WO2021069244A1 - Single radiator cooling system - Google Patents

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WO2021069244A1
WO2021069244A1 PCT/EP2020/077046 EP2020077046W WO2021069244A1 WO 2021069244 A1 WO2021069244 A1 WO 2021069244A1 EP 2020077046 W EP2020077046 W EP 2020077046W WO 2021069244 A1 WO2021069244 A1 WO 2021069244A1
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WO
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circuit
cooling system
cooling
evaporator
circuits
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Application number
PCT/EP2020/077046
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French (fr)
Inventor
Pascal SMAGUE
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the subject of the invention is a cooling system for a vehicle comprising an internal combustion engine, to which is added a heat recovery circuit, in particular with electric hybridization.
  • Conventional heat engine cooling circuits pass through equipment such as radiators to transfer the heat acquired by the coolant, passing through the engine.
  • Such systems generally consist of a closed circuit, in which circulates a cooling fluid, in particular a mixture of water and ethylene glycol.
  • a closed circuit can include a pump, heat exchangers with the internal combustion engine and / or its equipment, a thermostat, a radiator, and an air heater.
  • the heat dissipated in the radiators is however wasted, and this is why more complete devices, still including a heat recovery circuit associated with the cooling circuit, have also been developed.
  • the applicant is particularly interested in organic Rankine cycle or ORC thermal energy recovery circuits embedded in transport systems preferably with electric hybridization such as cars, trucks, trains, stationary engines, etc.
  • the Rankine cycle is a thermodynamic cycle by which heat from an external heat source is transmitted to a closed circuit that contains a fluid, called a working fluid or heat transfer fluid.
  • This type of cycle generally breaks down into a step during which the working fluid used in liquid form is compressed isentropically, followed by a step where this compressed liquid fluid is heated and vaporized in contact with a heat source.
  • This vapor is then relaxed, during another step, isentropically in an expansion machine, then, in a last step, this expanded vapor is cooled and condensed in contact with a cold source.
  • the circuit generally comprises a compressor pump for circulating and compressing the fluid in liquid form, an evaporator which is swept by a hot fluid to carry out at least partial vaporization of the compressed fluid, an expansion machine for expanding superheated steam, such as a turbine, which transforms the energy of this steam into another energy, such as mechanical or electrical energy, and a condenser through which the heat contained in the steam is transferred to a cold source, usually of the outside air which sweeps this condenser or a liquid loop at low temperature, to transform this vapor into a fluid in liquid form.
  • a compressor pump for circulating and compressing the fluid in liquid form
  • an evaporator which is swept by a hot fluid to carry out at least partial vaporization of the compressed fluid
  • an expansion machine for expanding superheated steam such as a turbine, which transforms the energy of this steam into another energy, such as mechanical or electrical energy
  • a condenser through which the heat contained in the steam is transferred to a cold source, usually of the outside air which sweeps
  • the Rankine cycle evaporator allows heat exchange between the cooling fluid and the heat transfer fluid of the Rankine cycle.
  • the evaporator can generally be located on the recirculation branch of the cooling circuit upstream of the thermostat to benefit from all the flow from the engine or downstream of the thermostat on the radiator branch so as not to disturb the regulation in engine temperature.
  • the recovery must be controlled in particular in cold internal combustion engine conditions so as not to penalize the rise in temperature of the engine, which could adversely affect its performance by degrading consumption and pollutant emissions during this period. phase.
  • the thermostat located downstream of the Rankine circuit exchanger returns to the radiator the excess heat from the cooling circuit not taken by the Rankine cycle.
  • the increase in cooling needs and the different regulation temperature levels, namely at high temperature (HT) from 80 to 100 ° C for the heat engine and at low temperature (BT) from 30 at 60 ° C for the electric motor, the batteries, electrical components and the charge air, require the use of several dedicated and separate cooling circuits as well as the implementation of several radiators to evacuate the heat from each circuit in front of the vehicle.
  • HT high temperature
  • BT low temperature
  • the space available to house the radiators on the front face is very limited, and requires the optimization of the available space.
  • Document US2018 / 0064002A1 relates to a single radiator cooling device for a hybrid vehicle.
  • the solution offers "split cooling" with part of the flow to the electrical system and a second part to the heat engine.
  • the part dedicated to cooling the electrical part is subjected to a phase change.
  • Document US2017 / 0007575A1 relates to a shared HV and LV radiator device.
  • the HV radiator is normally dedicated to cooling the heat engine and the LV radiator to the cooling of the ORC circuit present on the vehicle.
  • the vehicle's HV and LV circuits are connected by a 2-way valve allowing the circuits to be mixed and the flow rates to be adjusted in each of them.
  • This adjustment valve is open or closed depending on the load conditions of the heat engine. When the engine is lightly loaded, the valve is open, the ORC circuit can thus benefit from the LV radiator as well as the HT radiator for its cooling.
  • the exchange area is thus increased by pooling areas.
  • the device disclosed in this document includes an engine radiator which can thus be used for engine cooling or that of the ORC thanks to a "split cooling" device associated with a 2-way valve.
  • the cooling capacity of the high temperature (HT) engine radiator is oversized for the typical use of a user who uses the engine at part load. This maximum exchange power is only useful in critical cases of cooling needs, such as high power dissipation, coupled with low air speed on the radiator and high outside temperatures.
  • the cooling devices according to the prior art have the drawback of implementing a complex and oversized cooling system.
  • the invention consists in proposing an optimized cooling architecture with a single radiator for a heat engine preferably associated with an electric hybridization and equipped with an ORC system.
  • the HV cooling circuit necessary for the operation of the heat engine and the ORC thus consists of a single radiator shared between the heat engine, the ORC circuit and the other components present on the vehicle and requiring LV cooling such as a battery.
  • the pooling of vehicle cooling within a single low-temperature loop makes it possible to simplify the vehicle's cooling circuit in the presence of an ORC and a possible solution. electrical hybridization, and therefore potentially a reduction in the cost and its size and increase the reliability of the assembly. In this configuration, the vehicle thus has a single large capacity radiator on the front face.
  • the present invention relates to a cooling system for a vehicle comprising a thermal engine with controlled ignition or compression ignition, to which is added a heat recovery circuit, in particular with electric hybridization.
  • the cooling system comprises three closed circuits for circulating thermal fluid: the first circuit comprising at least one thermal engine, an evaporator, a pump of the first circuit, a thermostat and a heat exchanger, the second circuit comprising at least one heat exchanger. minus a condenser, a pump from the second circuit and a heat exchanger connected in series, and the third circuit, according to the Rankine cycle, comprising at least one evaporator, a condenser, a turbine and a pump of the third circuit connected in series, in which:
  • the heat exchanger of the first circuit and the heat exchanger of the second circuit is a single heat exchanger
  • the cooling fluid of the first circuit exchanges heat with the working fluid of the third circuit
  • the cooling fluid of the second circuit exchanges heat with the working fluid of the third circuit
  • the cooling system also includes an air heater and a bypass of the air heater in the first circuit.
  • the cooling system includes an evaporator bypass in the first circuit and includes a condenser bypass in the second circuit.
  • the fan heater and the evaporator are connected in series or in parallel in the first circuit.
  • the cooling system also comprises at least one element to be cooled, in particular a RAS (charge air cooler), BATT (battery) and MEL (electrical machine) in the second circuit.
  • RAS charge air cooler
  • BATT battery
  • MEL electrical machine
  • the various elements to be cooled are connected in series, parallel or a combination of the two.
  • the first, second and third circuits comprise progressive valves.
  • the invention also consists in a method of using the cooling system, in which in the engine temperature rise mode, the thermostat of the first circuit is closed, the pumps of the first circuit and of the second circuit are activated and the pump of the third circuit. circuit is deactivated. It should be noted that the deactivation of the pump of the third circuit has a result equivalent to the installation of bypass devices at the level of the evaporator and the condenser because in both cases there is no exchange of heat between the first circuit and the second circuit through the third circuit.
  • the invention also consists of a method of using the cooling system, in which in mixed mode, the thermostat of the first circuit is closed and the pumps of the three circuits are activated.
  • the invention also consists of a method of using the cooling system, in which in high load mode, the thermostat of the first circuit is open, the pumps of the first and second circuits are activated and the pump of the third circuit is deactivated. It should be noted that the deactivation of the pump of the third circuit has a result equivalent to the installation of bypass devices at the level of the evaporator and the condenser because in both cases there is no exchange of heat between the first circuit and the second circuit through the third circuit.
  • the invention also consists in a method of using the cooling system, in which transient phases within the three operating modes and between the three operating modes are achieved by varying the rotational speeds of the pumps of the pumps in a differentiated manner. three circuits and gradually opening the thermostat of the first circuit according to the temperature of the cooling system and the engine load level observed.
  • the invention also consists in a vehicle, in particular a motor vehicle, comprising a cooling system, in which said heat exchanger is arranged near an air inlet.
  • Fig. 1 illustrates a standard prior art diagram with two stacked radiators.
  • Fig. 2 illustrates a standard prior art diagram with two stacked radiators.
  • Fig. 3 illustrates a standard prior art diagram with three stacked radiators.
  • Fig. 4 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, the detail of an implementation of the invention according to one embodiment.
  • Fig. 5 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, the detail of an implementation of the invention according to the temperature rise operating mode.
  • Fig. 6 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, the details of an implementation of the invention according to the mixed operating mode.
  • Fig. 7 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, the detail of an implementation of the invention according to the high load operating mode.
  • the air heater, the charge air (RAS) and the heat exchanger (the radiator) can be liquid / air type exchangers.
  • the heat exchangers in the heat engine, in the electric motor and the batteries can be conduction exchangers between a hot body and a liquid circuit.
  • the evaporator and the condenser can be liquid / liquid type exchangers.
  • the single radiator cooling system proposes to rationalize and optimize the cooling needs of the vehicle by using a single radiator with an optimized surface, that is to say an equivalent surface representing at most the sum of the surfaces of the low temperature radiator. , the high temperature radiator, and the ORC condenser of a circuit according to the prior art.
  • the radiator can be positioned on the front of the vehicle and can preferably operate at low temperature over the range 30-60 ° C. It allows both the cooling of the heat engine when the thermostat opens, of the ORC system (organic Rankine cycle) when it is in operation, and any other parts cooled on the vehicle, such as the heat exchanger. charge air, a battery, power electronics, an electrical machine, etc. In fact, the various components to be cooled are generally not cooled concomitantly. More precisely, in the case of a hybrid system in which there is an alternation between the use of the heat engine and the electric machine, the cooling needs switch between the two engines.
  • Fig. 1 illustrates a standard diagram of the prior art with a heat engine (1) with a first high temperature cooling loop (c1) HT, comprising a pump of the first circuit (P1) operating over a temperature interval of between 80-
  • the second circuit (c2) cools low temperature elements BT and comprises a pump of the second circuit (P2), a hydraulic flow restrictor (R) and a thermostat (T2) mounted in series.
  • the hydraulic flow restrictor (R) and the thermostats (T1, T2) can obviously be replaced by any other flow regulation device, such as for example valves, hereinafter also called valves.
  • These valves can preferably be progressive and managed by a control unit on the basis of temperature sensors and according to operating logic aimed at optimizing the cooling system.
  • the devices to be cooled from the second circuit (c2) can be a battery (not shown), an electric machine (MEL) and its electronic power module (not shown) and the charge air (RAS).
