WO2003102396A1 - Module d'echange de chaleur conforme pour envelopper un moteur de vehicule automobile - Google Patents

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exchanger
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Carlos Martins
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Valeo Thermique Moteur
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Definitions

  • Heat exchange module shaped to wrap a motor vehicle engine
  • the invention relates to a heat exchange module comprising at least one heat exchanger for a motor vehicle.
  • Motor vehicles have many exchangers which are used to cool and sometimes to heat the fluids necessary for their operation.
  • vehicles which include a supercharged engine are frequently equipped with a charge air cooler intended to cool the air before it is admitted to the engine.
  • the invention specifically relates to a heat exchange module which overcomes these drawbacks.
  • the heat exchange module comprises an envelope shaped to fit the engine block of the vehicle, at least one heat exchanger being housed in this envelope.
  • the heat exchanger may consist of several heat exchange elements distributed in the envelope.
  • the envelope may contain a single exchanger, but it will more frequently contain several exchangers, for example two or three. These exchangers can be of all types, for example liquid / liquid type exchangers. However, preferably, at least one of the exchangers is a liquid / gas exchanger comprising at least one bundle of circulation tubes for a heat-transfer fluid, a gas being admitted into the envelope and passing through the tubes.
  • the tube bundle (s) have a shape which adapts to the engine block.
  • they may have a curved shape.
  • the heat exchange module of the invention has several advantages. Its particular shape enveloping the engine block allows to reduce its size.
  • the exchangers are located in the immediate vicinity of the fluids to be cooled, for example the charge air or the engine exhaust gases. As a result, the length of the pipes is considerably reduced.
  • the fact that an exchanger can be split into two or more smaller elements allows increased ease of adaptation and allows it to be housed in a small available space.
  • At least one of the heat exchangers is a charge air cooler.
  • the envelope has an air inlet to admit a flow compressed air generated by an air compressor and an air outlet connected to an engine intake manifold.
  • one of the exchangers is a cooler for the engine exhaust gases.
  • the envelope has a gas outlet connected to an intake manifold of the motor vehicle engine.
  • Figure 1 is a side view of a motor vehicle engine provided with a heat exchange module according to the invention
  • Figure 2 is a sectional view along line II-II of the
  • Figure 1 Figure 3 is a perspective view of the motor and the heat exchange module of Figures 1 and 2; Figure 4 is a top view of the heat exchange module shown in Figures 1 to 3; Figure 5 is a perspective view of three heat exchange bundles intended to be housed in the casing of a module according to the present invention; and Figure 6 is a perspective view of another heat exchange bundle for a module according to the present invention.
  • FIGS. 1 to 4 represent an internal combustion engine, designated by the general reference 1, intended to be part of a motor vehicle.
  • engine 1 also called engine block
  • pipes 3 for admitting air into the chambers of the engine 5 and exhaust pipes 5 for the burnt gases.
  • the engine 1, which can be a diesel engine is supercharged by a turbocharger 7.
  • turbocharger 7 is supercharged by a turbocharger 7.
  • the invention also applies to a petrol engine.
  • the turbocharger 7 comprises a turbine driven by the exhaust gases which leave the turbocharger by an exhaust pipe 9 ( Figures 1 and 3).
  • the engine supercharging air is routed through a pipe 11, as shown diagrammatically by the arrow 13 in FIGS. 1 and 3.
  • the air is compressed in the turbocharger 7 and exits through a pipe 15, as shown diagrammatically by the arrow 17.
  • the heat exchange module of the invention overcomes the motor 1 by coming to cover it, as best seen in Figures 2 and 3.
  • the module 20 comprises a casing 21 made of an outer wall 22 and an inner wall 24 spaced from each other so as to define an interior volume 26 ( Figure 2).
  • the inner wall 24 has a U-shaped cross section, the opening of which faces downwards, to cover the top of the engine and to adapt as best as possible to the geometry of the latter.
  • the outer wall 22 also has a U-shaped cross section with opening facing downwards.
  • Heat exchange elements 28, 30 and 32 are housed in the interior volume 26 of the casing 21.
  • the heat exchange elements are of the liquid / gas type, but it could be also act of liquid / liquid elements, for example.
