Brevet FR2829533A1 — publié le 20030314

La présente invention concerne un dispositif perfectionné de régulation thermique de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile. Elle s'applique en particulier à la régulation thermique de l'air d'admission d'un moteur suralimenté raccordé le cas échéant à une ligne d'échappement munie d'un filtre à particules. On souhaite refroidir l'air d'admission d'un moteur notamment lorsque ce dernier est suralimenté au moyen d'un ensemble turbo-compresseur muni, d'une part, d'une turbine entraînée par des gaz d'échappement du moteur, agencée en aval du moteur, et d'autre part, d'un compresseur d'air d'admission agencé en amont du moteur. En effet, l'air d'admission du moteur, se réchauffant dans le compresseur, doit être refroidit à la sortie de ce compresseur afin d'optimiser les performances du moteur et minimiser les émissions de polluants. Pour refroidir l'air d'admission du moteur, notamment à la sortie d'un compresseur d'un ensemble turbo-compresseur, on connaît déjà dans l'état de la technique un dispositif de régulation thermique de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, du type comprenant un premier échangeur thermique air d'admission/liquide caloporteur, destiné à réguler la température de l'air d'admission, raccordé à un circuit de liquide caloporteur dit froid. Un tel dispositif de régulation thermique est décrit notamment dans US-A-4 096697. L'invention a notamment pour but d'optimiser le refroidissement de l'air d'admission du moteur, notamment à la sortie d'un compresseur d'un ensemble turbocompresseur. A cet effet, l'invention à pour objet un dispositif de régulation thermique de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, du type précité, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième échangeur thermique air d'admission/liquide caloporteur, destiné également à réguler la température de l'air d'admission, raccordé à un circuit de liquide caloporteur dit très froid, plus froid que celui du circuit de liquide caloporteur froid. Suivant des caractéristiques de différents modes de réalisation de ce dispositif : - le circuit de liquide caloporteur froid comprend un échangeur thermique air/liquide caloporteur froid, dit échangeur basse température, porté de préférence par une face avant du véhicule automobile ; - le liquide caloporteur est mis en circulation dans le circuit de liquide caloporteur froid par une pompe ; le dispositif comprend une pompe à chaleur, le circuit de liquide caloporteur très froid étant couplé thermiquement avec une source froide de la pompe à chaleur ; les premier et deuxième échangeurs thermiques air d'admission/liquide caloporteur sont agencés dans un même module ; le moteur émettant des gaz d'échappement en partie recirculés, le dispositif comprend de plus un échangeur thermique gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur raccordé en dérivation au premier échangeur thermique air d'admission liquide/caloporteur ; - l'échangeur thermique gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur est également agencé dans le module ; le premier échangeur thermique air d'admission liquide/caloporteur est raccordé à un circuit de liquide caloporteur dit chaud, plus chaud que celui du circuit de liquide caloporteur froid, par l'intermédiaire de moyens de répartition des liquides caloporteurs froid et chaud dans le premier échangeur thermique air d'admission/liquide caloporteur ; le circuit de liquide caloporteur chaud est raccordé à un circuit de refroidissement du moteur à combustion interne ; le circuit de liquide caloporteur chaud est couplé thermiquement à une source chaude de pompe à chaleur ; les moyens de répartition comprennent une vanne de répartition, à au moins trois voies, comprenant une première voie d'entrée de liquide caloporteur raccordée au circuit de liquide caloporteur froid, une deuxième voie d'entrée de liquide caloporteur raccordée au circuit de liquide caloporteur chaud et une troisième voie de sortie de liquide caloporteur raccordée à une entrée de liquide caloporteur dans le premier échangeur thermique air d'admission/liquide caloporteur ; la troisième voie de la vanne de répartition est raccordée à la fois à l'entrée de liquide caloporteur dans l'échangeur thermique air d'admission/liquide caloporteur et à une entrée de liquide caloporteur dans l'échangeur thermique gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur, par un conduit commun aux circuits de liquide caloporteur froid et chaud ; les moyens de répartition comprennent une vanne de réglage du débit de liquide caloporteur dans l'échangeur thermique gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur reliant le conduit commun et l'entrée de cet échangeur thermique d'échappement recirculés/liquide caloporteur ; l'air d'admission est entraîné, à une pression supérieure à la pression atmosphérique, à travers les premier et deuxième échangeurs thermiques air d'admission/liquide caloporteur par un ensemble turbo-compresseur muni d'une turbine entraînée par des gaz d'échappement du moteur à combustion interne ; - le moteur à combustion interne, de préférence de type Diesel, est raccordé à une ligne d'échappement munie d'un filtre à particules ; le liquide caloporteur est un mélange d'eau et d'antigel ; le deuxième échangeur thermique air d'admission/liquide caloporteur est agencé en aval du premier échangeur thermique classique air d'admission/liquide caloporteur, en considérant le sens d'écoulement de l'air d'admission. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins dans lesquels : - la figure 1 est vue schématique d'un moteur à combustion interne raccordé à des moyens amont formant circuit d'admission d'air et à des moyens aval formant ligne d'échappement ; - les figures 2 et 3 sont des vues schématiques de dispositifs de régulation thermique de l'air d'admission du moteur selon deux modes de réalisation de l'invention respectivement ; - la figure 4 est une vue schématique d'une pompe à chaleur susceptible d'être couplée thermiquement à au moins un des circuits du dispositif de régulation thermique selon l'invention. On a représenté sur la figure 1 un moteur à combustion interne 10 de véhicule automobile, par exemple de type Diesel, raccordé à des moyens amont formant un circuit 12 d'admission d'air dans le moteur 10 et à des moyens aval formant une ligne d'échappement 14. Le moteur 10 est suralimenté au moyen d'un ensemble turbo-compresseur muni, d'une part, d'une turbine 16 entraînée par des gaz d'échappement du moteur 10, agencée en aval du moteur 10 dans la ligne d'échappement 14, et d'autre part, d'un compresseur 18 d'air d'admission agencé en amont du moteur 10 dans le circuit 12 d'admission d'air. La turbine 16 et le compresseur 18 sont couplés en rotation entre eux de façon connue en soi. La ligne d'échappement est munie d'un filtre à particules classique 19. La température de l'air d'admission sortant du compresseur 18 est régulée au moyen d'un dispositif 20 de régulation thermique selon l'invention dont deux modes de réalisation sont représentés sur les figures 2 et 3. On notera que sur ces figures les éléments analogues sont désignés par des références identiques. Dans ce qui suit, deux organes sont dits couplés thermiquement entre eux lorsqu'ils échangent de la chaleur entre eux au moyen d'un échangeur thermique approprié. Sur la figure 2, on a représenté un dispositif 20 de régulation thermique de l'air d'admission selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 20 comprend un premier échangeur thermique classique 22 air d'admission/liquide caloporteur destiné à réguler la température de l'air d'admission à sa sortie du compresseur 18. Ce premier échangeur 22 est raccordé à un circuit 24 de liquide caloporteur dit froid, destiné à refroidir l'air d'admission. Le dispositif 20 comprend également un deuxième échangeur thermique classique 26 air d'admission/liquide caloporteur, destiné également à réguler la température de l'air d'admission. Ce deuxième échangeur 26 est raccordé à un circuit 28 de liquide caloporteur dit très froid, plus froid que celui du circuit 24 de liquide caloporteur froid. L'air d'admission est entraîné à travers les premier 22 et deuxième 26 échangeurs thermiques air d'admission/liquide caloporteur à une pression supérieure à la pression atmosphérique par le compresseur 18. Le flux d'air d'admission traversant ces échangeurs 22,26 est représenté sur la figure 2 par des flèches orientées de gauche à droite. On notera que le deuxième échangeur thermique 26 air d'admission/liquide caloporteur est agencé en aval du premier échangeur thermique classique 22 air d'admission/liquide caloporteur, en considérant le sens d'écoulement de l'air d'admission. En variante, le deuxième échangeur thermique 26 air d'admission/liquide caloporteur pourrait être agencé en amont du premier échangeur thermique classique 22 air d'admission/liquide caloporteur, en considérant le sens d'écoulement de l'air d'admission. Le circuit 24 de liquide caloporteur froid comprend un échangeur thermique classique 30 air extérieur au véhicule/liquide caloporteur froid, dit échangeur basse température, porté de préférence par une face avant 31 du véhicule automobile. Le liquide caloporteur froid est mis en circulation dans le premier circuit 24 par une pompe électrique classique 32. Sur la figure 4, on a représenté une pompe à chaleur 34, destinée par exemple à la climatisation de l'habitacle du véhicule, comportant un circuit 36 de fluide frigorigène, de type à compression, prélevant des calories d'une source froide 38 pour les transférer au moins partiellement vers une source chaude 40. Le fluide frigorigène est d'un type classique tel qu'un dérivé chloré et fluoré du méthane ou de l'éthane (Fréon), de l'ammoniac, du dioxyde de carbone, etc. Les sources froide 38 et chaude 40 sont raccordées entre elles par un compresseur 42 et une vanne de détente 44. Le fluide frigorigène se vaporise en enlevant de la chaleur à la source froide 38. Le compresseur 42 aspire le fluide vaporisé et le refoule vers la source chaude où il se condense en refroidissant. La