FR2982646A1 - Systeme d'echangeur de chaleur pour un moteur a combustion interne et ligne d'echappement d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Systeme d'echangeur de chaleur pour un moteur a combustion interne et ligne d'echappement d'un moteur a combustion interne Download PDF

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Abstract

L'invention concerne système d'échangeur (2) de chaleur pour un moteur à combustion interne (1), comprenant un échangeur avec une première partie pour échanger de la chaleur entre un premier fluide et un deuxième fluide et une deuxième partie pour échanger de chaleur entre le deuxième fluide et un troisième fluide, l'échangeur ayant un axe longitudinal, étant propre à diriger le premier fluide et le troisième fluide à travers de l'échangeur parallèlement à l'axe longitudinal, et étant propre à diriger le deuxième fluide de telle façon qu'il traverse la première partie parallèlement à l'axe longitudinal dans un premier sens, fait un demi-tour et traverse la deuxième partie de l'échangeur parallèlement à l'axe longitudinal dans un deuxième sens opposé au premier sens. La première partie et la deuxième partie ont une chambre (13) d'échangeur commune. En outre, l'invention concerne une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne comprenant un tel système.

Description

Système d'échangeur de chaleur pour un moteur à combustion interne et ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne La présente demande concerne un système d'échangeur de chaleur pour un moteur à combustion interne, comprenant un échangeur avec une première partie pour échanger de la chaleur entre un premier fluide et un deuxième fluide et une deuxième partie pour échanger de chaleur entre le deuxième fluide et un troisième fluide, l'échangeur ayant un axe longitudinal, étant propre à diriger le premier fluide et le troisième fluide à travers de l'échangeur parallèlement à l'axe longitudinal, et étant propre à diriger le deuxième fluide de telle façon qu'il traverse la première partie parallèlement à l'axe longitudinal dans un premier sens, fait un demi-tour et traverse la deuxième partie de l'échangeur parallèlement à l'axe longitudinal dans un deuxième sens opposé au premier sens. En outre, la présente invention concerne une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne.
Typiquement, le moyen le plus simple de récupérer l'énergie thermique du gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne est d'utiliser un échangeur eau/gaz d'échappement. Généralement, ce dispositif est muni d'une vanne qui dirige les gaz d'échappement soit au travers de l'échangeur, soit dans un tube de dérivation. La demande française FR 2 846 735 divulgue un échangeur tri-fluide dans lequel le gaz d'échappement traverse, au travers de tubes, une chambre d'huile qui elle-même est entourée d'une coquille cylindrique qui est traversée par l'eau. L'huile est celle utilisée pour lubrifier le moteur. Ce type d'arrangement a l'inconvénient que l'huile de moteur est directement chauffée par le gaz d'échappement. Au-dessus d'une température maximale, l'huile se dégrade très vite et perd ses qualités. Donc un tel agencement présente des risques de dégradation des pièces lubrifiées si l'huile subit un échauffement trop important. La demande KR 2011-0037547 concerne un système similaire à la demande FR 2 846 735 Al pourvu d'un tube de dérivation à l'intérieur. Le brevet EP 1 241 425 B1 divulgue un système d'échangeur qui comprend un corps d'échangeur qui présente au moins trois chambres d'échange thermique qui sont traversées l'une après l'autre dans leur direction longitudinale par un fluide de refroidissement circulant à l'intérieur de tubes présents dans les chambres. Le système d'échangeur comprend à chaque extrémité un couvercle pour fermer les trois chambres et pour rediriger le fluide de refroidissement dans les chambres respectives. Le fluide de refroidissement est de l'eau de mer. Dans ce système d'échangeur, trois fluides sont refroidis. La présence de plusieurs échangeurs accolés nécessite un volume important.