  • Elements 28 and 30 belong to a charge air cooler.
  • Each of these elements consists of a bundle of tubes 36 which are parallel to each other and regularly spaced (FIG. 2). These tubes extend in a direction substantially parallel to the axis of the motor 1, as defined by its motor shaft (not shown).
  • the tubes are advantageously provided with fins 37, in a known manner, in order to increase the surface area for heat exchange with the air. These fins extend perpendicular to the tubes, that is to say parallel to the section plane of FIG. 2.
  • the tube bundles 28 and 30 are crossed by the charge air, as shown schematically by the arrows 38 and 40.
  • the third heat exchange element 32 consists of an exchanger for cooling the recirculated gases.
  • 20 exchanger 32 has the function, in known manner, of cooling a fraction of the exhaust gases before they are mixed with the fresh gases admitted into the engine, so as to further decrease the combustion temperature of the engine and reduce the emissions of nitrogen oxide in the exhaust gas.
  • the heat exchange element 32 is also a liquid / gas type exchanger, the gas to be cooled being constituted by the exhaust gases which are admitted into the casing 21 by a manifold admission designated by reference 46 ( Figures 2 and 4).
  • the casing 21 is equipped with inlet and outlet pipes for the liquid or coolants of the heat exchange elements 28, 30 and 32 . It involves
  • a water inlet pipe for example the engine cooling water 48, and a water outlet pipe 50.
  • the water first circulates in the tubes of the heat exchange element 30, then runs through the tubes of the element 28 before returning to the cooling radiator through the pipe 50.
  • the cooling exchanger exhaust gas is supplied with water through a pipe 52. After passing through the tubes of the bundle of the heat exchange element 32, the hot water leaves the heat exchange module through an outlet pipe d water 54 ( Figures 1 and 4).
  • heat exchange elements 28, 30 and 32 comprise, conventionally, inlet and outlet manifolds which respectively distribute the cooling water in the tubes and collect this water after its passage in these.
  • the heat exchange elements can take very diverse forms dictated by the space requirements under the engine hood of the vehicle. They are not necessarily of rectangular section like the currently known exchangers.
  • FIG 5 there is shown schematically in perspective three heat exchange elements 60, 62, 64.
  • the elements 60 and 64 for example bundles of heat exchange tubes, have, as can be seen, a triangular section, the heat exchange element 62 having a rectangular section.
  • the gas to be cooled passes through these three elements, as shown by the arrow 66.
  • the elements 60 and 64 have respective fins 61 and 65 of triangular shape, while the element 62 has fins 63 of rectangular shape.
  • FIG. 6 shows another embodiment of heat exchange elements intended to be housed in an envelope such as the envelope 21 of a heat exchange module of the invention.
  • the heat exchange element 70 has a curved shape which makes it possible to adapt it to a curved shape of the engine, for example of the cylinder head.
  • the heat exchange element 72 has a parallelepiped shape.
  • the element 70 has fins 71 of curved shape, while the element 72 has fins 73 of rectangular shape.
  • the gas to be cooled passes through the heat exchange elements 70 and 72, as shown schematically by the arrows 74 and 76.

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Abstract

Le module d'échange de chaleur comprend au moins un échangeur de chaleur (28, 30, 32) pour un véhicule automobile. Il comporte une enveloppe (1) conformée pour s'adapter au bloc du moteur (21) du véhicule et au moins un échangeur (28, 30, 32) logé dans cette enveloppe. L'échangeur peut avantageusement être constitué de plusieurs éléments d'échange de chaleur répartis dans l'enveloppe (21).

Description

I
Module d'échange de chaleur conformé pour envelopper un moteur de véhicule automobile
L'invention concerne un module d'échange de chaleur comprenant au moins un échangeur de chaleur pour un véhicule automobile.
Les véhicules automobiles comportent de nombreux échangeurs qui sont utilisés pour refroidir et quelquefois pour réchauffer des fluides nécessaires à leur fonctionnement. Ainsi, les véhicules qui comportent un moteur suralimenté sont fréquemment équipés d'un refroidisseur d'air de suralimentation destiné à refroidir l'air préalablement à son admission dans le moteur.
