Brevet FR2890413A1 — publié le 20070309

"Agencement d'un dispositif thermoacoustique dans un moteur à combustion interne" L'invention concerne un agencement d'un dispositif thermoacoustique dans un moteur à combustion interne, 5 notamment de véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un agencement d'un dispositif thermoacoustique dans un moteur à combustion interne, notamment de véhicule automobile, le dispositif thermoacoustique comportant: io - un résonateur de forme globalement tubulaire d'axe longitudinal dont les deux extrémités sont fermées; - des moyens émetteurs d'ondes acoustiques à l'intérieur du résonateur qui sont agencés à une première extrémité du résonateur, la fréquence des ondes acoustiques internes is correspondant à une fréquence de résonance du résonateur de manière à produire une onde acoustique stationnaire interne à l'intérieur du résonateur; - un bouchon de matière conductrice de chaleur qui est agencé à l'intérieur du résonateur, à proximité de la deuxième extrémité, et qui comporte une pluralité de canaux longitudinaux aptes à laisser passer l'onde acoustique stationnaire interne; du type dans lequel le passage de l'onde acoustique stationnaire interne à travers les canaux du bouchon produit un gradient longitudinal de température dans le bouchon. Des dispositifs thermoacoustiques de ce type sont déjà connus. Le résonateur est généralement formé d'un tube fermé comportant des parties de forme linéaire et/ou torique. Ce tube contient un gaz sous pression, par exemple de l'hélium, à travers lequel une onde acoustique est susceptible de se propager. Lorsque l'onde sonore se propage le long du résonateur, les particules de gaz oscillent longitudinalement sur de petites distances autour d'une position fixe. Seule l'onde se propage d'un bout à l'autre du résonateur. L'oscillation des particules de gaz crée de faibles variations locales de pression et de température. Le gaz compressé se réchauffe, puis se refroidit en se détendant. Pour exploiter ces faibles variations de température et créer un mécanisme de pompage de chaleur, le gaz doit être mis en contact avec un solide qui conduit rapidement la chaleur. Ce solide est ici formé par le bouchon qui est aussi appelé cellule thermoacoustique, pile ou encore "stack". Le bouchon, qui est un insert qui ne forme pas à io proprement parler le résonateur, est par exemple formé par une pile de plaques de métal longitudinales superposées perpendiculairement à l'axe du résonateur. Les plaques de métal sont espacées de manière qu'un interstice longitudinal formant canal soit réservé entre deux plaques. is Le phénomène thermoacoustique est expliqué par la suite. Dans un dispositif thermoacoustique, l'énergie acoustique est convertie partiellement en chaleur. Ainsi, le passage de l'onde acoustique stationnaire interne à travers le résonateur permet le transport de chaleur depuis une source froide de chaleur qui est située à une première extrémité longitudinale du bouchon vers une seconde source chaude de température plus élevée qui est située à la deuxième extrémité longitudinale du bouchon. Pour les besoins de l'explication, on se figurera que plusieurs particules de gaz sont alignées longitudinalement à l'intérieur du canal. Une première particule de gaz est agencée à l'entrée du canal. Avant le passage de l'onde acoustique interne, chaque particule occupe une position initiale. Lorsque l'onde acoustique interne se propage, elle force la première particule de gaz à passer dans le canal étroit situé entre les plaques du bouchon. Le gaz est alors compressé et toutes les particules sont déplacées vers l'avant vers une position compressée dans laquelle les particules, et notamment la première particule, se réchauffent. La première particule dans sa position compressée occupe la position initiale de la deuxième particule adjacente. Dans sa position compressée, la première particule transmet cette chaleur de compression aux parois de métal qui l'entourent. Le bouchon se réchauffe alors localement. Puis, une fois l'onde passée, les particules, et notamment la première particule de gaz, débarrassées de leur chaleur, reviennent vers l'arrière jusqu'à leur position initiale. La chaleur localement emmagasinée par le bouchon est io alors transmise à la deuxième particule de gaz qui est dans sa position initiale. Lors d'un deuxième passage de l'onde acoustique, la deuxième particule transporte un peu plus loin vers l'avant cette chaleur, et ainsi de suite. Chaque petite oscillation du gaz permet is de pomper la chaleur vers l'avant le long du bouchon. L'onde acoustique interne étant stationnaire, la chaleur se déplace toujours vers la même extrémité longitudinale du bouchon. Après la mise en marche des moyens émetteurs, le bouchon devient chaud d'un côté et froid de l'autre. Pour exploiter la différence de température qui existe entre les deux extrémités longitudinales du bouchon, un échangeur de chaleur est agencé de manière adjacente à chaque extrémité longitudinale du bouchon. Il est déjà connu par le document FR-A-2.848.293 d'agencer un tel dispositif thermoacoustique à bord d'un véhicule automobile à moteur à combustion interne. Ce document propose que les moyens émetteurs d'ondes acoustiques à l'intérieur du résonateur convertissent l'énergie calorifique produite par les gaz d'échappement du moteur en ondes acoustiques. Cependant, cet agencement est complexe et onéreux. Pour remédier à ces problèmes, l'invention propose un agencement du type décrit précédemment, caractérisé en ce que les moyens émetteurs d'ondes acoustiques comportent: - une conduite de gaz qui est raccordée à au moins une chambre de combustion du moteur à combustion interne et qui est parcourue par des ondes acoustiques externes lorsque le moteur fonctionne; - et des moyens pour transmettre les ondes acoustiques externes à l'intérieur du résonateur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - la première extrémité du résonateur est raccordée en dérivation à la conduite de gaz, la première extrémité du io résonateur étant obturée par une membrane souple qui est apte à être excitée par les ondes acoustiques externes parcourant la conduite de gaz de manière à transmettre les ondes acoustiques externes à l'intérieur du résonateur; - la fréquence des ondes acoustiques externes produites is par le moteur varie en fonction du régime du moteur, et en ce que le dispositif thermoacoustique comporte des moyens pour faire varier la fréquence de résonance du résonateur en fonction du régime du moteur; l'agencement comporte des moyens pour faire varier la longueur du résonateur; - le résonateur est un tube télescopique; - le résonateur comporte une portion formant soufflet pour faire varier la longueur du résonateur; - la conduite de gaz est une conduite d'admission d'air dans au moins une chambre de combustion du moteur; - la conduite de gaz est une conduite d'échappement des gaz d'au moins une chambre de combustion du moteur. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est une vue de coté qui représente schématiquement un dispositif thermoacoustique qui est agencé selon les enseignements de l'invention; la figure 2 est une vue schématique qui représente un dispositif thermoacoustique qui est agencé dans un moteur à combustion interne selon les enseignements de l'invention; - la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1 qui s représente une variante du dispositif thermoacoustique selon l'invention. Dans la suite de la description, on adoptera à titre non limitatif une orientation longitudinale dirigée d'arrière en avant qui est indiquée par la flèche "L" de la figure 1. io Par la suite, des éléments similaires, analogues ou identiques seront désignés par des mêmes numéros de référence. On a représenté à la figure 1 un dispositif thermoacoustique 10. De manière connue, ce dispositif 10 comporte un is résonateur 12 qui est formé par un tube d'axe principal longitudinal "A". L'axe longitudinal "A" du résonateur 12 est rectiligne et sa longueur longitudinale totale est indiquée par la référence "L1". Le résonateur 12 a ici une section transversale circulaire. Selon une variante non représentée de l'invention, l'axe "A" du résonateur est curviligne ou présente au moins un tronçon curviligne. Dans ce cas, la direction longitudinale "L" correspond localement à la direction locale de l'axe principal "A" du résonateur. Le résonateur 12 comporte une première extrémité longitudinale arrière 14 qui est représentée à gauche à la figure 1, et il comporte une deuxième extrémité longitudinale avant 16 qui est représentée à droite à la figure 1. Chaque extrémité longitudinale 14, 16 est fermée. Le résonateur 12 ainsi fermé contient un milieu dans lequel une onde acoustique est susceptible de se propager, par exemple un gaz sous pression tel que de l'hélium ou de l'air. Le dispositif 10 comporte aussi des moyens émetteurs 18 qui sont destinés à émettre une onde acoustique dite interne "01" qui se propage longitudinalement à l'intérieur du résonateur 12. Les moyens émetteurs 18 seront détaillés par la suite. Lorsque les moyens émetteurs 18 fonctionnent, l'onde acoustique interne "01" émise à la première extrémité 14 traverse longitudinalement d'arrière en avant le résonateur 12 jusqu'à sa deuxième extrémité 16. L'onde acoustique "01" est alors dite incidente. Puis, le résonateur 12 étant fermé, l'onde acoustique interne "01" est réfléchie contre la deuxième extrémité 16. L'onde acoustique interne "01" réfléchie traverse alors longitudinalement io d'avant en arrière le résonateur 12. Le résonateur 12 présente une fréquence de résonance "Fres", ou fréquence propre, qui dépend des dimensions du résonateur 12, et notamment de sa longueur "L1 ". Ainsi, lorsque l'onde acoustique interne est émise avec une is fréquence coïncidant avec la fréquence de résonance "Fres", l'onde acoustique interne "01" est dite "stationnaire", c'est-à-dire que la superposition de l'onde incidente et de l'onde réfléchie forme une onde acoustique stationnaire interne "01" qui comporte une alternance longitudinale de noeuds "N" pour lesquels le gaz reste constamment au repos et des ventres "V" pour lesquels l'amplitude vibratoire longitudinale du gaz est maximale. Le dispositif 10 comporte aussi un bouchon 20, aussi appelé "pile" ou "stack", qui est réalisé en matière conductrice de chaleur. Le bouchon 20 est agencé à l'intérieur du résonateur 12 à proximité de la deuxième extrémité 16. Dans l'exemple représenté à la figure 1, le bouchon 20 est plus particulièrement agencé à une distance "L2" de la deuxième extrémité 16, entre un noeud "N" et un ventre "V" de manière que sa face d'extrémité longitudinale arrière 22 soit à proximité d'un noeud "N". A titre d'exemple non limitatif, la longueur totale "L1" du résonateur est égal à la moitié de la longueur de l'onde acoustique stationnaire et la longueur "L2" qui sépare le bouchon de l'extrémité avant 16 est égale au quart de la longueur "L1" du résonateur 12. Le bouchon 20 est traversé dans le sens de l'épaisseur par une pluralité de canaux longitudinaux 24 qui sont aptes à laisser passer l'onde acoustique stationnaire interne "01". Les dimensions transversales des canaux 24 sont faibles, de préférence de l'ordre de grandeur des couches limites thermiques et visqueuses. L'épaisseur longitudinale du bouchon est suffisamment io courte par rapport à la longueur totale "L1" du résonateur 12 pour que le bouchon 20 ne gêne pas la propagation de l'onde acoustique stationnaire interne "01", mais cette épaisseur longitudinale doit être assez longue pour permettre l'apparition du phénomène thermoacoustique. is Le bouchon 20 est par exemple formé des plaques métalliques 26 longitudinales qui sont parallèles entre elles et qui sont empilées selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal "A" du résonateur 12. Un interstice longitudinal 24 formant canal est réservé entre chaque paire de plaques 26. Selon une variante non représentée, le bouchon 20 est réalisé avec de la laine de verre. Lorsque le résonateur 12 est parcouru par l'onde acoustique stationnaire interne "01", l'onde acoustique stationnaire interne "01" passe à travers les canaux 24 du bouchon 20, ce qui produit un gradient longitudinal de température dans le bouchon 20 selon le phénomène thermoacoustique expliqué précédemment. Le gaz contenu dans une portion 28 du résonateur 12 qui est adjacente à la face avant 22 du bouchon 20, est chaud, tandis que le gaz contenu dans une portion 30 du résonateur 12 qui est adjacente à la face arrière 32 du bouchon 20, est froid. Les portions avant 28 et arrière 30 sont représentées par des zones hachurées à la figure 1. La portion avant 28 forme ainsi une source chaude tandis que la portion arrière 30 forme une source froide. Il est connu d'exploiter ces sources chaude 28 et froide 30 au moyen d'échangeurs de chaleurs (non représentés) qui sont agencés de manière adjacente à ces sources 28, 30. Les échangeurs de chaleur font par exemple parti d'un système de climatisation de véhicule automobile ou d'un système de chauffage de véhicule automobile. Selon les enseignements de l'invention, comme représenté io à la figure 2, les moyens émetteurs d'ondes acoustiques 18 comportent: - une conduite de gaz 34 qui est raccordée à au moins une chambre de combustion 36 d'un moteur à combustion interne 38 et qui est parcourue par des ondes acoustiques externes "02" is (non représentée) lorsque le moteur 38 fonctionne; - et des moyens 40 pour transmettre les ondes acoustiques externes "02" à l'intérieur du résonateur 12. Le dispositif 10 est ici embarqué à bord d'un véhicule automobile (non représenté) et la conduite 34 est une conduite de 20 gaz d'échappement du moteur 38 du véhicule. Selon un mode de fonctionnement connu des moteurs à combustion, de l'air et du carburant sont cycliquement brûlés dans la chambre de combustion 36, puis les gaz d'échappement résultants de cette combustion sont cycliquement évacués dans la conduite d'échappement 34. L'évacuation cyclique des gaz d'échappement dans la conduite d'échappement 34 provoque l'apparition d'une onde acoustique externe "02" qui se propage longitudinalement selon la direction indiquée par la flèche "F" de la figure 2, à travers la conduite d'échappement 34 depuis la chambre de combustion 36. La fréquence des ondes acoustiques externes "02" qui parcourent la conduite d'échappement 34 est proportionnelle au régime de fonctionnement du moteur 38. Comme représenté à la figure 1, la première extrémité 14 du résonateur 12 est raccordée en dérivation à la conduite de gaz d'échappement 34. L'axe principal longitudinal "A" du résonateur 12 est ici perpendiculaire à l'axe principal "B" de la conduite d'échappement 34. La première extrémité 14 du résonateur est obturée de manière étanche par une membrane souple 40. La membrane souple 40 forme une cloison qui sépare l'intérieur du résonateur 12 de l'intérieur de la conduite d'échappement 34. Une face avant io de la membrane est ainsi en contact avec le gaz contenu à l'intérieur du résonateur 12, tandis que sa face opposée arrière est en contact avec les gaz d'échappement qui s'écoulent dans la conduite d'échappement 34. La membrane souple 40 forme ici les moyens de is transmission des ondes acoustiques externes "02". La membrane souple 40 est ainsi apte à être excitée en flexion longitudinale par les ondes acoustiques externes "02". Lors du fonctionnement du moteur 38, la conduite d'échappement 34 est parcourue par les ondes acoustiques externes "02". La membrane 40 est excitée et elle vibre avec la même fréquence que celle des ondes acoustiques externes "02". La vibration de la membrane 40 provoque un déplacement du gaz contenu dans le résonateur 12 formant ainsi une onde acoustique interne "01" dont la fréquence est sensiblement la même que la fréquence des ondes acoustiques externes "02". Lorsque la fréquence des ondes acoustiques internes "01" coïncide avec la fréquence de résonance "Fres" du résonateur 12, l'onde acoustique stationnaire interne se forme, et le phénomène thermoacoustique se produit au niveau du bouchon 20 comme expliqué précédemment. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention qui est représenté à la figure 3, le dispositif 10 comporte des moyens pour faire varier la fréquence de résonance "Fres" du résonateur 12. i0 En effet, la fréquence des ondes acoustiques externes "02" qui parcourent la conduite d'échappement 34 est proportionnelle au régime de fonctionnement du moteur 38. La fréquence des ondes acoustiques internes "01" est donc aussi proportionnelle au régime de fonctionnement du moteur 38. Or, dans un véhicule automobile, le régime du moteur 38 varie souvent, voire presque en permanence par exemple lors d'une conduite en agglomération. L'invention propose de faire varier la fréquence de io résonance "Fres" du résonateur 12 en fonction du régime du moteur 38, en faisant notamment varier sa longueur totale "L1", de manière à faire concorder la fréquence de résonance "Fres" du résonateur 12 avec la fréquence de l'onde acoustique interne "01", afin que le dispositif thermoacoustique 10 fonctionne sur is une plus grande plage de régimes du moteur 38. Comme représenté à la figure 3, le résonateur 12 comporte ainsi un tronçon d'extrémité avant 12A et un tronçon d'extrémité arrière 12B. Le tronçon d'extrémité avant 12A est monté coulissant longitudinalement à l'intérieur du tronçon d'extrémité arrière 12B de manière que le