FR2913057A1 - Systeme de chauffage pour vehicule couple a un systeme de recirculation de gaz d'echappement - Google Patents

Systeme de chauffage pour vehicule couple a un systeme de recirculation de gaz d'echappement Download PDF

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Abstract

Système de chauffage pour véhicule automobile comprenant un moteur (1), une ligne d'échappement (6) pour les gaz d'échappement et une voie de recirculation (11) possible des gaz d'échappement basse pression en entrée du compresseur (3) de la ligne d'admission des gaz vers le moteur, cette recirculation étant commandée par une vanne de recirculation (7 ; 7'), caractérisé en ce que le système comprend un échangeur de chaleur (19) sur la voie de recirculation (11), apte à récupérer la chaleur des gaz d'échappement.

Description

L'invention concerne un système de chauffage d'habitacle de véhicule
automobile et/ou de composantes de la motorisation comme l'huile du moteur ou de la boîte de vitesse, combiné avec une motorisation équipée de solutions de diminution des émissions de Nox à l'échappement, par EGR (Exhaust Gaz Recirculation) basse pression et éventuellement haute pression. L'invention concerne aussi un véhicule automobile en tant que tel équipé d'un tel système. Enfin, elle concerne aussi un procédé de régulation du chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile.
II existe dans l'art antérieur des solutions pour lutter contre la pollution provoquée par les gaz d'échappement des véhicules automobiles. La figure 1 illustre une telle solution, qui comprend un moteur 1 alimenté en air par une entrée 2, un compresseur 3, un échangeur 4 puis une admission moteur 5. Pour diminuer l'émission en Nox des gaz d'échappement sortant sur l'échappement 6 du véhicule, une première solution, connue sous la dénomination anglo-saxonne d'EGR (Exhaust Gaz Recirculation) haute pression, consiste en une recirculation 12 des gaz d'échappement en sortie du moteur, traversant un échangeur 13 avant de rejoindre l'admission moteur 5. Une seconde solution, connue sous sa dénomination d'EGR basse pression, consiste en une recirculation 11 d'une partie des gaz d'échappement récupérés vers la sortie du véhicule, après leur passage par différents dispositifs de traitements comme un catalyseur 21, un catalyseur d'oxydation, un filtre à particules 22, pour leur réadmission à l'entrée du compresseur 3. Une vanne d'échappement 7 permet de régler la quantité de gaz basse pression à recirculer. Le fonctionnement des solutions EGR haute et basse pressions est en général combiné et optimisé en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. Par exemple, la recirculation des gaz haute pression refroidis ou non refroidis avec celle des gaz basse pression évite l'augmentation des émissions de HC et de CO lors d'une phase de montée en température. A froid, I'EGR basse pression entraîne parfois une surproduction d'hydrocarbure, qui peut être compensée par l'EGR haute pression. Dans des conditions à froid, le refroidisseur d'EGR haute pression 13 peut être by-passé car néfaste. D'autre part, en présence d'un filtre à particules 22, l'EGR est en général coupé lorsque le moteur est froid car son utilisation dans ces conditions entraîne une accumulation de particules dans le filtre.
Les nouvelles motorisations ont atteint un niveau de rendement tel que le transfert de chaleur depuis les chambres de combustion et depuis les zones de frottement des éléments mécaniques entre eux vers le liquide de refroidissement est devenu très faible. Cette perte de dissipation de chaleur et donc de puissance thermique empêche d'obtenir un confort thermique dans l'habitacle dans un délai raisonnable, particulièrement dans les conditions de température extérieure basse (environ 30 minutes après le démarrage du moteur en ambiance très froide par exemple û 18 C). Elle entraîne de plus une surconsommation du véhicule dans la phase de démarrage et de montée en température du moteur.
