Domaine technique de l’invention

La présente invention concerne un moteur à combustion interne équipé d’un système de dépollution des gaz d’échappement.

La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de chauffage du système de dépollution du moteur à combustion interne associé.

Etat de la technique

Afin de réduire les émissions de polluants dans l’atmosphère, un véhicule automobile comporte un dispositif de dépollution disposé en aval d’un moteur thermique selon le sens de circulation des gaz d’échappement. Ledit véhicule comporte ainsi un moteur à combustion interne ou thermique associé avec un moteur électrique avec une batterie.

Le moteur thermique peut aussi être associé à un moteur électrique pour des véhicules automobiles dits hybrides et sollicité ensuite en fonction de la charge de la batterie du moteur électrique. Le moteur électrique est généralement employé dans une phase de roulage qui suit le démarrage du véhicule.

Le moteur thermique est équipe d’un système de dépollution qui peut varier selon la motorisation mais, dans tous les cas, le système de dépollution comprend au moins un élément de dépollution.

De manière connue, le moteur à combustion interne comporte un circuit d’échappement de gaz brûlés connecté à une sortie d’échappement dudit moteur. Pour réduire les rejets de polluants à l’extérieur du véhicule, ledit moteur à combustion interne est connecté à des systèmes de dépollution disposés dans la ligne d’échappement du moteur. Ces systèmes comprennent un catalyseur ou un filtre à particules. On appelle ligne d’échappement d’un moteur tout le circuit des gaz brûlés issus du moteur depuis des soupapes d’échappement.

Pour réduire des rejets de polluants générés par la combustion, il est connu de ramener des gaz brûlés de la ligne d’échappement c’est-à-dire en aval de la combustion dans les cylindres, vers les conduits d’admission. On a ainsi différents types de gaz brûlés recirculés :

-des gaz recirculés haute pression prélevés depuis le circuit d’échappement en amont selon le sens d’écoulement des gaz de dispositifs de dépollution comme par exemple un catalyseur ou piège à oxyde d’azote (Nox). De manière générale, les gaz brûlés recirculés haute pression sont prélevés directement depuis un collecteur d’échappement fixé à une face d’échappement de la culasse, du côté latéral opposé à la face d’admission. Les gaz recirculés haute pression sont envoyés ensuite vers les conduits d’admission ou dans le répartiteur d’admission.

-des gaz brûlés recirculés basse pression prélevés dans le circuit d’échappement et de manière connue après un dispositif de dépollution. Lesdits gaz recirculés basse pression sont renvoyés de manière connue dans le circuit d’admission en amont du compresseur. Ils sont alors mélangés avec l’air frais capté en face avant du véhicule. Les gaz brûlés recirculés basse pression doivent être refroidis avant le mélange avec l’air frais notamment avant d’atteindre une vanne dite vanne EGR apte à contrôler le débit de gaz brûlés dans le mélange avec l’air frais. La ligne d’échappement peut donc comprendre un refroidisseur des gaz brûlés disposé dans un circuit de recirculation en aval des dispositifs de dépollution. Le refroidisseur est généralement formé par un échangeur de chaleur eau/gaz au travers duquel les gaz ici brûlés cèdent une partie de leur chaleur à un liquide de refroidissement à base d’eau.

Il est connu de disposer un tel échangeur dans une branche de recirculation de gaz brûlés connectée à la ligne d’échappement par un raccord de déviation généralement en T.

La publication FR2930296-A1 propose ainsi un échangeur disposé dans une boucle de recirculation de gaz brûlés en aval d’un système de dépollution de moteur à combustion interne. L’encombrement de l’ensemble peut être très important et va à l’encontre de la tendance de la réduction du volume du compartiment moteur du véhicule dans lequel sont mis en place le moteur avec tous les systèmes nécessaires au fonctionnement du moteur ainsi que les systèmes de dépollution dont fait partie l’échangeur de chaleur de gaz brûlés basse pression.

De plus , la recirculation des gaz brûlés basse pression vers l’admission est ralentie par le passage au travers de l’échangeur. Il est connu de disposer alors en aval de l’échangeur une pompe de circulation des gaz, laquelle pompe peut être volumineuse et susceptible de procurer un débit plus que nécessaire.

