Brevet FR2910559A1 — publié le 20080627

"Agencement d'un dispositif de chauffage intermittent par adsorption de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne et procédé de mise en oeuvre d'un tel agencement" L'invention se rapporte à un agencement d'un dispositif de chauffage d'air d'admission dans une conduite d'admission d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile. L'invention se rapporte plus particulièrement à un agencement d'un dispositif de chauffage intermittent d'air froid d'admission dans une conduite d'admission d'un moteur à io combustion interne, notamment de véhicule automobile, qui comporte : - un premier échangeur de chaleur qui est agencé en contact avec une source de chaleur de manière qu'un fluide caloporteur liquide absorbe la chaleur de la source de chaleur en 15 s'évaporant ; - un deuxième échangeur de chaleur qui est interposé dans la conduite d'admission et qui est raccordé au premier échangeur de chaleur pour recevoir le fluide caloporteur gazeux pour transférer la chaleur absorbée du fluide caloporteur gazeux vers 20 l'air d'admission. La température de l'air d'admission dans un moteur à combustion de véhicule automobile a une influence sur la formation de composés considérés comme polluants lors de la combustion du mélange d'air d'admission et de carburant dans le 25 moteur à combustion. Ainsi, lorsque la température de l'air d'admission est inférieure à une température de seuil, la combustion est susceptible de produire une grande quantité d'hydrocarbures imbrûlés (HC) et de monoxyde de carbone (CO). 30 De plus, la consommation de carburant est aussi augmentée. Une telle situation se produit notamment lorsque le véhicule est démarré à froid. Ce problème est d'autant plus 2910559 2 important lorsque le véhicule est dans une atmosphère froide, par exemple en hiver. Dans de telles situations, il est donc préférable de chauffer l'air d'admission momentanément pour éviter de produire une 5 grande quantité de composés polluants. Par ailleurs, il est connu d'agencer dans la conduite d'admission du moteur un compresseur pour comprimer l'air d'admission afin d'augmenter les performances du moteur en faisant pénétrer une plus grande quantité d'air dans les chambres io de combustion du moteur pour chaque combustion. La compression de l'air entraîne une forte augmentation de la température de l'air au-delà de la température de seuil. Ceci permet de régler le problème de production d'éléments polluants lorsque le compresseur est utilisé. 15 Cependant, le compresseur ne fonctionne en général que pour des régimes élevés du moteur. A bas régimes, la température de l'air est donc inférieure à la température de seuil. Pour résoudre notamment ces problèmes, l'invention propose un agencement d'un dispositif de chauffage du type 20 décrit précédemment, caractérisé en ce que le deuxième échangeur de chaleur est un accumulateur qui contient une substance adsorbante qui est susceptible d'adsorber le fluide caloporteur gazeux lorsqu'elle est refroidie sous une température d'adsorption, l'adsorption du fluide caloporteur gazeux étant 25 exothermique. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - la substance adsorbante est susceptible de désorber le fluide caloporteur adsorbé lorsqu'elle est chauffée au-delà d'une température de désorption ; 30 - le premier échangeur de chaleur est raccordé à l'accumulateur par l'intermédiaire d'une conduite de raccordement pour la circulation en va-et-vient du fluide caloporteur entre le premier échangeur de chaleur et l'accumulateur, la conduite de 2910559 3 raccordement comportant une vanne de commande qui est susceptible d'être pilotée entre une position ouverte et une position fermée ; - la substance adsorbante est de la zéolite ; 5 -le fluide caloporteur est de l'eau. L'invention se rapporte aussi à un procédé de chauffage intermittent de l'air froid d'admission mettant en oeuvre l'agencement selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte une première étape de chauffage qui comporte : io - une première phase de refroidissement isostérique de la substance adsorbante au-dessous de sa température d'adsorption, au cours de laquelle la vanne de commande est dans sa position fermée et au cours de