La présente invention se rapporte à un module échangeur de chaleur pour un système de recyclage des gaz d'échappement, qui peut en particulier s'appliquer aux systèmes de recyclage des gaz d'échappement du moteur d'un véhicule vers l'admission. Les autres applications de ce module échangeur peuvent être le réchauffement de l'air d'admission ainsi que la réfrigération des gaz d'échappement qui sont conduits vers le pot catalytique pour les moteurs à essence.

Il existe un usage bien établi dans le domaine automobile qui consiste à fournir un système de recyclage des gaz d'échappement d'un moteur Diesel, connu sous la dénomination EGR ou "Exhaust Gas Recycling", de façon à mélanger ces gaz à l'air d'admission, étant donné que la présence des gaz d'échappement dans ledit mélange diminue la production de NOx.

Avant d'être mélangés à l'air d'admission, les gaz d'échappement sont refroidis dans un échangeur de chaleur (EGRC ou "Exhaust Gas Recycling Cooler") monté sur la boucle du système EGR, de façon à améliorer l'efficacité du système.

À l'intérieur de la boucle, il y a en outre une soupape (soupape EGR) qui contrôle le passage du gaz d'échappement dans l'échangeur.

L'échangeur de chaleur proprement dit peut avoir différentes configurations: par exemple, il peut se composer d'un flasque tubulaire à l'intérieur duquel est disposée une série de tubes parallèles dans lesquels circulent les gaz, le réfrigérant se répandant dans le flasque, à l'extérieur des tubes; dans une autre application, l'échangeur est composé d'une série panneaux parallèles qui constituent les surfaces d'échange calorifique, afin que les gaz d'échappement et le réfrigérant circulent entre deux panneaux, en couches alternées (voir par exemple DE-A-914450).

Dans tous les cas, les systèmes actuels EGR qui sont refroidis présentent un inconvénient car les gaz d'échappement circulent via l'échangeur quel que soit le mode de fonctionnement du moteur à partir du moment où la soupape EGR s'ouvre: les gaz sont refroidis pour autant que le moteur fonctionne en régime stable et que leur température est élevée, comme au cours d'un démarrage à froid, lorsque la température des gaz est nettement inférieure.

Cette opération de refroidissement des gaz lorsque leur température n'est pas élevée représente un inconvénient d'un point de vue écologique étant donné qu'elle augmente le niveau d'émissions de CO et d'hydrocarbures, assortie de surcroît d'une nuisance sonore.

Le but de la présente invention est d'apporter une solution aux inconvénients mentionnés ci-dessus, en développant un module échangeur de chaleur, conçu spécifiquement pour un système de recyclage des gaz d'échappement permettant de maintenir un niveau minimal d'émission de gaz polluants dans les gaz d'échappement, quel que soit l'état de fonctionnement du moteur.

Le module d'échange de chaleur de cette invention est du type échangeur de chaleur équipé de circuits permettant le débit des gaz d'échappement, celui-ci comprenant parmi ces moyens les conduits réservés au débit des gaz avec échange de chaleur avec un fluide de refroidissement; sa particularité réside dans le fait que les circuits servant au débit des gaz d'échappement comprennent au moins un conduit de by-pass, intégré à l'échangeur, qui convient à la circulation des gaz d'échappement sans que ceux-ci ne subissent un réel refroidissement.

Le conduit de dérivation, qui peut simplement être appelé "by-pass", permet d'éviter le refroidissement des gaz d'échappement selon les différents modes de fonctionnement du moteur, par exemple en cas de démarrage à froid, pour lequel sa température n'est pas élevée et son refroidissement serait dangereux à cause de l'émission de gaz polluants qu'elle engendrerait.

L'intégration du by-pass à l'intérieur de l'échangeur est très avantageuse, puisqu'elle permet de réduire l'espace nécessaire à cet ensemble; cet élément est très important pour les véhicules dont l'espace disponible est toujours limité.