  • Fig. 2 illustrates a standard diagram of the prior art of FIG. 1 with the distribution of flow rates typically during use on the motorway.
  • the arrows represent the direction of circulation of the coolant and the thickness of the arrows represents the amplitude of the flow in each portion of the circuit.
  • Fig. 3 illustrates a standard diagram of the prior art of FIG. 1 with a third ORC heat recovery loop (c3) operating over a temperature range of 30-60 ° C.
  • the third loop (c3) connects an evaporator (E), a third pump (P3), a condenser (C) and a turbine (T).
  • the three loops are separated from each other and use three radiators and condenser (2a, 2b, C) stacked one behind the other or one next to the other depending on the space available .
  • a cooling system for a vehicle comprising three closed circuits (c1, c2, c3), cf. Fig. 4.
  • Fig. 4 illustrates the diagram of an implementation of the invention with a first high temperature HV cooling loop (c1), able to operate over a temperature range of between 80-100 ° C, a second cooling loop (c2) low temperature BT, which can operate over a temperature range of 30-60 ° C and a third (c3) ORC (organic Rankine cycle) heat recovery loop can operate over a temperature range of 30-60 ° C .
  • These three circuits include at least a heat source, a cooling exchanger and a pump for circulating the coolant between the components of the circuit.
  • the first circuit (c1) comprises at least one heat engine (1), an evaporator (E), a pump of the first circuit (P1), a thermostat (T1) and a heat exchanger (2), named by the suite also radiator.
  • a single thermostat (T1) is used for regulating the circuit.
  • This embodiment of the first circuit (c1) with a single thermostat (T1) gives the advantage of simplifying the control of the different operating modes of the cooling system.
  • the primary role of this first circuit (c1) is to cool at least the heat engine
  • the evaporator (E) allows part of the heat from the first circuit (c1) to be evacuated to the circuit (c3).
  • the first circuit can include an air heater (A) for heating the passenger compartment of the vehicle.
  • the air heater (A) is connected in parallel with the heat engine (1). This arrangement makes it possible to improve the operation of the system, more particularly during the temperature rise phases, when priority is given to heating the interior of the vehicle.
  • the air heater (A) can be the first exchanger to remove heat from the circuit.
  • the evaporator (E) is also caused to evacuate the heat from the circuit (c1) to the circuit (c3). This is achieved by gradually putting the pump of the third circuit into operation.
  • the second circuit (c2) cools low temperature LV elements and comprises at least one condenser (C), a pump of the second circuit (P2) and a heat exchanger (2) connected in series.
  • the elements can be mounted in series or parallel to each cooling loop. A preferential order can be defined between the elements between them according to the configuration chosen.
  • the second circuit (c2) can include at least one device to be cooled.
  • the devices to be cooled from the second circuit (c2) can be a battery (not shown), an electric machine (MEL) and its power electronic module (not shown), the charge air
  • the preferential order of the systems to be cooled on the LV loop in series can be as follows: the condenser (C), the coil, the electrical machine (s) (MEL) and the charge air cooling (RAS) in order to benefit from the lowest temperatures to ensure the correct operation of the ORC.
  • C condenser
  • MEL electrical machine
  • RAS charge air cooling
  • the second circuit (c2) may also optionally include a hydraulic flow rate restrictor (R) which can help to regulate the temperature within this circuit by modifying the flow rates in each branch.
  • the third circuit (c3) operating according to the Rankine cycle, comprises at least one evaporator (E), a condenser (C), a turbine (T) and a pump of the third circuit (P3) connected in series.
  • the third circuit (c3) makes it possible to recover energy, by means of the turbine (T) of the Rankine cycle circuit.
  • the turbine (T) can be connected to an electric generator (not shown) or any other energy recovery device.
  • the system according to the invention has the following features: a single and unique cooling fluid circulates in the first (c1) and second (c2) circuits, in other words, the circuits (c1) and (c2) are connected to each other at the heat exchanger (2);
  • -a working fluid circulates in the third circuit (c3); - within said evaporator (E), the cooling fluid of the first circuit (c1) exchanges heat with the working fluid of the third circuit (c3), - within said condenser (C), the cooling fluid of the second circuit (c2) exchanges heat with the working fluid of the third circuit (c3).
  • the cooling system may also include, within the first circuit (c1), an air heater (A) for heating. passenger compartment and possibly a bypass (not shown) of the air heater, which allows the heat engine to rise more quickly.
  • the first circuit (c1) can also include other HT elements, such as an exchanger on the exhaust gases (not shown) to accelerate the temperature rise of the engine, etc.
  • the cooling system can comprise a bypass (not shown) of the evaporator (E) in the first circuit (c1) and said second circuit (c2) can comprise a bypass (not shown). ) of the condenser (C).
  • the fan heater (A) and the evaporator (E) can be connected in series or in parallel within the first circuit (c1).
  • the second circuit (c2) can also comprise at least one element to be cooled, in particular a charge air exchanger (RAS), electrical components such as the battery or the storage of the gas. electrical energy (not shown), one or more electrical machines (MEL) and corresponding power electronic module (not shown), in addition to the condenser
  • RAS charge air exchanger
  • electrical energy not shown
  • MEL electrical machines
  • power electronic module not shown
  • the invention is particularly suited to the integration of at least one electrical machine (MEL) and / or its electronic module in the second circuit (c2).
  • MEL electrical machine
  • the invention makes it possible to optimize the cooling of the power train of a hybrid vehicle, with a simple and effective solution.
  • the heat engine (1) no longer produces or substantially very few calories to be evacuated.
  • the heat exchanger (2) can be used only for cooling the electrical machine (MEL) and / or its electronic module.
  • the first, second and third circuits can include progressive valves (not shown).
  • the progressive valves allow to change between the different operating modes of the system in a progressive way to continuously optimize the performance of the system taking into account parameters such as the load of the motors, the temperatures in the three circuits and in the environment in which the system is operated. finds the system, the operating strategies according to whether one seeks performance, the charging of the batteries in the case of a hybrid system, the reduction of pollutants, etc.
  • Several operating modes of the cooling loops can be implemented depending on the life of the vehicle. These different implementations are independent.
  • the invention also consists of a method of using the cooling system in which in temperature rise mode (see Fig 5), the thermostat (T1) of the first circuit (c1) is closed, the evaporator (E) and the condenser (C) are bypassed and the pumps of the first circuit (P1) and of the second circuit (P2) activated.
  • the thermostat (T2) of the second circuit (c2) is closed or slightly open.
  • the thermostat (T2) of the second circuit (c2) and the hydraulic flow restrictor (R) are optional.
  • the deactivation of the pump of the third circuit (P3) has a result equivalent to the installation of bypass devices at the level of the evaporator (E) and of the condenser (C), because in both cases of figure, there is no heat exchange between the first circuit (c1) and the second circuit (c2) through the third circuit (c3).
  • this engine temperature rise mode also called engine heating
  • the heat engine (1) is still at a temperature below its nominal regulation temperature. Under these conditions, two preferential circulations are to be considered and marked in black in the diagram Fig. 5.
  • the circuits in gray are not operative. Under these conditions, the radiator (2) is used only for cooling the LV components of the second circuit (c2) when necessary and the ORC of the third circuit (c3) is not functional.
  • the invention also consists of a method of using the cooling system in which in mixed mode (see Fig. 6), the thermostat (T1) of the first circuit (c1) is closed or slightly open and the pumps of the three circuits. (P1, P2, P3) are activated.
  • the heat engine (1) is at the ideal operating temperature.
  • the ORC system (circuit c3) is started and recovers through the evaporator (E) the available thermal power supplied by the thermal engine (1). Under these conditions, almost all of the HV thermal power of the first circuit (c1) is transferred to the LV loop via the ORC system, and only a low flow rate possibly passes to the radiator (2) via the thermostat.
  • T1 weakly open when the ORC system is not able to recover the entire heat flow of the engine thermal (1).
  • the second circuit (c2) takes priority in the use of the radiator (2) and sets the temperature of the water mixture in the radiator, preferably between 30 and 60 ° C.
  • the heat engine (1) is mainly cooled by the ORC system of the third circuit (c3) by heat exchange by the evaporator (E) and, depending on the capacity of the evaporator (E) to evacuate the thermal load, also by the radiator (2) in low temperature condition.
  • the wide opening of the thermostat (T2) and the restriction imposed by the hydraulic flow restrictor (R) are intended to pass the entire flow of the second circuit (c2) into the radiator (2), which operates in BT mode.
  • the thermostat (T2) of the second circuit (c2) and the hydraulic flow restrictor (R) are optional.
  • the invention also consists of a method of using the cooling system in which in high load mode (see Fig. 7), the thermostat (T1) of the first circuit (c1) is more open (to arrive at total opening depending on the temperature) that in the temperature rise mode, the evaporator (E) and the condenser (C) are bypassed and the pumps of the first and second circuits (P1, P2) are activated.
  • the deactivation of the pump of the third circuit (P3) has a result equivalent to the installation of bypass devices at the level of the evaporator and the condenser because in both cases there is no need to heat exchange between the first circuit (c1) and the second circuit (c2) through the third circuit (c3).
  • the shaded branches in Fig. 7 represent the deactivation of the third circuit (c3), the thin black lines represent the passage of a low flow and the branches represented in thick black represent the parts of the circuit with a very high or maximum flow.
  • the realization of this mode of operation under heavy load can advantageously comprise the use of a temperature sensor (not shown) on the first circuit (c1) downstream of the thermostat.
  • This sensor is used to monitor the temperature of the cooling liquid.
  • a control unit (not shown) can consider that the system is in high load mode.
  • the first circuit (c1) then takes priority for the evacuation of the thermal load, the pump of the first circuit (P1) is activated at its maximum operating speed, and the temperature exchanger (2) switches to HT mode. Consequently, the pump of the third circuit (P3) is deactivated because the energy recovery by means of the ORC is then stopped.
  • the pump of the second circuit (P2) is activated at low or intermediate speed because the coolant leaving the heat exchanger (2) reaches a very high temperature to allow optimal cooling of the components located on the second. circuit (c2).
  • the heat engine (1) is under high load conditions with limited vehicle cooling capacities, such as a rise in the neck and therefore the cooling capacities of the radiator (2) operating at LV are no longer sufficient to release the thermal load.
  • the third circuit (c3) is no longer able to transfer the thermal power emitted by the thermal engine (2) to the LV loop.
  • the thermostat (T1) will open significantly to allow cooling of the heat engine.
  • the coolant to the radiator then rises in temperature preferably to around 80-100 ° C, taking into account the increase in flow rates from the heat engine (1).
  • the single cooling circuit then behaves like a conventional high temperature circuit.
  • the LV loop that is to say the second circuit (c2), is no longer cooled to low temperature.
  • the pump of the third circuit (P3) is deactivated, therefore the evaporator (E) and the condenser (C) are also deactivated because the ORC no longer works.
  • the charge air cooling (RAS) carried out at a relatively high temperature is degraded, which can lead to a decrease in the performance of the charge air and a decrease in the performance of the vehicle.
  • the heat engine (1) is cooled satisfactorily with a large exchange surface dedicated to it to guarantee its reliability.
  • the method of using the system can include the three implementations described above (temperature rise mode, mixed mode and high load mode) depending on the desired mode.
  • the method of using the cooling system includes transient phases within the three modes of operation and between the three modes of operation. These transient phases are carried out by varying the rotation speeds of the pumps of the three circuits (P1, P2, P3) in a differentiated manner and by gradually opening the thermostat (T1, T2) and bypass them if necessary.