La demande de brevet FR 2 854 103 présente une solution de système de chauffage d'habitacle d'automobile comprenant un circuit de liquide de refroidissement moteur, présentant un aérotherme et un échangeur gaz d'échappement-liquide de refroidissement, positionné en sortie de la ligne d'échappement. Une vanne permet de définir selon les besoins la quantité de gaz d'échappement utile au niveau de l'échangeur gaz d'échappement-liquide, le reste des gaz étant orienté vers un by-pass. Grâce à un tel système, une partie de la chaleur des gaz d'échappement sert à réchauffer le liquide de refroidissement dont la chaleur est ensuite exploitée pour le chauffage de l'habitacle via l'aérotherme. Cette solution améliore la montée en température de l'habitacle lors de la phase de démarrage. Toutefois, elle présente l'inconvénient que lorsque le véhicule est équipé d'un dispositif anti-pollution tel que décrit précédemment et situé en amont de l'échangeur gaz d'échappement - liquide de refroidissement, les gaz ne passent plus ou en petite quantité seulement dans la partie finale d'échappement et la solution décrite dans ce document n'est plus efficace.
Le but de l'invention est de fournir un système de chauffage de l'habitacle d'un véhicule et/ou de composantes de la motorisation, pour un véhicule équipé d'un dispositif anti-pollution EGR basse pression, obviant aux inconvénients cités précédemment.
Plus précisément, l'invention propose un système de chauffage de liquide de refroidissement combiné à un système anti-pollution EGR basse pression permettant une performance optimale des deux systèmes dans toutes les situations, notamment dans la phase de démarrage du véhicule, sans augmenter sa consommation.
L'invention repose sur un système de chauffage pour véhicule automobile comprenant un moteur, une ligne d'échappement pour les gaz d'échappement et une voie de recirculation possible des gaz d'échappement basse pression en entrée du compresseur de la ligne d'admission des gaz vers le moteur, cette recirculation étant commandée par une vanne de recirculation, caractérisé en ce que le système comprend un échangeur de chaleur sur la voie de recirculation, apte à récupérer la chaleur des gaz d'échappement.
Pour cela, le système de chauffage pour véhicule automobile peut 30 comprendre une première vanne deux voies vers la sortie de la ligne d'échappement afin de piloter le taux de recirculation des gaz d'échappement basse pression et une seconde vanne deux voies sur la voie de recirculation afin d'affiner le taux de recirculation de gaz d'échappement. Selon une variante de réalisation, le système de chauffage pour véhicule automobile comprend un tuyau en parallèle de l'échangeur de chaleur, permettant d'orienter tout ou partie des gaz d'échappement en aval de l'échangeur de chaleur vers la sortie de la ligne d'échappement. 10 Pour cela, le système de chauffage pour véhicule automobile peut comprendre une première vanne deux voies vers la sortie de la ligne d'échappement afin de piloter le taux de recirculation des gaz d'échappement basse pression vers la voie de recirculation, une seconde 15 vanne deux voies sur la voie de recirculation vers l'entrée du compresseur afin d'affiner le taux de recirculation de gaz d'échappement et une troisième vanne deux voies positionnée en aval de l'échangeur de chaleur sur le tuyau afin d'orienter ou non une certaine quantité de gaz en sortie de l'échangeur directement vers la sortie de l'échappement. 20 En variante, le système de chauffage pour véhicule automobile peut comprendre une première vanne trois voies vers la sortie de la ligne d'échappement afin de piloter le taux de recirculation des gaz d'échappement basse pression vers la voie de recirculation et une 25 seconde vanne trois voies en aval de l'échangeur de chaleur sur la voie de recirculation au croisement du tuyau et de la voie de retour vers l'admission du moteur afin d'orienter ou non une certaine quantité de gaz en sortie de l'échangeur directement vers la sortie de l'échappement.5 Dans ces réalisations, l'échangeur de chaleur peut être monté en parallèle de systèmes de post-traitement des gaz d'échappement comme un filtre à particules.
L'échangeur de chaleur peut être un échangeur gaz d'échappement û liquide qui permet de chauffer le liquide de refroidissement et le système de chauffage comprend de plus un aérotherme apte à chauffer l'air entrant dans l'habitacle du véhicule automobile et / ou un échangeur liquide û huile pour chauffer l'huile du moteur et/ou de la boîte de vitesse.