vanne de détente 44 laisse passer le fluide frigorigène liquide vers la source froide 38 en abaissant sa pression. Le sens de circulation du fluide frigorigène dans le circuit 36 est indiqué par des flèches sur la figure 4. Le circuit 28 de liquide caloporteur très froid est, par exemple, couplé thermiquement, directement ou indirectement, à la source froide 38 de la pompe à chaleur 34. Le liquide caloporteur circulant dans chacun des circuit de liquide caloporteur froid 24 et très froid 28 est de type classique et comprend par exemple un mélange d'eau et d'antigel. De préférence, les premier 22 et deuxième 26 échangeurs thermiques air d'admission/liquide caloporteur sont agencés dans un même module. On décrira ci-dessous certains aspects essentiels du fonctionnement du dispositif de régulation thermique 20 selon le premier mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 2. Comme cela ressortira de la description de ce fonctionnement, les premier 22 et deuxième 26 échangeurs thermiques air d'admission/liquide caloporteur forment des moyens de refroidissement étagé de l'air d'admission. Le deuxième échangeur thermique 26 air d'admission/liquide caloporteur, raccordé au circuit 28 de liquide caloporteur très froid, permet d'optimiser le fonctionnement du moteur suralimenté 10, plus particulièrement quand ce moteur 10 fournit un couple élevé, par exemple, lorsque le véhicule monte une côte, ou bien quand ce moteur 10 est en régime d'accélération. En considérant initialement que l'air ambiant, environnant le véhicule, est à une température de 25 C, cet air, aspiré par le compresseur, atteint, à la sortie de ce compresseur 18 une température d'environ 150 C. L'air d'admission à la température de 1500C est refroidi, tout d'abord, par le premier échangeur 22 air d'admission/liquide caloporteur raccordé à l'échangeur basse température 30 par le circuit 24 de liquide caloporteur froid. A la sortie de ce premier échangeur 22, la température de l'air d'admission est d'environ 50 C. Ce dernier traverse ensuite le deuxième échangeur 26 air d'admission/liquide caloporteur raccordé au circuit 28 de liquide caloporteur très froid. En considérant que le circuit 28 de liquide caloporteur très froid est couplé thermiquement à la source froide 38 de la pompe à chaleur, la température de l'air d'admission à la sortie du deuxième échangeur 26 peut atteindre environ 20 C. Dans l'exemple ci-dessus, l'air est admis dans le moteur 10 à une température (20 C) inférieure à celle de l'air ambiant (25 C) ce qui permet d'améliorer les performances du moteur. On observe que 10 C gagné sur la température de l'air d'admission permet un gain de 3% de la performance d'un moteur de type Diesel ou essence. On notera que la puissance échangée au niveau du deuxième échangeur 26 air d'admission/liquide caloporteur est relativement faible (environ 2 kW). Cette puissance peut être obtenue au moyen d'un deuxième échangeur 26 de dimension relativement réduite dans la direction du sens d'écoulement du flux d'air d'admission. Cet échangeur thermique 26, peu encombrant, a donc un effet limité sur les pertes de charge subies par le flux d'air. En général, le compresseur 42 de la pompe à chaleur 34 (comportant une source froide 38 couplée thermiquement avec le circuit 28 de liquide caloporteur très froid) est couplé à l'arbre du moteur 10. Le fonctionnement de la pompe à chaleur 34 diminue donc les performances mécaniques du moteur. Toutefois, le bilan énergétique global reste positif. En effet, à un gain de 300C sur l'air d'admission correspond un gain net de 7% de la performance mécanique de l'arbre du moteur 10. Le premier échangeur thermique 22 air d'admission/liquide caloporteur est utilisé à sa puissance maximale pour abaisser la température de l'air d'admission jusqu'à 500C conformément à l'exemple ci-dessus. Le deuxième échangeur thermique 26 air d'admission/liquide caloporteur, en série avec le premier échangeur thermique 22, permet d'abaisser encore la température de l'air d'admission de façon à obtenir le fonctionnement optimisé du moteur. Sur la figure 3, on a représenté un dispositif 20 de régulation thermique de l'air d'admission selon un second mode de réalisation de l'invention. Dans certains types de moteur, une partie des gaz d'échappement est remise en circulation avec l'air d'admission à l'aide de moyens classiques appropriés. Ces gaz d'échappement sont communément appelés gaz d'échappement recirculés EGR (Exhaust Gaz Recycling). Ces derniers, mélangés avec l'air d'admission à l'aide de moyens classiques appropriés, sont renvoyés vers le moteur 10. Le dispositif 20 de régulation thermique de l'air d'admission selon le second mode de réalisation représenté sur la figure 3 permet de réguler la température des gaz d'échappement recirculés dans le but notamment d'abaisser la température de ces gaz avant d'être mélangés à l'air d'admission et renvoyés vers le moteur 10. A cet effet, un échangeur thermique 46 gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur est raccordé en dérivation au premier échangeur