laquelle le fluide caloporteur est contenu sous forme liquide dans le premier is échangeur de chaleur, l'accumulateur ne comportant pas de fluide caloporteur ; - une deuxième phase d'adsorption isobare qui est déclenchée après que l'accumulateur ait été refroidi suffisamment pour que la pression à l'intérieur de l'accumulateur soit inférieure 20 à une pression de vapeur saturante correspondant à la température du fluide caloporteur à l'intérieur de le premier échangeur de chaleur, et au cours de laquelle la vanne de commande est pilotée en position ouverte de manière que le fluide caloporteur liquide s'évapore et soit adsorbé dans 25 l'accumulateur par la substance adsorbante en produisant de la chaleur pour chauffer l'air froid d'admission, la vanne de commande étant fermée lorsque sensiblement la totalité du fluide caloporteur a été adsorbée par la substance adsorbante. Selon d'autre caractéristique du procédé de chauffage : 30 - le procédé comporte une deuxième étape de régénération qui est déclenchée à la suite de la première étape et qui comporte : 2910559 4 - une première phase de chauffage isostérique de la substance adsorbante au moins jusqu'à sa température de désorption au cours de laquelle la substance adsorbante est chauffée par des moyens de chauffage jusqu'à une température telle que la 5 pression à l'intérieur de l'accumulateur soit supérieure à une pression de vapeur saturante correspondant à la température régnant dans le premier échangeur de chaleur ; - une deuxième phase de désorption isobare au cours de laquelle la vanne de commande est pilotée dans sa position ouverte de io manière que le fluide caloporteur soit désorbé par la substance adsorbante sous forme gazeuse, et de manière que le fluide caloporteur soit liquéfié à l'intérieur du premier échangeur de chaleur, la vanne de commande étant pilotée dans sa position fermée lorsque sensiblement la totalité du fluide caloporteur est is liquéfiée dans le premier échangeur de chaleur ; - la conduite d'admission comporte un compresseur qui est agencé en amont de l'accumulateur et qui est susceptible d'augmenter de manière intermittente la température de l'air d'admission en le comprimant de manière à chauffer 20 l'accumulateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 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 : 25 - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale qui représente une conduite d'admission qui est agencée à proximité d'une conduite d'air de refroidissement et qui est équipée d'un dispositif de chauffage réalisé selon les enseignements de l'invention ; 30 - la figure 2 est un schéma-bloc qui représente le procédé de chauffage selon l'invention mettant en oeuvre le dispositif de la figure 1. 2910559 5 Pour la suite de la description, des éléments similaires, analogues ou identiques seront désignés par des mêmes numéros de référence. Pour la suite de la description, on adoptera de manière non s limitative une orientation d'amont vers l'aval selon la direction d'écoulement des fluides. On a représenté schématiquement à la figure 1 une conduite 10 d'admission d'air dont l'extrémité aval est raccordée à un moteur à combustion interne 12 de véhicule automobile. io L'écoulement de l'air d'admission "A" est représenté par les flèches "A" des figures. Un compresseur 14 est intercalé dans la conduite d'admission 10. Le compresseur 14 est destiné à augmenter la pression 15 "Pa" de l'air d'admission "A" en aval dans la conduite d'admission 10 lorsque le régime du moteur 12 est supérieur à un régime de seuil. Lorsque le régime du moteur 12 est inférieur au régime de seuil, le compresseur 14 n'est pas mis en marche. La 20 pression"Pa" d'air d'admission "A" est sensiblement la même tout le long de la conduite d'admission 10, par exemple la pression "Pa" est égale à la pression de l'air ambiant aux alentours d'1 bar. La température de l'air d'admission "A" est aussi sensiblement la même tout le long de la conduite d'admission 10, 25 par exemple la température "Ta" est égale à la température de l'air ambiant aux alentours de 20 C. L'air d'admission "A" est alors dit "froid". Lorsque le régime du moteur 12 est supérieur au régime le seuil, le compresseur 14 est mis en marche. La pression "Pa" 