WO2006005878A1 - Dispositif de regulation thermique d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Dispositif de regulation thermique d'un moteur a combustion interne Download PDF

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Jacques Portalier
Pierre Dumoulin
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/0408—Multi-circuit heat exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat exchangers for more than two fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
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    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P7/16—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control
    • F01P7/165—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control characterised by systems with two or more loops
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • F02M26/28—Layout, e.g. schematics with liquid-cooled heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P5/00—Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/10—Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
    • F01P2005/105—Using two or more pumps

Definitions

  • the present invention relates to a thermal control device of an internal combustion engine.
  • the invention more particularly relates to a thermal control device comprising at least a first cooling loop of the internal combustion engine and a second cooling loop of the recirculated exhaust gas (EGR).
  • EGR recirculated exhaust gas
  • the temperature of the exhaust gas, and consequently that of the recirculated gases exceeds a certain threshold which compromises the efficiency of the recirculated gases in the combustion chamber of the engine.
  • a solution envisaged for this purpose by the car manufacturers is to implement, in addition to the conventional cooling circuit of the engine, a second cold loop including a heat exchanger liquid coolant / exhaust gas recirculated for cooling said recirculated gas and a heat exchanger thermal air / heat transfer liquid for cooling the coolant, the latter being generally a radiator located at the front face of the engine.
  • a second cold loop including a heat exchanger liquid coolant / exhaust gas recirculated for cooling said recirculated gas and a heat exchanger thermal air / heat transfer liquid for cooling the coolant, the latter being generally a radiator located at the front face of the engine.
  • the use of an additional radiator at the front of the engine has disadvantages in terms of architectural compactness and in terms of cost.
  • the invention aims to provide a thermal control device of an internal combustion engine overcoming all or part of the disadvantages mentioned in the prior art.
  • the subject of the invention is a device for the thermal regulation of an internal combustion engine, comprising at least a first cooling loop of the internal combustion engine equipped with at least one heat transfer liquid / air heat exchanger upstream of the engine. a pump and downstream of the heat transfer liquid supply means, and a second recirculated exhaust gas cooling loop (EGR) provided with at least one pump, an EGR / heat transfer fluid heat exchanger and a heat exchanger liquid heat / air, characterized in that the liquid coolant / air heat exchangers of each loop form two parts of a heat exchanger communicating by means of a controlled valve.
  • EGR exhaust gas cooling loop
  • the exchanger is a radiator.
  • the radiator comprises a partition which separates the two liquid heat exchanger / air exchangers.
  • the partition incorporates the pilot valve.
  • the pilot valve is a thermostatic valve.
  • FIG. 1 represents a schematic view of a device, known from the prior art, of thermal regulation of an internal combustion engine comprising two distinct and non-communicating cooling loops, intended for one to cool the engine, and for the other to cool the recirculated gases.
  • Figure 2 shows a schematic view of a thermal control device of an internal combustion engine according to the invention according to a first architecture.
  • Figure 3 shows a schematic view of a thermal control device of an internal combustion engine according to the invention according to a second architecture.
  • the internal combustion engine 2 shown in each of the figures conventionally comprises respectively intake ducts 11 and exhaust ducts 12.