Pour satisfaire aux normes de plus en plus contraignantes concernant les rejets d'émission dans l'atmosphère, les véhicules sont fréquemment équipés d'un dispositif de recirculation des gaz d'échappement grâce auquel une fraction de ces derniers est mélangée à l'air frais admis dans le moteur afin d'abaisser la température de combustion et de réduire le rejet d'oxyde d'azote dans les gaz d'échappement.
Les échangeurs de ce type présentent une forme prismatique qui leur confère un encombrement important et qui conduit à des difficultés d'implantation dans l'espace limité disponible sous le capot du moteur. En outre, ces radiateurs sont généralement refroidis à l'air, ce qui impose de les disposer à l'avant du véhicule. Par suite, des canalisations de grande longueur sont nécessaires pour les relier aux équipements du véhicule qui le refroidissent ou qui le réchauffent.
L'invention a précisément pour objet un module d'échange de chaleur qui remédie à ces inconvénients.
Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par le fait que le module d'échange de chaleur comprend une enveloppe conformée pour s'adapter au bloc moteur du véhicule, au moins un échangeur de chaleur étant logé dans cette enveloppe.
L'échangeur de chaleur peut être constitué de plusieurs éléments d'échange de chaleur répartis dans l'enveloppe.
L'enveloppe peut contenir un échangeur unique, mais elle contiendra plus fréquemment plusieurs échangeurs, par exemple deux ou trois. Ces échangeurs peuvent être de tous types, par exemple des échangeurs de type liquide/liquide. Toutefois, de préférence, l'un au moins des échangeurs est un échangeur liquide/gaz comprenant au moins un faisceau de tubes de circulation pour un fluide caloporteur, un gaz étant admis dans l'enveloppe et traversant les tubes.
Avantageusement, le ou les faisceaux de tubes présentent une forme qui s'adapte au bloc moteur. Par exemple, ils peuvent présenter une forme incurvée.
Le module d'échange de chaleur de l'invention présente plusieurs avantages. Sa forme particulière enveloppant le bloc moteur permet de diminuer son encombrement. En outre, les échangeurs sont situés à proximité immédiate des fluides à refroidir, par exemple l'air de suralimentation ou les gaz d'échappement du moteur. Par suite, la longueur des canalisations est considérablement diminuée. Par ailleurs, le fait qu'un échangeur peut être fractionné en deux ou plusieurs éléments de plus petite taille permet une facilité d'adaptation accrue et permet de le loger dans un espace disponible peu important.
Dans une application préférée de l'invention, l'un au moins des échangeurs de chaleur est un refroidisseur d'air de suralimentation.
L'enveloppe comporte une entrée d'air pour admettre un flux d'air compressé généré par un compresseur d'air et une sortie d'air reliée à une tubulure d'admission du moteur.
Avantageusement également, l'un des échangeurs est un refroidisseur des gaz d'échappement du moteur.
L'enveloppe comporte une sortie de gaz raccordée à une tubulure d'admission du moteur du véhicule automobile.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore a la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures :
la Figure 1 est une vue de côté d'un moteur de véhicule automobile muni d'un module d'échange de chaleur conforme a l'invention ; la Figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la
Figure 1 ; la Figure 3 est une vue en perspective du moteur et du module d'échange de chaleur des Figures 1 et 2 ; la Figure 4 est une vue de dessus du module d'échange de chaleur représenté sur les Figures 1 à 3 ; la Figure 5 est une vue en perspective de trois faisceaux d'échange de chaleur destinés à être logés dans l'enveloppe d'un module conforme à la présente invention ; et la Figure 6 est une vue en perspective d'un autre faisceau d'échange de chaleur destiné à un module conforme à la présente invention.
On se réfère d'abord conjointement aux Figures 1 à 4 qui représentent un moteur à combustion interne, désigné par la référence générale 1, destiné à faire partie d'un véhicule automobile. Comme on le voit plus particulièrement sur la Figure 2, le moteur 1 (encore appelé bloc moteur) est équipé de tubulures 3 d'admission de l'air dans les chambres du moteur 5 et de tubulures d'échappement 5 des gaz brûlés. Dans l'exemple représenté, le moteur 1, qui peut être un moteur diesel, est de suralimenté par un turbocompresseur 7. Toutefois, il va de soi que l'invention s'applique également à un moteur à essence.
