Brevet FR2873799A1 — publié le 20060203

"Echangeur thermique à faisceau tubulaire double, notamment pour un moteur à combustion interne suralimenté" L'invention concerne un échangeur thermique à faisceau tubulaire, notamment destiné à refroidir l'air de suralimentation dans un moteur à combustion interne suralimenté de véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un échangeur thermique, notamment du type air-air, pour un moteur à combustion interne suralimenté, du type comportant au moins un io premier collecteur et un second collecteur qui sont reliés transversalement par un faisceau de tubes horizontaux dans lesquels circule un flux intérieur d'air à refroidir par un flux de fluide de refroidissement circulant à l'extérieur du faisceau de tubes. Dans les moteurs à combustion interne suralimentés, il est connu d'utiliser des dispositifs de refroidissement ou "refroidisseurs", tels qu'un échangeur thermique ou de chaleur, pour refroidir l'air de suralimentation afin de réduire la charge thermique du moteur, la température des gaz d'échappement, et par conséquent les émissions de NOx et la consommation de carburant. L'air de suralimentation peut essentiellement être refroidi de deux façons, à savoir soit par le liquide de refroidissement du moteur, soit par l'air ambiant extérieur. Dans le cas du refroidissement par eau, la position de montage du refroidisseur typiquement un échangeur du type air-eau peut être choisie librement, ce qui est très avantageux vu l'extrême compacité des refroidisseurs refroidis par eau. Néanmoins, il n'est pas possible d'abaisser la température de l'air de suralimentation à la valeur souhaitée qui est généralement en dessous de celle du liquide de refroidissement. C'est la raison pour laquelle, les véhicules automobiles comportant des moteurs à combustion interne suralimentés ou turbocompressés sont presque exclusivement équipés de refroidisseurs d'air de suralimentation refroidis par air, généralement au moins un échangeur thermique du type air-air. Le document US-A-4.702.079 décrit un exemple d'échangeur thermique du type air-air qui, comme on peut notamment le voir sur la figure 2 de ce document, est le plus souvent monté à l'avant du véhicule de manière à être ventilé par la pression dynamique de l'air extérieur lorsque le véhicule se déplace. Bien entendu, l'échangeur air-air peut aussi être placé à un io autre endroit du compartiment moteur du véhicule, mais il doit alors être ventilé au moyen d'une soufflante séparée, telle qu'un groupe motoventilateur. Une telle solution est donc rarement mise en oeuvre pour des raisons de coûts, de poids et d'encombrement. Dans le cas d'une implantation de l'échangeur à l'avant du véhicule, il est aussi nécessaire de prendre en considération d'autres contraintes, plus particulièrement des contraintes relatives à la sécurité telles que le respect des normes relatives au choc avec un piéton. Ainsi, l'échangeur air-air est généralement placé devant le radiateur d'eau avec l'avantage de toujours avoir un refroidissement, suffisant à petite vitesse du fait de la présence du ventilateur du radiateur d'eau. Cependant, une telle implantation présente en contrepartie le risque d'entraver la circulation et l'arrivée de l'air extérieur de refroidissement et l'inconvénient de "préchauffer" l'air de refroidissement, et donc de devoir surdimensionner le radiateur d'eau. Afin de remédier à ces inconvénients, on recherche notamment des solutions permettant d'implanter les échangeurs (ou refroidisseurs) d'air de suralimentation au dessus ou au dessous du radiateur d'eau. Néanmoins, une telle implantation nécessite d'utiliser, en particulier pour des raisons d'encombrement, un échangeur thermique présentant des dimensions en longueur, en largeur et en hauteur appropriées, c'est-àdire un échangeur globalement en forme de "barre" dont le faisceau de tubes soit de grande longueur par comparaison à ses largeur et hauteur respectives. Dans un échangeur thermique, plus la longueur des tubes du faisceau parcourus par le flux d'air de suralimentation est importante pour un même nombre de tubes, plus la perte de charge augmente. De plus, les tubes du faisceau comportent généralement des moyens tels que des "turbulateurs" ainsi appelés parce qu'ils io provoquent