  • a bypass 18 makes it possible to reinject part of the exhaust gases coming from the exhaust ducts 12 into the ducts.
  • intake ducts 11 A controlled valve 9 makes it possible to control the flow rate of the recirculated gases.
  • a first loop 13 dedicated to the cooling of the internal combustion engine 2 comprises in particular a heat exchanger 3a coolant / air upstream of a pump 10 and downstream of means 16 for supplying liquid coolant.
  • the heat transfer fluid supply means 16 are a water outlet housing.
  • the coolant is water with antifreeze additive, such as glycol water.
  • a thermostatic valve 7 makes it possible to control the flow of water in the loop 13.
  • the exchanger 3a is a radiator through which the water of the loop 13, located on the front face of the engine 2, passes.
  • the thermostatic valve 7 opens so that the water circulates in the loop 13 to cool the motor.
  • the radiator 3a cools the water that has circulated in the engine 2.
  • a second loop 14 dedicated to cooling the recirculated exhaust gas (EGR) includes a pump 5, a heat exchanger 4 EGR / heat transfer liquid and a heat exchanger 3b coolant / air.
  • the coolant circulating in the loop 14 by means of the pump 5 is water additive with an antifreeze, such as glycol water.
  • the exchanger 3b is a radiator through which the water of the loop 14, located on the front face of the engine.
  • the recirculated gases are cooled in the exchanger 4 by thermally coupling the recirculated gases from the bypass 18, with the water circulating in the loop 14.
  • the water circulating in the loop 14 is in turn cooled through the radiator 3b.
  • the exchangers 3a, 3b form two parts of an exchanger 3 separated by a partition 20 and communicating by means of a controlled valve 19.
  • the exchanger 3 is a water radiator. It can be indifferently a split radiator by means of the partition 20 in the width as shown in Figure 2 or in the thickness as shown in Figure 3.
  • the partition 20 forms a right angle so that the inputs and outputs 21a, 21b of the loops 13, 14, are on the same side.
  • the ends of the inlets and outlets 21a, 21b of the loops 13, 14 are oriented towards the engine and not towards the outside of the vehicle, and this, for reasons which are not only technical but also safe with respect to frontal shock situations.
  • the pilot valve 19 is a thermostatic valve.
  • the device 1 further comprises a non-return valve 6, which makes it possible to limit the counter-flow circulation of the coolant liquid coming from the loop 13 via the bypass 20b.
  • This same valve may furthermore comprise a small opening intended to allow the counterflow of the heat transfer liquid at a low flow rate.
  • the device 1 further comprises a third cooling loop 15 connected to the engine 2 between the brine outlet housing 16 and the pump 10.
  • the third loop 15 contains, for example, a heater 17 thermally coupling the coolant with heat transfer fluid. air intended to warm the cabin.
  • the device 1 according to the invention has two operating configurations.
  • a first operating configuration when the engine 2 does not require a cooling greater than the capacity of the exchanger 3a, that is to say when the temperature in the water outlet housing 16 is lower than a threshold S, the water circulates in the loop 13 if the thermostatic valve 7 is open.
  • the loop 14 operates to cool the EGR.
  • the loops 13, 14 admit a parallel operating configuration which makes it possible to maintain a temperature in the loop 14 lower than that in the loop 13. As a result, the function of the heat exchanger 4 is preserved.
  • the valve 19 preferably thermostatic, opens so that a part of the water coming from the loop 13 can circulate via the valve 19 in the exchanger 3b.
  • the invention has the advantage of allowing the thermal regulation of an internal combustion engine and its EGR, thanks to a single heat exchanger 3, easily integrable in the architecture of the engine by its compactness, and which allows to cool modulable way the coolant coming from the cooling loop of the engine.
  • the device 1 may not include the non-return valve 6, which makes it possible to limit the counter-flow circulation of the coolant liquid coming from the loop 13 via the bypass 20b.
  • the device 1 may not comprise the third cooling loop 15 connected to the motor 2 between the brine outlet housing 16 and the pump 10.