La publication FR FR2981983-A1 propose une recirculation des gaz brûlés piqués en aval de l’élément de dépollution pour être ramenés en amont dudit élément de dépollution pour améliorer la montée en température des gaz en amont de l’élément de dépollution.

Cette proposition permet d’accélérer la montée en température des gaz brûlés en amont de l’élément de dépollution mais présente une efficacité réduite lors des phases de démarrage du moteur car la température des gaz n’est pas suffisamment forte, la pollution reste sensiblement importante lors des phases de démarrage du moteur.

Le but de l’invention est de remédier à ces problèmes et un des objets de l’invention est un dispositif d’échange de chaleur disposé dans un circuit de recirculation des gaz brûlés de moteur thermique pour améliorer le débit des gaz de recirculation avec une optimisation de l’encombrement de l’ensemble de éléments du groupe motopropulseur.

Présentation de l’invention

La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif d’échange de chaleur pour gaz brûlés d’un moteur thermique d’un véhicule automobile disposé dans un circuit de recirculation de gaz brûlés notamment basse pression,

Caractérisé en ce que le dispositif comprend un carter enveloppant un échangeur de chaleur et un moyen de brassage des gaz. De manière avantageuse, le dispositif d’échange de chaleur comprend un carter enveloppant un échangeur de chaleur et un moyen de brassage des gaz pour améliorer la circulation des gaz refroidis au passage du dispositif tout en optimisant l’encombrement de l’ensemble.

Selon d’autres caractéristiques de l’invention :

-le moyen de brassage comporte des pales aptes à engendrer un mouvement tourbillonnaire des gaz.

De manière avantageuse, le moyen de brassage permet un mélange des gaz refroidis suite à leur passage au travers de l’échangeur.

-les pales sont mobiles en rotation autour d’un axe longitudinal du carter.

De manière avantageuse, les pales sont mobiles en rotation autour d’un axe pour accélérer la circulation des gaz.

-les pales sont actionnées par un moteur électrique s’étendant selon l’axe longitudinal.

De manière avantageuse, le brassage des gaz est réalisé grâce aux pales tournant autour de l’axe longitudinal grâce à un moteur électrique qui s’étend selon ledit axe afin de minimiser l’encombrement de l’ensemble.

-l’échangeur entoure le moteur.

De manière avantageuse, l’échangeur entoure le moteur et diffuse les gaz sur la partie périphérique des pales pour obtenir une homogénéité des vitesses des gaz en aval relativement importantes.

De cette manière, on obtient un moindre effet impactant de la disposition du moteur, notamment en pertes de charges.

-le moteur est refroidi par l’échangeur.

De manière avantageuse, le moteur est directement refroidi par l’échangeur qui l’entoure, ce qui permet d’évacuer les calories générées par le fonctionnement du moteur de façon simple.

-l’échangeur est de forme annulaire.

De manière avantageuse, la forme annulaire de l’échangeur permet une homogénéité des écoulements des gaz en aval de l’échangeur.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels : [Fig. 1] est une vue schématique d’un dispositif d’échange de chaleur d’une branche de recirculation de gaz brûlés d’un moteur thermique.

[Fig. 2] est une vue schématique d’un dispositif d’échange de chaleur d’une branche de recirculation de gaz brûlés de moteur thermique selon l’invention.

[Fig. 3] est une schématique de coupe longitudinale du dispositif d’échange de chaleur.

Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires.

Dans la description et les revendications, on utilisera à titre non limitatif les expressions «amont» et «aval» qui sont déterminées par le sens d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement du dispositif de dépollution et du circuit de recirculation des gaz brûlés recirculés ou EGR acronyme pour « Exhaust Gaz Recirculation » en anglais, en référence aux flèches de la figure 1 qui représente une ligne d’échappement de moteur thermique comportant une branche de recirculation des gaz brûlés.

L’invention concerne un véhicule automobile avec une motorisation thermique comprenant un circuit de recirculation des gaz brûlés basse pression.