un écoulement de l'air à refroidir de type turbulent ou non laminaire et cela afin d'accroître les échanges thermiques entre l'air à refroidir et le fluide de refroidissement. Ainsi, l'importance des pertes de charge dans de tels échangeurs a jusqu'à présent compromis leur utilisation dans des applications de refroidissement de l'air de suralimentation d'un moteur à combustion interne. Pour remédier à ces inconvénients, l'invention propose un échangeur thermique, notamment du type air-air, dont la perte de charge interne est particulièrement réduite. Dans ce but, l'invention propose un échangeur thermique du type décrit précédemment, caractérisé en ce que le faisceau de tubes comporte au moins: - une première partie comportant au moins une série de tubes avec turbulateurs munie respectivement d'une entrée et 25 d'une sortie du flux intérieur d'air à refroidir, - une seconde partie comportant au moins une série de tubes avec turbulateurs munie respectivement d'une entrée et d'une sortie du flux intérieur d'air à refroidir, - et une boîte de répartition comportant un orifice d'entrée du flux intérieur d'air qui communique avec une première sortie et une deuxième sortie, les première et deuxième sorties étant respectivement raccordées aux entrées des séries de tubes des première et seconde parties. Avantageusement, l'échangeur thermique selon l'invention présente, à capacité de refroidissement et à perte de charge équivalentes par rapport aux échangeurs de l'état de la technique, un encombrement réduit permettant notamment de l'implanter en s dessous du radiateur d'eau du moteur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - les sorties des séries de tubes des première et seconde parties débouchent respectivement dans le premier collecteur et dans le second collecteur; io - la boîte de répartition constitue une boîte à air d'entrée du flux d'air intérieur et le premier collecteur et le second collecteur constituent une première et une deuxième boîtes à air de sortie du flux d'air intérieur qui comportent respectivement un premier orifice de sortie et un deuxième orifice de sortie; - la section totale de passage de la série de tubes avec turbulateurs de la première partie est globalement équivalente à la section totale de passage de la série de tubes avec turbulateurs de la seconde partie; - l'échangeur comporte au moins un passage de circulation du flux de fluide de refroidissement entre au moins une partie des tubes des séries de tubes munis de turbulateurs de la première partie et/ou de la seconde partie; - les tubes munis de turbulateurs des séries des première et seconde parties présentent, suivant un plan de coupe vertical, une section longitudinale parallélépipédique, notamment rectangulaire; le fluide de refroidissement du flux intérieur d'air est constitué par un flux extérieur d'air, tel qu'un flux d'air résultant de la pression dynamique de l'air provoqué par le déplacement du véhicule et/ou par un groupe moto-ventilateur; - l'échangeur présente transversalement une forme générale oblongue de manière à permettre son implantation au dessus ou en dessous du radiateur de refroidissement du moteur - l'échangeur est globalement de forme parallélépipédique-rectangle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue partielle de côté de la partie avant d'un véhicule dans laquelle on a représenté schématiquement l'implantation du moteur à combustion interne, io du radiateur de refroidissement et de l'échangeur thermique conforme aux enseignements de l'invention; - la figure 2 est une vue de face de l'échangeur thermique selon l'invention agencé en dessous du radiateur de refroidissement du moteur; - la figure 3 est une vue de dessus de l'échangeur thermique selon l'invention; - la figure 4 est une vue en coupe transversale et verticale de l'échangeur thermique selon le plan IV-IV correspondant indiqué à la figure 3, qui illustre un exemple de réalisation des séries de tubes avec et sans turbulateurs respectivement dans chacune des première et seconde parties; - les figures 5 et 6 sont respectivement des vues en coupe longitudinale et verticale de la première partie et de la seconde partie selon les plans de coupe verticaux V-V et VI-VI correspondants indiqués sur la figure 3; - la figure 7 est