler le fluide caloporteur à l'intérieur du circuit de régulation thermique 12. Ce circuit de régulation thermique 12 comprend en outre un aérotherme 14 couplé à un circuit de distribution d'air 15, cet aérotherme 14 étant destiné à transmettre les calories du fluide caloporteur à l'air circulant dans le circuit de distribution d'air avant d'être soufflé dans l'habitacle du véhicule. Le circuit de distribution d'air 15 comprend en général un autre aérotherme 16 couplé au circuit de régulation thermique 17 du moteur à travers lequel traverse également un fluide caloporteur. Un tel circuit de régulation thermique comprend un système de refroidissement pour refroidir le fluide caloporteur avant que celui-ci ne traverse le moteur thermique 1 à refroidir. Les calories récupérées par le fluide caloporteur au passage du moteur thermique 1 sont ensuite utilisées au niveau de l'aérotherme 16 pour réchauffer l'air destiné à être pulsé dans l'habitacle du véhicule par le circuit de distribution d'air 15. Le circuit de régulation thermique 12 couplé à la conduite de dérivation 10 de la ligne d'échappement 3 comprend en outre des moyens de commande 18 pour commander la pompe 13 faisant circuler le fluide caloporteur en fonction d'un certain nombre de paramètres pour ne pas perturber le fonctionnement normal du véhicule.
Ainsi, la stratégie de commande de la pompe 13 par les moyens de commande 18 peut par exemple prendre en compte la température T, des gaz d'échappement relevés par un capteur placé en entrée de l'ensemble de dépollution 8, de manière notamment à ne pas retarder l'amorçage de cet ensemble de dépollution 8. La stratégie de commande de la pompe 13 peut également prendre en compte la température T2 d'air soufflé dans l'habitacle de manière à adapter le débit de la pompe 13 au besoin de chauffage. La stratégie de commande de la pompe 13 peut aussi prendre en compte l'ouverture (m) de la soupape de décharge 9 afin d'adapter le débit de la pompe 13 à celui des gaz d'échappement déviés traversant l'échangeur thermique 11, et ce pour une meilleure efficacité du circuit de régulation thermique 12. L'ensemble des capteurs de mesure utilisés pour alimenter la stratégie de commande peuvent être des capteurs de série utilisés à d'autres fins, mais peuvent également être placés spécifiquement pour cette stratégie de commande particulière. L'utilisation de ce circuit de régulation thermique 12 permettant de récupérer la chaleur des gaz d'échappement déviés du turbocompresseur pour le chauffage de l'habitacle du véhicule est particulièrement avantageux puisqu'il permet en effet de chauffer l'habitacle du véhicule sans augmenter la consommation de carburant dudit véhicule, toute l'énergie calorifique récupérée étant en effet issue des gaz d'échappement déviés.
La solution proposée est particulièrement avantageuse pendant les phases de démarrage du véhicule, notamment en ambiance froide, lorsque le moteur thermique 1 n'est pas encore chaud, et que le fluide caloporteur du circuit de régulation thermique 17 du moteur thermique 1 n'a donc pas encore récupéré de calories du moteur thermique 1. Cette solution particulière pour chauffer l'habitacle du véhicule en utilisant l'enthalpie des gaz d'échappement déviés permet en outre de réduire, voire d'éliminer totalement, l'utilisation de résistances chauffantes classiquement utilisées en attendant la montée en température du fluide caloporteur circulant à travers le moteur. Les moyens de commande 18 utilisés permettent en outre de prendre en compte la montée en température du catalyseur de l'ensemble de dépollution 8 de sorte que la solution proposée pour chauffer l'habitacle du véhicule n'est pas préjudiciable au bon fonctionnement de l'ensemble de dépollution. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, on prévoit en outre d'utiliser un accumulateur de chaleur latente 19 placé dans le circuit de régulation thermique 12 associé à la conduite de dérivation 10 de la ligne d'échappement 3. Cet accumulateur de chaleur 19 permet de chauffer l'habitacle du véhicule lorsque le moteur ne fonctionne plus et qu'il n'y a donc aucun gaz d'échappement émis. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux pour les véhicules équipées de systèmes permettant de contrôler automatiquement l'arrêt et le démarrage du moteur, par exemple lorsque le véhicule est immobilisé dans la circulation (feux tricolores, embouteillages, etc.). L'accumulateur de chaleur 19 utilisé permet de conserver les avantages des véhicules comprenant un système d'arrêt et de démarrage automatiques du moteur, tout en conservant les avantages de la solution proposée pour chauffer l'habitacle du véhicule en ambiance froide. En particulier, lorsque le moteur est arrêté pendant l'immobilisation du véhicule, l'accumulateur de chaleur 19 prend le relais sur l'échangeur thermique 11 pour chauffer le fluide caloporteur circulant à travers le circuit de régulation thermique 12 et destiné à chauffer l'air soufflé dans l'habitacle du véhicule par l'intermédiaire de l'aérotherme 14. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, le circuit de dérivation 10 comprend un organe de dérivation 20 permettant de dévier les gaz d'échappement déviés destinés à l'échangeur thermique 11 directement vers l'ensemble de dépollution 8. Cet organe de dérivation 20 peut par exemple comprendre un clapet qui permet de contourner l'échangeur thermique 11 du circuit de dérivation 10. L'utilisation de cet organe de dérivation 20 est particulièrement avantageuse lorsque le moteur est arrêté de manière à éviter les pertes thermiques au niveau de l'échangeur thermique 11, ce qui pourrait avoir pour effet de refroidir le fluide caloporteur circulant à travers le circuit de régulation thermique 12 au lieu de le chauffer.
Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées sans sortir matériellement des nouveaux enseignements et des avantages décrits ici. Par conséquent, toutes les modifications de ce type sont destinées à être incorporées à l'intérieur de la portée du dispositif de chauffage selon l'invention.5
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de chauffage d'un habitacle de véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne (1) suralimenté par un turbocompresseur ayant une turbine (4) placée dans une ligne d'échappement (3) du moteur (1) en aval dudit moteur (1) et en amont d'un ensemble de dépollution (8), et comprenant en outre une soupape de décharge (9) des gaz d'échappement placée dans la ligne d'échappement (3) en aval du moteur (1) et en amont de la turbine (4) de manière à dévier en tout ou en partie les gaz d'échappement destinés à la turbine (4) dans une conduite de dérivation (10) en direction de l'ensemble de dépollution (8), caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur thermique (11) placé dans la conduite de dérivation (10) entre la soupape de décharge (9) et l'ensemble de dépollution (8), ledit échangeur thermique (11) étant en outre placé dans un circuit de régulation thermique (12) comprenant une pompe (13) pour faire circuler un fluide caloporteur et comprenant un aérotherme (14) pour souffler dans l'habitacle de l'air régulé thermiquement.
- 2. Dispositif de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande (18) de la pompe (13) pour contrôler la circulation du fluide caloporteur dans le circuit de régulation thermique (12).
- 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de température agencé pour mesurer la température (T,) des gaz d'échappement en entrée de l'ensemble de dépollution (8), et en ce que les moyens de commande (18) comprennent des moyens pour contrôler la circulation du fluide caloporteur en fonction de la température (T,) mesurée en entrée de l'ensemble de dépollution (8).
- 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de température agencé pour mesurer la température (T2) de l'air soufflé dans l'habitacle, et en ce que les moyens de commande (18) comprennent des moyens pour contrôler la circulation du fluide caloporteur en fonction de la température (T2) mesurée de l'air soufflé dans l'habitacle.
- 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de débit agencé pour mesurer le débit (m) des gaz d'échappement déviés par la soupape de décharge (9) dans la conduite de dérivation (10) en direction de l'ensemble de dépollution (8), et en ce que les moyens de commande (18) comprennent des moyens pour contrôler le débit du fluide caloporteur dans le circuit de régulation thermique (12) en fonction du débit (m) mesuré des gaz d'échappement déviés par la soupape de décharge (9) dans la conduite de dérivation (10) en direction de l'ensemble de dépollution (8).
- 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit de régulation thermique (12) comprend un accumulateur de chaleur (19).
- 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un organe de dérivation (20) agencé dans la conduite de dérivation (10) pour dévier les gaz d'échappement destinés à l'échangeur thermique (11) directement vers l'ensemble de dépollution (8).
- 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de régulation thermique (17) du moteur (1) distinct du circuit de régulation thermique (12) couplé à la conduite de dérivation (10) de la ligne d'échappement (3), le circuit de régulation thermique (17) du moteur (1) comprenant également un aérotherme (16) pour souffler dans l'habitacle du véhicule de l'air régulé thermiquement.10
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