Brevet FR2913491A1 — publié le 20080912

Échangeur de chaleur, notamment refroidisseur d'air d'admission pour moteur thermique suralimenté L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement, mais de façon non li-5 mitative, un refroidisseur d'air d'admission pour un moteur thermique suralimenté à deux étages de suralimentation. Les moteurs thermiques utilisés sur les véhicules automobi-:Les, et en particulier les moteurs Diesel, sont le plus 10 souvent équipés d'un système de suralimentation. Pour en améliorer les performances, notamment à bas régime, il est connu d'avoir recours à deux étages de suralimentation comportant respectivement un premier compresseur et un 15 second compresseur. Selon les besoins et les limites du moteur, il est possible de dériver, ou non,. l'un et/ou l'autre de ces compresseurs de manière à optimiser le fonctionnement du dispositif. 20 Cependant, comme l'air issu du compresseur se trouve à une température élevée, il est nécessaire de le refroidir avant de l'envoyer vers l'admission du moteur, pour que ce der-nier puisse fonctionner dans des conditions optimales. 25 C'est la raison pour laquelle on utilise un organe dénommé refroidisseur d'air de suralimentation ou RAS, qui re- froidit l'air d'admission (air de suralimentation) par échange thermique avec, par exemple un flux de liquide, qui peut être de l'eau. Ce dispositif, également connu sous la 30 dénomination de Water/Charged-Air Cooler ou WCAC, est placé en sortie du compresseur pour abaisser la température de l'air, ce qui permet notamment d'en augmenter la masse volumique et de fournir une plus grande quantité d'air d'admission au moteur pour une cylindrée donnée. Dans le cas d'un moteur thermique suralimenté à deux étages de suralimentation, l'air échauffé par la compression peut être refroidi par un échangeur de chaleur unique, ou encore par deux échangeurs de cha:Leur montés en sortie de chaque compresseur, lorsque ces derniers sont montés en série. Cette configuration connue améliore le rendement et protège :La roue d'entraînement du second compresseur lorsque la température en sortie du premier compresseur est trop élevée. Un tel refroidisseur à deux étages intégré dans un même module fonctionnel est notamment décrit dans la publication FR-A-2 886 340 (Valeo Systèmes Thermiques). L'échangeur de chaleur décrit dans ce document comprend un faisceau de conduites parcourues par un fluide de refroidissement et délimitant entre elles des canaux de circulation pour un gaz à refroidir. Il comporte, dans un même :boîtier, un premier et un second étage de refroidissement, lesdits premier et second étages étant définis par respectivement une première et une deuxième série de canaux. Cet échangeur de chaleur peut être notamment constitué d'un empilement de sandwiches constitués chacun d'un interca- laire ondulé traversé par l'air d'admission, associé à deux demi-plaques, ou à deux demi-tubes selon la technologie re- tenue, dans lesquel(le)s transite le fluide de refroidisse- ment, généralement constitué du liquide de refroidissement du moteur. De façon générale, on sait que le débit, la température et :La pression de l'air d'admission à l'entrée de chacun des étages - et donc les besoins en refroidissement - varient en fonction du régime, de la charge et de la taille des différents compresseurs. :Cl est également connu que, selon la configuration du système de suralimentation et :Le point d'utilisation du moteur (régime/puissance, ou régime/couple), il existe des rapports de taille optimaux entre les deux étages du module refroidisseur d'air de suralimentation. Dans le refroidis- leur décrit par la publication FR-A-2 886 340 précitée, les dimensions des deux étages, donc le nombre de sandwiches affecté à chaque étage, sont fixes, alors que les besoins en refroidissement peuvent varier suivant le régime et la charge. Pour tenir compte de cet état de fait, le refroidisseur d'air de suralimentation est surdimensionné par rapport à la majorité des points de fonctionnement typiques des différents moteurs auxquels ce refroidisseur d'air de surali- mentation est susceptible d'être associé. Ce dimensionnement est