thermique 22 air d'admission/liquide caloporteur. Le flux de gaz d'échappement recirculés traversant l'échangeur thermique 46 est représenté sur la figure 3 par des flèches orientées de gauche à droite. De préférence, l'échangeur thermique 46 gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur est également agencé dans le module regroupant les premier 22 et deuxième 26 échangeurs thermiques air d'admission/liquide caloporteur. Par ailleurs, le dispositif 20 de régulation thermique de l'air d'admission selon le second mode de réalisation de l'invention permet aussi bien de refroidir cet air d'admission que de le réchauffer. En effet, on souhaite réchauffer l'air d'admission d'un moteur notamment lorsque ce dernier est raccordé à une ligne d'échappement munie d'un filtre à particules. Ce filtre doit être régénéré périodiquement afin d'éliminer les particules de suie qui s'y accumulent. La régénération est réalisée par chauffage de l'air d'admission jusqu'à une température suffisante pour provoquer la combustion des particules de suie. Le premier échangeur thermique 22 air d'admission/liquide caloporteur est raccordé à un circuit 48 de liquide caloporteur dit chaud, destiné à réchauffer l'air d'admission, par l'intermédiaire de moyens de répartition des liquides caloporteurs froid et chaud dans l'échangeur 22. Le liquide caloporteur circulant dans le circuit 48 de liquide caloporteur chaud est de type classique et comprend par exemple un mélange d'eau et d'antigel. Les moyens de répartition comprennent une vanne de répartition trois voies classique 50, par exemple de type tout ou rien ou de type proportionnel, comprenant : une première voie d'entrée de liquide caloporteur 50A raccordée au circuit 24 de liquide caloporteur froid, une deuxième voie d'entrée de liquide caloporteur 50B raccordée au circuit 48 de liquide caloporteur chaud et une troisième voie de sortie de liquide caloporteur 50C raccordée à la fois à une entrée de liquide caloporteur dans le premier échangeur thermique 22 air d'admission/tiquide caloporteur et à une entrée de liquide caloporteur dans l'échangeur thermique 46 gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur, par un conduit 52 commun aux circuits de liquide caloporteur froid 24 et chaud 48. Le circuit 48 de liquide caloporteur chaud est raccordé, par exemple, à un circuit classique de refroidissement du moteur 10, non représenté sur les figures. En variante, ce circuit 48 de liquide caloporteur chaud peut être couplé thermiquement, directement ou indirectement, à la source chaude 40 de la pompe à chaleur 34. Une vanne 54 de réglage du débit de liquide caloporteur dans l'échangeur thermique 46 gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur relie le conduit commun 52 à l'entrée de cet échangeur thermique 46. La vanne de réglage 54 est de type classique, par exemple de type tout ou rien ou de type proportionnel. On décrira ci-dessous certains aspects essentiels du fonctionnement du dispositif de régulation thermique 20 selon le second mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 3. Pour refroidir, d'une part, les gaz d'échappement recirculés, et d'autre part, l'air d'admission à la sortie du compresseur 18, la vanne de réglage 54 est ouverte et la vanne de répartition 50 est réglée de façon à raccorder le premier échangeur thermique 22 air d'admission/liquide caloporteur au circuit 24 de liquide caloporteur froid. Le débit de liquide caloporteur froid traversant l'échangeur basse température 30 est régulé par la pompe 32. La répartition des débits de liquide caloporteur dans chacun des échangeurs 22,46 peut être réglée en réglant la vanne 54. Le liquide caloporteur circulant dans le premier échangeur 22 refroidit l'air d'admission en lui cédant des frigories. Cet air d'admission est également refroidi par le deuxième échangeur 26 air d'admission/liquide caloporteur conformément au fonctionnement décrit précédemment. Pour réchauffer l'air d'admission, afin par exemple de régénérer le filtre à particules 19, la vanne de réglage 54 est fermée et la vanne de répartition 50 est réglée de façon à raccorder le premier échangeur thermique 22 air d'admission/liquide caloporteur au circuit 48 de liquide caloporteur chaud. Le liquide caloporteur circulant dans l'échangeur 22 réchauffe l'air d'admission en lui cédant des calories. Bien entendu, le deuxième échangeur 26 air d'admission/liquide caloporteur est désactivé. Parmi les avantages de l'invention, on notera que le deuxième échangeur thermique 26 air d'admission/liquide caloporteur permet d'optimiser le refroidissement de l'air d'admission du moteur, notamment à la sortie d'un compresseur d'un ensemble turbo-compresseur. Par ailleurs, les premier 22 et deuxième 26 échangeurs thermiques air d'admission/liquide caloporteur peuvent être agencés dans un même module d'une l'installation de régulation thermique de l'air d'admission, et l'échangeur thermique 46 gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur peut également être agencé dans ce module. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation thermique de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne (10) de véhicule automobile, du type comprenant un premier échangeur thermique (22) air d'admission/liquide caloporteur, destiné à réguler la température de l'air d'admission, raccordé à un circuit (24) de liquide caloporteur dit froid, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième échangeur thermique (26) air d'admission/liquide caloporteur, destiné également à réguler la température de l'air d'admission, raccordé à un circuit (28) de liquide caloporteur dit très froid, plus froid que celui du circuit (24) de liquide caloporteur froid. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit (24) de liquide caloporteur froid comprend un échangeur thermique (30) air/liquide caloporteur froid, dit échangeur basse température, porté de préférence par une face avant (31) du véhicule automobile. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le liquide caloporteur est mis en circulation dans le circuit (24) de liquide caloporteur froid par une pompe (32). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une pompe à chaleur (34), le circuit (28) de liquide caloporteur très froid étant couplé thermiquement avec une source froide (38) de la pompe à chaleur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les premier (22) et deuxième (28) échangeurs thermiques air d'admission/liquide caloporteur sont agencés dans un même module. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, le moteur (10) émettant des gaz d'échappement en partie recirculés, le dispositif comprend de plus un échangeur thermique (46) gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur raccordé en dérivation au premier échangeur thermique (22) air d'admission liquide/caloporteur. 7. Dispositif selon les revendications 5 et 6 prises ensemble, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (46) gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur est également agencé dans le module. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le premier échangeur thermique (22) air d'admission liquide/caloporteur est raccordé à un circuit (48) de liquide caloporteur dit chaud, plus chaud que celui du circuit (24) de liquide caloporteur froid, par l'intermédiaire de moyens (50 ; 54) de répartition des liquides caloporteurs froid et chaud dans le premier échangeur thermique (22) air d'admission/liquide caloporteur. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit de liquide caloporteur chaud (48) est raccordé à un circuit de refroidissement du moteur à combustion interne (10). 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit de liquide caloporteur chaud (48) est couplé thermiquement à une source chaude (40) de pompe à chaleur (34). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens de répartition comprennent une vanne de répartition (50), à au moins trois voies, comprenant une première voie (50A) d'entrée de liquide caloporteur raccordée au circuit (24) de liquide caloporteur froid, une deuxième voie (50B) d'entrée de liquide caloporteur raccordée au circuit (48) de liquide caloporteur chaud et une troisième voie (50C) de sortie de liquide caloporteur raccordée à une entrée de liquide caloporteur dans le premier échangeur thermique (22) air d'admission/liquide caloporteur. 12. Dispositif selon les revendications 6 et 11 prises ensemble, caractérisé en ce que la troisième voie (50C) de la vanne de répartition est raccordée à la fois à l'entrée de liquide caloporteur dans l'échangeur thermique (22) air d'admission/liquide caloporteur et à une entrée de liquide caloporteur dans l'échangeur thermique (46) gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur, par un conduit (52) commun aux circuits de liquide caloporteur froid (24) et chaud (48). 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de répartition comprennent une vanne (54) de réglage du débit de liquide caloporteur dans l'échangeur thermique (46) gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur reliant le conduit commun (52) et l'entrée de cet échangeur thermique (46) gaz d'échappement recirculés/liquide caloporteur. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'air d'admission est entraîné, à une pression supérieure à la pression atmosphérique, à travers les premier (22) et deuxième (26) échangeurs thermiques air d'admission/liquide caloporteur par un ensemble turbo-compresseur muni d'une turbine (16) entraînée par des gaz d'échappement du moteur à combustion interne (10). 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne (10), par exemple de type Diesel, est raccordé à une ligne d'échappement (14) munie d'un filtre à particules (19). 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide caloporteur est un mélange d'eau et d'antigel. 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième échangeur thermique (26) air d'admission/liquide caloporteur est agencé en aval du premier échangeur thermique classique (22) air d'admission/liquide caloporteur, en considérant le sens d'écoulement de l'air d'admission.