Parmi une application choisie de cette invention, le module échangeur comprend en outre des circuits pour sélectionner le parcours des gaz d'échappement, permettant ainsi à ces moyens de sélection de laisser les gaz circuler par les conduits destinés à leur débit avec échange de chaleur ou bien par le conduit de by-pass sans qu'il y ait de réel refroidissement.

Ces moyens de sélection du parcours des gaz d'échappement sont de préférence équipés d'un détecteur de température de ces gaz; il est ainsi possible de garantir que, quel que soit le mode de fonctionnement du moteur, les gaz seront menés vers le conduit le plus approprié, maintenant à un seuil minimum l'émission de gaz polluants.

Dans une application plus avantageuse, les moyens de sélection du parcours des gaz d'échappement sont incorporés au moins pour partie dans le module échangeur de chaleur. Cette particularité permet au dispositif d'être compact et simple à monter.

Conformément à une application, les circuits de sélection de parcours des gaz d'échappement comprennent une soupape à trois voies; cette soupape peut être placée à l'entrée de l'échangeur, mais elle peut indifféremment se situer en sortie de l'échangeur.

Même s'il est possible de monter cette soupape en sortie de l'échangeur pour des raisons liées à la fabrication, l'écart de pressions assure la transmission des gaz vers les conduits appropriés, en fonction de la position de la soupape.

Conformément à une application de remplacement de cette soupape à trois voies, les moyens de sélection du parcours des gaz d'échappement comprennent une soupape à deux positions qui est associée au conduit de by-pass cité plus haut, qui ouvre ou ferme le conduit au moment du passage des gaz d'échappement.

Cette soupape permet d'orienter les gaz d'échappement vers les conduits avec échange de chaleur ou vers le by-pass, en fonction de la nature de ces gaz, de manière simple et sans compliquer la structure de l'échangeur.

Dans une variante de l'application, cette soupape est montée à la sortie dudit by-pass. Lorsque la soupape ferme la sortie de ce conduit, les gaz doivent obligatoirement passer par les tubes de l'échangeur, tandis que quand la soupape laisse le passage par le by-pass ouvert, les gaz prennent de préférence ce chemin, parce qu'ils perdent moins de charge; il est possible d'installer indifféremment la soupape à l'entrée du by-pass.

Conformément à une application choisie de cette invention, la soupape associée au by-pass est à entraînement linéaire, étant donné que ce mode permet d'assurer une étanchéité de l'ensemble plus aisée; dans ce cas, il est possible de choisir entre une soupape à siège plan, une soupape à pointeau, un robinet-vanne ou une soupape à piston.

La soupape peut indifféremment être à commande rotative, et il conviendra d'effectuer un choix entre une vanne papillon, un clapet à bille ou une soupape rotative.

La commande de la soupape thermostatique est plus avantageuse; son ouverture et sa fermeture sont directement commandées par la température du liquide de réfrigération.

La commande thermostatique supprime toute commande externe, ce qui permet d'éviter tout problème d'étanchéité ainsi que la nécessité d'exercer un contrôle externe.

Conformément à une démarche de fabrication particulièrement pratique, l'échangeur présente la structure générale d'un échangeur équipé d'un faisceau de tubes parallèles dans lesquels circulent les gaz d'échappement, le by-pass étant composé d'un seul tube, de section à peu près équivalente à la section totale de ce faisceau de tubes; on installera de préférence ce tube sur l'axe longitudinal de l'échangeur.

Cette solution simplifie la fabrication de l'échangeur de chaleur, étant donné qu'il peut être fabriqué sur une ligne traditionnelle avec seulement quelques légères modifications.

Cette invention concerne également tout échangeur de chaleur, en particulier pour un système de recyclage des gaz d'échappement, qui comporte des circuits servant au débit des gaz d'échappement, y compris les circuits mentionnés ci-dessus qui servent au débit des gaz avec échange calorifique avec un fluide de refroidissement, et qui se distingue par le fait que les circuits servant au débit des gaz d'échappement comprennent en outre au moins un by-pass, incorporé dans l'échangeur, adapté à la circulation des gaz d'échappement sans que ceux-ci ne subissent un réel refroidissement.