donc, concrètement, le résultat d'un compromis entre plusieurs exigences contradictoires : -- le premier étage doit refroidir suffisamment l'air délivré au second compresseur pour protéger celui-ci, en particulier la roue du compresseur ; -- le second étage doit refroidir suffisamment l'air délivré au moteur pour protéger la culasse et la chambre de combustion de ce dernier, et pour maintenir une garde au cliquetis suffisante dans le cas particulier des moteurs à essence ; --les deux étages combinés doivent créer une augmentation de densité suffisante de l'air pour assurer les performances en puissance du moteur, tout en conservant un poids et des dimensions faibles pour réduire l'encombrement et la consommation. L'un des buts de l'invention est de proposer un échangeur de chaleur capable de modifier dynamiquement la configuration des deux étages du refroidisseur d'air de suralimenta- Lion en fonction du point de fonctionnement moteur, pour tenir compte du fait qu'il existe des rapports de taille optimaux, variables, entre :Les deux étages du refroidisseur d'air de suralimentation, dépendant des conditions instantanées de fonctionnement du moteur (c'est-à-dire principa- lement en fonction du régime et de la charge du moteur). À cet effet, l'échangeur de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de répartition pour ledit gaz entre lesdits deux étages, pour modifier le nombre de ca- eaux de ladite première série de canaux et/ou de ladite seconde série de canaux, de manière à adapter la surface d'échange propre de chaque étage aux conditions instantanées de fonctionnement du moteur. En modifiant le nombre de canaux selon le point de fonctionnement du moteur, il est ainsi possible d'augmenter ou de diminuer la surface d'échange de chaque étage en fonction des besoins instantanés du moteur. Plus précisément, la mise en oeuvre du refroidisseur d'air de suralimentation selon l'invention assure une augmentation optimale de la densité de l'air d'admission en fonc- tion de la charge et du régime moteur, qui procure les avantages corrélatifs suivants : pour une même puissance motrice, le taux de compression et donc le travail fourni par le compresseur sera plus faible, ce dernier pouvant alors être redimensionné avec un plus faible encombrement ; pour un même taux de compression, la puissance du moteur peut être augmentee ; pour une même puissance et pour un même taux de compres-15 sion, la taille du refroidisseur d'air de suralimentation peut être réduite, car chaque étage sera optimisé. Très avantageusement, les moyens de répartition entre les deux étages sont des moyens pour augmenter le nombre de ca- 20 eaux de la première série de canaux et diminuer le nombre de canaux de la seconde série de canaux, ou l'inverse, de manière à adapter la surface d'échange relative des deux étages aux conditions instantanées de fonctionnement du moteur. 25 Si le premier et le second étage de refroidissement distincts sont séparées par une cloison, les moyens de répartition peuvent en particulier comprendre un élément mobile de ladite cloison commune, et un actionneur de commande de 30 la position de cet élément mobile. Cet élément mobile est de préférence situé dans le boîtier entre le faisceau de conduites et des entrées, et/ou des sorties, du gaz. Dans une forme de mise en oeuvre particulière, l'élément mobile comprend un volet d'aiguillage pivotant dont l'extrémité libre est déplaçable face aux débouchés des canaux de circulation de l'échangeur, de manière à diriger des pro- portions variables du flux du gaz entre les canaux respectifs de la première et de la seconde série de canaux. 