FR3048028A1 - Dispositif de gestion thermique d'un refroidisseur d'air de suralimentation. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de gestion thermique d'un refroidisseur d'air de suralimentation comprenant un refroidisseur d'air de suralimentation à air (5) placé en amont d'un moteur à combustion interne (1), ledit refroidisseur à air comprenant une entrée (57) d'air de suralimentation provenant d'un turbocompresseur (3, 7), une sortie (58) d'air de suralimentation vers l'admission d'air du moteur, et un faisceau d'échange de chaleur (51) constitué d'une pluralité de surfaces d'échange thermique (52) entre un air de refroidissement circulant à travers lesdites surfaces d'échange thermique et l'air de suralimentation distribué entre lesdites surfaces d'échange thermique. Selon l'invention, on prévoit des moyens de détermination de la température (T1) de l'air de refroidissement traversant ledit refroidisseur à air (5), un dispositif de chauffage (13) desdites surfaces d'échange thermique et des moyens d'activation dudit dispositif de chauffage (13) lorsque la température (T1) de l'air de refroidissement est inférieure à un seuil de température prédéterminé.

Description

Dispositif de gestion thermique d’un refroidisseur d’air de suralimentation

La présente invention se rapporte au domaine des moteurs thermiques à turbocompresseur, en particulier pour véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de gestion thermique d’un refroidisseur d’air de suralimentation.

Dans le domaine automobile des moteurs à combustion interne, il est connu d’utiliser un circuit de recirculation des gaz d’échappement, dit circuit « EGR >>, pour « Exhaust Gas Recirculation >>, selon une terminologie anglo-saxonne, qui permet de réintroduire une partie des gaz d’échappement à l’admission du moteur. Ce système comprend par exemple une vanne commandée pour contrôler la recirculation des gaz dans le circuit et des moyens pour refroidir tout ou partie des gaz recirculés avant leur réadmission dans le moteur. L’apport de gaz d’échappement à l’admission du moteur permet en effet de réduire significativement les émissions d’oxyde d’azote.

Pour améliorer la puissance du moteur, on est par ailleurs amené à introduire de l’air sous-pression au niveau du moteur. Pour cela, on utilise au moins un turbocompresseur qui fournit de l’air sous-pression, qui est envoyé à l’admission du moteur. Il convient alors de refroidir l’air de suralimentation, issu du turbocompresseur, au moyen d’un refroidisseur d’air de suralimentation, encore dénommé couramment « RAS », disposé en amont du moteur dans le circuit d’admission d’air de suralimentation. En effet, l’air issu du turbocompresseur se trouve à une température élevée et il est nécessaire de le refroidir avant de l’envoyer vers l’admission du moteur, pour que ce dernier puisse fonctionner dans des conditions optimales. Le RAS, placé en sortie du turbocompresseur, permet ainsi de diminuer la température de l’air de suralimentation en sortie du turbocompresseur, ce qui permet notamment d’améliorer la densité de l’air au bénéfice du rendement de combustion. Les RAS sont généralement des échangeurs de chaleur de type air/air ou encore air/liquide, qui présentent une capacité de refroidissement élevée (température de parois très basses).

Dans le cas d’un circuit de recirculation des gaz d’échappement dit basse pression, le mélange des gaz d’échappement recirculés avec l’air frais d’admission s’effectue en amont du refroidisseur d’air de suralimentation. Ce mélange gazeux, constitué d’air et d’une proportion plus ou moins importante de gaz d’échappement recirculés, est relativement riche en eau du fait de la combustion du carburant. Au contact des parois du refroidisseur d’air de suralimentation, ce mélange gazeux génère une condensation d’eau. Or, dans certaines conditions, en particulier lorsque la température de l’air de refroidissement traversant le refroidisseur est trop basse et notamment inférieure à un seuil de température à partir duquel l’eau issue de la condensation se transforme en givre, l’eau issue de la condensation accumulée dans le refroidisseur d’air de suralimentation peut aller jusqu’à boucher la section de passage de l’air et ainsi bloquer tout ou partie du circuit d’alimentation en air du moteur, ou encore, est susceptible de provoquer des contraintes mécaniques pouvant conduire à une dégradation du fonctionnement du refroidisseur d’air de suralimentation (fuite, dégradation de la rigidité, rupture des points d’accroche).