30 d'air d'admission "A" est par exemple de 1 bar en amont du compresseur 14 et de 2 bars en aval du compresseur 14. L'augmentation de la pression de l'air d'admission "A" est accompagnée d'une augmentation de la température "Ta" de l'air 2910559 6 d'admission "A" en aval du compresseur 14. Ainsi, la température de l'air d'admission "A" qui est égale à la température de l'air ambiant, par exemple 20 C, en amont du compresseur 14, devient par exemple égale à 180 C voire 200 C en fonction de la 5 puissance du compresseur 14. L'air d'admission "A" est alors dit "chaud". Lorsque l'air d'admission "A" est froid, on a constaté que le moteur 12 produisait davantage de substances polluantes. Pour diminuer ces substances polluantes, l'invention propose d'agencer io un dispositif 16 de chauffage de l'air froid d'admission "A" dans la conduite d'admission 10 pour chauffer de manière intermittente l'air froid d'admission "A". Le dispositif 16 de chauffage comporte une source de chaleur "R" de température sensiblement constante. La source de is chaleur est formée par un flux d'air de refroidissement "R" à température ambiante qui circule dans une conduite de refroidissement 18 qui est agencée à proximité de la conduite d'admission 10. Un premier échangeur de chaleur 20 est interposé dans la 20 conduite de refroidissement 18 de manière à être traversé par de l'air de refroidissement "R". Le premier échangeur de chaleur 20 est susceptible de contenir un fluide caloporteur "C". Ainsi, le fluide caloporteur "C" et l'air de refroidissement "R" sont susceptibles d'échanger de la 25 chaleur. Le dispositif 16 de chauffage comporte aussi un deuxième échangeur de chaleur 22 qui sera appelé par la suite "accumulateur". L'accumulateur 22 est interposé dans la conduite d'admission 10, en aval du compresseur 14. 30 L'accumulateur 22 contient une substance adsorbante (non représentée) qui est susceptible d'échanger de la chaleur avec l'air d'admission "A". La substance adsorbante est susceptible d'adsorber le fluide caloporteur "C" dans un état gazeux 2910559 7 lorsqu'elle est refroidie en dessous d'une température d'adsorption "Tads", et qui est susceptible de désorber le fluide caloporteur "C" à l'état gazeux lorsqu'elle est chauffée au-delà d'une température de désorption "Tdes". 5 L'accumulateur 22 est relié au premier échangeur de chaleur 20 par une conduite de raccordement 24 dans laquelle le fluide caloporteur "C" est susceptible de circuler en va-et-vient. Ainsi, le fluide caloporteur "C" ne suit pas un circuit en boucle, mais il effectue des allers-retours entre l'accumulateur 22 et le io premier échangeur de chaleur 20. Une vanne de commande 26 est agencée dans la conduite de raccordement 24. La vanne de commande 26 est susceptible d'être pilotée par une unité électronique de commande (non représentée) entre une position ouverte dans laquelle is l'accumulateur 22 et le premier échangeur de chaleur 20 peuvent échanger le fluide caloporteur "C", et une position fermée dans laquelle l'accumulateur 22 et le premier échangeur de chaleur 20 sont isolés l'une de l'autre de manière que l'accumulateur 22 et le premier échangeur de chaleur 20 soient susceptibles d'avoir une 20 pression interne différente. Le fluide caloporteur "C" est sélectionné de manière qu'il soit susceptible de s'évaporer dans le premier échangeur de chaleur 20 à la température de l'air de refroidissement "R" lorsque la pression à l'intérieur du premier échangeur de chaleur 20 est 25 inférieure à une pression de vapeur saturante "Psat". Le fluide caloporteur "C" est aussi sélectionné de manière qu'il soit susceptible de se condenser dans le premier échangeur de chaleur 20 à la température de l'air de refroidissement "R" lorsque la pression à l'intérieur du premier échangeur de chaleur 30 20 est supérieure à la pression de vapeur saturante "Psat". La pression de vapeur saturante "Psat" dépend de la température régnant dans le premier échangeur de chaleur 20. La température à l'intérieur de l'échangeur est ici constamment égale 2910559 8 à la température de l'air de refroidissement "R", la pression de vapeur saturante "Psat" est donc aussi constante. Le fluide caloporteur "C" est par exemple de l'eau. La substance adsorbante est