11 est par ailleurs possible de prévoir une configuration avec deux volets d'aiguillage pivotants, montés respective- ment face aux débouchés opposés des canaux de circulation de l'échangeur. On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels les mêmes références numériques désignent d'une figure à l'autre des éléments identiques ou fonctionnellement semblables : la figure 1 représente schématiquement un moteur thermi-20 que et un refroidisseur d'air de suralimentation mono-bloc à deux étages ; û la figure 2 est une vue d'extrémité d'un refroidisseur d'air de suralimentation selon l'invention ; la figure 3 est une vue en coupe, selon III-III de la 25 figure 2, montrant notamment les moyens de répartition de la circulation d'air d'admission entre les deux éta- ges. Sur la figure 1, on a représenté la configuration générale 30 d'un circuit de refroidissement dans lequel peut être in- clus un refroidisseur d'air de suralimentation à deux éta- ges selon l'invention. Le moteur thermique 10, par exemple un moteur de véhicule automobile, comporte un collecteur d'admission 12 et un collecteur d'échappement 14. Le,collecteur d'admission 12 est alimenté par une ligne d'admission 16 avec un compres- :peur amont 18 alimenté par de l'air extérieur AE, un refroidisseur d'air de suralimentation 20 et un compresseur aval 22. Le refroidisseur d'air de suralimentation 20 est un module fonctionnel monobloc comprenant un premier étage de refroidissement 24 et un second étage de refroidissement 26, ces deux étages partageant un échangeur de chaleur 28 commun comprenant un faisceau de conduites parcourues par le fluide de refroidissement du moteur (pour la clarté de la figure, ce circuit de fluide de refroidissement moteur n'a pas été représenté). L'ensemble est regroupé dans un même boîtier 30. Les compresseurs 18 et 22 ont des roues respectives 32 et 34 disposées dans une ligne d'échappement 36 reliée au col-lecteur d'échappement 14, ces roues étant entraînées par les gaz issus du moteur. Une vanne à trois voies 38 permet, dans une première position, d'envoyer les gaz d'échappement du collecteur 14 vers la roue 34, et de là vers la roue 32, pour entraîner les deux compresseurs 18 et 22. Dans une seconde position, la vanne 38 envoie directement les gaz d'échappement du collecteur 14 à la roue 32, pour entraîner seulement le compresseur 18. Dans la première position de la vanne 38, l'air extérieur AE à la pression atmosphérique est comprimé à basse pres- sion par le compresseur amont 18, puis refroidi dans le premier étage 24 du refroidisseur d'air de suralimentation 20 ; il est ensuite comprimé à haute pression par le compresseur 22 et refroidi à nouveau dans le second étage 26 du refroidisseur 20, pour gagner le collecteur d'admission 12. Dans la seconde position de la vanne 38, l'air extérieur AE est comprimé à basse pression par le compresseur 18 et refroidi successivement par le premier étage 24 et le second étage 24 du refroidisseur d'air de suralimentation 20 pour gagner le collecteur d'admission 12, sans être comprimé par le compresseur aval 22, ou même en contournant ce compresseur par des moyens de dérivation appropriés permettant d'isoler les deux étages de refroidissement 24 et 26. On se réfère maintenant aux figures 2 et 3, qui décrivent une forme de réalisation du refroidisseur d'air de suralimentation 20 selon l'invention. Le premier étage 24 et le second étage 26 de refroidisse- ment comprennent respectivement une première chambre 40 et une seconde chambre 42 séparées par une cloison commune 44. Dans l'exemple illustré, la première chambre 40 est placée au-dessus de la seconde chambre 44 et la cloison 44 s'étend dans un plan médian, généralement horizontal, du boîtier du refroidisseur, qui présente une forme allongée avec deux extrémités opposées 46 et 48. La première chambre 40 comporte une entrée 50 et une sortie 52 formées respectivement à l'extrémité 46 et à l'extrémité 48. La seconde chambre 42 comprend une entrée 54 et une sortie 56 formées respective- ment à l'extrémité 46 et à l'extrémité 48. Il résulte de cette configuration que les entrées 50 et 54, et les sorties 52 et 56, de la première et de la seconde chambre sont situées respectivement d'un même côté 46, ou 48, du boîtier du refroidisseur d'air de suralimentation. De la sorte, l'air d'admission circule dans le même sens, c'est-à-dire à co-courant, dans les deux chambres 40 et 42 (donc dans les deux étages de refroidissement) comme indiqué par les flèches sur la figure 3. L'échangeur de chaleur 28 du module refroidisseur d'air de suralimentation 20 comprend une première partie 58 et une seconde partie 60 s'étendant respectivement dans la première chambre 40 et dans