une vue en coupe transversale et horizontale de la boîte de répartition selon le plan de coupe VII-VII. Par convention, on utilisera à titre non limitatif dans la description et les revendications les termes "inférieur" ou "supérieur" et les directions "longitudinale", "transversale" ou "verticale" pour désigner respectivement des éléments ou des positions selon les définitions données dans la description et selon le trièdre (L, V, T) représenté sur les figures. On a représenté schématiquement à la figure 1, la partie avant d'un véhicule automobile 10 comportant un groupe motopropulseur à moteur à combustion interne 12, qui est ici du type suralimenté. De manière connue, un tel moteur suralimenté 12 comporte un circuit d'admission, un circuit d'échappement et un turbocompresseur (non représentés) qui comprend un io compresseur pour mettre sous pression de l'air frais atmosphérique et une turbine pour fournir l'énergie mécanique nécessaire à l'entraînement du compresseur. On rappellera succinctement que, lors du fonctionnement du moteur 12, l'air frais provenant de l'atmosphère est admis dans un partie d'entrée du circuit d'admission, après avoir traversé le filtre à air destiné à retenir les particules présentes dans l'air frais et qu'il est alors aspiré, puis comprimé par le compresseur. La compression de l'air provoque son échauffement de sorte qu'il est nécessaire que l'air frais comprimé, dit de suralimentation, soit ensuite refroidi avant de parvenir au collecteur d'admission et d'alimenter cycliquement les cylindres selon une fréquence qui est fonction du régime du moteur 12. Le circuit d'admission comporte par conséquent un dispositif de refroidissement, encore appelé refroidisseur, lequel consiste généralement comme expliqué précédemment en un échangeur thermique 14 que traverse un fluide caloporteur de refroidissement de manière à refroidir le flux intérieur d'air Fi de suralimentation venant du compresseur. Après la combustion, les gaz d'échappement sous pression sont rejetés, par l'intermédiaire d'un collecteur d'échappement (non représenté), dans une conduite d'échappement (non représentée) qui alimente sélectivement la turbine du turbocompresseur avant que ces gaz ne soient rejetés dans l'atmosphère. Dans l'exemple de réalisation illustré aux figures, l'échangeur thermique 14 est un échangeur du type air-air de sorte que le fluide de refroidissement est constitué par un flux extérieur d'air Fe. Comme on peut le voir sur la figure 1, le flux extérieur d'air Fe correspond notamment au flux d'air résultant de la pression dynamique de l'air provoqué par le déplacement du véhicule. Le flux extérieur d'air Fe est ici représenté schématiquement par des flèches à hampe ondulée de manière à les distinguer des autres flèches que comportent les figures, notamment des flèches à hampe rectiligne représentant schématiquement le flux intérieur d'air Fi. On notera que les dimensions de l'échangeur thermique 14, c'est à dire sa largeur ou profondeur (I), sa hauteur (h) et sa longueur (L), correspondent ici respectivement à ses dimensions selon les directions longitudinale, verticale et transversale du trièdre (L, V, T). L'échangeur thermique 14 comporte un premier collecteur 16 et un second collecteur 18 qui sont reliés transversalement par un faisceau 20 de tubes dans lesquels circule le flux intérieur d'air Fi à refroidir par le flux extérieur d'air Fe de refroidissement circulant à l'extérieur des tubes du faisceau 20. L'échangeur thermique 14 a sensiblement une forme de "barre", c'est-àdire qu'il présente transversalement une forme générale oblongue, ici globalement parallélépipédique-rectangle. Un tel échangeur thermique 14 est donc avantageusement susceptible d'être implanté en dessous du radiateur de refroidissement 22 du circuit de refroidissement du moteur 12, comme cela est illustré sur les figures 1 et 2. En variante, l'échangeur thermique 14 est implanté au dessus du radiateur de refroidissement 22 du circuit de refroidissement du moteur 12. Une telle implantation est désormais rendue possible avec un échangeur thermique 14 réalisé conformément à l'invention qui permet notamment de réduire la perte de charge interne par comparaison aux échangeurs de forme oblongue selon l'état de la technique. L'échangeur thermique 14 selon l'invention est caractérisé par le fait que le faisceau 20 de tubes comporte au moins: - une première partie PI comportant au moins une série de tubes Tl munis de turbulateurs 26 qui comporte une entrée El et une sortie SI du flux intérieur d'air Fi à refroidir, - une seconde partie P2 comportant au moins une série de lo tubes T2 munis de turbulateurs qui comporte une entrée E2 et une sortie S2 du flux intérieur d'air Fi à refroidir, - et une boîte intermédiaire 24 de répartition comportant un orifice OE d'entrée du flux intérieur d'air Fi qui communique avec une première sortie SPI et une deuxième sortie SP2. Les première et deuxième sorties SPI, SP2 sont raccordées aux entrées El, E2 des séries de tubes T1, T2 des première et seconde parties Pl, P2 respectivement. En considérant les figures 2 à 4, le faisceau 20 de tubes comporte donc principalement à gauche une première partie P1, à droite une seconde partie P2 et centralement la boîte intermédiaire de répartition 24 qui est interposée transversalement entre les première et seconde parties P1, P2. Comme on peut le voir sur la figure 3, la boîte de répartition 24 constitue une boîte à air d'entrée du flux d'air intérieur Fi tandis que le premier collecteur 16 et le second collecteur 18 constituent une première et une deuxième boîtes à air de sortie du flux d'air intérieur Fi. Le premier collecteur 16 et le second collecteur 18 comportent respectivement un premier orifice de sortie OS1 et un deuxième orifice de sortie OS2 du flux d'air intérieur Fi. Avantageusement, les boîtes à air de sortie sont identiques ce qui permet notamment d'en réduire le coût de production. Le flux intérieur d'air Fi provenant du compresseur par un élément aval de conduit du circuit d'admission est ainsi admis dans l'échangeur thermique 14 par l'orifice d'entrée OE de la boîte de répartition 24, puis il est divisé par l'intermédiaire de moyens de répartition de manière à se répartir entre la première sortie SPI et la deuxième sortie SP2. Comme on peut le voir sur la coupe de la figure 7, les moyens de répartition sont par exemple constitués par une cloison longitudinale 28 qui est positionnée centralement face à l'orifice d'entrée OE de manière à orienter et répartir également le flux intérieur d'air Fi en deux parties Fil et Fi2 respectivement lo vers les sorties SPI et SP2. Avantageusement, la cloison longitudinale 28 comporte des faces verticales 30 concaves de manière à orienter l'écoulement du flux d'air Fil vers la série de tubes Ti de la première partie P1 et celui du flux d'air Fi2 vers la série de tubes T2 de la seconde partie P2. Les première et deuxième sorties SPI, SP2 sont respectivement raccordées aux entrées El, E2 des séries de tubes T1, T2 des première et seconde parties PI, P2. Le flux intérieur d'air Fi divisé en deux par la cloison 28 circule en sens opposés dans la série de tubes Tl de la première partie PI et la série de tubes T2 de la seconde partie P2 et suivant la direction transversale T comme illustré par les flèches sur les figures 2 et 3. Le flux extérieur d'air Fe de refroidissement circule, comme l'illustrent les flèches sur les figures 1 et 3, suivant la direction longitudinale L, c'est à dire orthogonalement à la direction transversale T. Après refroidissement, chaque partie Fil, Fi2 du flux intérieur d'air Fi est dirigée respectivement vers la sortie S1, S2 de la série de tubes T1, T2 de la première, seconde partie Pl, P2 qui débouche dans le premier collecteur 16, le second collecteur 18. Chaque partie Fil, Fi2 du flux d'air Fi qui pénètre dans le premier collecteur 16 et dans le second collecteur 18 i0 respectivement, poursuit ensuite son parcours vers des éléments amonts du conduit d'admission du circuit d'admission du moteur 12 qui sont respectivement raccordés aux orifices de sortie OS1 et OS2 des collecteurs 16, 18. Selon l'exemple de réalisation de l'échangeur thermique 14 illustré à la figure 4, les tubes munis de turbulateurs des séries T1, T2 des première et seconde parties P1, P2 présentent, suivant un plan de coupe vertical, une section longitudinale parallélépipédique, notamment rectangulaire. io En variante (non représentée), les tubes avec turbulateurs des séries Ti, T2 des première et seconde parties P1, P2 présentent