L'objet de la demande est de proposer un système d'échangeur ayant un encombrement réduit qui assure un échange de chaleur effectif entre les fluides. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par un système d'échangeur de chaleur pour un moteur à combustion interne, comprenant un échangeur avec une première partie pour échanger de la chaleur entre un premier fluide et un deuxième fluide et une deuxième partie pour échanger de chaleur entre le deuxième fluide et un troisième fluide, l'échangeur ayant un axe longitudinal, étant propre à diriger le premier fluide et le troisième fluide à travers de l'échangeur parallèlement à l'axe longitudinal, et étant propre à diriger le deuxième fluide de telle façon qu'il traverse la première partie parallèlement à l'axe longitudinal dans un premier sens, fait un demi-tour et traverse la deuxième partie de l'échangeur parallèlement à l'axe longitudinal dans un deuxième sens opposé au premier sens. La première partie et la deuxième partie ont une chambre d'échangeur commune. Selon des caractéristiques avantageuses : la première partie et la deuxième partie sont superposées ; l'échangeur étant propre à diriger le deuxième fluide de telle façon qu'il fait demi- tour dans la chambre d'échangeur commune ; la chambre d'échangeur commune est divisée par une plaque de séparation en deux sous-chambres, la première partie comprenant la première sous-chambre et la deuxième partie comprenant la deuxième sous-chambre ; la plaque de séparation met à disposition une ouverture de connexion pour le deuxième fluide à l'une de ses extrémités suivant l'axe longitudinal ; la chambre d'échangeur commune comprend suivant l'axe longitudinal une première extrémité et une deuxième extrémité, la chambre comprenant une première ouverture dans la première partie à la première extrémité et une deuxième ouverture dans la deuxième partie à la première extrémité, la première ouverture et la deuxième ouverture étant propre à laisser entrer et/ou sortir le deuxième fluide dans la chambre d'échangeur commune ; le première et/ou le troisième fluide traverse(nt) respectivement l'échangeur dans un faisceau de tubes parallèlement à l'axe longitudinal à travers de la chambre d'échangeur commune ; le système comprend une entrée pour le premier fluide, une sortie pour le premier fluide, et un tube de dérivation pour le premier fluide, le tube de dérivation et l'échangeur étant propre à guider parallèlement le premier fluide à travers du système ; une vanne est agencée en amont du tube de dérivation et/ou de l'échangeur pour diriger au choix le premier fluide dans l'échangeur et/ou dans le tube de dérivation ; et/ou le premier fluide est un gaz d'échappement du moteur à combustion interne, le deuxième fluide est une liquide de refroidissement pour le moteur à combustion interne, et/ou le troisième fluide est une huile moteur, pont arrière et/ou boîte de vitesses. En outre, ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne comprenant un système selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins, qui illustre un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et dans lesquels : - la Figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion avec une système d'échangeur selon la présente invention ; - la Figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation d'un système d'échangeur selon la présente invention ; et - la Figure 3 est une vue de dessus du système d'échangeur de la Figure 1. La Figure 1 montre un moteur à combustion interne 1 qui est relié à un système d'échangeur 2 selon l'invention. Un circuit 3 de liquide de refroidissement pour le moteur traverse successivement un radiateur 4, le moteur 1, et le système d'échangeur 2 (flèches pointillées). Le moteur à combustion interne 1 produit des gaz d'échappement chauds (flèches grasses) qui traversent, des tubes d'échappement 5 et le système d'échangeur 2, pour transmettre une partie de sa chaleur au liquide de refroidissement. Dans la Figure 1, un circuit 6 d'huile de lubrification du moteur 6 est représenté. Le circuit forme une boucle entre le moteur à combustion interne 1 et le système d'échangeur 2 (flèches simples). Il est propre à assurer un échange de chaleur entre le liquide de refroidissement et l'huile de lubrification.
Le système d'échangeur 2 est un système de récupération de la chaleur du gaz d'échappement du moteur à combustion interne 1. Les flèches montrent schématiquement le trajet des fluides dans le système d'échangeur 2. Dans un mode de réalisation, le circuit d'huile 6 est alternativement ou additionnellement connecté à une boîte de vitesses.