la seconde chambre 42. Cet échangeur de chaleur 28 est constitué d'un empilement de plaques 62 disposées par paires, et d'intercalaires on- dulés 64 (visibles notamment sur la figure 2). Les plaques 62 délimitent entre elles des canaux pour l'air d'admis- sion, qui circule dans l'intervalle formé entre les ondula-tions des intercalaires. Les différentes plaques, qui sont parcourues par un fluide de refroidissement, sont reliées à une tubulure d'entrée 68 et à une tubulure de sortie 66 pour permettre la circulation de ce fluide des refroidisse- ment, habituellement constitué par le liquide de refroidis-sement du moteur. On pourra se reporter pour de plus amples explications au FR-A-2 886 340 précité, qui décrit en dé- tail l'agencement d'un tel faisceau d'échangeur de chaleur. De façon caractéristique de l'invention, au lieu de définir de manière intangible les deux chambres 40 et 42 par une configuration prédéterminée des deux parties 58 et 60 du faisceau d'échangeur de chaleur, on modifie dynamiquement la répartition d'un certain nombre de canaux entre les deux étages de refroidissement en fonction des conditions instantanées de fonctionnement du moteur. A cet effet, le refroidisseur d'air de suralimentation de l'invention comporte des moyens permettant de sélectionner certains des canaux de circulation d'air situé dans la par- tie centrale de l'échangeur de chaleur 28, pour les attribuer selon les besoins soit au premier étage 24, soit au second étage 26. 11 est notamment possible, comme illustré figure 3, de dis- poser un volet mobile 70 en amont de l'échangeur 28, ce vo-let pivotant entre deux positions extrêmes 74 et 76 autour d'un axe 72 articulé sur une partie fixe de la cloison 44 séparant les deux chambres. En section droite dans un plan longitudinal (le plan de la figure), le volet 70 est configuré de manière à s'étendre sur la largeur d'un secteur circulaire, de manière que son extrémité distale 78 s'étende sur la largeur de l'un des canaux, jouant ainsi le rôle d'un organe d'occultation de largeur égale, ou légèrement supérieure, à une section de passage de l'air dans l'un de ces canaux. Dans l'exemple illustré, il est en outre prévu entre le vo-let 70 et les extrémités des canaux un masque fixe 80 percé d'orifices permettant le passage de l'air (comme on peut le voir notamment sur la figure 2), ceci afin d'éviter toute fuite d'air entre l'extrémité distale 78 du volet 70 et le débouché du canal en face duquel est placée cette extrémité. L'axe rotatif 72 est relié à un actionneur 82 (figure 2) permettant de commander la position angulaire du volet 70, et donc le choix du canal occulté par l'extrémité 78 de ce dernier. Un mécanisme comparable est prévu côté aval, avec une configuration symétrique comprenant un volet aval 70' mobile autour d'un axe 72' relié à une partie fixe 44' de la cloison centrale séparant les deux chambres, entre deux positions extrêmes 74' et 76'. L'extrémité distale 78' du vo-let aval 70 est mobile face à un masque 80' permettant d'assurer une continuité entre les débouchés en vis-à-vis des différentes conduites et l'extrémité distale 78 du vo-let mobile 70'. Le système de répartition de l'air d'admission en aval est identique au système amont, et ces deux systèmes fonctionnent en regard l'un de l'autre, pour assurer une bonne étanchéité de l'air entre les deux étages. Le volet aval 70' peut être piloté par le même actionneur 20 que celui du volet 70, assurant donc un fonctionnement combiné des deux volets amont et aval 70 et 70'. Avec la configuration que l'on vient de décrire, il est possible de mettre en communication sélectivement certains 25 des canaux centraux de l'échangeur de chaleur soit avec la première chambre 40, soit avec la seconde chambre 42, c'est-à-dire d'attribuer ces canaux, et donc une capacité de refroidissement supplémentaire correspondante, soit au premier étage 24, soit au second étage 26 du refroidisseur 30 d'air de suralimentation 20. Ainsi, dans l'exemple illustré, lorsque les deux volets 70 et 70' sont dans les positions extrêmes 76 et 76' les qua- tre canaux les plus centraux sont mis en communication avec la seconde chambre 42, donc