On connaît du document de brevet US2014083398, un système de purge mécanique de l’eau condensée accumulée dans le refroidisseur d’air de suralimentation, qui se déclenche suivant des températures et des pressions mesurées dans le collecteur d’admission. Cependant, ce système n’est pas entièrement satisfaisant, car il suppose qu’un volume d’eau stagne en permanence au niveau du point bas du refroidisseur d’air de suralimentation, avec des risques d’aspiration par le moteur ou encore de corrosion.

Il est donc souhaitable d’éviter ou tout du moins de limiter au maximum ce phénomène de condensation et de gel de l’eau présente dans le mélange gazeux constitué d’air et de gaz d’échappement recirculés, dans le refroidisseur d’air de suralimentation. A cet effet, l’invention concerne un dispositif de gestion thermique d’un refroidisseur d’air de suralimentation comprenant un refroidisseur d’air de suralimentation à air destiné à être placé en amont d’un moteur à combustion interne, ledit refroidisseur à air comprenant une entrée d’air de suralimentation provenant d’au moins un turbocompresseur, une sortie d’air de suralimentation vers l’admission d’air du moteur, et un faisceau d’échange de chaleur constitué d’une pluralité de surfaces d’échange thermique entre un air de refroidissement circulant à travers lesdites surfaces d’échange thermique et l’air de suralimentation distribué entre lesdites surfaces d’échange thermique, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de détermination de la température de l’air de refroidissement traversant ledit refroidisseur à air, un dispositif de chauffage d’au moins une partie desdites surfaces d’échange thermique et des moyens d’activation dudit dispositif de chauffage lorsque la température de l’air de refroidissement est inférieure à un seuil de température prédéterminé.

Avantageusement, ledit dispositif de chauffage comprend un échangeur de chaleur pourvu d’un faisceau d’échange de chaleur couplé thermiquement à au moins une partie desdites surfaces d’échange thermique dudit refroidisseur à air, en aval dudit refroidisseur à air par rapport à la circulation de l’air de refroidissement.

Avantageusement, ledit échangeur de chaleur est couplé à un circuit d’alimentation destiné à alimenter ledit échangeur de chaleur avec un fluide caloporteur réchauffé pour fournir des calories transportées par ledit fluide caloporteur réchauffé audit faisceau d’échange de chaleur dudit échangeur de chaleur.

Selon un mode de réalisation, ledit circuit d’alimentation est raccordé au circuit de refroidissement du moteur de sorte que ledit fluide caloporteur réchauffé est fourni par le liquide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement du moteur en sortie de moteur.

Selon un autre mode de réalisation ledit circuit d’alimentation comporte un circuit de circulation de fluide caloporteur indépendant, ledit circuit de circulation étant pourvu d’un moyen de chauffage pour réchauffer le fluide caloporteur circulant dans celui-ci.

De préférence, ledit moyen de chauffage est constitué d’une résistance électrique intégrée dans ledit circuit de circulation de fluide caloporteur.

Avantageusement, ledit circuit d’alimentation comprend des moyens de régulation du débit du fluide caloporteur réchauffé circulant dans ledit circuit d’alimentation.

De préférence, lesdits moyens de régulation comprennent une vanne proportionnelle.