Le système de chauffage peut aussi comprendre un capteur de température du liquide de refroidissement en sortie du moteur et un capteur de température de l'air de l'habitacle.
Selon une réalisation intéressante, le système de chauffage pour véhicule automobile décrit précédemment peut comprendre un moyen apte à décaler l'injection d'une partie du carburant dans le moteur afin d'augmenter l'enthalpie des gaz d'échappement.
Enfin, le système de chauffage précédent peut comprendre un EGR haute pression.
L'invention porte aussi sur un véhicule automobile comprenant un système de chauffage tel que décrit précédemment.
L'invention porte aussi sur un procédé de régulation de la température de l'habitacle d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend une étape initiale de montée en température dans laquelle la température d'eau en sortie du moteur est relativement basse et la température de 30 l'habitacle n'a pas encore atteint la température recherchée, dans laquelle une première vanne dirige les gaz d'échappement basse pression vers un échangeur de chaleur pour chauffer l'habitacle en récupérant de la chaleur provenant des gaz d'échappement basse pression et dans laquelle au moins une deuxième vanne oriente au moins partiellement l'échappement des gaz en sortie de l'échangeur de chaleur directement vers l'extérieur en sortie de la ligne d'échappement.
Ce procédé de régulation de la température de l'habitacle d'un véhicule automobile peut comprendre une phase dans laquelle une partie des gaz d'échappement en aval de l'échangeur de chaleur est directement orientée vers l'extérieur en sortie de la ligne d'échappement alors que l'autre partie est orientée vers l'admission du moteur afin de diminuer l'émission de gaz polluants.
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La figure 1 représente une solution de motorisation de l'art antérieur ; la figure 2 représente le concept de l'invention par un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 représente un second mode de réalisation de l'invention ; la figure 4 représente une variante du second mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 illustre une mise en oeuvre de l'invention dans laquelle les mêmes éléments que dans la figure 1 de l'art antérieur portent les mêmes références. Cette solution prévoit l'utilisation d'un échangeur de chaleur 19 positionné sur la voie de recirculation 11 des gaz d'échappement du système EGR basse pression, en aval du filtre à particules 22. Cet échangeur de chaleur 19 se trouve donc positionné en parallèle avec les différents dispositifs de post-traitements comme le catalyseur 21 et le filtre à particules 22 de la ligne d'échappement 6. La vanne deux voies 7 sert à piloter le taux de recirculation des gaz d'échappement du système EGR basse pression. Une seconde vanne deux voies 18 en aval de l'échangeur de chaleur 19 permet d'affiner le taux de recirculation. L'échangeur de chaleur 19 a pour fonction de refroidir les gaz de recirculation et de réchauffer le liquide de refroidissement du véhicule. Ce système est notamment exploité lors de la montée en température du moteur au démarrage du véhicule pour accélérer la montée en température du liquide de refroidissement, dont la chaleur peut être transmise à l'habitacle du véhicule par l'intermédiaire d'un aérotherme non représenté et transmise à l'huile du moteur et de la boîte de vitesse via le liquide de refroidissement (i.e. avec une boucle courte ) pour diminuer la consommation du moteur lors de cette phase de démarrage à froid.
La figure 3 illustre un autre mode d'exécution de l'invention dans laquelle un tuyau 20 est de plus monté en aval de l'échangeur de chaleur 19 pour pouvoir renvoyer des gaz de recirculation 11 vers la sortie 16 de la ligne d'échappement, au niveau du silencieux non représenté, si nécessaire. Une vanne deux voies 17 dite de retour est de plus positionnée en aval de l'échangeur de chaleur 19 sur le tuyau 20. Sa fonction est d'orienter ou non une certaine quantité de gaz en sortie de l'échangeur 19 directement vers la sortie de l'échappement 16.