En outre, l'échangeur se compose de préférence de moyens de sélection du parcours des gaz d'échappement, permettant ainsi à ces moyens de sélection de permettre la circulation des gaz via les conduits destinés à leur débit avec échange de chaleur ou via le conduit de by-pass sans qu'il y ait de réel refroidissement.

Afin de permettre une meilleure compréhension de ce qui a été exposé auparavant, des plans sont joints à la présente, lesquels présentent de façon schématique et seulement à titre d'exemple non exhaustif, un cas pratique de l'application.

Sur ces plans,

• la figure 1 représente schématiquement un module échangeur de chaleur conforme à la présente invention, en position de fonctionnement;
• la figure 2 représente le module de la figure 1 dans une autre condition de fonctionnement;
• la figure 3 est une vue en coupe de l'échangeur de chaleur;
• les figures 4 et 5 sont des vues en coupe longitudinale d'un échangeur conformément à une application de la présente invention, dans lequel est montée une soupape à siège plan, respectivement en position fermée et ouverte; enfin
• les figures 6 et 7 sont des vues semblables aux figures 4 et 5, pour un échangeur muni d'une vanne papillon.

Comme le montrent les figures, un module EGRC conformément à l'invention comporte un échangeur de chaleur 1, composé principalement d'un flasque 10 muni d'un faisceau de tubes 11 présentant en outre à l'intérieur un conduit de dérivation ou by-pass 12, de diamètre supérieur à chacun des tubes 11 composant le faisceau et qui est indépendant de ceux-ci.

En entrée de l'échangeur 1 se trouve la soupape 2, à trois voies, par laquelle entrent les gaz d'échappement par une ligne indiquée par la flèche A, et à travers laquelle ils sont conduits, selon la position de la soupape, vers le faisceau de tubes 11 via la ligne indiquée par la flèche B, comme le montre la figure 1, ou vers le by-pass 12 via la ligne indiquée par la flèche C, comme le montre la figure 2.

Dans les deux cas, les gaz sortent par l'autre extrémité de l'échangeur, par une ligne D qui les conduit vers l'admission aux cylindres.

Comme le montre la figure 3, qui représente plus en détail l'échangeur 1, les tubes 11 convergent aux extrémités du flasque dans deux collecteurs annulaires, un collecteur d'entrée 13 et un collecteur de sortie 14, qui sont disposés autour du by-pass 12. Les gaz d'échappement provenant des cylindres du moteur passent, par la soupape représentée en figure 1, de la soupape 2 vers les tubes 11, à travers le collecteur d'entrée 13, alors qu'en figure 2 les gaz passent de la soupape 2 au conduit 12.

Un fluide de refroidissement circule à l'intérieur du flasque 10, mais à l'extérieur des tubes 11 et du by-pass 12, entre l'entrée de fluide 15 et une sortie de fluide 16.

Bien que cela ne soit pas représenté, le module EGRC décrit comprend également des circuits permettant de détecter la température des gaz en sortie de cylindres, ainsi que des moyens de contrôle de la soupape 2.

Le fonctionnement du module décrit est simple: pendant le fonctionnement normal du moteur, la soupape 2 reste dans la position de la figure 1, et les gaz d'échappement sont refroidis dans l'échangeur, de manière traditionnelle, étant donné qu'ils circulent dans le faisceau de tubes 11.

Cependant, lorsque la température des gaz d'échappement est basse, par exemple dans le cas d'un démarrage à froid ou en faible charge ou lorsque le moteur est en bas régime, il n'est pas opportun de les refroidir plus, puisque cela provoquerait une augmentation des émissions de CO et des hydrocarbures; les moyens de contrôle changent alors l'état de la soupape pour celui de la figure 2, de telle façon que la plupart des gaz d'échappement traversent l'échangeur 1 via le by-pass 12: à cause du diamètre relativement important de ce conduit, l'échange calorifique entre le débit des gaz et le fluide de refroidissement se trouve ainsi réduit, et les gaz ne sont pas refroidis lors de leur passage dans l'échangeur.