Abstract

La présente invention a pour objet un dispositif (1) de régulation thermique d'un moteur (2) à combustion interne, comprenant au moins une première boucle (13) de refroidissement du moteur (2) à combustion interne dotée d'au moins un échangeur thermique (3a) liquide caloporteur / air en amont d'une pompe (10) et en aval de moyens (16) d'alimentation en liquide caloporteur, et une seconde boucle (14) de refroidissement des gaz d'échappement recirculés (EGR) dotée d'au moins une pompe (5), d'un échangeur thermique (4) EGR / liquide caloporteur et d'un échangeur thermique (3b) liquide caloporteur / air, caractérisé en ce que les échangeurs (3a, 3b) forment deux parties d'un échangeur (3) communiquant au moyen d'une vanne pilotée (19).

Description

Dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne.
La présente invention a pour objet un dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de régulation thermique comprenant au moins une première boucle de refroidissement du moteur à combustion interne et une seconde boucle de refroidissement des gaz d'échappement recirculés (EGR).
Afin de diminuer la quantité des oxydes d'azote, qui sont des émissions polluantes se formant à hautes températures dans la chambre de combustion du moteur à partir de l'oxygène non utilisé dans la phase de combustion et de l'azote contenus dans l'air admis dans la chambre de combustion, les constructeurs automobiles ont proposé des solutions consistant à faire recirculer les gaz d'échappement. En effet, afin de diminuer la proportion d'oxygène excédentaire qui se combine à hautes températures avec l'azote, il suffit de mélanger à l'air frais admis dans la chambre de combustion, une partie des gaz d'échappement pauvres en oxygène.
Cependant, lors de certains points de fonctionnement du moteur, la température des gaz d'échappement, et par voie de conséquence celle des gaz recirculés, dépasse un certain seuil qui compromet l'efficacité des gaz recirculés dans la chambre de combustion du moteur.
C'est pourquoi, il est nécessaire de procéder au refroidissement des gaz recirculés afin de contrôler au mieux la formation d'oxydes d'azote. Une solution envisagée à cet effet par les constructeurs automobiles est d'implanter, en plus du circuit classique de refroidissement du moteur, une seconde boucle froide comportant notamment un échangeur thermique liquide caloporteur / gaz d'échappement recirculés pour refroidir lesdits gaz recirculés et un échangeur thermique air / liquide caloporteur pour refroidir le liquide caloporteur, ce dernier étant généralement un radiateur situé au niveau de la face avant du moteur. Toutefois, l'utilisation d'un radiateur supplémentaire au niveau de la face avant du moteur présente des inconvénients en terme de compacité d'architecture et en terme de coût.
C'est pourquoi l'invention a pour but de proposer un dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne palliant tout ou partie des inconvénients mentionnés dans l'art antérieur.
Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne, comprenant au moins une première boucle de refroidissement du moteur à combustion interne dotée d'au moins un échangeur thermique liquide caloporteur / air en amont d'une pompe et en aval de moyens d'alimentation en liquide caloporteur, et une seconde boucle de refroidissement des gaz d'échappement recirculés (EGR) dotée d'au moins une pompe, d'un échangeur thermique EGR / liquide caloporteur et d'un échangeur thermique liquide caloporteur / air, caractérisé en ce que les échangeurs liquide caloporteur / air de chaque boucle forment deux parties d'un échangeur communiquant au moyen d'une vanne pilotée.
Selon d'autres caractéristiques :
L'échangeur est un radiateur. Le radiateur comporte une cloison qui sépare les deux échangeurs liquide caloporteur / air.
La cloison intègre la vanne pilotée.
La vanne pilotée est une vanne thermostatique.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de deux modes de réalisation particuliers décrits à titre nullement limitatif et illustrés par les figures 2 et 3. Sur chaque figure, les éléments correspondants portent les mêmes repères.
La figure 1 représente une vue schématique d'un dispositif, connu de l'art antérieur, de régulation thermique d'un moteur à combustion interne comportant deux boucles de refroidissement distinctes et non communicantes, destinées pour l'une à refroidir le moteur, et pour l'autre à refroidir les gaz recirculés. La figure 2 représente une vue schématique d'un dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne conforme à l'invention suivant une première architecture.
La figure 3 représente une vue schématique d'un dispositif de régulation thermique d'un moteur à combustion interne conforme à l'invention suivant une seconde architecture.
Le moteur 2 à combustion interne représenté sur chacune des figures comprend de manière classique des conduits respectivement d'admission 11 et d'échappement 12. Une dérivation 18 permet de réinjecter une partie des gaz d'échappement issus des conduits d'échappement 12 dans les conduits d'admission 11. Une vanne pilotée 9 permet de contrôler le débit des gaz recirculés.
De manière classique et selon la figure 1 , une première boucle 13 dédiée au refroidissement du moteur 2 à combustion interne comprend notamment un échangeur thermique 3a liquide caloporteur / air en amont d'une pompe 10 et en aval de moyens 16 d'alimentation en liquide caloporteur.
Avantageusement, les moyens 16 d'alimentation en liquide caloporteur sont un boîtier de sortie d'eau. Avantageusement le liquide caloporteur est de l'eau additivée d'un antigel, telle que de l'eau glycolée.
Avantageusement, une vanne thermostatique 7 permet de contrôler le débit d'eau dans la boucle 13.
Avantageusement, l'échangeur 3a est un radiateur traversé par l'eau de la boucle 13, situé sur la face avant du moteur 2.