sélectionnée de manière 5 qu'elle soit susceptible d'adsorber le fluide caloporteur "C" gazeux lorsqu'elle est refroidie à la température de l'air froid d'admission "A", et de manière qu'elle soit susceptible de désorber le fluide caloporteur "C" gazeux lorsqu'elle est chauffée à la température de l'air chaud d'admission "A". io La substance adsorbante est par exemple de la zéolite ou zéolithe, notamment du type NaX. Comme représenté à la figure 1, une conduite de contournement 28 de l'accumulateur 22 est agencée en parallèle d'un tronçon de la conduite d'admission 10. La conduite de is contournement 28 comporte plus particulièrement une extrémité amont qui est raccordée à la conduite d'admission en aval du compresseur 14 et en amont de l'accumulateur 22, et elle comporte une extrémité aval qui est raccordée à la conduite 10 d'admission en aval de l'accumulateur 22. 20 Une vanne d'aiguillage 30 est agencée au raccordement de l'extrémité amont de la conduite de contournement 28 avec la conduite 10 d'admission. La vanne d'aiguillage 30 est susceptible d'aiguiller alternativement l'air d'admission vers l'accumulateur 22 ou vers la conduite de contournement 28. 25 Un dispositif de refroidissement 32 de l'air d'admission détourné est interposé dans la conduite de contournement 28. La vanne d'aiguillage 30 est susceptible d'être commandée entre une position de chauffage dans laquelle l'air d'admission "A" est aiguillé vers l'accumulateur 22, l'extrémité amont de la 30 conduite de contournement 28 étant obturée, et une position de refroidissement dans laquelle l'air d'admission "A" est aiguillé vers le dispositif de refroidissement 32, le passage de l'air d'admission "A" vers l'accumulateur 22 étant obturé. 2910559 9 Lorsque l'air d'admission est suffisamment chaud, et notamment lorsque le moteur 12 fonctionne au-delà de son régime de seuil et que le compresseur 14 est comprime l'air, l'air d'admission est alors de préférence aiguillé vers le dispositif de 5 refroidissement 32 afin de maintenir la température de l'air d'admission dans une plage de températures définie comme un compromis acceptable entre le rendement du moteur et la quantité de substances polluantes produites. L'invention propose aussi un procédé de chauffage io intermittent de l'air froid d'admission "A" mettant en oeuvre l'agencement 18 décrit précédemment. Ce procédé est illustré à la figure 2. Le procédé est déclenché lorsque la température de l'air d'admission "A" est estimée inférieure à la température de seuil, is par exemple en fonction des conditions de roulage du véhicule ou encore par mesure de la température de l'air d'admission "A". Le procédé comporte une première étape "El" de chauffage qui se décompose en deux phases successives. Lors d'une première phase "P11" de refroidissement 20 isostérique de la substance adsorbante, la vanne de commande 26 est maintenue dans sa position fermée. Le fluide caloporteur "C" est contenu sous forme liquide dans le premier échangeur de chaleur 20, et l'accumulateur 22 ne comporte pas de fluide caloporteur "C". La substance adsorbante est dite dans un état 25 anhydre. La substance adsorbante est refroidie jusqu'à la température de l'air froid d'admission "A" qui est inférieure à la température d'adsorption "Tads". L'adjectif "isostérique" signifie que ce refroidissement est réalisé à concentration constante de 30 fluide caloporteur "C" dans la substance adsorbante du fait que la vanne de commande 26 est en position fermée. Lors du refroidissement, la pression à l'intérieur de l'accumulateur 22 baisse au-dessous de la pression de vapeur 2910559 i0 saturante "Psat" correspondant à la température régnant dans le premier échangeur de chaleur 20. Puis, une deuxième phase "P12" d'adsorption isobare est déclenchée après que la substance adsorbante ait été refroidie 5 suffisamment pour que la pression à l'intérieur de l'accumulateur 22 soit inférieure à la pression de vapeur saturante "Psat" correspondant à la température du fluide caloporteur "C" à l'intérieur du premier échangeur de chaleur 20. Au cours de cette deuxième phase "P12", la vanne de io commande 26 est pilotée en position ouverte. La pression s'équilibre alors entre l'accumulateur 22 et le premier échangeur de chaleur 20 