  • These actuators are managed by a control unit (not shown) which takes into account at least one sensor (not shown) measuring the temperature of the first circuit (c1).
  • the invention also consists of a vehicle, in particular a motor vehicle, comprising a cooling system as defined above, in which said heat exchanger (2) is arranged near an air inlet.
  • a cooling system as defined above, in which said heat exchanger (2) is arranged near an air inlet.
  • information from other temperature sensors on the branches of the circuits (c1, c2 and c3) and of the surrounding air can optionally be integrated into the control unit.
  • the control unit is able to control other actuators such as a fan to force the air flow in front of the radiator, the opening of the ventilation openings modifying the coefficient of penetration into the air of the vehicle and the spraying of air from the radiator, etc.

Abstract

The invention relates to a cooling system comprising three closed circuits for circulating thermal fluid and a heat exchanger (2) which is shared by the first circuit (c1), operating at high temperature, and by the second circuit (c2), operating at low temperature, as well as a third circuit (c3) which operates according to the Rankine cycle (ORC), connecting an evaporator (E) of the first circuit (c1) and a condenser (C) of the second circuit (c2).

Description

SYSTEME DE REFROIDISSEMENT A RADIATEUR UNIQUE SINGLE RADIATOR COOLING SYSTEM
Domaine technique Technical area
Le sujet de l’invention est un système de refroidissement pour un véhicule comprenant un moteur à combustion interne, auquel est adjoint un circuit de récupération de chaleur, en particulier avec une hybridation électrique. The subject of the invention is a cooling system for a vehicle comprising an internal combustion engine, to which is added a heat recovery circuit, in particular with electric hybridization.
Les circuits classiques de refroidissement de moteurs thermiques passent par des équipements tels que des radiateurs pour céder la chaleur acquise par le fluide caloporteur, en traversant le moteur. De tels systèmes sont formés généralement d’un circuit fermé, dans lequel circule un fluide de refroidissement, notamment un mélange d’eau et d’éthylène de glycol. Un tel circuit fermé peut comprendre une pompe, des échangeurs de chaleurs avec le moteur à combustion interne et/ou ses équipements, un thermostat, un radiateur, et un aérotherme. La chaleur dissipée dans les radiateurs est toutefois perdue, et c’est pourquoi des dispositifs plus complets, comprenant encore un circuit récupérateur de chaleur adjoint au circuit de refroidissement, ont aussi été développés. La déposante s’est particulièrement intéressée aux circuits récupérateurs d’énergie thermique à cycle organique de Rankine ou ORC embarqués dans les systèmes de transport préférablement à hybridation électrique comme l’automobile, le poids lourd, le train, les moteurs stationnaires, etc. Conventional heat engine cooling circuits pass through equipment such as radiators to transfer the heat acquired by the coolant, passing through the engine. Such systems generally consist of a closed circuit, in which circulates a cooling fluid, in particular a mixture of water and ethylene glycol. Such a closed circuit can include a pump, heat exchangers with the internal combustion engine and / or its equipment, a thermostat, a radiator, and an air heater. The heat dissipated in the radiators is however wasted, and this is why more complete devices, still including a heat recovery circuit associated with the cooling circuit, have also been developed. The applicant is particularly interested in organic Rankine cycle or ORC thermal energy recovery circuits embedded in transport systems preferably with electric hybridization such as cars, trucks, trains, stationary engines, etc.
Technique antérieure Prior art
Comme cela est largement connu, le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique par lequel de la chaleur provenant d'une source de chaleur externe est transmise à un circuit fermé qui contient un fluide, appelé fluide de travail ou fluide caloporteur. Ce type de cycle se décompose généralement en une étape durant laquelle le fluide de travail utilisé sous forme liquide, est comprimé de manière isentropique, suivie d'une étape où ce fluide liquide comprimé est chauffé et vaporisé au contact d'une source de chaleur. Cette vapeur est ensuite détendue, au cours d'une autre étape, de manière isentropique dans une machine de détente, puis, dans une dernière étape, cette vapeur détendue est refroidie et condensée au contact d'une source froide. Pour réaliser ces différentes étapes, le circuit comprend généralement une pompe compresseur pour faire circuler et comprimer le fluide sous forme liquide, un évaporateur qui est balayé par un fluide chaud pour réaliser la vaporisation au moins partielle du fluide comprimé, une machine de détente pour détendre la vapeur surchauffée, telle qu'une turbine, qui transforme l'énergie de cette vapeur en une autre énergie, comme une énergie mécanique ou électrique, et un condenseur grâce auquel la chaleur contenue dans la vapeur est cédée à une source froide, généralement de l'air extérieur qui balaye ce condenseur ou une boucle liquide à basse température, pour transformer cette vapeur en un fluide sous forme liquide. As is widely known, the Rankine cycle is a thermodynamic cycle by which heat from an external heat source is transmitted to a closed circuit that contains a fluid, called a working fluid or heat transfer fluid. This type of cycle generally breaks down into a step during which the working fluid used in liquid form is compressed isentropically, followed by a step where this compressed liquid fluid is heated and vaporized in contact with a heat source. This vapor is then relaxed, during another step, isentropically in an expansion machine, then, in a last step, this expanded vapor is cooled and condensed in contact with a cold source. To carry out these different steps, the circuit generally comprises a compressor pump for circulating and compressing the fluid in liquid form, an evaporator which is swept by a hot fluid to carry out at least partial vaporization of the compressed fluid, an expansion machine for expanding superheated steam, such as a turbine, which transforms the energy of this steam into another energy, such as mechanical or electrical energy, and a condenser through which the heat contained in the steam is transferred to a cold source, usually of the outside air which sweeps this condenser or a liquid loop at low temperature, to transform this vapor into a fluid in liquid form.
Pour le domaine des moteurs à combustion interne, les cycles de Rankine conventionnels consistent en l’insertion d’une boucle de fluide caloporteur pour la valorisation des pertes thermiques du moteur. En général, cette récupération s’effectue sur les gaz d’échappement et/ou les gaz EGR (recirculation des gaz d’échappement), ou sur le circuit de refroidissement ou sur les deux simultanément. For the field of internal combustion engines, conventional Rankine cycles consist of the insertion of a heat transfer fluid loop for the recovery of the thermal losses of the engine. In general, this recovery is carried out on the exhaust gases and / or the EGR (Exhaust Gas Recirculation) gases, or on the cooling system or on both simultaneously.
Lorsque cette récupération est réalisée sur le système de refroidissement, l’évaporateur du cycle de Rankine permet un échange de chaleur entre le fluide de refroidissement et le fluide caloporteur du cycle de Rankine. L’évaporateur peut être localisé en général sur la branche de recirculation du circuit de refroidissement en amont du thermostat pour bénéficier de l’ensemble du débit en provenance du moteur ou en aval du thermostat sur la branche radiateur de manière à ne pas perturber la régulation en température du moteur. Dans ces conditions, la récupération doit être contrôlée notamment en condition de moteur à combustion interne froid de manière à ne pas pénaliser la montée en température du moteur, pouvant nuire au rendement de celui-ci en dégradant la consommation et les émissions de polluants pendant cette phase. Une fois le moteur à combustion interne arrivé à température idéale de fonctionnement, le thermostat situé en aval de l’échangeur du circuit de Rankine renvoie vers le radiateur l’excès de calories du circuit de refroidissement non prélevées par le cycle de Rankine. When this recovery is carried out on the cooling system, the Rankine cycle evaporator allows heat exchange between the cooling fluid and the heat transfer fluid of the Rankine cycle. The evaporator can generally be located on the recirculation branch of the cooling circuit upstream of the thermostat to benefit from all the flow from the engine or downstream of the thermostat on the radiator branch so as not to disturb the regulation in engine temperature. Under these conditions, the recovery must be controlled in particular in cold internal combustion engine conditions so as not to penalize the rise in temperature of the engine, which could adversely affect its performance by degrading consumption and pollutant emissions during this period. phase. Once the internal combustion engine has reached the ideal operating temperature, the thermostat located downstream of the Rankine circuit exchanger returns to the radiator the excess heat from the cooling circuit not taken by the Rankine cycle.
Sur les véhicules légers ou lourds, l’augmentation des besoins de refroidissement et les différents niveaux de température de régulation, à savoir à haute température (HT) de 80 à 100°C pour le moteur thermique et à basse température (BT) de 30 à 60°C pour le moteur électrique, les batteries, organes électriques et l’air de suralimentation, nécessitent l’utilisation de plusieurs circuits de refroidissement dédiés et séparés ainsi que la mise en œuvre de plusieurs radiateurs pour évacuer les calories de chaque circuit en face avant du véhicule. Avec la complexification des véhicules et l’ajout de fonctions nécessitant un refroidissement, l’espace disponible pour loger les radiateurs en face avant est très contraint, et nécessite l’optimisation de l’espace disponible. Bien souvent un radiateur HT et un radiateur BT sont ainsi placés en cascade l’un devant l’autre ou l’un à côté de l’autre avec des effets de masque, ce qui nuit à leur efficacité et laisse peu de possibilité d’augmentation de puissance de refroidissement utile nécessaire en cas d’ajout d’un ORC basse température qui nécessite un refroidissement sur son condenseur. On light or heavy vehicles, the increase in cooling needs and the different regulation temperature levels, namely at high temperature (HT) from 80 to 100 ° C for the heat engine and at low temperature (BT) from 30 at 60 ° C for the electric motor, the batteries, electrical components and the charge air, require the use of several dedicated and separate cooling circuits as well as the implementation of several radiators to evacuate the heat from each circuit in front of the vehicle. With the increasing complexity of vehicles and the addition of functions requiring cooling, the space available to house the radiators on the front face is very limited, and requires the optimization of the available space. Very often an HV radiator and an LV radiator are thus placed in cascade one in front of the other or one next to the other with masking effects, which is detrimental to their efficiency and leaves little possibility of increase in useful cooling power necessary in case of addition of a low temperature ORC which requires cooling on its condenser.
Le document US2018/0064002A1 est relatif à un dispositif de refroidissement à radiateur unique pour véhicule hybride. La solution propose un « split cooling » avec une partie du débit vers le système électrique et une seconde partie vers le moteur thermique. La partie dédiée au refroidissement de la partie électrique est soumise à un changement de phase. Document US2018 / 0064002A1 relates to a single radiator cooling device for a hybrid vehicle. The solution offers "split cooling" with part of the flow to the electrical system and a second part to the heat engine. The part dedicated to cooling the electrical part is subjected to a phase change.
Le document US2017/0007575A1 est relatif à un dispositif de radiateur HT et BT partagé. Le radiateur HT est normalement dédié au refroidissement du moteur thermique et le radiateur BT au refroidissement du circuit ORC présent sur le véhicule. Les circuits HT et BT du véhicule sont reliés par une vanne 2 voies permettant un mélange des circuits et un ajustement des débits dans chacun d’eux. Cette vanne d’ajustement est ouverte ou fermée selon les conditions de charge du moteur thermique. Lorsque le moteur est faiblement chargé, la vanne est ouverte, le circuit ORC peut ainsi bénéficier du radiateur BT ainsi que du radiateur HT pour son refroidissement. La surface d’échange est ainsi augmentée par une mutualisation des surfaces. Le dispositif dévoilé dans ce document comprend un radiateur moteur qui peut ainsi être utilisé pour le refroidissement du moteur ou celui de l’ORC grâce à un dispositif de « split cooling » associé à une vanne 2 voies. Document US2017 / 0007575A1 relates to a shared HV and LV radiator device. The HV radiator is normally dedicated to cooling the heat engine and the LV radiator to the cooling of the ORC circuit present on the vehicle. The vehicle's HV and LV circuits are connected by a 2-way valve allowing the circuits to be mixed and the flow rates to be adjusted in each of them. This adjustment valve is open or closed depending on the load conditions of the heat engine. When the engine is lightly loaded, the valve is open, the ORC circuit can thus benefit from the LV radiator as well as the HT radiator for its cooling. The exchange area is thus increased by pooling areas. The device disclosed in this document includes an engine radiator which can thus be used for engine cooling or that of the ORC thanks to a "split cooling" device associated with a 2-way valve.