Les Figures 2 et 3 sont décrites ensemble et montrent plus en détail le système d'échangeur 2. Le système 2 comprend une entrée 7 des gaz d'échappement, une sortie 8 des gaz d'échappement reliées aux tubes d'échappement 5, un tube de dérivation 9, un échangeur 10 monté en parallèle du tube de dérivation et une vanne 11 qui dirige le gaz d'échappement soit directement vers le tube de dérivation 9 soit vers l'échangeur 10. La vanne 11 est commandée pour que quand le moteur à combustion interne 1 est froid, les gaz d'échappement passent dans l'échangeur 10. En aval de l'échangeur 10 et du tube de dérivation 9 les gaz d'échappement issus de l'échangeur 10 et du tube de dérivation 9 sont dirigés ensemble vers la sortie 8 au travers d'un collecteur 12. Typiquement, le tube de dérivation 9 et l'échangeur 10 sont agencés en parallèle, suivant la direction d'écoulement du gaz d'échappement.
L'échangeur 10 a une forme générale parallélipipédique. Il présente deux faces d'extrémité 10A, 10B pour le passage des gaz d'échappement et de l'huile de lubrification, les quatre autres faces, dont les deux faces de plus grande surface délimitent une enveloppe cylindrique obturée par les faces d'extrémité, de guidage du liquide de refroidissement.
L'échangeur 10 a un axe longitudinal X qui correspond à la direction suivant laquelle le gaz d'échappement traverse l'échangeur 10. L'échangeur 10 comprend une chambre d'échangeur 13 disposée dans la continuité de la première sous-chambre en considérant le sens de circulation du liquide de refroidissement. Une plaque de séparation 13A est agencée dans la chambre 13 et délimite ainsi une première sous-chambre 14 et une deuxième sous-chambre 16 reliées par un passage 17 à la deuxième extrémité 19 de la chambre 13 pour le passage du liquide de refroidissement entre la première sous-chambre 14 et la deuxième sous-chambre 16. La plaque de séparation 13A s'étend parallèlement à l'axe longitudinal et est sensiblement rectiligne. La plaque de séparation a une longueur d'au moins 70%, en particulier au moins 80%, de la longueur de la chambre 12 d'échangeur entre la première extrémité de la chambre 12 et l'ouverture 17. Les deux sous-chambres 14, 16 sont superposées, la première sous-chambre 14 étant agencée au-dessous de la deuxième sous-chambre 16. La chambre 13 est pourvue, suivant la direction de l'axe longitudinal X, d'une première extrémité 18 formée par la paroi 10A où le gaz d'échappement et l'huile entrent dans la chambre 13 et d'une deuxième extrémité 19 formée par la paroi 10B où le gaz d'échappement et l'huile sortent de la chambre 13. La première sous-chambre 14 fait partie d'une première partie 20 de l'échangeur 10 dans laquelle la chaleur est échangée entre le gaz d'échappement et le liquide de refroidissement. La deuxième sous-chambre 16 fait partie d'une deuxième partie 21 de l'échangeur 10 dans laquelle la chaleur est échangée entre le liquide de refroidissement et l'huile de lubrification, par exemple une huile moteur. En variante, il s'agit d'une huile d'une boîte de vitesse et/ou d'une huile d'un pont arrière. Dans la première partie 20, un faisceau des tubes 22 pour le gaz d'échappement est agencé au travers de la première sous-chambre 14 parallèlement à l'axe longitudinal X. Les tubes 22 sont propres à guider le gaz d'échappement, qui est dirigé par la vanne 11 vers l'échangeur 10, à travers la première sous-chambre 14. Ils assurent une étanchéité entre les gaz d'échappement et le liquide de refroidissement. Une chambre de collecte 23 est agencée en aval des tubes 22. Elle est propre à récupérer le gaz d'échappement issu des tubes 22 et pour le diriger vers la sortie 8.