De préférence, l’air de suralimentation en entrée dudit refroidisseur à air comporte des gaz d’échappement recirculés du moteur. L’invention concerne également un véhicule automobile comportant un dispositif de gestion thermique selon l’invention. D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d’un mode de réalisation particulier de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles : - La figure 1 montre une représentation schématique globale d’un ensemble de moteur à combustion interne avec un circuit d’admission d’air de suralimentation, intégrant un dispositif de gestion thermique du refroidisseur d’air de suralimentation conforme à l’invention ; - La figure 2 est une représentation schématique en coupe du refroidisseur d’air de suralimentation illustré à la figure 1 ; - La figure 3 est une représentation schématique en vue de dessus du refroidisseur d’air de suralimentation associé à un dispositif de chauffage tel qu’illustrés à la figure 1 ; - La figure 4 est une représentation schématique du dispositif de chauffage du refroidisseur d’air de suralimentation de la figure 1 selon un premier mode de réalisation ; - La figure 5 est une représentation schématique du dispositif de chauffage du refroidisseur d’air de suralimentation de la figure 1 selon un deuxième mode de réalisation ; - La figure 6 est un schéma synoptique illustrant un exemple de régulation du fonctionnement du dispositif de chauffage du refroidisseur à air. L’invention est décrite dans le cadre d’un ensemble de moteur à combustion interne comprenant un moteur à combustion interne 1 et un circuit 2 d’admission d’air de suralimentation doté d’un compresseur 3 d’air de suralimentation. Le circuit d’admission d’air de suralimentation comprend un conduit d’air 4 reliant le compresseur 3 au moteur 1 et un refroidisseur d’air de suralimentation 5 monté sur le conduit d’air 4 entre ledit compresseur 3 et le moteur 1 pour refroidir l’air de suralimentation envoyé au moteur 1. Ainsi, l’air de suralimentation, échauffé à l’issu de la compression, peut être refroidi au travers du refroidisseur d’air de suralimentation 5 avant d’être injecté au niveau du moteur 1. L’ensemble moteur comprend encore un circuit d’échappement comportant une turbine 7 d’entraînement du compresseur 3 et un circuit de recirculation des gaz d’échappement 8 raccordé au circuit d’échappement en aval de la turbine 7 et au circuit d’admission 2 en amont du compresseur 3. Aussi, le mélange gazeux en entrée du refroidisseur d’air de suralimentation 5 est constitué d’air d’admission venant de l’extérieur et d’une proportion plus ou moins grande de gaz d’échappement recirculés. Le circuit de recirculation des gaz d’échappement 8 peut comprend un circuit de refroidissement 9 des gaz d’échappement recirculés.

Une sonde de température est disposée, de préférence, en entrée du circuit d’admission d’air de façon à pouvoir déterminer la température T1 de l’air venant de l’extérieur entrant dans le circuit d’admission d’air. La sonde de température peut aussi être disposée au niveau du rétroviseur extérieur afin de mesurer la température de l’air extérieur ou être accouplée à une autre sonde de mesure de température de l’air extérieur présente sur le véhicule. L’ensemble moteur comprend également un circuit de refroidissement 10 du moteur 1 destiné à faire circuler un fluide caloporteur, par exemple un liquide de refroidissement comprenant du glycol, au travers du moteur 1 pour évacuer les calories dégagées par le fonctionnement du moteur. Le circuit de refroidissement 10 comporte une entrée de fluide caloporteur 11 permettant d’injecter le fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement 10 et une sortie 12 pour évacuer le fluide caloporteur réchauffé par le moteur.

Le refroidisseur d’air de suralimentation 5 implanté dans le circuit d’admission d’air de suralimentation est un échangeur de chaleur de type air/air. Comme le montre la figure 2, le refroidisseur d’air de suralimentation 5 à air comprend un boîtier 50 dans lequel est disposé un faisceau d’échange de chaleur 51 comprenant une pluralité de surfaces d’échange thermique 52 délimitant entre elles des circuits 53, 54 alternés pour l’air de suralimentation à refroidir et pour l’air de refroidissement. Les surfaces d’échange thermique 52 peuvent par exemple être des tubes plats dans lesquels circule l’air de refroidissement et entre lesquels passe l’air de suralimentation. Le boîtier comprend une première paroi latérale 55, située à gauche sur la figure 1, formant plaque collectrice à travers laquelle l’air de refroidissement venant de l’extérieur est envoyé dans les tubes du faisceau du refroidisseur à air. Il comprend en outre une seconde paroi latérale 56, situee a droite sur la figure 1, constituant la face arrière du faisceau par opposition à la face avant par laquelle l’air de refroidissement entre dans le faisceau d’échange de chaleur.