En général la capacité de refroidissement du radiateur moteur haute température (HT) est surdimensionnée pour l’usage classique d’un usager qui utilise le moteur à charge partielle. Cette puissance maximale d’échange n’est utile que dans des cas critiques de besoins de refroidissement, comme une forte puissance dissipée, couplée à une faible vitesse d’air sur le radiateur et des températures extérieures élevées. In general, the cooling capacity of the high temperature (HT) engine radiator is oversized for the typical use of a user who uses the engine at part load. This maximum exchange power is only useful in critical cases of cooling needs, such as high power dissipation, coupled with low air speed on the radiator and high outside temperatures.
Dans les conditions classiques d’utilisation, le moteur thermique est faiblement sollicité et la surface de refroidissement disponible est sous-utilisée. Cette surface d’échange du radiateur HT est prise au détriment du refroidissement BT ou du condenseur ORC du véhicule qui eux sont souvent dimensionnés au plus juste même en condition d’utilisation nominale du véhicule. Les dispositifs de refroidissement selon l’art antérieur présentent l’inconvénient de mettre en œuvre un système de refroidissement complexe et surdimensionné. L’invention consiste à proposer une architecture de refroidissement optimisée avec un radiateur unique pour un moteur thermique préférablement associé à une hybridation électrique et équipé d’un système ORC. Le circuit de refroidissement HT nécessaire pour le fonctionnement du moteur thermique et de l’ORC est ainsi constitué d’un radiateur unique partagé entre le moteur thermique, le circuit ORC et les autres organes présents sur le véhicule et nécessitant un refroidissement BT comme une batterie, une machine électrique, une électronique de puissance, un refroidisseur d’air de suralimentation, etc. Outre les avantages sur l’optimisation de la performance de refroidissement du véhicule, la mutualisation du refroidissement véhicule au sein d’une boucle basse température unique permet de simplifier le circuit de refroidissement du véhicule en présence d’un ORC et d’une possible solution d’hybridation électrique, et donc potentiellement une réduction du coût et de son encombrement et augmenter la fiabilité de l’ensemble. Dans cette configuration, le véhicule dispose ainsi en face avant d’un radiateur unique de grande capacité. Under conventional conditions of use, the heat engine is hardly stressed and the available cooling surface is underused. This exchange surface of the HV radiator is taken to the detriment of the LV cooling or the ORC condenser of the vehicle, which themselves are often dimensioned as accurately as possible even in the nominal use condition of the vehicle. The cooling devices according to the prior art have the drawback of implementing a complex and oversized cooling system. The invention consists in proposing an optimized cooling architecture with a single radiator for a heat engine preferably associated with an electric hybridization and equipped with an ORC system. The HV cooling circuit necessary for the operation of the heat engine and the ORC thus consists of a single radiator shared between the heat engine, the ORC circuit and the other components present on the vehicle and requiring LV cooling such as a battery. , an electric machine, a power electronics, a charge air cooler, etc. In addition to the advantages in optimizing the vehicle's cooling performance, the pooling of vehicle cooling within a single low-temperature loop makes it possible to simplify the vehicle's cooling circuit in the presence of an ORC and a possible solution. electrical hybridization, and therefore potentially a reduction in the cost and its size and increase the reliability of the assembly. In this configuration, the vehicle thus has a single large capacity radiator on the front face.
Résumé de l’invention Summary of the invention
La présente invention concerne un système de refroidissement pour un véhicule comprenant un moteur thermique à allumage commandé ou à allumage par compression, auquel est adjoint un circuit de récupération de chaleur, en particulier avec une hybridation électrique. The present invention relates to a cooling system for a vehicle comprising a thermal engine with controlled ignition or compression ignition, to which is added a heat recovery circuit, in particular with electric hybridization.
Selon l’invention, le système de refroidissement comprend trois circuits fermés de circulation de fluide thermique : le premier circuit comprenant au moins un moteur thermique, un évaporateur, une pompe du premier circuit, un thermostat et un échangeur thermique, le deuxième circuit comprenant au moins un condenseur, une pompe du deuxième circuit et un échangeur thermique montés en série, et le troisième circuit, selon le cycle de Rankine, comprenant au moins un évaporateur, un condenseur, une turbine et une pompe du troisième circuit montés en série, dans lequel : According to the invention, the cooling system comprises three closed circuits for circulating thermal fluid: the first circuit comprising at least one thermal engine, an evaporator, a pump of the first circuit, a thermostat and a heat exchanger, the second circuit comprising at least one heat exchanger. minus a condenser, a pump from the second circuit and a heat exchanger connected in series, and the third circuit, according to the Rankine cycle, comprising at least one evaporator, a condenser, a turbine and a pump of the third circuit connected in series, in which:
-un seul et unique fluide de refroidissement circule dans les premier et deuxième circuits, et un fluide de travail caloporteur circule dans le troisième circuit, -a single cooling fluid circulates in the first and second circuits, and a coolant working fluid circulates in the third circuit,
-l’échangeur thermique du premier circuit et l’échangeur thermique du deuxième circuit est un seul et unique échangeur thermique, -the heat exchanger of the first circuit and the heat exchanger of the second circuit is a single heat exchanger,
-au sein dudit évaporateur, le fluide de refroidissement du premier circuit échange de la chaleur avec le fluide de travail du troisième circuit, -au sein dudit condenseur, le fluide de refroidissement du deuxième circuit échange de la chaleur avec le fluide de travail du troisième circuit. - within said evaporator, the cooling fluid of the first circuit exchanges heat with the working fluid of the third circuit, - within said condenser, the cooling fluid of the second circuit exchanges heat with the working fluid of the third circuit.
Selon un mode de réalisation, le système de refroidissement comprend également un aérotherme et un bypass de l’aérotherme dans le premier circuit. Selon un mode de réalisation, le système de refroidissement comprend un bypass de l’évaporateur dans le premier circuit et comprend un bypass du condenseur dans le deuxième circuit. According to one embodiment, the cooling system also includes an air heater and a bypass of the air heater in the first circuit. According to one embodiment, the cooling system includes an evaporator bypass in the first circuit and includes a condenser bypass in the second circuit.
Selon un mode de réalisation du système de refroidissement, l’aérotherme et l’évaporateur sont montés en série ou en parallèle dans le premier circuit. According to one embodiment of the cooling system, the fan heater and the evaporator are connected in series or in parallel in the first circuit.
Selon un mode de réalisation, le système de refroidissement comprend également au moins un élément à refroidir, notamment un RAS (refroidisseur d’air de suralimentation), BATT (batterie) et MEL (machine électrique) dans le deuxième circuit. According to one embodiment, the cooling system also comprises at least one element to be cooled, in particular a RAS (charge air cooler), BATT (battery) and MEL (electrical machine) in the second circuit.
Selon un mode de réalisation du système de refroidissement, les différents éléments à refroidir sont montés en série, parallèle ou une combinaison des deux. According to one embodiment of the cooling system, the various elements to be cooled are connected in series, parallel or a combination of the two.
Selon un mode de réalisation du système de refroidissement, les premier, deuxième et troisième circuits comprennent des valves progressives. L’invention consiste également dans une méthode d’utilisation du système de refroidissement, dans laquelle en mode montée en température du moteur, le thermostat du premier circuit est fermé, les pompes du premier circuit et du deuxième circuit sont activées et la pompe du troisième circuit est désactivée. Il est à noter que la désactivation de la pompe du troisième circuit a un résultat équivalent à l’installation de dispositifs de bypass au niveau de l’évaporateur et du condenseur car dans les deux cas de figure on n’a pas d’échange de chaleur entre le premier circuit et le deuxième circuit au travers du troisième circuit. According to one embodiment of the cooling system, the first, second and third circuits comprise progressive valves. The invention also consists in a method of using the cooling system, in which in the engine temperature rise mode, the thermostat of the first circuit is closed, the pumps of the first circuit and of the second circuit are activated and the pump of the third circuit. circuit is deactivated. It should be noted that the deactivation of the pump of the third circuit has a result equivalent to the installation of bypass devices at the level of the evaporator and the condenser because in both cases there is no exchange of heat between the first circuit and the second circuit through the third circuit.
L’invention consiste également dans une méthode d’utilisation du système de refroidissement, dans laquelle en mode mixte, le thermostat du premier circuit est fermé et les pompes des trois circuits sont activées. The invention also consists of a method of using the cooling system, in which in mixed mode, the thermostat of the first circuit is closed and the pumps of the three circuits are activated.
L’invention consiste également dans une méthode d’utilisation du système de refroidissement, dans laquelle en mode forte charge, le thermostat du premier circuit est ouvert, les pompes des premier et deuxième circuits sont activées et la pompe du troisième circuit est désactivée. Il est à noter que la désactivation de la pompe du troisième circuit a un résultat équivalent à l’installation de dispositifs de bypass au niveau de l’évaporateur et du condenseur car dans les deux cas de figure on n’a pas d’échange de chaleur entre le premier circuit et le deuxième circuit au travers du troisième circuit. The invention also consists of a method of using the cooling system, in which in high load mode, the thermostat of the first circuit is open, the pumps of the first and second circuits are activated and the pump of the third circuit is deactivated. It should be noted that the deactivation of the pump of the third circuit has a result equivalent to the installation of bypass devices at the level of the evaporator and the condenser because in both cases there is no exchange of heat between the first circuit and the second circuit through the third circuit.
L’invention consiste également dans une méthode d’utilisation du système de refroidissement, dans laquelle des phases transitoires au sein des trois modes de fonctionnement et entre les trois modes de fonctionnement sont réalisées en faisant varier de manière différenciée les vitesses de rotation des pompes des trois circuits et en ouvrant de manière progressive le thermostat du premier circuit selon la température du système de refroidissement et le niveau de charge du moteur constaté. L’invention consiste également dans un véhicule, notamment véhicule automobile, comprenant un système de refroidissement, dans lequel ledit échangeur thermique est agencé à proximité d’une arrivée d’air. The invention also consists in a method of using the cooling system, in which transient phases within the three operating modes and between the three operating modes are achieved by varying the rotational speeds of the pumps of the pumps in a differentiated manner. three circuits and gradually opening the thermostat of the first circuit according to the temperature of the cooling system and the engine load level observed. The invention also consists in a vehicle, in particular a motor vehicle, comprising a cooling system, in which said heat exchanger is arranged near an air inlet.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. Other characteristics and advantages of the method according to the invention will become apparent on reading the following description of non-limiting examples of embodiments, with reference to the appended figures and described below.
Liste des figures List of Figures
La Fig. 1 illustre un schéma standard de l’art antérieur avec deux radiateurs empilés. Fig. 1 illustrates a standard prior art diagram with two stacked radiators.