La figure 4 illustre une variante de réalisation du mode d'exécution précédent dans laquelle deux vannes trois voies 7', 18', sont utilisées pour remplir les fonctions des trois vannes deux voies 7, 17, 18 de la réalisation illustrée sur la figure 3. La première vanne 7' a pour fonction de déterminer le taux de gaz de recirculation sur la voie de recirculation 11, dans le cadre de l'EGR basse pression alors que la seconde vanne dite de répartition 18' permet de partager les gaz en aval de l'échangeur de chaleur 19 en fin de circuit de recirculation 11 entre un retour vers le turbocompresseur 3 du moteur thermique ou un échappement en fin de ligne d'échappement 16. Cette variante de réalisation présente l'avantage de réduire l'encombrement global de la solution, de simplifier les circuits de gaz d'échappement, de faciliter le pilotage de l'ensemble et de réduire son coût.
Le chauffage de l'habitacle n'a pas été directement représenté mais peut se faire de manière connue par un échangeur supplémentaire appelé aérotherme entre le liquide de refroidissement et l'air entrant dans l'habitacle. Par ce biais, la chaleur des gaz d'échappement est transmise à l'habitacle. Avantageusement, ce dispositif comprend un capteur de température du liquide de refroidissement en sortie du moteur et un capteur de température d'air de l'habitacle, pour permettre une automatisation de la régulation de la température de l'habitacle.
D'autre part, la chaleur récupérée par le liquide de refroidissement par l'intermédiaire de l'échangeur 19 peut aussi être exploitée dans un échangeur eau ù huile pour augmenter la montée en température de l'huile de la boîte de vitesse, mécanique ou non, et / ou de l'huile du moteur thermique, par l'intermédiaire d'un circuit de refroidissement dit boucle courte comportant une pompe électrique. Cette solution peut ainsi présenter l'avantage de diminuer les frottements grâce à une amélioration de la montée en température de l'huile, et par conséquent de diminuer la consommation en phase de montée en température.
Le fonctionnement du système selon l'invention va maintenant être détaillé.
Dans une phase de montée en température, au démarrage du moteur dans des conditions de basse température, la température d'eau en sortie du moteur n'a pas encore atteint une température seuil, de 60 degrés Celsius par exemple, la température de l'habitacle n'a pas encore atteint une température recherchée, de 21 degrés Celsius par exemple : la vanne 7 ferme au moins partiellement l'échappement des gaz vers l'extérieur et les force vers l'échangeur 19 par la recirculation EGR basse pression 11, alors que les vannes 17, 18 ou 18' vont induire une orientation de tout ou partie des gaz directement vers l'échappement 16, et non vers l'admission moteur. Cette solution permet d'atteindre les avantages suivants dans cette phase de montée en température : -les gaz chauds d'échappement vont permettre de chauffer le liquide de refroidissement et/ou l'huile moteur et/ou de la boîte de vitesse par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur 19, afin respectivement d'accélérer le chauffage de l'habitacle et/ou de réduire la consommation du moteur ; -le système EGR de réduction des polluants en sortie d'échappement peut fonctionner en parallèle de manière optimisée. Par exemple, en cas de températures extérieures basses pour lesquelles son utilisation n'est pas toujours requise car elle entraîne une production élevée de particules s'accumulant dans le filtre à particules, il peut être coupé. Dans un tel cas, la chaleur des gaz chaud d'échappement peut quand même être récupérée sans que le système EGR ne soit mis en oeuvre, en orientant les gaz directement vers la sortie 16 après leur passage dans l'échangeur de chaleur 19.
Quand le moteur est chaud, le système EGR va pouvoir fonctionner de manière habituelle, les vannes 7, 17, 18 ou 18' permettant de fixer le taux de gaz recirculant vers le moteur par le système EGR basse pression alors que la vanne EGR haute pression 8 détermine de même le taux de recirculation de l'EGR haute pression.
Dans une phase intermédiaire de fonctionnement, alors que la température d'eau du moteur n'a pas encore atteint une valeur nominale, un double système EGR recircule à la fois des gaz du circuit basse pression et du circuit haute pression, la vanne de retour 17 et la vanne 18 ou la vanne de répartition 18' permet(tent) une recirculation d'une partie des gaz d'échappement basse pression vers l'admission pour le besoin du moteur conformément au fonctionnement normal du système EGR et une autre partie directement vers l'échappement 16, l'échangeur de chaleur 19 bénéficiant toutefois d'échanges thermiques optimisés pour une montée en température accélérée du liquide de refroidissement.