Le refroidisseur d’air de suralimentation à air 5 comporte une entrée 57 d’air de suralimentation par laquelle arrive l’air de suralimentation en provenance du compresseur 3, pour être distribuée entre les surfaces d’échange thermique 52 entre ledit air de suralimentation et l’air de refroidissement. Le refroidisseur à air 5 comporte également une sortie 58 d’air de suralimentation qui évacue l’air de suralimentation refroidi venant des surfaces d’échange thermique 52 vers le moteur 1.

Conformément à l’invention, et comme illustré en référence aux figures 1 et 3, le refroidisseur d’air de suralimentation à air 5 est couplé thermiquement à un dispositif de chauffage 13, conçu pour réchauffer le refroidisseur à air 5 lorsque la température T1 de l’air de refroidissement traversant le refroidisseur 5 est inférieure à un seuil de température à partir duquel l’eau présente dans le mélange gazeux constituant l’air de suralimentation à refroidir risque de condenser dans le refroidisseur et où cette eau issue de la condensation risque de se transformer en givre. Ce seuil de température est par exemple fixé à 10°C. En effet, en réchauffant le refroidisseur d’air de suralimentation à air, on obtient un gradient de température plus faible entre celui-ci et le mélange gazeux constituant l’air de suralimentation le traversant et partant, un refroidissement de ce mélange gazeux moins important au sein du refroidisseur à air. De la sorte, on limite, voire on supprime, la condensation dans le refroidisseur à air de l’eau présente dans le mélange gazeux constituant l’air de suralimentation à refroidir.

Le dispositif de chauffage est avantageusement constitué d’un échangeur de chaleur 13 permettant un transfert de chaleur depuis un fluide caloporteur réchauffé le traversant vers le refroidisseur de suralimentation à air 5. Ledit échangeur de chaleur 13 comprend plus précisément un faisceau d’échange de chaleur 130 couplé thermiquement à au moins une partie du faisceau d’échange de chaleur 51 du refroidisseur d’air de suralimentation à air 5, au niveau de la face arrière 56 de celui-ci et donc en aval de ce dernier par rapport à la circulation de l’air de refroidissement, afin de ne pas dégrader l’échange thermique entre l’air de refroidissement et l’air de suralimentation. Le faisceau de l’échangeur de chaleur 13 constituant le dispositif de chauffage du refroidisseur à air est de conception sensiblement identique à celle du refroidisseur à air, en termes de dimensionnement des tubes et des espaces entre les tubes. L’échangeur de chaleur 13 recouvre préférentiellement seulement une partie de la face arrière 56 du faisceau d’échange de chaleur du refroidisseur à air 5 et, en particulier, la partie inférieure de la face arrière de ce faisceau, qui constitue en effet la zone du refroidisseur 5 où le gradient de température entre celui-ci et le mélange gazeux constituant l’air de suralimentation le traversant est le plus important, dans la mesure où l’entrée d’air de suralimentation 57 dans le refroidisseur à air 5 est disposée en partie inférieure de celui-ci. L’échangeur de chaleur 13 comprend une entrée 14 de fluide destinée à alimenter l’échangeur de chaleur 13 en fluide caloporteur réchauffé, de sorte que le faisceau d’échange de chaleur de l’échangeur de chaleur 13 puisse récupérer une partie des calories transportées par le fluide caloporteur réchauffé reçu en entrée pour les transmettre au refroidisseur à air 5, et une sortie de fluide 15 par laquelle le fluide caloporteur réchauffé est évacué de l’échangeur de chaleur 13 après avoir cédé une partie de ses calories. L’entrée 14 et la sortie 15 de fluide de l’échangeur de chaleur 13 sont connectées à un circuit d’alimentation destiné à alimenter ledit échangeur de chaleur 11 avec le fluide caloporteur réchauffé pour fournir les calories présentes dans le fluide caloporteur réchauffé au faisceau d’échange de chaleur de l’échangeur de chaleur 13.