La Fig. 2 illustre un schéma standard de l’art antérieur avec deux radiateurs empilés. La Fig. 3 illustre un schéma standard de l’art antérieur avec trois radiateurs empilés. Fig. 2 illustrates a standard prior art diagram with two stacked radiators. Fig. 3 illustrates a standard prior art diagram with three stacked radiators.
La Fig. 4 illustre, schématiquement et de manière non limitative, le détail d’une mise en œuvre de l’invention selon un mode de réalisation. Fig. 4 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, the detail of an implementation of the invention according to one embodiment.
La Fig. 5 illustre, schématiquement et de manière non limitative, le détail d’une mise en œuvre de l’invention selon le mode de fonctionnement montée en température. La Fig. 6 illustre, schématiquement et de manière non limitative, le détail d’une mise en œuvre de l’invention selon le mode de fonctionnement mixte. Fig. 5 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, the detail of an implementation of the invention according to the temperature rise operating mode. Fig. 6 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, the details of an implementation of the invention according to the mixed operating mode.
La Fig. 7 illustre, schématiquement et de manière non limitative, le détail d’une mise en œuvre de l’invention selon le mode de fonctionnement forte charge. Fig. 7 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, the detail of an implementation of the invention according to the high load operating mode.
Description détaillée des figures Le système selon l’invention comprend plusieurs types d’échangeurs thermiques.Detailed description of the figures The system according to the invention comprises several types of heat exchangers.
L’aérotherme, le l’air de suralimentation (RAS) et l’échangeur thermique (le radiateur), peuvent être des échangeurs du type liquide/air. Les échangeurs dans le moteur thermique, dans le moteur électrique et les batteries peuvent être des échangeurs de conduction entre un corps chaud et un circuit de liquide. L’évaporateur et le condenseur peuvent être des échangeurs du type liquide/liquide. The air heater, the charge air (RAS) and the heat exchanger (the radiator) can be liquid / air type exchangers. The heat exchangers in the heat engine, in the electric motor and the batteries can be conduction exchangers between a hot body and a liquid circuit. The evaporator and the condenser can be liquid / liquid type exchangers.
Le système de refroidissement à radiateur unique selon l’invention propose de rationaliser et optimiser les besoins en refroidissement du véhicule en utilisant un radiateur unique à surface optimisée, c’est à dire une surface équivalente représentant au plus la somme des surfaces du radiateur basse température, du radiateur haute température, et du condenseur ORC d’un circuit selon l’art antérieur. Le radiateur peut être positionné en face avant du véhicule et peut fonctionner préférentiellement à basse température sur la plage 30-60°C. Il permet à la fois le refroidissement du moteur thermique lorsque le thermostat vient à s’ouvrir, du système ORC (cycle de Rankine organique) lorsqu’il est en fonctionnement, et d’éventuels autres organes refroidis sur le véhicule, comme l’échangeur d’air de suralimentation, une batterie, l’électronique de puissance, une machine électrique, etc. En effet, les différents organes à refroidir ne sont en général pas refroidis de façon concomitante. Plus précisément, dans le cas d’un système hybride dans lequel on observe une alternance entre l’utilisation du moteur thermique et la machine électrique, les besoins de refroidissement basculent entre les deux moteurs. The single radiator cooling system according to the invention proposes to rationalize and optimize the cooling needs of the vehicle by using a single radiator with an optimized surface, that is to say an equivalent surface representing at most the sum of the surfaces of the low temperature radiator. , the high temperature radiator, and the ORC condenser of a circuit according to the prior art. The radiator can be positioned on the front of the vehicle and can preferably operate at low temperature over the range 30-60 ° C. It allows both the cooling of the heat engine when the thermostat opens, of the ORC system (organic Rankine cycle) when it is in operation, and any other parts cooled on the vehicle, such as the heat exchanger. charge air, a battery, power electronics, an electrical machine, etc. In fact, the various components to be cooled are generally not cooled concomitantly. More precisely, in the case of a hybrid system in which there is an alternation between the use of the heat engine and the electric machine, the cooling needs switch between the two engines.
L’invention propose une simplification de l’ensemble des échangeurs effectuant le refroidissement du véhicule par la mutualisation de la boucle de refroidissement pour les organes refroidis autour d’un radiateur unique. La Fig. 1 illustre un schéma standard de l’art antérieur avec un moteur thermique (1) avec une première boucle (c1) de refroidissement haute température HT, comprenant une pompe du premier circuit (P1) opérant sur un intervalle de température compris entre 80-The invention proposes a simplification of all the exchangers which cool the vehicle by pooling the cooling loop for the components cooled around a single radiator. Fig. 1 illustrates a standard diagram of the prior art with a heat engine (1) with a first high temperature cooling loop (c1) HT, comprising a pump of the first circuit (P1) operating over a temperature interval of between 80-
100°C, un thermostat (T1) et une deuxième boucle (c2) de refroidissement basse température BT, opérant sur un intervalle de température compris entre 30-60°C. Les deux boucles sont séparées et mettent en œuvre deux radiateurs (2a, 2b) empilés l’un derrière l’autre. Le deuxième circuit (c2) refroidit des éléments basse température BT et comprend une pompe du deuxième circuit (P2), un restricteur de débit hydraulique (R) et un thermostat (T2) montés en série. Le restricteur de débit hydraulique (R) et les thermostats (T1, T2) peuvent évidemment être remplacés par tout autre dispositif de régulation de flux, comme par exemple des vannes, ci-après nommées également valves. Ces valves peuvent être préférablement progressives et gérées par une unité de contrôle sur la base de capteurs de température et suivant des logiques de fonctionnement ayant pour objectif l’optimisation du système de refroidissement. Les dispositifs à refroidir du deuxième circuit (c2) peuvent être une batterie (non représentée), une machine électrique (MEL) et son module électronique de puissance (non représenté) et l’air de suralimentation (RAS). 100 ° C, a thermostat (T1) and a second low temperature cooling loop (c2) BT, operating over a temperature range of 30-60 ° C. Both loops are separated and implement two radiators (2a, 2b) stacked one behind the other. The second circuit (c2) cools low temperature elements BT and comprises a pump of the second circuit (P2), a hydraulic flow restrictor (R) and a thermostat (T2) mounted in series. The hydraulic flow restrictor (R) and the thermostats (T1, T2) can obviously be replaced by any other flow regulation device, such as for example valves, hereinafter also called valves. These valves can preferably be progressive and managed by a control unit on the basis of temperature sensors and according to operating logic aimed at optimizing the cooling system. The devices to be cooled from the second circuit (c2) can be a battery (not shown), an electric machine (MEL) and its electronic power module (not shown) and the charge air (RAS).
La Fig. 2 illustre un schéma standard de l’art antérieur de la Fig. 1 avec la répartition des débits typiquement lors d’une utilisation sur autoroute. Les flèches représentent le sens de circulation du liquide de refroidissement et l’épaisseur des flèches représente l’amplitude du débit dans chaque portion du circuit. Fig. 2 illustrates a standard diagram of the prior art of FIG. 1 with the distribution of flow rates typically during use on the motorway. The arrows represent the direction of circulation of the coolant and the thickness of the arrows represents the amplitude of the flow in each portion of the circuit.
La Fig. 3 illustre un schéma standard de l’art antérieur de la Fig. 1 avec une troisième boucle (c3) de récupération de chaleur ORC opérant sur un intervalle de température compris entre 30-60°C. La troisième boucle (c3) relie un évaporateur (E), une troisième pompe (P3), un condenseur (C) et une turbine (T). Les trois boucles sont séparées l’une de l’autre et mettent en œuvre trois radiateurs et condenseur (2a, 2b, C) empilés l’un derrière l’autre ou l’un à côté de l’autre selon l’espace disponible. Fig. 3 illustrates a standard diagram of the prior art of FIG. 1 with a third ORC heat recovery loop (c3) operating over a temperature range of 30-60 ° C. The third loop (c3) connects an evaporator (E), a third pump (P3), a condenser (C) and a turbine (T). The three loops are separated from each other and use three radiators and condenser (2a, 2b, C) stacked one behind the other or one next to the other depending on the space available .
La solution proposée est un système de refroidissement pour un véhicule comprenant trois circuits fermés (c1 , c2, c3), cf. Fig. 4. La Fig. 4 illustre le schéma d’une mise en œuvre de l’invention avec une première boucle (c1) de refroidissement haute température HT, pouvant opérer sur un intervalle de température compris entre 80-100°C, une deuxième boucle (c2) de refroidissement basse température BT, pouvant opérer sur un intervalle de température compris entre 30-60°C et une troisième (c3) boucle de récupération de chaleur ORC (cycle de Rankine organique) pouvant opérer sur un intervalle de température compris entre 30-60°C. Ces trois circuits comprennent au moins une source de chaleur, un échangeur de refroidissement et une pompe pour faire circuler le liquide caloporteur entre les éléments constitutifs du circuit. Dans cette architecture on distingue de prime abord deux boucles (ci-après nommées également circuits) de refroidissement montées en parallèle l’une de l’autre, séparées par un thermostat HT et raccordées à un radiateur unique. Sur chaque boucle une pompe assure la circulation du liquide de refroidissement dans le circuit. Au point de jonction des deux circuits (c1) et (c2) le liquide caloporteur qui arrive, dans un mode de fonctionnement, à une température différente (HT et BT) dans chacun des premier et deuxième circuits (c1) et (c2) est mélangé et sa température de mélange est définie selon les débits respectif dans chaque boucle. The proposed solution is a cooling system for a vehicle comprising three closed circuits (c1, c2, c3), cf. Fig. 4. Fig. 4 illustrates the diagram of an implementation of the invention with a first high temperature HV cooling loop (c1), able to operate over a temperature range of between 80-100 ° C, a second cooling loop (c2) low temperature BT, which can operate over a temperature range of 30-60 ° C and a third (c3) ORC (organic Rankine cycle) heat recovery loop can operate over a temperature range of 30-60 ° C . These three circuits include at least a heat source, a cooling exchanger and a pump for circulating the coolant between the components of the circuit. In this architecture, we can first of all distinguish two cooling loops (hereinafter also called circuits) connected in parallel with each other, separated by an HT thermostat and connected to a single radiator. A pump on each loop circulates the coolant in the circuit. At the junction point of the two circuits (c1) and (c2), the heat transfer liquid which arrives, in an operating mode, at a different temperature (HV and LV) in each of the first and second circuits (c1) and (c2) is mixed and its mixing temperature is defined according to the respective flow rates in each loop.
Dans le détail, le premier circuit (c1) comprend au moins un moteur thermique (1), un évaporateur (E), une pompe du premier circuit (P1), un thermostat (T1) et un échangeur thermique (2), nommé par la suite également radiateur. Selon un mode de réalisation préférentiel du premier circuit (c1), un seul thermostat (T1) est utilisé pour la régulation du circuit. Ce mode de réalisation du premier circuit (c1) avec un unique thermostat (T1) confère l’avantage de simplifier le contrôle des différents modes de fonctionnement du système de refroidissement. In detail, the first circuit (c1) comprises at least one heat engine (1), an evaporator (E), a pump of the first circuit (P1), a thermostat (T1) and a heat exchanger (2), named by the suite also radiator. According to a preferred embodiment of the first circuit (c1), a single thermostat (T1) is used for regulating the circuit. This embodiment of the first circuit (c1) with a single thermostat (T1) gives the advantage of simplifying the control of the different operating modes of the cooling system.