Dans la deuxième partie 21, un faisceau de tubes 24 de guidage de l'huile est agencé au travers de la deuxième sous-chambre 16 parallèlement à l'axe longitudinal X. Au voisinage de la première extrémité 18 de la chambre 13 et de la deuxième sous-chambre 16, la deuxième partie 21 de l'échangeur 10 comprend une entrée d'huile 30 connectée à une chambre de distribution 32 pour distribuer l'huile aux tubes du faisceau de tubes 24. Adjacente à la deuxième extrémité 19 de la chambre 13 et de la deuxième sous-chambre 16, la deuxième partie 21 de l'échangeur comprend une sortie d'huile 34 en connexion avec une chambre de collection 36 récupérant l'huile sortant des tubes 24 du faisceau de tubes 24. La première partie 20 assurant un échange de chaleur entre le gaz d'échappement et le liquide de refroidissement et la deuxième partie 21 assurant un échange de chaleur entre le liquide de refroidissement et l'huile sont superposées et partagent la chambre 13 d'échangeur. La chambre 13 de l'échangeur 10 comprend une ouverture d'entrée 38 pour le liquide de refroidissement dans la première sous-chambre 14 à la première extrémité 18 de la chambre 13. De plus, la chambre 13 de l'échangeur 10 comprend dans la deuxième sous-chambre 16 une ouverture de sortie 40 de liquide de refroidissement également agencée à la première extrémité 18 de la chambre 13. Dans un autre mode de réalisation, les ouvertures d'entrée et de sortie du liquide de refroidissement 38, 40 sont agencées à la deuxième extrémité 19 de la chambre d'échangeur 13 respectivement dans la première sous-chambre 14 et la deuxième sous- chambre 16. Le passage 17 est alors situé à la première extrémité 18. Le liquide de refroidissement entrant par l'ouverture d'entrée 38 à la première extrémité 18 est forcé de traverser parallèlement à l'axe longitudinal X, la première partie 20 de l'échangeur 10 à co-courant avec le gaz d'échappement. Le liquide de refroidissement fait demi-tour en traversant le passage 17 à la deuxième extrémité 19 de la chambre 13. Ensuite, le liquide de refroidissement traverse la deuxième partie 21 ou la deuxième sous-chambre 16 parallèlement à l'axe longitudinal X en sens inverse de celui dans la première sous-chambre 14 pour sortir à l'ouverture de sortie 40 à contre courant avec l'huile. De cette façon, l'échangeur 10 évite la présence pour le liquide de refroidissement de zones de faible courant.
En d'autres termes, pour que les fonctions de réchauffage et de refroidissement soient bien assurées, la plaque de séparation 13A permet que le liquide de refroidissement traverse d'abord la première partie 18 complètement puis la deuxième partie 20 de l'échangeur 10, sans qu'il soit possible de traverser l'ensemble en diagonale ce qui aurait pour conséquence des risques importants d'ébullition dans les zones de perte de vitesse et d'échange faible. Dans le mode de réalisation, où les ouvertures d'entrée et de sortie du liquide de refroidissement 38, 40 sont agencées à la deuxième extrémité 19 de la chambre 13, l'ouverture 13A de la plaque de séparation 42 est agencée à la première extrémité 18. Donc, le trajet du liquide de refroidissement peut être en co-courant ou contre courant par rapport au trajet du gaz d'échappement dans l'échangeur 10. Dans des autres modes de réalisation, l'entrée d'huile et la sortie d'huile sont échangées pour réaliser un échange entre le liquide de refroidissement et l'huile en cocourant ou en contre-courant selon le besoin. Le système d'échangeur ou de récupération de la chaleur du gaz d'échappement fonctionne de la manière suivante : Quand le moteur à combustion interne est froid, par exemple quand un véhicule comprenant le moteur à combustion interne démarre avec une température du liquide de refroidissement proche de la température de l'environnement, un contrôleur dirige la vanne 11 pour que le gaz d'échappement traverse l'échangeur 10 pour chauffer le liquide de refroidissement dans la première partie 20 de l'échangeur. Le liquide de refroidissement cède une partie de cette énergie thermique à l'huile, par exemple l'huile de moteur ou boîte de vitesse dans la deuxième partie 21 de l'échangeur 10. La quantité de chaleur transmise à huile peut être ajustée en variant la vitesse de l'huile dans la deuxième partie 21 de l'échangeur 10. En réduisant la vitesse de l'huile, le flux thermique entre le liquide de refroidissement et l'huile en sortie de l'échangeur a baissé. En revanche, le flux thermique entre le liquide de refroidissement et l'huile est augmenté, en augmentant le débit de l'huile traversant l'échangeur 10. Quand le moteur atteint environ 85° C et que le liquide de refroidissement a également cette température, le contrôleur dirige la vanne 11 pour que le gaz d'échappement est dirigé dans le tube de dérivation 9 au sortie 8.