Selon un premier mode de réalisation décrit en référence à la figure 4, le circuit d’alimentation en fluide caloporteur réchauffé de l’échangeur de chaleur 13 est couplé au circuit de refroidissement 10 du moteur 1. Plus précisément, la sortie de fluide 15 de l’échangeur de chaleur 13 est reliée à l’entrée 11 du circuit de refroidissement et la sortie 12 du circuit de refroidissement est reliée à l’entrée de fluide 14 de l’échangeur de chaleur 13 par l’intermédiaire d’une vanne proportionnelle 16, permettant de contrôler le débit de fluide dans le circuit d’alimentation. De la sorte, l’échangeur de chaleur 13 peut être alimenté par le liquide de refroidissement en sortie du moteur.

Ainsi lorsqu’il est détecté un risque de condensation et/ou de gel dans le refroidisseur à air, autrement dit qu’il est détecté que la température T1 mesurée est inférieure au seuil de température prédéterminé, par exemple 10°C, le dispositif de chauffage est activé. La vanne 16 est alors commandée pour permettre d’alimenter l’échangeur de chaleur 13 avec le liquide de refroidissement venant du moteur (sinon la vanne 16 est fermée). L’échangeur de chaleur 13 va alors récupérer une partie des calories présentes dans le liquide de refroidissement pour les transmettre au refroidisseur d’air de suralimentation à air 5. Sous l’effet de ce transfert de chaleur, le refroidisseur à air 5 va ainsi monter en température. Plus la température du liquide de refroidissement en entrée de l’échangeur de chaleur 13 est élevée, plus celui-ci va pouvoir transmettre de calories au refroidisseur à air 5. Aussi, une manière d’optimiser l’efficacité du système est de fournir le liquide de refroidissement du moteur en entrée de l’échangeur de chaleur 13 après passage du liquide de refroidissement par exemple dans le réchauffeur d’huile moteur et/ou dans tout autre système permettant d’élever la température du liquide de refroidissement.

En outre, le couplage avec le circuit de refroidissement du moteur permet d’améliorer ponctuellement, lorsque le dispositif de chauffage est activé, le refroidissement du moteur. En effet, les calories présentes dans le liquide de refroidissement en sortie du moteur sont dissipées au travers du passage dans le dispositif de chauffage du refroidisseur à air, ce qui a pour effet d’abaisser la température du liquide de refroidissement du moteur en entrée du circuit de refroidissement.

Suivant un autre mode de réalisation, en référence à la figure 5, le circuit d’alimentation de l’échangeur de chaleur 13 en fluide caloporteur réchauffé comporte un circuit de circulation de fluide caloporteur indépendant 17, disposé entre les entrée et sortie de l’échangeur de chaleur 13, et ce circuit de circulation 17 est pourvu d’une pompe 18 pour faire circuler le fluide et d’un moyen de chauffage 19, par exemple une résistance électrique intégrée au circuit, permettant de réchauffer le fluide caloporteur circulant dans celui-ci, de façon à fournir un fluide caloporteur réchauffé en entrée 14 de l’échangeur de chaleur 13. La vanne proportionnelle 16, permettant de contrôler le débit du fluide dans le circuit, est disposée dans le circuit entre la résistance électrique 18 et l’entrée 14 de l’échangeur de chaleur 13.

Selon une variante de réalisation non représentée, le fluide caloporteur peut être l’huile de lubrification du moteur 1, de telle sorte que l’échangeur de chaleur 13 est un refroidisseur d’huile. Dans ce cas, le circuit de d’alimentation de l’échangeur de chaleur 13 est relié au circuit de lubrification du moteur.