Pour une utilisation sur les véhicules de tourisme, le débit de gaz recyclé par l'échangeur est habituellement compris entre 5 g/s et 15 g/s, pour une section d'écoulement avec un échange calorifique compris environ entre 500 mm² et 1000 mm², cette section se composant d'un grand nombre de tubes d'un diamètre hydraulique compris entre 5 mm et 12 mm, à l'intérieur d'un flasque dont le diamètre intérieur est d'environ 43 mm à 52 mm.

Dans ce cas, le diamètre hydraulique du by-pass tubulaire peut être compris entre 10 mm et 40 mm environ.

Les valeurs caractéristiques des températures des gaz circulant dans un échangeur traditionnel, lorsque le moteur a un régime normal, sont de 300°C à l'entrée et de 150°C à la sortie; en cas de démarrage à froid, les gaz à l'entrée de l'échangeur sont compris entre 100 et 150°C et l'échangeur les refroidit à 50°C. Avec cette invention, grâce au by-pass les gaz en sortie de l'échangeur ont pratiquement la même température qu'à l'entrée.

Il est possible d'installer la soupape 2 soit à l'entrée de l'échangeur, tel que présenté, soit en sortie; dans ce cas, la différence de pression entre l'entrée et la sortie fait passer les gaz d'échappement par le faisceau de tubes ou par le by-pass en fonction de l'emplacement de la soupape.

La technique de modélisation appliquée à la soupape peut revêtir n'importe quelle forme convenant à la conception de l'échangeur et de son by-pass; il est possible de l'intégrer dans un module unique en liaison avec l'échangeur, ou bien de le disposer en tant que composant externe.

En référence aux 4 à 7, on définira ensuite un module échangeur pour des applications différentes des moyens de sélection du parcours des gaz.

Sur la figure 4 on peut considérer un échangeur muni d'un collecteur d'entrée 13, un flasque 10 avec un faisceau de tubes 11 d'échange calorifique, un conduit de dérivation ou by-pass 12, ainsi qu'un collecteur de sortie 14.

Dans ce cas il passe d'un module muni d'une seule soupape à trois voies, qui a pour double fonction de contrôler le débit du gaz via l'EGR et d'ouvrir ou de fermer son accès grâce au by-pass de l'échangeur, à un module d'échangeur muni d'une soupape EGR traditionnelle, située à l'extérieur de l'échangeur (non représentée sur les figures), et d'une seconde soupape associée au conduit de dérivation, cette dernière étant une vanne TOR, intégrée à l'échangeur.

C'est pourquoi, conformément à l'application représentée sur les figures 4 et 5, une soupape 20 est associée au conduit de dérivation 12 - dans le cas présent il s'agit d'une soupape à siège plan - située sur le collecteur de sortie 14.

L'entraînement de la soupape 20 (entraînement linéaire) s'effectue via un axe 21, et le collecteur de sortie 14 est modifié de façon appropriée, la sortie 22 des gaz s'effectuant perpendiculairement à l'axe de l'échangeur, pour permettre d'abriter la soupape 20 et ses dispositifs d'entraînement.

À l'emplacement de la soupape 20 représentée sur la figure 4 le conduit de dérivation 12 reste en position fermée, puisque les gaz doivent obligatoirement traverser les tubes 11, comme le montrent les flèches ; ils sont ensuite refroidis par le liquide de refroidissement qui circule à l'intérieur du flasque 10 (bien que ses entrées et sorties ne soient pas représentées sur les figures).

Si la soupape 20 s'ouvre, comme représenté en figure 5, la plupart des gaz passent par le conduit de dérivation 12, étant donné qu'ils y rencontrent qu'une résistance insignifiante et qu'ils ne sont pas refroidis par leur passage dans l'échangeur.

Les autres soupapes à entraînement linéaire qui pourraient remplacer la vanne papillon 20 sont les soupapes à pointeau, les robinets-vannes de différentes sections ou les soupapes à piston.

Les figures 6 et 7 montrent une variante de l'application de l'échangeur, dans laquelle on a intégré une vanne papillon 20' au lieu d'une soupape à siège plan 20 comme proposé dans les figures précédentes.