Dans le cas de l'utilisation du système 2 dans une voiture ayant une boîte de vitesse automatique, l'huile de la boîte de vitesse doit être refroidie lors de sollicitations importantes ou dans des conditions chaudes. Dans ce cas, les gaz d'échappement sont dirigés dans le tube de dérivation et dans la deuxième partie 20 de l'échangeur 10. Donc, l'échange thermique entre le gaz d'échappement et le liquide de refroidissement est empêché. La deuxième partie 21 de l'échangeur 10 est traversée par l'huile de la boîte de vitesse au lieu de l'huile du moteur. La circulation du liquide de refroidissement et de l'huile est continue pour refroidir cette dernière. Donc seulement un échange thermique entre le liquide de refroidissement et l'huile de la boîte de vitesse a lieu dans l'échangeur 10. Le système 2 est décrit ci-dessus pour l'utilisation avec le gaz d'échappement, un liquide de refroidissement pour le moteur et une huile. Néanmoins, le système 2 est aussi utilisable avec d'autres fluides.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Système d'échangeur (2) de chaleur pour un moteur à combustion interne (1), comprenant un échangeur (10) avec une première partie (20) pour échanger de la chaleur entre un premier fluide et un deuxième fluide et une deuxième partie (21) pour échanger de chaleur entre le deuxième fluide et un troisième fluide, l'échangeur ayant un axe longitudinal (X), étant propre à diriger le premier fluide et le troisième fluide à travers de l'échangeur (10) parallèlement à l'axe longitudinal (X), et étant propre à diriger le deuxième fluide de telle façon qu'il traverse la première partie (20) parallèlement à l'axe longitudinal (X) dans un premier sens, fait un demi-tour et traverse la deuxième partie (21) de l'échangeur parallèlement à l'axe longitudinal (X) dans un deuxième sens opposé au premier sens, caractérisé en ce que la première partie (20) et la deuxième partie (21) ont une chambre (13) d'échangeur commune.
  2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie (20) et la deuxième partie (21) sont superposées.
  3. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'échangeur étant propre à diriger le deuxième fluide de telle façon qu'il fait demi-tour dans la chambre (13) d'échangeur commune.
  4. 4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre d'échangeur commune est divisée par une plaque de séparation (42) en deux sous-chambres (14, 16), la première partie (20) comprenant la première sous-chambre (14) et la deuxième partie (21) comprenant la deuxième sous-chambre (16).
  5. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque de séparation (42) met à disposition une ouverture de connexion (44) pour le deuxième fluide à l'une de ses extrémités suivant l'axe longitudinal (X).
  6. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre (13) d'échangeur commune comprend suivant l'axe longitudinal (X) une première extrémité (18) et une deuxième extrémité (19), la chambre comprenant une première ouverture (38) dans la première partie (20) à la première extrémité (18) et une deuxième ouverture (40) dans la deuxième partie (21) à la première extrémité (18), la première ouverture et la deuxième ouverture étant propre à laisser entrer et/ou sortir le deuxième fluide dans la chambre (13) d'échangeur commune.
  7. 7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le première et/ou le troisième fluide traverse(nt) respectivement l'échangeur dans un faisceau de tubes (22, 24) parallèlement à l'axe longitudinal (X) à travers de la chambre (13) d'échangeur commune.
  8. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système comprend une entrée (7) pour le premier fluide, une sortie (8) pour le premier fluide, et un tube de dérivation (9) pour le premier fluide, le tube de dérivation et l'échangeur étant propre à guider parallèlement le premier fluide à travers du système (2).
  9. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé par une vanne (11) agencée en amont du tube de dérivation (9) et/ou de l'échangeur (10) pour diriger au choix le premier fluide dans l'échangeur et/ou dans le tube de dérivation.
  10. 10. Système selon l'une de revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier fluide est un gaz d'échappement du moteur à combustion interne, le deuxième fluide est une liquide de refroidissement pour le moteur à combustion interne, et/ou le troisième fluide est une huile moteur, pont arrière et/ou boîte de vitesses.
  11. 11. Ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne comprenant un système selon l'une des revendications précédentes.
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