La solution décrite précédemment est adaptée à un moteur thermique à allumage commandé ou allumage par compression, permettant de faire circuler des gaz d'échappement depuis l'aval du filtre à particules ou d'un catalyseur trois voies ou d'oxydation vers l'entrée d'un turbocompresseur pour les moteurs suralimentés, ou à l'admission du moteur pour les moteurs atmosphériques. Elle est adaptée aux moteurs comportant l'échappement en face avant ou arrière, ou disposé en transversal aussi.
Afin d'améliorer la performance du système, il peut être envisager d'adapter le procédé d'injection en décalant une partie du carburant injecté dans la détente qui brûlera dans la chambre de combustion pour créer une exothermicité complémentaire dans les gaz d'échappement, de sorte d'augmenter leur enthalpie et d'apporter un plus grand apport de chaleur au liquide de refroidissement au niveau de l'échangeur 19. De même, il est possible de mettre en oeuvre un procédé d'injection consistant à décaler l'injection d'une partie du carburant dans la détente ou lors d'une phase de vidange d'échappement du cylindre. De manière similaire, des composants spécifiques peuvent permettre l'injection et/ou la vaporisation de carburant dans les gaz d'échappement, disposés le long de la ligne d'échappement en aval de la chambre de combustion et en amont du module de traitement et épuration des gaz d'échappement. Ainsi, ces variantes peuvent permettre d'apporter une quantité de carburant supplémentaire non brûlé dans la chambre de combustion, qui sera oxydé sur la fonction catalytique du module de post-traitement, permettant le dégagement d'une chaleur supplémentaire par le gaz d'échappement.
Cette solution a été implémentée avec un EGR haute pression basé sur une recirculation des gaz d'échappement entre le collecteur d'échappement et le répartiteur d'admission, ce qui permet un fonctionnement avantageux de l'EGR, expliqué auparavant. Elle reste toutefois compatible avec un simple EGR basse pression, I'EGR haute pression restant optionnel. De même, l'échangeur de chaleur 13 du circuit EGR haute pression reste optionnel. Cet échangeur est d'ailleurs en général by-passé dans un fonctionnement à froid et Insuffisant pour répondre au problème de montée en température de l'habitacle.
Finalement, la solution atteint bien les objets recherchés et présente, outre les avantages déjà mentionnés, les avantages supplémentaires suivants : -elle fonctionne en exploitant des composants existants d'un système EGR, sans nécessiter de profonde modification de ce dernier, ni dans sa structure ni dans son fonctionnement, grâce à un ajout en parallèle de quelques composants complémentaires 18, 19, ou 17, 18, 19, 20 ou 18', 19, 20. Notamment, elle profite de la vanne d'échappement 7 qui permet d'augmenter artificiellement la contre pression du moteur, favorable à une dégradation du rendement et augmentation de la température des gaz d'échappement, et qui permet de forcer plus de débit à travers l'échangeur 19 ; -elle fonctionne de manière optimisée au niveau des échanges thermique sans modification du fonctionnement du système anti-pollution qui peut continuer son fonctionnement optimisé en parallèle ; -elle permet de refroidir les gaz d'échappement destinés à une recirculation et un retour vers le moteur selon le système EGR basse pression, pour protéger le compresseur 3 et améliorer le rendement de celui-ci.

Claims (13)

Revendications
1. Système de chauffage pour véhicule automobile comprenant un moteur (1), une ligne d'échappement (6) pour les gaz d'échappement et une voie de recirculation (Il) possible des gaz d'échappement basse pression en entrée du compresseur (3) de la ligne d'admission des gaz vers le moteur, cette recirculation étant commandée par une vanne de recirculation (7 ; 7'), caractérisé en ce que le système comprend un échangeur de chaleur (19) sur la voie de recirculation (11), apte à récupérer la chaleur des gaz d'échappement.