En référence à la figure 6, une régulation du fonctionnement du dispositif de chauffage du refroidisseur à air 5 peut également être mise en oeuvre, en fonction des conditions de température de l’air extérieur ou de l’air en entrée du circuit d’admission et de l’air de suralimentation refroidi en sortie du refroidisseur à air 5. Une sonde de température est disposée en sortie du refroidisseur à air 5 de façon à pouvoir déterminer la température T2 de l’air de suralimentation refroidi en sortie du refroidisseur à air 5. Ainsi, la régulation comprend tout d’abord la mesure de la température T1. Si cette température est supérieure au seuil de température prédéterminé, par exemple 10°C, référencé «a» sur la figure 6, alors la vanne proportionnelle 16 est fermée. Si la température T1 est inférieure au seuil critique prédéterminé et/ou la température T2 est inférieure à un deuxième seuil de température, par exemple de 10°C, référencé « b >> sur la figure 6, alors on ouvre la vanne 16. La vanne 16 est maintenue ouverte tant que cette condition est réalisée. Lorsque cette condition n’est plus réalisée, la vanne 16 est fermée.

Dans le cas du deuxième mode de réalisation décrit en référence à la figure 5 avec un circuit de circulation de fluide caloporteur réchauffé indépendant, une sonde de température peut être disposée en sortie de l’échangeur de chaleur 13, de façon à pouvoir déterminer la température T3 du fluide caloporteur en sortie de l’échangeur de chaleur 13. Cette mesure de la température T3 permet de réguler la température du fluide caloporteur en sortie de l’échangeur de chaleur 13 à l’aide de la résistance électrique 19 intégrée dans le circuit de circulation 17 du fluide caloporteur. A titre d’exemple, la résistance électrique est pilotée lorsque la température T3 est inférieure ou égale à 3°C.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif de gestion thermique d’un refroidisseur d’air de suralimentation comprenant un refroidisseur d’air de suralimentation à air (5) destiné à être placé en amont d’un moteur à combustion interne (1), ledit refroidisseur à air (5) comprenant une entrée (57) d’air de suralimentation provenant d’au moins un turbocompresseur (3, 7), une sortie (58) d’air de suralimentation vers l’admission d’air du moteur, et un faisceau d’échange de chaleur (51) constitué d’une pluralité de surfaces d’échange thermique (52) entre un air de refroidissement circulant à travers lesdites surfaces d’échange thermique et l’air de suralimentation distribué entre lesdites surfaces d’échange thermique, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de détermination de la température (T1) de l’air de refroidissement traversant ledit refroidisseur à air (5), un dispositif de chauffage (13) d’au moins une partie desdites surfaces d’échange thermique et des moyens d’activation dudit dispositif de chauffage (13) lorsque la température (T1) de l’air de refroidissement est inférieure à un seuil de température prédéterminé.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif de chauffage comprend un échangeur de chaleur (13) pourvu d’un faisceau d’échange de chaleur couplé thermiquement à au moins une partie desdites surfaces d’échange thermique dudit refroidisseur à air (5), en aval dudit refroidisseur à air par rapport à la circulation de l’air de refroidissement.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur (13) est couplé à un circuit d’alimentation (10, 17) destiné à alimenter ledit échangeur de chaleur (13) avec un fluide caloporteur réchauffé pour fournir des calories transportées par ledit fluide caloporteur réchauffé audit faisceau d’échange de chaleur dudit échangeur de chaleur.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit d’alimentation est raccordé au circuit de refroidissement (10) du moteur de sorte que ledit fluide caloporteur réchauffé est fourni par le liquide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement du moteur en sortie de moteur.
5. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit d’alimentation comporte un circuit de circulation de fluide caloporteur indépendant (17), ledit circuit de circulation (17) étant pourvu d’un moyen de chauffage pour réchauffer le fluide caloporteur circulant dans celui-ci.
6. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit moyen de chauffage est constitué d’une résistance électrique (19) intégrée dans ledit circuit de circulation de fluide caloporteur (17).
7. 7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que ledit circuit d’alimentation comprend des moyens de régulation du débit du fluide caloporteur réchauffé circulant dans ledit circuit d’alimentation.
8. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation comprennent une vanne proportionnelle (16).
9. 9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’air de suralimentation en entrée dudit refroidisseur à air comporte des gaz d’échappement recirculés du moteur.
10. 10. Véhicule automobile caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de gestion thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes.