Brevet FR2511080A1 — publié le 19830211

1. Ainsi qu'il est connu, dans les moteurs à combustion interne dotés de compresseur de l'air d'alimentation, l'aug- mentation de puissance que l'on obtient grâce au compresseur est essentiellement liée à l'accroissement de densité subi par l'air à l'intérieur du compresseur, cette augmentation de puissance étant d'autant plus grande que l'accroissement de la pression de l'air est élevé et d'autant plus petite que l'élévation de la température est forte. Si le moteur est du type à allumage commandé, une température élevée se révèle nuisible également par le fait qu'elle favorise le phénomène de la détonation, ce qui peut obliger à réduire le taux de compression pour l'éviter. Il est par conséquent important que le rendement adiabatique du compresseur soit élevé afin qu'à pression d'alimentation égale la température soit autant que possible peu élevée. Toutefois, même avec un bon rendement du compresseur, la température se révèle plutôt élevée, et ce d'autant plus que la pression d'alimentation est forte. Il en découle souvent la nécessité de monter sur le circuit de l'air d'alimentation, en aval du compresseur et en amont des cylindres du moteur, un échangeur de chaleur. Grâce à cet échangeur de chaleur, l'air d'alimenta- tion subit un refroidissement par le fait que les calories qu'il contient sont en partie transférées vers un autre flui- de réfrigérant, qui peut être l'air extérieur ou bien un li- quide (qui est à son tour refroidi par l'air extérieur dans un autre échangeur de chaleur). Toutefois, l'encombrement, le coût et même l'effi- cacité de ces échangeurs de chaleur font qu'ils ne sont pas toujours adoptés, surtout dans le cas de moteurs à combustion interne pour véhicules automobiles. C'est justement en ce qui concerne les véhicules automobiles que la demanderesse a envisagé de remplacer l'échangeur de chaleur tel que décrit précédemment par un dispositif qui, à rendement égal, est plus simple, plus léger, moins encombrant et moins coûteux. Ce dispositif peut être adopté sur la plupart de véhicules avec moteur suralimenté, car, dans cette applica- tion particulière, la suralimentation n'est utilisée que d'une manière temporaire, c'est-à-dire uniquement lorsque le véhicule a besoin d'une puissance élevée pour accélérer. Ceci signifie qu'en cours d'utilisation, lorsque le véhicule n'accélère pas, l'air dans le conduit d'alimentation ne subit aucun réchauffement, car il n'est pas comprimé dans le compresseur. L'invention a donc pour objet un système de surali- mentation d'un moteur à combustion interne pour véhicules automobiles, qui est constitué par un compresseur élevant la pression de l'air aspiré par le moteur et par une matrice essentiellement métallique dis- posée en aval du compresseur et traversée par l'air aspiré par le moteur, les caractéristiques et le réglage éventuel du compresseur étant tel que l'air qui le traverse est fai- blement comprimé et par conséquent faiblement réchauffé lorsque la puissance demandée au moteur est faible, tandis qu'il est fortement comprimé et par conséquent fortement réchauffé lorsque la puissance demandée au moteur pour ac- célérer est élevée, ladite matrice essentiellement métallique étant constituée par un ensemble de parois minces disposées de manière à permettre un flux sensiblement régulier et constant de l'air d'alimentation qui, en traversant la ma- trice, subit une perte de charge très réduite, lesdites-pa- rois minces étant amenées et maintenues à une faible tempé- rature par l'air qui les lèche pendant l'utilisation du mo- teur à basse puissance, tandis qu'elles se réchauffent-en refroidissant l'air qui sort à une température élevée du compresseur pendant l'utilisation du moteur à la puissance élevée demandée au moteur pour l'accélération du véhicule. Ledit ensemble de parois minces est de préférence constitué par une enveloppe dotée d'une lumière d'entrée et d'une lumière de sortie, ladite enveloppe guidant et contenant le flux d'air qui lèche la surface desdites parois minces entre ladite lumière d'entrée et ladite lumière de sortie. Ledit ensemble de parois minces peut être contenu soit dans le collecteur d'admission du moteur, soit dans le corps du compresseur, étant alors léché par l'air avant sa sortie du compresseur. Lesdites parois minces peuvent être constituées par des tôles métalliques de faible épaisseur, léchées par l'air sur leurs deux côtés, ou encore par deux tôles métalliques disposées côte à côte entre lesquelles une épaisseur de li- quide sensiblement stationnaire contribue, grâce à sa chaleur spécifique élevée, à l'inertie thermique de la matrice de parois minces, lesdites tôles minces disposées côte à côte n'étant léchées par l'air que sur leurs deux surfaces non mouillées par le liqỉde. Ainsi, le dispositif proposé est constitué par un élément lourd façonné de manière à présenter une surface très développée destinée à être léchée par l'air d'alimenta- tion. Cet élément lourd peut être constitué par une ma- trice métallique, c'est-à-dire par exemple par un élément de tôle métallique plissée, traversé par l'air dans le sens du plissage, ou bien par un faisceau de tubes métalliques disposé à l'intérieur du conduit d'alimentation, ces tubes étant par conséquent léchés par l'air d'alimentation aussi bien intérieurement qu'extérieurement Ledit élément de tôle métallique ou lesdits tubes métalliques peuvent par exemple être réalisés en aluminium ou en tout autre matériau doté d'une bonne conductivité thermique. Pendant l'utilisation normale du véhicule, c'est- à-dire pendant le parcours entre une accélération et la suivante, ladite matrice est amenée à la température normale de l'air d'alimentation, c'est-à-dire à une température à - peine plus élevée que la température ambiante extérieure. Pendant l'accélération, l'air sortant à haute tem- pérature du compresseur entre dans la matrice pour ensuite, étant donné le considérable développement de la surface léchée et le coefficient de transmission air/paroi au début de l'accélération, en sortir très refroidi, c'est-à-dire à une température proche de la température initiale de cette matrice. Ensuite, au fur et à mesure que la matrice se ré- chauffe, le refroidissement subi par l'air est moindre, mais si l'on considère que l'accélération d'un véhicule, compte tenu également des limites de vitesse, ne dure jamais plus de 10 ou 20 secondes, le refroidissement peut être élevé même à la fin de l'accélération. En effet, si le poids de l'air qui traverse la ma- trice pendant les dix secondes d'accélération est d'un 1/2 kg, si le poids de la matrice est de 2 kg et si la matrice est en aluminium, compte tenu que la chaleur spécifique de l'air est de 1,00 k J (kg K) et celle de l'aluminium d'environ 0,96 de sorte que la quantité-de chaleur perdue par l'air égale la quantité de chaleur acquise par la matrice, on obtient que la matrice se réchauffe en moyenne d'un nombre de degrés. égal au quart du nombre de degrés dont se refroidit l'air. Ainsi, si au début de l'accélération la température de la matrice est de 150 C, dans l'hypothèse que l'air com- primé entre dans la-matrice à 900 C pour ensuite se refroidir en moyenne (pendant 10 secondes) de 400 C, après 10 secondes d'accélération la température de la matrice n'aura augmenté que de 150 C à 250 C Par contre, si le poids de la matrice en aluminium était de 1 kg au lieu de 2 kg, cette même tempéra- ture augmenterait de 150 C à 350 C. Pour obtenir un bon fonctionnement du système, le calcul indique que le rapport entre la surface S de la ma- trice et la surface S de la portion du collecteur dans la- quelle est contenue cette même matrice doit vérifier l'iné- galité S > 12 La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un moteur à explosion équipé d'un système de suralimentation conforme à l'invention, respectivement avec turbocompresseur et avec compresseur volumétrique. Les figures 3 et 4 représentent deux variantes de disposition de la matrice de refroidissement de l'air d'ad- mission du moteur. Sur la figure 1, la référence 1 désigne la culasse d'un moteur à quatre cylindres sur laquelle les quatres cer- cles en pointillé 2 correspondent aux quatre chambres d'ex- plosion La référence 3 désigne ensuite un collecteur d'ad- mission et la référence 4 un collecteur d'échappement rac- cordé à la culasse 1 au niveau des tubulures d'admission et d'échappement des différents cylindres. La référence 5 désigne quatre injecteurs d'essence qui pulvérisent l'essence dans les quatre tubulures d'admis- sion, étant donné que dans la version de la figure 1 le mo- teur est (à titre d'exemple nullement limitatif) un moteur à explosion alimenté par injection. On a désigné ensuite par la référence 6 un filtre à air à travers lequel l'air extérieur est aspiré par le moteur, par la référence 7 (toujours à titre d'exemple) un dispositif de contrôle de la quantité d'essence que les in- jecteurs 5 doivent débiter, par la référence 8 le papillon des gaz du moteur qui est solidaire d'un axe 9 commandé en rotation par un levier 10 relié à la pédale d'accélérateur du véhicule. Le système de suralimentation représenté à titre d'exemple sur la figure 1 est constitué principalement par un turbocompresseur classique à gaz d'échappement, qui com- porte un compresseur centrifuge comprenant un corps 11 et un rotor 12 et une turbine centripète comprenant un corps 13 et un rotor 14, les deux rotors étant calés sur le même arbre 15, de sorte que l'énergie d'expansion des gaz d'é- chappement reçue par le rotor 14 est transmise au rotor 12 qui comprime l'air aspiré par le moteur. La référence 16 désigne une vanne disposÉ sur un conduit 17 branché en parallè e avec la turbine centripète, de sorte que,lorsque la vanne/est ferméetout le flux des gaz d'échappement du moteur est utilisé par cette turbine pour comprimer l'air aspiré par le moteur En revanche, lorsque la vanne 16 est partiellement ou complètement ou- verte, le flux de gaz utilisé pour comprimer l'air est moindre ou minimum. Le système de suralimentation de la figure 1 com- prend également une matrice métallique 18 interposée entre le conduit 19 à la sortie du compresseur centrifuge et le collecteur d'admission 3 C'est justement la présence de cette matrice qui caractérise le système de suralimentation selon la présente invention Tout l'air aspiré par le moteur passe par conséquent à travers cette matrice, réalisée par exemple en aluminium, et dont les tôles de faible épaisseur situées à son intérieur sont disposées de manière à permettre le passage d'un flux d'air sans brusques variations de direc- tion et avec une vitesse sensiblement constante tout le long du parcours, et par conséquent avec une chute de pression minimale le long de ce parcours. Pendant l'utilisation normale du véhicule, à vitesse peu élevée et sensiblement constante, et par conséquent avec un régime peu élevé et le papillon des gaz 8 partiel- lement fermé, l'énergie disponible au niveau de la turbine est faible et diminue encore davantage sidans ces conditions d'emploi,la vanne 16 est automatiquement placée en situation d'ouverture. Il en découle que la compression subie par l'air dans le compresseur est minimale, sinon nulle, de sorte que 1 taugmentation de température subie par l'air par rapport à la température ambiante extérieure est également minimale, sinon nulle. Par conséquent, étant traversée par cet air pendant l'utilisation normale du véhicule, la matrice 18 est amenée à une température qui n'est pas très supérieure à celle du milieu extérieur. Lors d'une accélération avec le papillon des gaz 8 complètement ouvert et la vanne 16 fermée, le turbocompres?- seur augmente de régime et l'air sort du compresseur avec une pression et une température élevées A la suite de quoi, en traversant la matrice qui, en raison de son inertie ther- mique se trouve à basse température pendant toute l'accélé- ration, d'une durée par exemple de 10 ou 20 secondes, l'air comprimé se refroidit sensiblement sans pour autant réchauf- fer énormément la matrice 18. Naturellement, pour obtenir ce résultat, la matrice, réalisée de préférence en aluminium en raison de sa chaleur spécifique élevée, doit pouvoir disposer d'une surface suffisamment étendue, avoir (comme déjà dit) une masse suf- fisante et un coefficient de transmission de chaleur par convection air/paroi également suffisant. Par ailleurs, sur la figure 2 est représenté sché- matiquement un autre système de suralimentation du moteur, qui toutefois fait toujours appel à la matrice 18 dont la présence caractérise le système proposé dans la présente demande de brevet. Les chiffres de référence de la figure 1 qui ap- paraissent sur cette figure 2 conservent la même significa- tion. Dans le système de la figure 2, l'air aspiré est comprimé au moyen non pas d'un turbocompresseur, mais d'un compresseur volumétrique Dans le cas illustré à titre d'exemple sur cette figure, il s'agit d'un compresseur type Roots constitué par un corps 20 dans lequel deux rotors à lobes 21 et 22 montés sur des axes 23 et 24 et calés l'un par rapport à l'autre en contre-rotation, sont entraînés en rotation par le vilebrequin du moteur par l'intermédiaire de dispositifs de transmission non représentés sur la figure. La référence 25 désigne un conduit de court-circuit du compresseur et la référence 26 une vanne insérée sur ce circuit 25. Il va de soi que ce compresseur volumétrique, au lieu d'être du type Roots, pourrait tout aussi bien être du type à palettes, étant toujours entraîné en rotation par le vilebrequin du moteur. Etant donné qu'avec des compresseurs du type volu- métrique la compression de l'air aspiré est fonction du plus grand débit volumétrique du compresseur par rapport au moteur, lorsque la compression de l'air n'est pas demandée (par exemple lors de l'utilisation normale du véhicule à vitesse peu élevée et constante) le débit excédentaire du compresseur est renvoyé via le conduit 25 et la vanne 26 (ouverte pendant ces conditions d'utilisation) du côté re- foulement au côté aspiration du compresseur. Par conséquent, pendant l'utilisation normale du véhicule à vitesse réduite et constante, l'air qui traverse la matrice 18, n'étant plus comprimé, reste froid et main- tient également froide la matrice. Dans ce cas également, tout comme dans le système de la figure 1, lors de l'accélération et pendant celle-ci, la matrice 18, qui reste suffisament froide en raison de son inertie thermique, refroidit l'air qui sort comprimé et par conséquent chaud du compresseur. Sur la figure 3, la référence 1 désigne la culasse d'un moteur et la référence 2 les quatre chambres d'explosion, comme sur les figures 1 et 2. A la place du collecteur 3 des figures 1 et 2, le collecteur 30 est façonné de manière à pouvoir contenir à son intérieur la matrice 32. Après sa sortie du compresseur (non représenté sur la figure), l'air aspiré par le moteur entre dans le collec- teur à travers l'embouchure 31, lèche les surfaces des parois qui constituent la matrice 32 et sort au niveau des conduits: d'admission des différents cylindres. Le comportement de la matrice 32 est par conséquent tout à fait analogue à celui de la matrice 18 des figures 1 et 2. La figure 4 représente une coupe partielle d'un compresseur centrifuge suivant un plan passant par l'axe de rotation du rotor. Il s'agit par exemple d'un compresseur du type de la figure 1, actionné par une turbine à gaz d'échappement (non représentée sur la figure 4). Le corps du compresseur, qui sur la figure 1 est représenté schématiquement et désigné par la référence il sur la figure 4, est constitué par l'ensemble de deux demi- coques 40 et 41. La zone annulaire comprise entre les deux demi-coques autour du rotor est façonnée normalement, c'est-à-dire de manière à constituer un diffuseur 45 dans lequel une grande partie de la vitesse périphérique de l'air sortant du rotor se transforme en pression. Immédiatement à l'extérieur de cette zone annulaire de diffusion se trouve une matrice 42 constituée par exemple par un ensemble de tôles plates annulaires qui sont léchées par l'air en provenance du rotor et du diffuseur (et par conséquent du compresseur) et qui se déverse dans la cavité périphérique 43 grosso modo torique et de celle-ci dans le collecteur d'admission du moteur. Par conséquent, le comportement de la matrice 42 est lui aussi tout à fait analogue à celui de la matrice 18 des figures 1 et 2. Ce que l'on a décrit pour les différents systèmes de suralimentaion en regard des différentes figures est na- turellement valable aussi dans le cas ou le compresseur serait constitué par une machine à onde de pression aérody- namique du type "COMPREX" et dans le cas o le moteur serait un moteur à explosion alimenté par des carburateurs, ou bien encore dans le cas o le moteur serait du type diesel. J REVENDICATIONS 1 Système de suralimentation d'un moteur à combus- tion interne pour véhiculesautomobiles, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un compresseur élevant la pres- sion de l'air aspiré par le moteur et par une matrice essen- tiellement métallique disposée en aval du compresseur et traversée par l'air aspiré par le moteur, les caractéristi- ques et le réglage éventuel du compresseur étant tels que l'air qui le traverse est faiblement comprimé et par consé- quent faiblement réchauffé lorsque la puissance demandée au moteur est faible, tandis qu'il est fortement comprimé et par conséquent fortement réchauffé lorsque la puissance demandé au moteur pour accélérer est élevée, ladite matrice essentiellement métallique étant constituée par un ensemble de parois minces disposées de manières à permettre un flux sensiblement régulier et constant de l'air d'alimentation qui, en traversant la matrice, subit une perte de charge très réduite, lesdites parois minces étant amenées et main- tenues à une faible température par l'air qui les lèche pen- dant l'utilisation du moteur à basse puissance, tandis qu'elles se réchauffent en refroidissant l'air qui sort à une température élevée du compresseur pendant l'utilisation du moteur à la puissance élevée demandée au moteur pour l'accélération du véhicule. 2 Système de suralimentation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit ensemble de parois minces est constitué par une enveloppe dotée d'une lumière. d'entrée et d'une lumière de sortie, ladite enveloppe gui- dant et contenant le flux d'air qui lèche la surface desdites parois minces entre ladite lumière d'entrée et ladite lumière de sortie. 3 Système de suralimentation selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit ensemble de parois minces est contenu dans le collecteur d'admission du moteur. 4 Système de suralimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit ensemble de parois minces est contenu dans le corps du compresseur et est lé- ché par l'air avant sa sortie du compresseur. 1 l Système de suralimentation selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que lesdites parois minces sont constituées par des tôles métal- liques de faible épaisseur, léchées par l'air sur leurs deux côtés. 6 Système de suralimentation selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que lesdites parois minces sont constituées par deux tôles métal- liques disposées côte à côte entre lesquelles une épaisseur de liquide sensiblement stationnaire contribue, grâce à sa chaleur spécifique élevée, à l'inertie thermique de la matrice àcote de parois minces, lesdits tôles minces disposées côte/n'étant léchées par l'air que sur leurs deux surfaces non mouillées par le liquide.