attribués au second étage de refroidissement 26, portant ainsi à neuf canaux (les quatre canaux centraux plus cinq canaux latéraux), le nombre total de canaux attribué au second étage, tandis que le premier étage ne se verra attribuer que cinq canaux. Pour l'autre position extrême 74, 74', la situation est in-versée : neuf canaux attribués au premier étage de refroi-10 dissement 24, et cinq canaux au second étage 60. Pour les positions intermédiaires des volets 70, 70', ce rapport pourra être modifié entre ces deux extrêmes. On notera que, dans les positions comprises entre les positions 15 extrêmes 74 et 76, les extrémités distales 78 et 78' des volets 70 et 70' occultent complètement l'un des canaux centraux, par exemple le canal 84 dans l'exemple illustré figure 3. Ce canal mitoyen aux deux étages de refroidisse-ment, dans lequel ne circulera pas d'air d'admission, per- 20 met d'isoler thermiquement les deux séries de canaux 58, 60 correspondant à chacun des deux étages du refroidisseur. Toujours dans cet exemple de la figure 3, sur un total de quatorze canaux, six canaux sont affectés au premier étage de refroidissement et sept canaux au second étage de re- 25 froidissement (le canal mitoyen 84 n'étant pas traversé par l'air d'admission). Le déplacement des volets 70, 70' entre leurs deux posi- tions extrêmes permet ainsi de faire varier le nombre de 30 canaux, et donc la capacité de l'échangeur affectée à l'un ou l'autre des deux étages, une augmentation du nombre des canaux pour l'un des étages se traduisant concurremment par une diminution du nombre des canaux affectés à l'autre étage. Ceci permet d'adapter dynamiquement les performances de l'échangeur aux conditions instantanées de fonctionne-ment du moteur. Revendications 1. Échangeur de chaleur (28), notamment refroidisseur d'air d'admission, comprenant un faisceau de conduites (62) par-courues par un fluide de refroidissement et délimitant en- tre elles des canaux de circulation pour un gaz à refroidir, ledit échangeur comportant, dans un même boîtier, un premier et un second étage de refroidissement (24, 26), lesdits premier et second étages étant définis par respectivement une première et une deuxième série de canaux, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de répartition pour ledit gaz entre lesdits deux étages, pour modifier le nombre de canaux de ladite première série de canaux et/ou de ladite seconde série de canaux, de manière à adapter la surface d'échange propre de chaque étage aux conditions instantanées de fonctionnement du moteur. 2. Échangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de répartition entre les deux étages sont des moyens pour augmenter le nombre de canaux de la- dite première série de canaux et diminuer le nombre de canaux de ladite seconde série de canaux, ou l'inverse, de manière à adapter la surface d'échange relative des deux étages aux conditions instantanées de fonctionnement du moteur. 3. Échangeur selon la revendication 2, dans lequel le premier et le second étage de refroidissement distincts (24, 26) sont séparées par une cloison (44), caractérisé en ce que lesdits moyens de répartition entre les deux étages comprennent un élément mobile (70) de ladite cloison commune (44), et un actionneur (82) de commande de la position de cet élément mobile. 14 4. Échangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément mobile (70) est situé dans le boîtier entre le faisceau de conduites (62) et des entrées (50, 54), et/ou des sorties (52, 56), dudit gaz. 5. Échangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit élément mobile (70) comprend un volet d'aiguillage pivotant dont l'extrémité libre (78) est déplaçable face aux débouchés desdits canaux de circulation (58) de l'échangeur (28) de manière à diriger des proportions variables du flux dudit gaz entre les canaux respectifs de la première (24) et de la seconde (26) série de canaux. 6. Échangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de répartition entre les deux étages comprennent deux volets d'aiguillage pivotants (70, 70'), montés respectivement face aux débouchés opposés des canaux de circulation (58) de l'échangeur.