de manière que la pression baisse au-dessous de la pression de vapeur saturante "Psat" dans le premier échangeur de chaleur 20. Cette phase se réalise donc à pression constante is du fait que la vanne de commande 26 est en position ouverte. Le fluide caloporteur "C" liquide s'évapore, et il passe par la conduite de raccordement 24 pour être adsorbé par la substance adsorbante. L'adsorption du fluide caloporteur "C" gazeux produit de la chaleur pour chauffer l'air froid d'admission 20 Lorsque sensiblement la totalité du fluide caloporteur "C" a été adsorbée dans la substance adsorbante, la vanne de commande 26 est pilotée dans sa position fermée. L'air froid d'admission "A" a ainsi été chauffé de manière 25 que le moteur 12 produise moins de substances polluantes. Le procédé comporte aussi une deuxième étape "E2" de régénération du dispositif 16 de chauffage. Cette deuxième étape "E2" de régénération est déclenchée après la première étape "El" de chauffage et lorsque l'air d'admission "A" est chaud, 3o c'est-à-dire lorsque le compresseur 14 comprime l'air d'admission Cette deuxième étape "E2" comporte deux phases successives. 2910559 Lors d'une première phase "P21" de chauffage isostérique de la substance adsorbante, la substance adsorbante est chauffée par l'air chaud d'admission "A" au moins jusqu'à la température de désorption "Tdes". 5 La température augmentant, la pression à l'intérieur de l'accumulateur 22 augmente aussi. Lorsque la pression à l'intérieur de l'accumulateur 22 est supérieure à la pression de vapeur saturante "Psat" correspondant à la température régnant dans le premier échangeur de chaleur 20, la deuxième phase io "P22" de désorption isobare est déclenchée. Lors de la deuxième phase "P22" de désorption isobare, la vanne de commande 26 est pilotée dans sa position ouverte. La pression s'équilibre alors entre l'accumulateur 22 et le premier échangeur de chaleur 20 de manière que la pression augmente is au-dessus de la pression de vapeur saturante "Psat" dans le premier échangeur de chaleur 20. Cette phase se réalise donc à pression constante du fait que la vanne de commande 26 est en position ouverte. La température de la substance adsorbante étant 20 supérieure à la température de désorption "Tdes", le fluide caloporteur "C" est désorbé sous forme gazeuse. Le fluide caloporteur "C" circule dans la conduite de raccordement 24 jusqu'au premier échangeur de chaleur 20. Le fluide caloporteur "C" est ensuite liquéfié à l'intérieur du premier échangeur de 25 chaleur 20, du fait de la pression supérieure à la pression de vapeur saturante "Psat". La vanne de commande 26 est pilotée dans sa position fermée lorsque sensiblement la totalité du fluide caloporteur "C" est liquéfiée dans le premier échangeur de chaleur 20. 30 Le dispositif 16 de chauffage est ainsi prêt pour réitérer la première étape du procédé de chauffage. 2910559 12 Au cours de ces deux étapes "El", "E2", la vanne d'aiguillage 30 est commandée dans sa position de chauffage pour que l'air d'admission "A" traverse l'accumulateur 22. Ce procédé permet de chauffer l'air froid d'admission "A" 5 durant la deuxième phase "P12" de la première étape "El" de chauffage. Puis le dispositif 16 de chauffage est régénéré avant de pouvoir être réutilisé pour chauffer de nouveau l'air froid d'admission "A". Ce dispositif 16 et le procédé de chauffage intermittent qui lo le met en oeuvre sont tout à fait adaptés aux situations de roulage d'un véhicule automobile. En effet les périodes de roulage pour lesquelles il est préférable de chauffer l'air d'admission "A" apparaissent de manière intermittente et elles sont souvent de durée très courte. 15 REVENDICATIONS 1. Agencement d'un dispositif (16) de chauffage intermittent d'air froid d'admission (A) dans une conduite d'admission (10) d'un moteur (12) à combustion interne, notamment de véhicule automobile, qui comporte : - un premier échangeur de chaleur (20) qui est agencé en contact avec une source de chaleur (R) de manière qu'un fluide caloporteur (C) liquide absorbe la chaleur de la source de chaleur (R) en s'évaporant ; - un deuxième échangeur de chaleur (22) qui est interposé dans la conduite d'admission (10) et qui est raccordé au premier échangeur de chaleur (20) pour recevoir le fluide caloporteur (C) gazeux pour transférer la chaleur absorbée du fluide caloporteur (C) gazeux vers l'air d'admission (A) ; caractérisé en ce que le deuxième échangeur de chaleur est un accumulateur (22) qui contient une substance adsorbante qui est susceptible d'adsorber le fluide caloporteur (C) gazeux lorsqu'elle est refroidie sous une température d'adsorption (Tads), l'adsorption du fluide caloporteur (C) gazeux étant exothermique. 2. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la substance adsorbante est susceptible de désorber le fluide caloporteur (C) adsorbé lorsqu'elle est chauffée au-delà d'une température de désorption (Tdes). 3. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier échangeur de chaleur (20) est raccordé à l'accumulateur (22) par l'intermédiaire d'une conduite de raccordement (24) pour la circulation en va-et-vient du fluide caloporteur (C) entre le premier échangeur de chaleur (20) et l'accumulateur (22), la conduite de raccordement (24) comportant une vanne de commande (26) qui est susceptible d'être pilotée entre une position ouverte et une position fermée. 2910559 14 4. Agencement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la substance adsorbante est de la zéolite. 5. Agencement selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que le fluide caloporteur (C) est de l'eau. 6. Procédé de chauffage intermittent de l'air froid d'admission (A) mettant en oeuvre l'agencement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce 10 qu'il comporte une première étape (El) de chauffage qui comporte : - une première phase (P1 1) de refroidissement isostérique de la substance adsorbante au-dessous de sa température d'adsorption (Tads), au cours de laquelle la vanne de commande 1s (26) est dans sa position fermée et au cours de laquelle le fluide caloporteur (C) est contenu sous forme liquide dans le premier échangeur de chaleur (20), l'accumulateur (22) ne comportant pas de fluide caloporteur (C) ; - une deuxième phase (P12) d'adsorption isobare qui est 20 déclenchée après que l'accumulateur (22) ait été refroidi suffisamment pour que la pression à l'intérieur de l'accumulateur (22) soit inférieure à une pression de vapeur saturante (Psat) correspondant à la température du fluide caloporteur (C) à l'intérieur du premier échangeur de chaleur (20), et au cours de 25 laquelle la vanne de commande (26) est pilotée en position ouverte de manière que le fluide caloporteur (C) liquide s'évapore et soit adsorbé dans l'accumulateur (22) par la substance adsorbante en produisant de la chaleur pour chauffer l'air froid d'admission (A), la vanne de commande (26) étant fermée lorsque 30 sensiblement la totalité du fluide caloporteur (C) a été adsorbée par la substance adsorbante. 7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième étape (E2) de régénération qui 2910559 15 est déclenchée à la suite de la première étape (El) et qui comporte : - une première phase (P21) de chauffage isostérique de la substance adsorbante au moins jusqu'à sa température de s désorption (Tdes) au cours de laquelle la substance adsorbante est chauffée par des moyens de chauffage (14, A) jusqu'à une température telle que la pression à l'intérieur de l'accumulateur (22) soit supérieure à une pression de vapeur saturante (Psat) correspondant à la température régnant dans le premier 10 échangeur de chaleur (20) ; - une deuxième phase (P22) de désorption isobare au cours de laquelle la vanne de commande (26) est pilotée dans sa position ouverte de manière que le fluide caloporteur (C) soit désorbé par la substance adsorbante sous forme gazeuse, et de 15 manière que le fluide caloporteur (C) soit liquéfié à l'intérieur du premier échangeur de chaleur (20), la vanne de commande (26) étant pilotée dans sa position fermée lorsque sensiblement la totalité du fluide caloporteur est liquéfiée dans le premier échangeur de chaleur (20). 20 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la conduite d'admission (10) comporte un compresseur (14) qui est agencé en amont de l'accumulateur (22) et qui est susceptible d'augmenter de manière intermittente la température de l'air d'admission (A) en le comprimant de manière à chauffer 25 l'accumulateur (22).