Dans ce cas, l'axe d'entraînement 21' de la soupape rotative, et la soupape 21 peut passer de la position fermée du conduit de dérivation 12 (figure 6) à une position d'ouverture du conduit 12 (figure 7).

Pour cette application, la modification du collecteur de sortie 14 est limitée à son allongement qui lui permet d'héberger la vanne 20'.

Les autres vannes à entraînement rotatif qui peuvent également convenir à l'application décrite peuvent être des clapets à bille à deux voies, qui sont munies d'un conduit les traversant, ou des soupapes rotatives, composées d'une plaque articulée depuis un point de son pourtour à un axe d'articulation situé en périphérie du conduit 12 à fermer.

On pourrait installer une vanne à entraînement rotatif, telle que la vanne papillon 20', en l'équipant d'un système bielle-manivelle ou analogue, à l'intérieur de l'échangeur, pour que le mode d'entraînement passe en linéaire.

La vanne du conduit de dérivation peut être soit à entraînement pneumatique, électrique ou thermostatique.

Dans ce dernier cas, la commande de la vanne est effectuée à partir de la température des gaz eux-mêmes ou bien du fluide de refroidissement, afin que le conduit de dérivation s'ouvre, par exemple pendant le démarrage à froid du moteur, évitant ainsi que les gaz d'échappement ne se refroidissent trop. Ce mode d'entraînement thermostatique est placé à l'intérieur de l'échangeur, afin d'éviter les problèmes d'étanchéité liés au passage d'un axe d'entraînement dans le flasque.

Les résultats des essais réalisés démontrent que la solution de la vanne TOR quant au conduit de dérivation est satisfaisante en plus de son installation simple et de son coût raisonnable.

En effet, les essais menés à bien à moyen et bas régime (2250 rpm et 1250 rpm) et lorsque le moteur est en charge basse (PME = 1 bar), démontrent que les émissions d'hydrocarbures et de monoxyde de carbone sont réduites de manière significative lorsque le conduit de dérivation est complètement ouvert; l'augmentation caractéristique de NOx afférent à la diminution des hydrocarbures et du monoxyde de carbone est quasiment inexistante en basse charge. En régime transitoire, l'amélioration est également importante.

Il serait possible d'incorporer la soupape du by-pass dans le collecteur de sortie (ou dans celui d'entrée) dans une seule pièce, ce qui aurait pour conséquence d'améliorer l'étanchéité de l'ensemble. Le corps de pompe lui-même comprendra la connexion au circuit des gaz.

Il est important d'insister sur le fait que jusqu'à présent a été décrite l'invention appliquée à un échangeur dont le type présente un faisceau de tubes dans lesquels les gaz d'échappement circulent, cet échangeur étant intégré dans un flasque dans lequel circule un fluide de refroidissement ; néanmoins cette invention ne se limite pas à ce type concret d'échangeur. Il serait possible d'appliquer à d'autres types d'échangeur un conduit ou passage en dérivation analogue, par exemple un échangeur à plaques parallèles, dans lequel les flux de gaz et de fluide réfrigérant se superposeraient en couches alternées.

L'emplacement réel du by-pass à l'intérieur de l'échangeur, tout comme sa géométrie définitive peuvent varier d'un cas à l'autre selon le type d'échangeur : pour l'échangeur à faisceau de tubes, l'ordonnancement représenté sur les figures convient tout à fait puisqu'il ne requiert aucune modification importante des lignes de fabrication des échangeurs. Pour un échangeur à plaques, il serait possible d'avoir un conduit avec une géométrie tout à fait différente. Pour tous ces cas de figure, ce qui est important réside dans le fait que le by-pass est intégré dans le corps de l'échangeur.

Enfin, bien qu'une représentation concrète de cette invention ait été faite et représentée, il est évident que l'autorité en la matière pourra introduire des variantes ainsi que des modifications, ou encore remplacer certains détails par d'autres de même équivalence technique, sans s'éloigner du champ de protection défini par les revendications ci-jointes.