suivant un plan de coupe vertical une section longitudinale globalement circulaire. De préférence, la section ou l'aire totale de passage Al de la série de tubes T1 avec turbulateurs de la première partie P1 est globalement équivalente à la section ou l'aire totale de passage A2 de la série de tubes T2 avec turbulateurs de la seconde partie P2. Avantageusement, l'échangeur thermique 14 comporte un passage 32 de circulation du flux extérieur d'air Fe formant le fluide de refroidissement entre chacun des tubes des séries de tubes Ti, T2 munis de turbulateurs 26 de la première partie P1 et de la seconde partie P2. De manière connue, les turbulateurs 26 permettent de favoriser les échanges thermiques et donc la dissipation de chaleur par le flux extérieur d'air Fe de refroidissement circulant dans les passages 32. Les tubes comportant des turbulateurs 26 ont ici été représentés sur la figure 4 en "grisé" ou "tramé" afin de les différencier notamment des passages 32 et sont par ailleurs mieux visibles sur les coupes des figures 5 et 6. Les dimensions du faisceau 20 de l'échangeur thermique 14 sont par exemple comprises entre 500 et 800 mm pour la 2873799 Il longueur (L), entre 40 et 200 mm pour la hauteur (h) et entre 50 et 120 mm pour la largeur (I). Par comparaison avec un échangeur thermique de l'état de la technique comportant un faisceau tubes horizontaux de longueur "L" provoquant une importante perte de charge, l'échangeur thermique 14 selon l'invention permet, grâce au fait que le flux intérieur Fi parcourt après répartition seulement la moitié de cette longueur, soit de l'ordre de "L/2", d'obtenir une réduction de la perte de charge. io De plus, par comparaison avec un échangeur thermique de l'état de la technique, le nombre de tubes horizontaux du faisceau est avantageusement doublé. Par exemple, dans un échangeur thermique selon l'état de la technique traversé par un flux intérieur d'air Fi à une température de l'ordre de 180 C, la perte de charge mesurée était supérieure à 120 mbar et la température de sortie de l'ordre de 60 C, alors que dans des conditions analogues la perte de charge est réduite à environ 70 mbar et la température de sortie de l'ordre de 50 C avec un échangeur thermique 14 selon l'invention. Avantageusement, un tel agencement d'un échangeur thermique 14 permet de supprimer des problèmes tels que "l'effet de masque" que provoque un premier échangeur qui, agencé devant un deuxième échangeur comme le radiateur de refroidissement, constitue alors un "écran" pour le deuxième échangeur et qui est notamment susceptible de perturber la circulation du flux extérieur d'air de refroidissement. De plus, une telle implantation de l'échangeur thermique 14 facilite le raccordement des orifices d'entrée et de sortie de l'échangeur avec les conduits respectifs du circuit d'admission, en améliorant notamment l'accessibilité à l'échangeur 14 et en permettant de surcroît une simplification des parcours des conduits auparavant tortueux et de plus grande longueur. Avantageusement, un groupe moto-ventilateur, tel que le groupe motoventilateur associé au radiateur du circuit de refroidissement du moteur 12, est susceptible d'amener à l'échangeur thermique 14 suffisamment d'air de refroidissement lorsque le flux extérieur d'air créé par la marche du véhicule est insuffisant, en particulier lorsque le véhicule roule doucement ou s est arrêté alors que le moteur 12 continue de fonctionner. Avantageusement, le moteur 12 à combustion interne suralimenté dont l'air de suralimentation est refroidi par l'échangeur thermique 14 est un moteur en "V". Bien entendu, les notions d"'entrée" et de "sortie" sont lo relatives et ne sont par conséquent pas limitatives des variantes de réalisation possibles, notamment en fonction des applications. Ainsi, sans sortir du cadre de l'invention, le flux intérieur d'air Fi peut, en amont de l'échangeur 14, être divisé en deux parties Fil et Fi2 respectivement introduite dans chaque collecteur 16 et 18 de l'échangeur 14 par des orifices d'entrée, tels que les orifices OS1 et OS2. Dans ce cas, les parties Fil et Fi2 du flux circulent comme précédemment respectivement dans les première et seconde parties P1, P2 afin d'y être refroidie, puis sont par exemple collectée centralement