2. Système de chauffage pour véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une première vanne deux voies (7) vers la sortie de la ligne d'échappement afin de piloter le taux de recirculation des gaz d'échappement basse pression et une seconde vanne deux voies (18) sur la voie de recirculation (11) afin d'affiner le taux de recirculation de gaz d'échappement.
3. Système de chauffage pour véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un tuyau (20) en parallèle de l'échangeur de chaleur (19), permettant d'orienter tout ou partie des gaz d'échappement en aval de l'échangeur de chaleur (19) vers la sortie (16) de la ligne d'échappement (6).
4. Système de chauffage pour véhicule automobile selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une première vanne deux voies (7) vers la sortie de la ligne d'échappement afin de piloter le taux de recirculation des gaz d'échappement basse pression vers la voie de recirculation (11), une seconde vanne deux voies (18) sur la voie de recirculation vers l'entrée du compresseur (3) afin d'affiner le taux de recirculation de gaz d'échappement et une troisième vanne deux voies(17) positionnée en aval de l'échangeur de chaleur (19) sur le tuyau (20) afin d'orienter ou non une certaine quantité de gaz en sortie de l'échangeur (19) directement vers la sortie (16) de l'échappement.
5. Système de chauffage pour véhicule automobile selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une première vanne trois voies (7') vers la sortie de la ligne d'échappement afin de piloter le taux de recirculation des gaz d'échappement basse pression vers la voie de recirculation (11) et une seconde vanne trois voies (18') en aval de l'échangeur de chaleur (19) sur la voie de recirculation (11) au croisement du tuyau (20) et de la voie de retour vers l'admission du moteur afin d'orienter ou non une certaine quantité de gaz en sortie de l'échangeur (19) directement vers la sortie (16) de l'échappement.
6. Système de chauffage pour véhicule automobile selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (19) est monté en parallèle de systèmes de post-traitement des gaz d'échappement comme un filtre à particules (22).
7. Système de chauffage pour véhicule automobile selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (19) est un échangeur gaz d'échappement û liquide qui permet de chauffer le liquide de refroidissement et en ce qu'il comprend un aérotherme apte à chauffer l'air entrant dans l'habitacle du véhicule automobile et / ou un échangeur liquide û huile pour chauffer l'huile du moteur et/ou de la boîte de vitesse.
8. Système de chauffage pour véhicule automobile selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de température du liquide de refroidissement en sortie du moteur et un capteur de température de l'air de l'habitacle.
9. Système de chauffage pour véhicule automobile selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen apte à décaler l'injection d'une partie du carburant dans le moteur afin d'augmenter l'enthalpie des gaz d'échappement.
10. Système de chauffage pour véhicule automobile selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un EGR haute pression (12).
11. Véhicule automobile comprenant un système de chauffage selon l'une des revendications 1 à 10.
12. Procédé de régulation de la température de l'habitacle d'un véhicule 15 automobile, caractérisé en ce qu'il comprend une étape initiale de montée en température dans laquelle la température d'eau en sortie du moteur est relativement basse et la température de l'habitacle n'a pas encore atteint la température recherchée, dans laquelle une première vanne (7 ; 7') dirige les gaz d'échappement basse pression vers un échangeur de 20 chaleur (19) pour chauffer l'habitacle en récupérant de la chaleur provenant des gaz d'échappement basse pression et dans laquelle au moins une deuxième vanne (18 ; 17, 18 ; 18') oriente au moins partiellement l'échappement des gaz en sortie de l'échangeur de chaleur (19) directement vers l'extérieur en sortie (16) de la ligne d'échappement 25 (6).
13. Procédé de régulation de la température de l'habitacle d'un véhicule automobile selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend une phase dans laquelle une partie des gaz d'échappement en aval de 30 l'échangeur de chaleur (19) est directement orientée vers l'extérieur en sortie (16) de la ligne d'échappement (6) alors que l'autre partie est10orientée vers l'admission du moteur afin de diminuer l'émission de gaz polluants.
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