Ainsi lorsque la température dans le boîtier de sortie d'eau 16, dépasse un certain seuil S1 , la vanne thermostatique 7 s'ouvre de manière à ce que l'eau circule dans la boucle 13 pour refroidir le moteur.
De plus, le radiateur 3a assure le refroidissement de l'eau qui a circulé dans le moteur 2.
De manière classique également et selon la figure 1 , une seconde boucle 14 dédiée au refroidissement des gaz d'échappement recirculés (EGR) comprend notamment une pompe 5, un échangeur thermique 4 EGR / liquide caloporteur et un échangeur thermique 3b liquide caloporteur / air.
Avantageusement le liquide caloporteur circulant dans la boucle 14 au moyen de la pompe 5, est de l'eau additivée d'un antigel, telle que de l'eau glycolée.
Avantageusement, l'échangeur 3b est un radiateur traversé par l'eau de la boucle 14, situé sur la face avant du moteur.
Ainsi, les gaz recirculés sont refroidis dans l'échangeur 4 en couplant thermiquement les gaz recirculés issus de la dérivation 18, avec l'eau circulant dans la boucle 14.
De plus, l'eau circulant dans la boucle 14 est à son tour refroidie en traversant le radiateur 3b.
Selon l'invention et tel que représentés sur les figures 2 et 3, les échangeurs 3a, 3b forment deux parties d'un échangeur 3 séparées par une cloison 20 et communiquant au moyen d'une vanne pilotée 19.
Avantageusement, l'échangeur 3 est un radiateur à eau. Ce peut être indifféremment un radiateur scindé au moyen de la cloison 20 dans la largeur tel que représenté sur la figure 2 ou dans l'épaisseur tel que représenté sur la figure 3.
Avantageusement, dans le cas d'un radiateur à eau scindé dans l'épaisseur, la cloison 20 forme un angle droit de manière à ce que les entrées et les sorties 21a, 21 b des boucles 13, 14, se situent du même côté. Préférentiellement, les embouts des entrées et des sorties 21a, 21 b des boucles 13, 14, sont orientés du côté du moteur et non vers l'extérieur du véhicule, et ce, pour des raisons non seulement techniques mais aussi sécuritaires vis à vis des situations de choc frontal.
Avantageusement, la vanne pilotée 19 est une vanne thermostatique.
Le dispositif 1 comporte en outre un clapet anti-retour 6, qui permet de limiter la circulation à contre-sens du liquide caloporteur issu de la boucle 13 via la dérivation 20b. Ce même clapet peut comporter en outre une petite ouverture destinée à permettre la circulation à contre-sens du liquide caloporteur suivant un faible débit.
Le dispositif 1 comporte en outre une troisième boucle de refroidissement 15 raccordée au moteur 2 entre le boîtier 16 de sortie d'eau glycolée et la pompe 10. La troisième boucle 15 contient par exemple un aérotherme 17 couplant thermiquement le liquide caloporteur avec de l'air destiné à réchauffer l'habitacle.
Le dispositif 1 selon l'invention admet deux configurations de fonctionnement.
Suivant une première configuration de fonctionnement, quand le moteur 2 ne nécessite pas un refroidissement supérieur à la capacité de l'échangeur 3a, c'est à dire quand la température dans le boîtier de sortie d'eau 16 est inférieure à un seuil S, l'eau circule dans la boucle 13 si la vanne thermostatique 7 est ouverte. Parallèlement, la boucle 14 fonctionne de manière à refroidir les EGR. Ainsi les boucles 13, 14 admettent une configuration de fonctionnement parallèle qui permet de conserver une température dans la boucle 14 inférieure à celle dans la boucle 13. De ce fait, on préserve la fonction de l'échangeur thermique 4.
Suivant une seconde configuration de fonctionnement, lorsque la température dans la boucle 13 dépasse le seuil S, c'est à dire lorsque le moteur 2 nécessite un refroidissement supérieur, la vanne 19, de préférence thermostatique, s'ouvre de manière à ce qu'une partie de l'eau issue de la boucle 13 puisse circuler via la vanne 19 dans l'échangeur 3b. De ce fait, cette configuration permet d'augmenter la capacité de l'échangeur 3a.
En définitive, l'invention a pour intérêt de permettre la régulation thermique d'un moteur à combustion interne et de ses EGR, grâce à un seul échangeur thermique 3, aisément intégrable au niveau de l'architecture du moteur de par sa compacité, et qui permet de refroidir de manière modulable le liquide caloporteur issu de la boucle du refroidissement du moteur.
Suivant une variante de réalisation, le dispositif 1 peut ne pas comporter le clapet anti-retour 6, qui permet de limiter la circulation à contre-sens du liquide caloporteur issu de la boucle 13 via la dérivation 20b.
Suivant une autre variante de réalisation, le dispositif 1 peut ne pas comporter la troisième boucle de refroidissement 15 raccordée au moteur 2 entre le boîtier 16 de sortie d'eau glycolée et la pompe 10.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) de régulation thermique d'un moteur (2) à combustion interne, comprenant au moins une première boucle (13) de refroidissement du moteur (2) à combustion interne dotée d'au moins un échangeur thermique (3a) liquide caloporteur / air en amont d'une pompe (10) et en aval de moyens (16) d'alimentation en liquide caloporteur, et une seconde boucle (14) de refroidissement des gaz d'échappement recirculés (EGR) dotée d'au moins une pompe (5), d'un échangeur thermique (4) EGR / liquide caloporteur et d'un échangeur thermique (3b) liquide caloporteur / air, caractérisé en ce que les échangeurs (3a, 3b) forment deux parties d'un échangeur (3) communiquant au moyen d'une vanne pilotée (19).
2. Dispositif (1 ) de régulation thermique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'échangeur (3) est un radiateur.
3. Dispositif (1 ) de régulation thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'échangeur (3) comporte une cloison (20) qui sépare les échangeurs (3a, 3b).
4. Dispositif (1 ) de régulation thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cloison (20) intègre la vanne pilotée (19).
5. Dispositif (1 ) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vanne pilotée (19) est une vanne thermostatique.
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