Le rôle premier de ce premier circuit (c1) est de refroidir au moins le moteur thermiqueThe primary role of this first circuit (c1) is to cool at least the heat engine
(1). L’évaporateur (E) permet d’évacuer une partie de la chaleur du premier circuit (c1) vers le circuit (c3). En outre, le premier circuit peut comprendre un aérotherme (A) pour le chauffage de l’habitacle du véhicule. Dans un mode de réalisation préférentiel, l’aérotherme (A) est connecté en parallèle du moteur thermique (1). Ce montage permet d’améliorer le fonctionnement du système plus particulièrement lors des phases de montée en température, lorsque la priorité est donnée au réchauffement de l’habitacle du véhicule. (1). The evaporator (E) allows part of the heat from the first circuit (c1) to be evacuated to the circuit (c3). In addition, the first circuit can include an air heater (A) for heating the passenger compartment of the vehicle. In a preferred embodiment, the air heater (A) is connected in parallel with the heat engine (1). This arrangement makes it possible to improve the operation of the system, more particularly during the temperature rise phases, when priority is given to heating the interior of the vehicle.
Pour ce mode de réalisation, au fur et à mesure que le moteur thermique (1) monte en température, l’aérotherme (A) peut être le premier échangeur pour évacuer la chaleur du circuit. Lorsque le moteur (1) approche et atteint sa température de fonctionnement optimale, l’évaporateur (E) est également amené à évacuer la chaleur du circuit (c1) vers le circuit (c3). Ceci est réalisé en mettant progressivement en opération la pompe du troisième circuitFor this embodiment, as the heat engine (1) rises in temperature, the air heater (A) can be the first exchanger to remove heat from the circuit. When the engine (1) approaches and reaches its optimum operating temperature, the evaporator (E) is also caused to evacuate the heat from the circuit (c1) to the circuit (c3). This is achieved by gradually putting the pump of the third circuit into operation.
(P3). En dernier lieu, l’ouverture progressive du thermostat (T1) permet l’évacuation de la chaleur au travers de l’échangeur thermique (2). On peut noter donc une réponse progressive du circuit selon la montée en température du moteur thermique et selon la puissance thermique à évacuer. Le deuxième circuit (c2) refroidit des éléments basse température BT et comprend au moins un condenseur (C), une pompe du deuxième circuit (P2) et un échangeur thermique (2) montés en série. Les éléments peuvent être montés en série ou parallélisés sur chaque boucle de refroidissement. Un ordre préférentiel peut être défini entre les éléments entre eux selon la configuration retenue. Selon un mode de réalisation de l’invention, le deuxième circuit (c2) peut comprendre au moins un dispositif à refroidir. Les dispositifs à refroidir du deuxième circuit (c2) peuvent être une batterie (non représentée), une machine électrique (MEL) et son module électronique de puissance (non représenté), l’air de suralimentation(P3). Finally, the gradual opening of the thermostat (T1) allows heat to escape through the heat exchanger (2). We can therefore note a progressive response of the circuit according to the rise in temperature of the thermal engine and according to the thermal power to be evacuated. The second circuit (c2) cools low temperature LV elements and comprises at least one condenser (C), a pump of the second circuit (P2) and a heat exchanger (2) connected in series. The elements can be mounted in series or parallel to each cooling loop. A preferential order can be defined between the elements between them according to the configuration chosen. According to one embodiment of the invention, the second circuit (c2) can include at least one device to be cooled. The devices to be cooled from the second circuit (c2) can be a battery (not shown), an electric machine (MEL) and its power electronic module (not shown), the charge air
(RAS). L’ordre préférentiel des systèmes à refroidir sur la boucle BT en série peut être le suivant : le condenseur (C), la batterie, la/les machines électriques (MEL) et le refroidissement d’air de suralimentation (RAS) afin de bénéficier des température les plus faible pour assurer le bon fonctionnement de l’ORC. Cependant, tout autre ordre et arrangement série/parallèle et combinant le montage en série et celui en parallèle est possible, afin de répondre au mieux aux besoins en refroidissement et aux contraintes spécifiques du véhicule. Le deuxième circuit (c2) peut comporter également de manière optionnelle un restricteur hydraulique de débit de débit (R) qui peut contribuer à une régulation de la température au sein de ce circuit par une modification des débits dans chaque branche. (RAS). The preferential order of the systems to be cooled on the LV loop in series can be as follows: the condenser (C), the coil, the electrical machine (s) (MEL) and the charge air cooling (RAS) in order to benefit from the lowest temperatures to ensure the correct operation of the ORC. However, any other order and series / parallel arrangement and combining the series assembly and that in parallel is possible, in order to best meet the cooling needs and the specific constraints of the vehicle. The second circuit (c2) may also optionally include a hydraulic flow rate restrictor (R) which can help to regulate the temperature within this circuit by modifying the flow rates in each branch.
Le troisième circuit (c3), fonctionnant selon le cycle de Rankine, comprend au moins un évaporateur (E), un condenseur (C), une turbine (T) et une pompe du troisième circuit (P3) montés en série. Le troisième circuit (c3) permet de récupérer de l’énergie, au moyen de la turbine (T) du circuit du cycle de Rankine. La turbine (T) peut être connectée à une génératrice électrique (non représentée) ou tout autre dispositif de récupération d’énergie. The third circuit (c3), operating according to the Rankine cycle, comprises at least one evaporator (E), a condenser (C), a turbine (T) and a pump of the third circuit (P3) connected in series. The third circuit (c3) makes it possible to recover energy, by means of the turbine (T) of the Rankine cycle circuit. The turbine (T) can be connected to an electric generator (not shown) or any other energy recovery device.
Le système selon l’invention comporte les particularités suivantes : -un seul et unique fluide de refroidissement circule dans les premier (c1) et deuxième (c2) circuits, en d’autres termes, les circuits (c1) et (c2) sont connectés l’un à l’autre au niveau de l’échangeur thermique (2) ;The system according to the invention has the following features: a single and unique cooling fluid circulates in the first (c1) and second (c2) circuits, in other words, the circuits (c1) and (c2) are connected to each other at the heat exchanger (2);
-un fluide de travail circule dans le troisième circuit (c3) ; -au sein dudit évaporateur (E), le fluide de refroidissement du premier circuit (c1) échange de la chaleur avec le fluide de travail du troisième circuit (c3), -au sein dudit condenseur (C), le fluide de refroidissement du deuxième circuit (c2) échange de la chaleur avec le fluide de travail du troisième circuit (c3). -a working fluid circulates in the third circuit (c3); - within said evaporator (E), the cooling fluid of the first circuit (c1) exchanges heat with the working fluid of the third circuit (c3), - within said condenser (C), the cooling fluid of the second circuit (c2) exchanges heat with the working fluid of the third circuit (c3).
Selon un mode de réalisation de l’invention, le système de refroidissement peut comprendre également au sein du premier circuit (c1) un aérotherme (A) pour le chauffage habitacle et éventuellement un bypass (non représenté) de l’aérotherme, ce qui permet une montée en température du moteur thermique plus rapide. Optionnellement, le premier circuit (c1) peut comprendre également d’autres éléments HT, comme un échangeur sur les gaz d’échappement (non représenté) pour accélérer la montée en température du moteur, etc. Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le système de refroidissement peut comprendre un bypass (non représenté) de l’évaporateur (E) dans premier circuit (c1) et ledit deuxième circuit (c2) peut comprendre un bypass (non représenté) du condenseur (C). Ceci permet de ne pas faire circuler le liquide dans l’évaporateur (E) et le condenseur (C) lors des phases de transition, comme la montée en température du moteur thermique (1) ou bien lorsque les conditions thermiques dans le système ne sont pas réunies pour faire fonctionner le troisième circuit (c3). Il est à noter que la désactivation de la pompe du troisième circuit (P3) a un résultat équivalent à l’installation de dispositifs de bypass au niveau de l’évaporateur (E) et du condenseur (C) car dans les deux cas de figure on n’a pas d’échange de chaleur entre le premier circuit (c1) et le deuxième circuit (c2) au travers du troisième circuit (c3). According to one embodiment of the invention, the cooling system may also include, within the first circuit (c1), an air heater (A) for heating. passenger compartment and possibly a bypass (not shown) of the air heater, which allows the heat engine to rise more quickly. Optionally, the first circuit (c1) can also include other HT elements, such as an exchanger on the exhaust gases (not shown) to accelerate the temperature rise of the engine, etc. According to another embodiment of the invention, the cooling system can comprise a bypass (not shown) of the evaporator (E) in the first circuit (c1) and said second circuit (c2) can comprise a bypass (not shown). ) of the condenser (C). This prevents the liquid from circulating in the evaporator (E) and the condenser (C) during transition phases, such as the rise in temperature of the heat engine (1) or when the thermal conditions in the system are not not assembled to operate the third circuit (c3). It should be noted that the deactivation of the pump of the third circuit (P3) has a result equivalent to the installation of bypass devices at the level of the evaporator (E) and of the condenser (C) because in both cases there is no heat exchange between the first circuit (c1) and the second circuit (c2) through the third circuit (c3).
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, l’aérotherme (A) et l’évaporateur (E) peuvent être montés en série ou en parallèle au sein du premier circuit (c1). According to another embodiment of the invention, the fan heater (A) and the evaporator (E) can be connected in series or in parallel within the first circuit (c1).
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le deuxième circuit (c2) peut comprendre également au moins un élément à refroidir, notamment un échangeur d’air de suralimentation (RAS), des organes électriques comme la batterie ou le stockage de l’énergie électrique (non représenté), une ou plusieurs machines électriques (MEL) et module électronique de puissance correspondant (non représenté), en plus du condenseurAccording to another embodiment of the invention, the second circuit (c2) can also comprise at least one element to be cooled, in particular a charge air exchanger (RAS), electrical components such as the battery or the storage of the gas. electrical energy (not shown), one or more electrical machines (MEL) and corresponding power electronic module (not shown), in addition to the condenser
(C), l’échangeur thermique (2) et la pompe (P2). Les différents éléments à refroidir peuvent être montés en série, parallèle ou une combinaison des deux. Dans un mode de réalisation préférentiel, l’invention est particulièrement adaptée à l’intégration d’au moins une machine électrique (MEL) et/ou de son module électronique dans le deuxième circuit (c2). Suivant l’architecture choisie du groupe moto propulseur on peut retrouver un schéma avec une seule machine électrique (MEL) et un module électronique ou bien deux, trois ou quatre machines électriques (MEL) qui seront gérées par un ou plusieurs modules électroniques. Ainsi l’invention permet d’optimiser le refroidissement du groupe moto propulseur d’un véhicule hybride, avec une solution simple et efficace. En effet, lors des phases de fonctionnement du véhicule seulement ou principalement en mode électrique, le moteur thermique (1) ne produit plus ou sensiblement très peu de calories à évacuer. Ainsi tout le potentiel de l’échangeur thermique (2) peut être utilisé uniquement pour le refroidissement de la machine électrique (MEL) et/ou de son module électronique. (C), the heat exchanger (2) and the pump (P2). The different elements to be cooled can be connected in series, parallel or a combination of the two. In a preferred embodiment, the invention is particularly suited to the integration of at least one electrical machine (MEL) and / or its electronic module in the second circuit (c2). Depending on the chosen architecture of the power train, we can find a diagram with a single electric machine (MEL) and an electronic module or two, three or four electric machines (MEL) which will be managed by one or more electronic modules. Thus, the invention makes it possible to optimize the cooling of the power train of a hybrid vehicle, with a simple and effective solution. Indeed, during the phases of operation of the vehicle only or mainly in electric mode, the heat engine (1) no longer produces or substantially very few calories to be evacuated. Thus all the potential of the heat exchanger (2) can be used only for cooling the electrical machine (MEL) and / or its electronic module.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, les premier, deuxième et troisième circuits (c1 , c2, c3) peuvent comprendre des vannes progressives (non représentées). Les vannes progressives permettent de changer entre les différents modes de fonctionnement du système de manière progressive pour optimiser en continu les performances du système en tenant compte des paramètres comme la charge des moteurs, les températures dans les trois circuits et dans l’environnement dans lequel se trouve le système, les stratégies de fonctionnement suivant que l’on recherche la performance, le chargement des batteries dans le cas d’un système hybride, la réduction des polluants, etc. Plusieurs modes de fonctionnement des boucles de refroidissement peuvent être mis en œuvre selon les cas de vie du véhicule. Ces différentes mises en œuvre sont indépendantes. According to another embodiment of the invention, the first, second and third circuits (c1, c2, c3) can include progressive valves (not shown). The progressive valves allow to change between the different operating modes of the system in a progressive way to continuously optimize the performance of the system taking into account parameters such as the load of the motors, the temperatures in the three circuits and in the environment in which the system is operated. finds the system, the operating strategies according to whether one seeks performance, the charging of the batteries in the case of a hybrid system, the reduction of pollutants, etc. Several operating modes of the cooling loops can be implemented depending on the life of the vehicle. These different implementations are independent.
L’invention consiste également en une méthode d’utilisation du système de refroidissement dans laquelle en mode montée en température (cf. Fig 5), le thermostat (T1) du premier circuit (c1) est fermé, l’évaporateur (E) et le condenseur (C) sont bypassés et les pompes du premier circuit (P1) et du deuxième circuit (P2) activées. Le thermostat (T2) du deuxième circuit (c2) est fermé ou faiblement ouvert. Le thermostat (T2) du deuxième circuit (c2) et le restricteur de débit hydraulique (R) sont optionnels. Il est à noter que la désactivation de la pompe du troisième circuit (P3) a un résultat équivalent à l’installation de dispositifs de bypass au niveau de l’évaporateur (E) et du condenseur (C), car dans les deux cas de figure, on n’a pas d’échange de chaleur entre le premier circuit (c1) et le deuxième circuit (c2) au travers du troisième circuit (c3). Dans ce mode de montée en température du moteur (appelé également chauffe moteur), le moteur thermique (1) est encore à une température inférieure à sa température de régulation nominale. Dans ces conditions, deux circulations préférentielles sont à considérer et repérées en trait noir sur le schéma Fig. 5. Les circuits en gris ne sont pas opérants. Dans ces conditions, le radiateur (2) est utilisé uniquement pour le refroidissement des organes BT du deuxième circuit (c2) lorsque cela est nécessaire et l’ORC du troisième circuit (c3) n’est pas fonctionnel. L’invention consiste également en une méthode d’utilisation du système de refroidissement dans laquelle en mode mixte (cf. Fig. 6), le thermostat (T1) du premier circuit (c1) est fermé ou faiblement ouvert et les pompes des trois circuits (P1 , P2, P3) sont activées. Dans ce mode mixte, le moteur thermique (1) est en température idéale de fonctionnement. Le système ORC (circuit c3) est démarré et récupère par le biais de l’évaporateur (E) la puissance thermique disponible fournie par le moteur thermique (1). Dans ces conditions, l’intégralité ou presque de la puissance thermique HT du premier circuit (c1) est transférée à la boucle BT par l’intermédiaire du système ORC, et seul un faible débit transite éventuellement vers le radiateur (2) par le thermostat (T1) faiblement ouvert lorsque le système ORC n’est pas en mesure de récupérer l’intégralité du flux calorique du moteur thermique (1). Le deuxième circuit (c2) devient prioritaire dans l’utilisation du radiateur (2) et fixe la température du mélange d’eau dans le radiateur, de préférence entre 30 et 60°C. Le moteur thermique (1) est principalement refroidi par le système ORC du troisième circuit (c3) par échange thermique par l’évaporateur (E) et, suivant la capacité de l’évaporateur (E) à évacuer la charge thermique, également par le radiateur (2) en condition basse température. L’ouverture en grand du thermostat (T2) et la restriction imposée par le restricteur de débit hydraulique (R) ont pour finalité de faire passer l’intégralité du débit du deuxième circuit (c2) dans le radiateur (2), qui fonctionne en mode BT. Le thermostat (T2) du deuxième circuit (c2) et le restricteur de débit hydraulique (R) sont optionnels. L’invention consiste également en une méthode d’utilisation du système de refroidissement dans laquelle en mode forte charge (cf. Fig. 7), le thermostat (T1) du premier circuit (c1) est ouvert de façon plus importante (pour arriver à ouverture totale en fonction de la température) que dans le mode de montée en température, l’évaporateur (E) et le condenseur (C) sont bypassés et les pompes des premier et deuxième circuits (P1 , P2) sont activées. Il est à noter que la désactivation de la pompe du troisième circuit (P3) a un résultat équivalent à l’installation de dispositifs de bypass au niveau de l’évaporateur et du condenseur car dans les deux cas de figure on n’a pas d’échange de chaleur entre le premier circuit (c1) et le deuxième circuit (c2) au travers du troisième circuit (c3). Les branches grisées sur la Fig. 7 représentent la mise hors fonction du troisième circuit (c3), les traits noirs fins représentent le passage d’un faible débit et les branches représentées en noir épais représentent les parties du circuit avec un débit très important ou maximal. The invention also consists of a method of using the cooling system in which in temperature rise mode (see Fig 5), the thermostat (T1) of the first circuit (c1) is closed, the evaporator (E) and the condenser (C) are bypassed and the pumps of the first circuit (P1) and of the second circuit (P2) activated. The thermostat (T2) of the second circuit (c2) is closed or slightly open. The thermostat (T2) of the second circuit (c2) and the hydraulic flow restrictor (R) are optional. It should be noted that the deactivation of the pump of the third circuit (P3) has a result equivalent to the installation of bypass devices at the level of the evaporator (E) and of the condenser (C), because in both cases of figure, there is no heat exchange between the first circuit (c1) and the second circuit (c2) through the third circuit (c3). In this engine temperature rise mode (also called engine heating), the heat engine (1) is still at a temperature below its nominal regulation temperature. Under these conditions, two preferential circulations are to be considered and marked in black in the diagram Fig. 5. The circuits in gray are not operative. Under these conditions, the radiator (2) is used only for cooling the LV components of the second circuit (c2) when necessary and the ORC of the third circuit (c3) is not functional. The invention also consists of a method of using the cooling system in which in mixed mode (see Fig. 6), the thermostat (T1) of the first circuit (c1) is closed or slightly open and the pumps of the three circuits. (P1, P2, P3) are activated. In this mixed mode, the heat engine (1) is at the ideal operating temperature. The ORC system (circuit c3) is started and recovers through the evaporator (E) the available thermal power supplied by the thermal engine (1). Under these conditions, almost all of the HV thermal power of the first circuit (c1) is transferred to the LV loop via the ORC system, and only a low flow rate possibly passes to the radiator (2) via the thermostat. (T1) weakly open when the ORC system is not able to recover the entire heat flow of the engine thermal (1). The second circuit (c2) takes priority in the use of the radiator (2) and sets the temperature of the water mixture in the radiator, preferably between 30 and 60 ° C. The heat engine (1) is mainly cooled by the ORC system of the third circuit (c3) by heat exchange by the evaporator (E) and, depending on the capacity of the evaporator (E) to evacuate the thermal load, also by the radiator (2) in low temperature condition. The wide opening of the thermostat (T2) and the restriction imposed by the hydraulic flow restrictor (R) are intended to pass the entire flow of the second circuit (c2) into the radiator (2), which operates in BT mode. The thermostat (T2) of the second circuit (c2) and the hydraulic flow restrictor (R) are optional. The invention also consists of a method of using the cooling system in which in high load mode (see Fig. 7), the thermostat (T1) of the first circuit (c1) is more open (to arrive at total opening depending on the temperature) that in the temperature rise mode, the evaporator (E) and the condenser (C) are bypassed and the pumps of the first and second circuits (P1, P2) are activated. It should be noted that the deactivation of the pump of the third circuit (P3) has a result equivalent to the installation of bypass devices at the level of the evaporator and the condenser because in both cases there is no need to heat exchange between the first circuit (c1) and the second circuit (c2) through the third circuit (c3). The shaded branches in Fig. 7 represent the deactivation of the third circuit (c3), the thin black lines represent the passage of a low flow and the branches represented in thick black represent the parts of the circuit with a very high or maximum flow.
A titre d’exemple, la réalisation de ce mode de fonctionnement en forte charge peut avantageusement comprendre l’utilisation d’un capteur de température (non représenté) sur le premier circuit (c1) en aval du thermostat. Ce capteur permet de suivre la température du liquide de refroidissement. Lorsque la charge du moteur thermique est telle que la température dépasse un seuil haut, une unité de contrôle (non représentée) peut considérer que le système se trouve est en mode forte charge. Le premier circuit (c1) devient alors prioritaire pour l’évacuation de la charge thermique, la pompe du premier circuit (P1) est activée à son régime maximum de fonctionnement, et l’échangeur de température (2) bascule en mode HT. Par conséquent, la pompe du troisième circuit (P3) est désactivée car la récupération de l’énergie au moyen de l’ORC est alors arrêtée. Finalement, la pompe du deuxième circuit (P2) est activée à régime faible ou intermédiaire car le liquide de refroidissement sortant de l’échangeur de température (2) arrive à une température très élevée pour permettre un refroidissement optimal des composants se situant sur le deuxième circuit (c2). By way of example, the realization of this mode of operation under heavy load can advantageously comprise the use of a temperature sensor (not shown) on the first circuit (c1) downstream of the thermostat. This sensor is used to monitor the temperature of the cooling liquid. When the load on the heat engine is such that the temperature exceeds a high threshold, a control unit (not shown) can consider that the system is in high load mode. The first circuit (c1) then takes priority for the evacuation of the thermal load, the pump of the first circuit (P1) is activated at its maximum operating speed, and the temperature exchanger (2) switches to HT mode. Consequently, the pump of the third circuit (P3) is deactivated because the energy recovery by means of the ORC is then stopped. Finally, the pump of the second circuit (P2) is activated at low or intermediate speed because the coolant leaving the heat exchanger (2) reaches a very high temperature to allow optimal cooling of the components located on the second. circuit (c2).
Dans ce mode de fonctionnement à forte charge, le moteur thermique (1) se trouve dans des conditions de charge élevées avec des capacités de refroidissement du véhicule limitées, comme une montée de col et donc les capacités de refroidissement du radiateur (2) fonctionnant à BT ne sont plus suffisantes pour dégager la charge thermique. Le troisième circuit (c3) n’est plus en capacité de transférer la puissance thermique émise par le moteur thermique (2) vers la boucle BT. Dans ces conditions le thermostat (T1) va s’ouvrir de façon importante pour permettre un refroidissement du moteur thermique. Le liquide de refroidissement vers le radiateur monte alors en température de préférence vers 80-100°C compte tenu de l’augmentation des débits provenant du moteur thermique (1). Le circuit de refroidissement unique se comporte alors comme un circuit haute température classique. La boucle BT, c’est-à-dire le deuxième circuit (c2), n’est plus refroidie à basse température. La pompe du troisième circuit (P3) est désactivée, donc l’évaporateur (E) et le condenseur (C) sont également désactivés car l’ORC ne fonctionne plus. Dans ces conditions de forte charge la partie électrique du véhicule et sont électronique de puissance ne sont, en règle générale, pas opérantes. Le refroidissement de l’air de suralimentation (RAS), réalisé à une température relativement haute est dégradé, ce qui peut entraîner une diminution des performances de la suralimentation et une baisse des performances du véhicule. Malgré ces conditions dégradées, le moteur thermique (1) est refroidi d’une manière satisfaisante avec une surface d’échange importante qui lui est dédiée pour garantir sa fiabilité. In this mode of operation at high load, the heat engine (1) is under high load conditions with limited vehicle cooling capacities, such as a rise in the neck and therefore the cooling capacities of the radiator (2) operating at LV are no longer sufficient to release the thermal load. The third circuit (c3) is no longer able to transfer the thermal power emitted by the thermal engine (2) to the LV loop. Under these conditions, the thermostat (T1) will open significantly to allow cooling of the heat engine. The coolant to the radiator then rises in temperature preferably to around 80-100 ° C, taking into account the increase in flow rates from the heat engine (1). The single cooling circuit then behaves like a conventional high temperature circuit. The LV loop, that is to say the second circuit (c2), is no longer cooled to low temperature. The pump of the third circuit (P3) is deactivated, therefore the evaporator (E) and the condenser (C) are also deactivated because the ORC no longer works. In these conditions of strong charges the electrical part of the vehicle and its power electronics are, as a rule, not operative. The charge air cooling (RAS), carried out at a relatively high temperature is degraded, which can lead to a decrease in the performance of the charge air and a decrease in the performance of the vehicle. Despite these degraded conditions, the heat engine (1) is cooled satisfactorily with a large exchange surface dedicated to it to guarantee its reliability.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la méthode d’utilisation du système peut comprendre les trois mises en œuvre décrites ci-dessus (mode montée en température, mode mixte et mode forte charge) en fonction du mode souhaité. Selon un mode de réalisation de l’invention, la méthode d’utilisation du système de refroidissement comprend des phases transitoires au sein des trois modes de fonctionnement et entre les trois modes de fonctionnement. Ces phases transitoires sont réalisées en faisant varier de maniéré différenciée les vitesses de rotation des pompes des trois circuits (P1, P2, P3) et en ouvrant de manière progressive les thermostat (T1, T2) et les bypass le cas échéant. La gestion de ces actionneurs est assurée par une unité de contrôle (non représentée) qui prend en compte au moins un capteur (non représenté) mesurant la température du premier circuit (c1). According to one embodiment of the invention, the method of using the system can include the three implementations described above (temperature rise mode, mixed mode and high load mode) depending on the desired mode. According to one embodiment of the invention, the method of using the cooling system includes transient phases within the three modes of operation and between the three modes of operation. These transient phases are carried out by varying the rotation speeds of the pumps of the three circuits (P1, P2, P3) in a differentiated manner and by gradually opening the thermostat (T1, T2) and bypass them if necessary. These actuators are managed by a control unit (not shown) which takes into account at least one sensor (not shown) measuring the temperature of the first circuit (c1).
L’invention consiste également un véhicule, notamment véhicule automobile, comprenant un système de refroidissement tel que défini précédemment, dans lequel ledit échangeur thermique (2) est agencé à proximité d’une arrivée d’air. Afin de piloter plus finement ce système de refroidissement, les informations d’autres capteurs de température sur les branches des circuits (c1, c2 et c3) et de l’air environnant peuvent éventuellement être intégrés dans l’unité de contrôle. Evidemment, l’unité de contrôle est en mesure de piloter d’autres actionneurs comme un ventilateur pour forcer le débit d’air devant le radiateur, l’ouverture des ouïes de ventilation modifiant le coefficient de pénétration dans l’air du véhicule et l’arrosage en air du radiateur, etc. The invention also consists of a vehicle, in particular a motor vehicle, comprising a cooling system as defined above, in which said heat exchanger (2) is arranged near an air inlet. In order to control this cooling system more finely, information from other temperature sensors on the branches of the circuits (c1, c2 and c3) and of the surrounding air can optionally be integrated into the control unit. Obviously, the control unit is able to control other actuators such as a fan to force the air flow in front of the radiator, the opening of the ventilation openings modifying the coefficient of penetration into the air of the vehicle and the spraying of air from the radiator, etc.
Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation des évidements, décrits ci-dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation. As goes without saying, the invention is not limited to the only embodiments of the recesses, described above by way of example, it embraces on the contrary all the variant embodiments.

Claims

Revendications Claims
1. Système de refroidissement pour un véhicule comprenant trois circuits fermés de circulation de fluide thermique (c1, c2, c3), le premier circuit (c1) comprenant au moins un moteur thermique (1), un évaporateur, une pompe du premier circuit (P1), un thermostat (T1) et un échangeur thermique (2), le deuxième circuit (c2) comprenant au moins un condenseur, une pompe du deuxième circuit (P2) et un échangeur thermique (21) montés en série, et le troisième circuit (c3), selon le cycle de Rankine, comprenant au moins un évaporateur (E), un condenseur (C), une turbine (T) et une pompe du troisième circuit (P3) montés en série, caractérisé en ce que : 1. Cooling system for a vehicle comprising three closed circuits for circulating thermal fluid (c1, c2, c3), the first circuit (c1) comprising at least one thermal engine (1), an evaporator, a pump of the first circuit ( P1), a thermostat (T1) and a heat exchanger (2), the second circuit (c2) comprising at least one condenser, a pump of the second circuit (P2) and a heat exchanger (21) connected in series, and the third circuit (c3), according to the Rankine cycle, comprising at least one evaporator (E), a condenser (C), a turbine (T) and a pump of the third circuit (P3) connected in series, characterized in that:
-un seul et unique fluide de refroidissement circule dans les premier (c1) et deuxième (c2) circuits, et un fluide de travail circule dans le troisième circuit (c3), -a single cooling fluid circulates in the first (c1) and second (c2) circuits, and a working fluid circulates in the third circuit (c3),
-l’échangeur thermique (2) du premier circuit (c1) et l’échangeur thermique (2) du deuxième circuit (c2) est un seul et unique échangeur thermique (2), -the heat exchanger (2) of the first circuit (c1) and the heat exchanger (2) of the second circuit (c2) is a single heat exchanger (2),
-au sein dudit évaporateur (E), le fluide de refroidissement du premier circuit (c1) échange de la chaleur avec le fluide de travail du troisième circuit (c3), - within said evaporator (E), the cooling fluid of the first circuit (c1) exchanges heat with the working fluid of the third circuit (c3),
-au sein dudit condenseur (C), le fluide de refroidissement du deuxième circuit (c2) échange de la chaleur avec le fluide de travail du troisième circuit (c3). -within said condenser (C), the cooling fluid of the second circuit (c2) exchanges heat with the working fluid of the third circuit (c3).
2. Système de refroidissement suivant la revendication 1, dans lequel le premier circuit (c1) comprend également un aérotherme (A) et préférablement un bypass de l’aérotherme. 2. Cooling system according to claim 1, wherein the first circuit (c1) also comprises an air heater (A) and preferably a bypass of the air heater.
3. Système de refroidissement suivant l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit premier circuit (c1) comprend un bypass de l’évaporateur et ledit deuxième circuit (c2) comprend un bypass du condenseur. 3. Cooling system according to one of claims 1 or 2, wherein said first circuit (c1) comprises an evaporator bypass and said second circuit (c2) comprises a condenser bypass.
4. Système de refroidissement suivant la revendication 2 dans lequel au sein du premier circuit (c1), l’aérotherme (A) et l’évaporateur (E) sont montés en série ou en parallèle. 4. Cooling system according to claim 2 wherein within the first circuit (c1), the air heater (A) and the evaporator (E) are connected in series or in parallel.
5. Système de refroidissement suivant l’une des revendications précédentes, dans lequel le deuxième circuit (c2) comprend également au moins un élément à refroidir, notamment un refroidisseur d’air de suralimentation (RAS) et une machine électrique (MEL). 5. Cooling system according to one of the preceding claims, wherein the second circuit (c2) also comprises at least one element to be cooled, in particular a charge air cooler (RAS) and an electrical machine (MEL).
6. Système de refroidissement suivant la revendication 5 dans lequel les différents éléments à refroidir sont montés en série, parallèle ou une combinaison des deux. 6. Cooling system according to claim 5 wherein the different elements to be cooled are connected in series, parallel or a combination of both.
7. Système de refroidissement suivant une des revendications précédentes dans lequel les premier, deuxième et troisième circuits (c1 , c2, c3) comprennent des valves progressives. 7. Cooling system according to one of the preceding claims wherein the first, second and third circuits (c1, c2, c3) comprise progressive valves.
8. Méthode d’utilisation du système de refroidissement suivant une des revendications 1 à 7 dans laquelle en mode montée en température, le thermostat (T1) du premier circuit (c1) est fermé et les pompes du premier circuit (P1) et du deuxième circuit (P2) activées. 8. Method of using the cooling system according to one of claims 1 to 7 wherein in temperature rise mode, the thermostat (T1) of the first circuit (c1) is closed and the pumps of the first circuit (P1) and the second. circuit (P2) activated.
9. Méthode d’utilisation du système de refroidissement suivant une des revendications 1 à 7 dans laquelle en mode mixte, le thermostat (T1) du premier circuit (c1) est fermé et les pompes des trois circuits (P1, P2, P3) sont activées. 9. Method of using the cooling system according to one of claims 1 to 7 wherein in mixed mode, the thermostat (T1) of the first circuit (c1) is closed and the pumps of the three circuits (P1, P2, P3) are activated.
10. Méthode d’utilisation du système de refroidissement suivant une des revendications 1 à 7 dans laquelle en mode pleine charge, le thermostat (T1) du premier circuit (c1) est ouvert et les pompes des premier et deuxième circuits (P1, P2) sont activées. 10. Method of using the cooling system according to one of claims 1 to 7 wherein in full load mode, the thermostat (T1) of the first circuit (c1) is open and the pumps of the first and second circuits (P1, P2) are activated.
11. Méthode d’utilisation du système de refroidissement suivant les revendications 8 à 10 dans laquelle des phases transitoires au sein des trois modes de fonctionnement et entre les trois modes de fonctionnement sont réalisées en faisant varier de manière différenciée les vitesses de rotation des pompes des trois circuits (P1, P2, P3) et en ouvrant de manière progressive le thermostat (T1) du premier circuit (c1). 11. Method of using the cooling system according to claims 8 to 10 wherein transient phases within the three operating modes and between the three operating modes are achieved by varying the rotational speeds of the pumps of the pumps in a differentiated manner. three circuits (P1, P2, P3) and gradually opening the thermostat (T1) of the first circuit (c1).
12. Véhicule, notamment véhicule automobile, comprenant un système de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel ledit échangeur thermique (2) est agencé à proximité d’une arrivée d’air. 12. Vehicle, in particular motor vehicle, comprising a cooling system according to one of claims 1 to 7, wherein said heat exchanger (2) is arranged near an air inlet.
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