résonateur 12 forme un tube télescopique. Il est ainsi possible de faire varier la longueur "L1" du résonateur 12 en fonction du régime de fonctionnement du moteur 38. Par exemple, lorsque le régime du moteur 38 augmente, la fréquence des ondes acoustiques internes "01" devient plus petite. La longueur "L1" du résonateur 12 est alors raccourcie en faisant coulisser le tronçon d'extrémité avant 12A dans le tronçon d'extrémité arrière 12B de manière à augmenter sa fréquence de résonance "Fres". Selon une variante non représentée de ce deuxième mode de réalisation, le tronçon d'extrémité avant 12A est monté coulissant longitudinalement par rapport au tronçon d'extrémité Il arrière 12B par un tronçon intermédiaire formant soufflet apte à faire varier la longueur "L1" du résonateur 12. Selon une variante non représentée de l'invention qui est applicable à tous les modes de réalisation décrits précédemment, s la conduite de gaz 34 est une conduite d'admission d'air dans la chambre de combustion 36 du moteur. La conduite d'admission d'air est en effet elle aussi parcourue par des ondes acoustiques externes lorsque le moteur 38 fonctionne. Le fonctionnement du dispositif thermoacoustique 10 est alors identique à ce qui a été io décrit précédemment. REVENDICATIONS 1. Agencement d'un dispositif thermoacoustique (10) dans un moteur à combustion interne (38), notamment de véhicule automobile, le dispositif thermoacoustique (10) comportant: - un résonateur (12) de forme globalement tubulaire d'axe longitudinal (A) dont les deux extrémités (14, 16) sont fermées; - des moyens (18) émetteurs d'ondes acoustiques (01) à l'intérieur du résonateur (12) qui sont agencés à une première extrémité (14) du résonateur (12), la fréquence des ondes lo acoustiques internes (01) correspondant à une fréquence de résonance (Fres) du résonateur (12) de manière à produire une onde acoustique stationnaire interne (01) à l'intérieur du résonateur (12) ; - un bouchon (20) de matière conductrice de chaleur qui is est agencé à l'intérieur du résonateur (12), à proximité de la deuxième extrémité (16), et qui comporte une pluralité de canaux longitudinaux (24) aptes à laisser passer l'onde acoustique stationnaire interne (01) ; le passage de l'onde acoustique stationnaire interne (01) à travers les canaux (24) du bouchon (20) produisant un gradient longitudinal de température dans le bouchon (20), caractérisé en ce que les moyens (18) émetteurs d'ondes acoustiques comportent: - une conduite de gaz (34) qui est raccordée à au moins une chambre de combustion (36) du moteur à combustion interne (38) et qui est parcourue par des ondes acoustiques externes (02) lorsque le moteur (38) fonctionne; - et des moyens (40) pour transmettre les ondes acoustiques externes (02) à l'intérieur du résonateur (12). 2. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première extrémité (14) du résonateur (12) est raccordée en dérivation à la conduite de gaz (34), la première extrémité (14) du résonateur étant obturée par une membrane souple (40) qui est apte à être excitée par les ondes acoustiques externes (02) parcourant la conduite de gaz (34) de manière à transmettre les ondes acoustiques externes (02) à l'intérieur du résonateur (12). 3. Agencement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence des ondes acoustiques externes (02) produites par le moteur (38) varie en fonction du régime du moteur (38), et en ce que le dispositif thermoacoustique (10) comporte des moyens (12A, 12B) pour faire varier la fréquence de résonance (Fres) du résonateur (12) en fonction du régime du moteur (38). 4. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (12A, 12B) pour faire varier la longueur (L1) du résonateur (12). 5. Agencement selon la revendication précédente, 1s caractérisé en ce que le résonateur (12) est un tube télescopique. 6. Agencement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le résonateur (12) comporte une portion formant soufflet pour faire varier la longueur (L1) du résonateur (12). 7. Agencement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conduite de gaz (34) est une conduite d'admission d'air dans au moins une chambre de combustion (36) du moteur (38). 8. Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la conduite de gaz (34) est une conduite d'échappement des gaz d'au moins une chambre de combustion (36) du moteur (38).