par le boîtier 24 dans lequel le flux refroidi est récupéré avant d'être évacué par un orifice de sortie, tel que l'orifice 0E. La boîte de répartition 24 constitue alors une boîte à air de sortie du flux d'air intérieur et le premier collecteur et le second collecteur constituent une première et une deuxième boîtes à air d'entrée des parties Fil et Fi2 du flux intérieur d'air Fi. Une telle variante de l'échangeur thermique 14 comportant une double entrée et une sortie unique est avantageusement susceptible d'être mise en oeuvre dans un moteur 12 à combustion interne du type moteur "en ligne". En variante, les tubes du faisceau 20 peuvent être verticaux. L'échangeur thermique de type air-air n'est donné qu'à titre d'exemple non limitatif et l'invention trouve à s'appliquer à tous types d'échangeur thermique, en particulier à un échangeur thermique du type air-liquide dans lequel le fluide de refroidissement est constitué par un liquide comme l'eau ou l'huile. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique (14), notamment pour un moteur (12) à combustion interne suralimenté, du type comportant au moins un premier collecteur (16) et un second collecteur (18) qui s sont reliés par au moins un faisceau (20) de tubes horizontaux dans lesquels circule un flux intérieur d'air (Fi) à refroidir par un flux de fluide de refroidissement circulant à l'extérieur des tubes du faisceau (20), caractérisé en ce que le faisceau (20) de tubes comporte au moins: - une première partie (PI) comportant au moins une série de tubes (T1) munis de turbulateurs (26) qui comporte une entrée (El) et une sortie (Si) du flux intérieur d'air (Fi), - une seconde partie (P2) comportant au moins une série de tubes (T2) munis de turbulateurs qui comporte une entrée (E2) 15 et une sortie (S2) du flux intérieur d'air (Fi), - et une boîte intermédiaire de répartition comportant un orifice (0E) d'entrée du flux intérieur d'air (Fi) qui communique avec une première sortie (SPI) et une deuxième sortie (SP2), les première et deuxième sorties (SPI, SP2) étant respectivement raccordées aux entrées (El, E2) des séries de tubes (Tl, T2) des première et seconde parties (P1, P2). 2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sorties (SI, S2) des séries de tubes (Tl, T2) des première et seconde parties (P1, P2) débouchent respectivement dans le premier collecteur (16) et dans le second collecteur (18). 3. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la boîte de répartition (24) constitue une boîte à air d'entrée du flux d'air intérieur (Fi) et en ce que le premier collecteur (16) et le second collecteur (18) constituent une première et une deuxième boîtes à air de sortie du flux d'air intérieur (Fi) qui comportent respectivement un premier orifice de sortie (OS1) et un deuxième orifice de sortie (OS2). 4. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section totale de passage (Al) de la série de tubes (T1) avec turbulateurs de la première partie (P1) est globalement équivalente à la section totale de passage (A2) de la série de tubes (T2) avec turbulateurs de la seconde partie (P2). 5. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un passage (32) de circulation du flux (Fe) de fluide de refroidissement entre au moins une partie des tubes des séries de tubes (T1, T2) munis de turbulateurs (26) de la première partie (P1) et/ou de la seconde partie (P2). 6. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes munis de turbulateurs (26) des séries (Tl, T2) des première et seconde parties (P1, P2) présentent, suivant un plan de coupe vertical, une section longitudinale parallélépipédique, notamment rectangulaire. 7. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement du flux intérieur d'air (Fi) est constitué par un flux extérieur d'air (Fe), tel qu'un flux d'air résultant de la pression dynamique de l'air provoqué par le déplacement du véhicule et/ou par un groupe moto-ventilateur. 8. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente transversalement une forme générale oblongue de manière à permettre son implantation au dessus ou en dessous du radiateur (22) de refroidissement du moteur (12). 9. Echangeur thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est globalement de forme parallélépipédique- rectangle.