Afin d’améliorer les performances du moteur thermique ou à combustion interne, le moteur thermique (non représenté) comprend un étage de compression 51 d’air d’admission qui peut être associé avec un étage de turbine 52 apte à récupérer au moins en partie l’énergie dynamique des gaz brûlés en sortie d’une chambre à combustion du moteur. Les deux étages forment un turbocompresseur 50.

Afin de diminuer la génération des polluants, le moteur thermique comporte un circuit de recirculation 20 des gaz brûlés. Selon l’invention, les gaz brûlés dans le mode de réalisation représenté sont des gaz brûlés basse pression c’est-à-dire que lesdits gaz brûlés sont prélevés dans la ligne d’échappement 30 en aval d’un élément de dépollution tel qu’un catalyseur 31 dit de réduction catalytique sélective, aussi connu sous le sigle SCR pour "Sélective Catalytic Réduction" en terminologie anglaise, qui est conçu pour éliminer les oxydes d'azotes, ou un filtre à particules pour éliminer les particules de suie, ou un catalyseur d'oxydation aussi connu sous le sigle DOC pour "Diesel Oxydation Catalyst" en terminologie anglaise, pour éliminer le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés. Les gaz brûlés sont ensuite renvoyés vers l’admission du moteur en suivant le circuit de recirculation 20 pour être mélangés avec de l’air frais capté depuis la face avant du véhicule.

De manière connue, les gaz brûlés sont refroidis au passage au travers d’un échangeur de chaleur 12 de type gaz-liquide de refroidissement disposé dans le circuit de recirculation 20 des gaz brûlés EGR. Les gaz déposent une partie de leur chaleur avant leur réadmission dans le moteur, mélangés avec de l’air dit frais. La densité des gaz étant alors supérieure permet une meilleure efficacité du moteur thermique.

Cependant, en traversant ledit échangeur 12, la vitesse des gaz est sensiblement réduite et peut entraîner un mélange moins constant avec l’air frais. Ici, les gaz brûlés sont renvoyés en amont 53 de l’étage de compression 51 .

L’invention a pour but de proposer un dispositif d’échange 10 de chaleur pour lesdits gaz brûlés EGR basse pression en réduisant voire en supprimant l’impact cité ci-dessus du passage des gaz au travers de l’échangeur.

Selon la figure 1 , ledit dispositif d’échange de chaleur 10 est disposé dans une branche 21 du circuit de recirculation 20 des gaz brûlés EGR.

De manière préférentielle, la branche 21 de recirculation est sensiblement tubulaire et connectée à une première extrémité à un conduit d’échappement 32 de la ligne d’échappement 30 entre l’élément de dépollution 31 et par exemple un pot catalytique 33, et à l’extrémité opposée à une portion du circuit d’admission 53 en amont par exemple de l’étage de compression 51 du turbocompresseur 50. Le pot catalytique 33 forme un obstacle pouvant générer des pertes de charges importantes à la circulation de gaz brûlés qui sont alors partiellement dirigés vers la branche 21 de recirculation.

De manière préférentielle, la branche 21 comprend un filtre à impuretés 22 qui peut être agencé à son extrémité amont selon le sens de circulation des gaz. Le sens de circulation des gaz est marqué par des flèches dans la figure 2.

Une vanne dite vanne EGR 25 est apte à contrôler le débit des gaz recirculés vers le circuit d’admission 53 du moteur. La vanne EGR 25 est disposée en aval du dispositif d’échange 10.

Selon un mode de réalisation de l’invention représenté en figure 2, le dispositif d’échange de chaleur 10 des gaz brûlés agencé dans la branche 21 de recirculation comporte un carter 11 sensiblement cylindrique, un échangeur de chaleur 12 et un moyen de brassage des gaz brûlés 14. Le carter 11 enveloppe l’échangeur 12 et le moyen de brassage 14.

Selon un mode de réalisation, le filtre à impuretés 22 peut être partie du dispositif 10 d’échange. Il peut par exemple être agencé à l’entrée 11a dans le carter 11 comme représenté en figure 3. Ce mode de réalisation permet de réduire le nombre de pièces à assembler dans la branche 21 de recirculation.