De manière classique, le turbocompresseur 7 comporte une turbine entraînée par les gaz d'échappement qui quittent le turbocompresseur par une canalisation d'échappement 9 (Figures 1 et 3). L'air de suralimentation du moteur est acheminé par une tubulure 11, comme schématisé par la flèche 13 sur les Figures 1 et 3. L'air est comprimé dans le turbocompresseur 7 et ressort par une tubulure 15, comme schématisé par la flèche 17.
Le module d'échange de chaleur de l'invention, désigné par la référence générale 20, surmonte le moteur 1 en venant le coiffer, comme on le voit le mieux aux Figures 2 et 3. Le module 20 comporte une enveloppe 21 constituée d'une paroi extérieure 22 et d'une paroi intérieure 24 distantes l'une de l'autre de manière à définir un volume intérieur 26 (Figure 2). La paroi intérieure 24 présente une section transversale en forme de U, dont l'ouverture est tournée vers le bas, pour coiffer le sommet du moteur et s ' adapter au mieux à la géométrie de celui-ci. La paroi extérieure 22 présente aussi une section transversale en forme de U à ouverture tournée vers le bas.
Des éléments d'échange de chaleur 28, 30 et 32 sont logés dans le volume intérieur 26 de l'enveloppe 21. Dans l'exemple représenté, les éléments d'échange de chaleur sont de type liquide/gaz, mais il pourrait s'agir également d'éléments liquide/liquide, par exemple. Les éléments 28 et 30 appartiennent à un refroidisseur d'air de suralimentation. Chacun de ces éléments est constitué d'un faisceau de tubes 36 parallèles entre eux et régulièrement espacés (Figure 2). Ces tubes s'étendent dans une direction sensiblement parallèle à l'axe du moteur 1, comme défini par son arbre moteur (non représenté). Les tubes sont avantageusement munis d'ailettes 37, de manière connue, afin d'augmenter la surface d'échange de 5 chaleur avec l'air. Ces ailettes s'étendent perpendiculairement aux tubes, c'est à dire parallèlement au plan de coupe de la Figure 2. Les faisceaux de tubes 28 et 30 sont traversés par l'air de suralimentation, comme schématisé par les flèches 38 et 40. Une circulation forcée de l'air d'admission du moteur
10 est établie par le turbocompresseur, dont la conduite de refoulement 15 est raccordée à une entrée d'air prévue dans l'enveloppe 21 du module d'échange de .chaleur pour alimenter un compartiment d'entrée 41, situé du côté droit de la Figure 2. Après avoir traversé les faisceaux 28 et 30, l'air de
15 suralimentation refroidi pénètre dans les tubulures d'admission 3, comme schématisé par la flèche 44.
Le troisième élément d'échange de chaleur 32 est constitué par un échangeur de refroidissement des gaz recirculés. Un tel
20 échangeur 32 a pour fonction, de manière connue, de refroidir une fraction des gaz d'échappement avant leur mélange avec les gaz frais admis dans le moteur, de manière à diminuer encore davantage la température de combustion du moteur et à réduire les émissions d'oxyde d'azote dans les gaz d'échappement. Dans
25 l'exemple représenté, l'élément d'échange de chaleur 32 est également un échangeur de type liquide/gaz, le gaz à refroidir étant constitué par les gaz d'échappement qui sont admis dans l'enveloppe 21 par une tubulure d'admission désignée par la référence 46 (Figures 2 et 4).
30
Comme on peut le voir plus particulièrement sur les Figures 1, 3 et 4, l'enveloppe 21 est équipée de tubulures d'admission et de sortie pour le liquide ou les liquides de refroidissement des éléments d'échange de chaleur 28, 30 et 32. Elle comporte
35. une tubulure d'admission d'eau, par exemple l'eau de refroidissement du moteur 48, et une tubulure de sortie d'eau 50. L'eau circule d'abord dans les tubes de l'élément d'échange de chaleur 30, puis parcourt les tubes de l'élément 28 avant de retourner vers le radiateur de refroidissement par la tubulure 50. L' échangeur de refroidissement des gaz d'échappement est alimenté en eau par une tubulure 52. Après avoir traversé les tubes du faisceau de l'élément d'échange de chaleur 32, l'eau chaude quitte le module d'échange de chaleur par une tubulure de sortie d'eau 54 (Figures 1 et 4).
Bien entendu, les éléments d'échange de chaleur 28, 30 et 32 comportent, de manière classique, des boîtes collectrices d'entrée et de sortie qui permettent respectivement de répartir l'eau de refroidissement dans les tubes et de collecter cette eau après son passage dans ces derniers.
Les éléments d'échange de chaleur peuvent prendre des formes très diverses dictées par les conditions d'encombrement sous le capot moteur du véhicule. Ils ne sont pas nécessairement de section parallélépipédique comme les échangeurs actuellement connus.
Sur la Figure 5, on a représenté schématiquement en perspective trois éléments d'échange de chaleur 60, 62, 64. Les éléments 60 et 64, par exemple des faisceaux de tubes d'échange de chaleur, présentent, comme on peut le constater, une section triangulaire, l'élément d'échange de chaleur 62 ayant une section rectangulaire. Le gaz à refroidir traverse ces trois éléments, comme schématisé par la flèche 66. Les éléments 60 et 64 ont des ailettes respectives 61 et 65 de forme triangulaire, tandis que l'élément 62 a des ailettes 63 de forme rectangulaire .
On a représenté sur la Figure 6 un autre mode de réalisation d'éléments d'échange de chaleur destinés à être logés dans une enveloppe telle que l'enveloppe 21 d'un module d'échange de chaleur de l'invention. L'élément d'échange de chaleur 70 présente une forme incurvée qui permet de l'adapter à une forme courbe du moteur, par exemple de la culasse. L'élément d'échange de chaleur 72 présente une forme parallélépipédique. L'élément 70 possède des ailettes 71 de forme incurvée, tandis que l'élément 72 possède des ailettes 73 de forme rectangulaire. Le gaz à refroidir traverse les éléments d'échange de chaleur 70 et 72, comme schématisé par les flèches 74 et 76.
Bien entendu, les Figures 5 et 6 ne constituent que des exemples non limitatifs et les s éléments d'échange de chaleur pourraient prendre toute autre forme appropriée sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

Revendications
1. Module d'échange de chaleur comprenant . au moins un échangeur de chaleur pour un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe (21) conformée pour s'adapter au bloc moteur (1) du véhicule automobile et au moins un échangeur (28, 30, 32) logé dans cette enveloppe (21).
2. Module d'échange de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l' échangeur est constitué de plusieurs éléments d'échange de chaleur (28, 30, 32) répartis dans l'enveloppe (21).
3. Module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'un au moins des échangeurs est un échangeur liquide/gaz comprenant au moins un faisceau de tubes (36) de circulation pour un fluide caloporteur, un gaz étant admis dans l'enveloppe (21) et traversant les tubes (36).
4. Module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'un au moins des éléments d'échange de chaleur (28, 30, 32) présente une forme qui s'adapte au bloc moteur.
5. Module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'un des échangeurs (28, 30) est un refroidisseur d'air de suralimentation.
6. Module d'échange de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enveloppe (21) comprend une entrée d'air pour admettre un flux d'air compressé (17) généré par un compresseur d'air (7) et une sortie d'air reliée à une tubulure d'admission (3) du moteur.
7. Module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'un des échangeurs est un refroidisseur (32) des gaz d'échappement du moteur.
8. Module d'échange de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'enveloppe comporte une sortie de gaz d'échappement raccordée à une tubulure d'admission (3) du moteur (1) du véhicule.
9. Module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'un au moins des éléments d'échange de chaleur présente une forme triangulaire.
10. Module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'un au moins des éléments d'échange de chaleur présente une forme incurvée.
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FR0206854A FR2840363B1 (fr) 2002-06-04 2002-06-04 Module d'echange de chaleur conforme pour envelopper un moteur de vehicule automobile

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