L’échangeur de chaleur 12 est de type air/eau ici gaz / liquide de refroidissement, le liquide de refroidissement est à base d’eau. L’échangeur de chaleur 12 est de forme annulaire selon un axe longitudinal X entourant une capsule tubulaire 13.

Dans un mode de réalisation préféré, ledit échangeur 12 comprend des canaux 15 de gaz tubulaires qui s’étendent parallèlement à l’axe longitudinal X. Les gaz sont acheminés dans ces canaux d’amont en aval de l’échangeur 12 parallèlement à l’axe longitudinal X.

Les canaux de gaz 15 sont logés dans une chambre annulaire 16 enveloppée ou délimitée par le carter 11 . Ladite chambre 16 est traversée par du liquide de refroidissement depuis une jonction amont 16 _am jusqu’à une jonction aval 16 _a . Les jonctions amont 16 _am et aval 16 _av sont connectées à un circuit de refroidissement du moteur par exemple. Un moteur 17 de préférence électrique, qui s’étend selon l’axe longitudinal X, est inséré dans la capsule 13. Le moteur comprend un axe d’actionnement 17a qui tient des pales ou hélices 18 s’étendant radialement. De manière préférentielle, les extrémités périphériques des hélices 18 sont proches de la paroi intérieure du carter 11 au jeu de fonctionnement près.

Les pales sont aptes à engendrer un mouvement tourbillonnaire des gaz en aval du dispositif d’échange 10 pour permettre une homogénéité des gaz.

De manière préférentielle, la paroi du moteur 17 est sensiblement complémentaire avec la paroi de la capsule 13 au jeu de montage près. La paroi de la capsule 13 peut présenter une forme sensiblement conique ou hémisphérique 13a à une extrémité amont tournée vers l’entrée 11 a des gaz dans le carter 11 , formant un déflecteur pour diriger les gaz vers les canaux 15, afin de diminuer les pertes de charges.

De manière préférentielle, la capsule tubulaire 13 est en contact avec le liquide de refroidissement. Ainsi la chaleur des gaz n’impacte sur la température du moteur du moteur 17 et sur son fonctionnement. La chaleur peut être évacuée simplement par le liquide de refroidissement et la température du moteur est maintenue en dessous d’un seuil de température non susceptible de provoquer des défaillances dudit moteur. Le moteur est ainsi refroidi par l’échangeur de chaleur, évitant des risques de surchauffes locales.

Les canaux 15 débouchent par leur extrémité aval dans une partie périphérique des pales 18. Les gaz brûlés sont réaccélérés par le mouvement des pales et prennent alors une vitesse sensiblement homogène dans la suite de leur parcours jusqu’au circuit d’admission.

De manière préférentielle, les pales 18 sont activées lors de l’ouverture de la vanne EGR. Lorsque la vanne EGR est ouverte, les gaz brûlés sont dirigés vers le circuit d’admission 53. L’activation du moyen de brassage 14 leur permet de franchir les différents obstacles du parcours. Le moyen de brassage est peu gourmand en énergie et suffit pour améliorer la circulation des gaz brûlés. Ainsi les gaz brûlés recirculés après leur passage au travers de l’échangeur peuvent être poussés vers le circuit d’admission 53 pour améliorer le mélange avec l’air frais. La commande d’ouverture de la vanne EGR entraîne donc également l’activation du moyen de brassage.

La circulation des gaz recirculés EGR suit un procédé qui pilote l’ouverture de la vanne EGR avec le déclenchement du moteur du moyen de brassage 14, ainsi que la fermeture de la vanne EGR avec l’arrêt du moteur du moyen de brassage de façon sensiblement synchrone.

L’objectif est atteint :

Le dispositif d’échange permet un échange de chaleur des gaz brûlés avec un liquide de refroidissement avec une réaccélération des gaz brûlés en aval dudit dispositif.

Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cette prise, décrites ci-dessus à titre d'exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes. L’échangeur peut être de type différent par exemple comprenant un conduit d’eau hélicoïdal plongé dans une chambre de passage des gaz.