Brevet FR2931227A1 — publié le 20091120

REFROIDISSEUR D'AIR SURALIMENTE POUR MOTEUR A EGR BASSE PRESSION [0001] L'invention concerne la suralimentation d'air d'admission dans un moteur à combustion interne, et en particulier les dispositifs de refroidissement d'air d'admission suralimenté. [0002] Pour améliorer le rendement énergétique et la puissance spécifique d'un moteur à combustion interne, il est fréquent de munir un tel moteur d'un mécanisme de suralimentation de son air d'admission. De tels mécanismes de suralimentation augmentent la pression de l'air d'admission introduit dans la chambre de combustion. Une telle compression conduit à un échauffement de l'air d'admission. Il est ainsi connu de monter un échangeur de refroidissement à la sortie du mécanisme de suralimentation, afin de contracter cet air de sorte que la chambre de combustion en aspire une plus grande quantité à chaque cycle. [0003] Le document FR 2 810 731 décrit un échangeur de chaleur muni de tubes souples en polyamide traversés par de l'air d'admission. Les gaz d'admission sont refroidis lorsqu'ils traversent lesdits tubes souples. Un tel échangeur de chaleur est considéré comme plus léger qu'un échangeur de chaleur à tubes métalliques, et plus résistant aux chocs du fait de sa capacité de déformation. [0004] Par ailleurs, la recirculation des gaz d'échapperent permet de diminuer le niveau des oxydes d'azote émis dans les gaz d'échappement. LE recirculation de gaz d'échappement consiste à introduire de l'air frais et des gaz d'échappement dans la chambre de combustion du moteur. Les gaz d'échappement sont prélevés à haute pression, c'est-à-dire avant de traverser la turbine de détente d'un turbocompresseur ou des orgares de dépollution tels que des pièges à NOx ou des catalyseurs d'oxydation. Pour des moteurs diesels, il est courant de voir des taux de recirculation de l'ordre de 50 %, ce qui signifie que la moitié des gaz aspirés par un cylindre d'un moteur à combustion interne sont des gaz c'échappement recirculés. Des normes d'émission de gaz polluants de plus en plus strictes ont conduit à la généralisation de circuits de recirculation de gaz d'échappement EGR pour les moteurs diesel. Cependant, l'utilisation de l'EGR pour les moteurs à allumage commandé est également en plein développement. [0005] Afin de réduire encore les niveaux d'émissior de gaz polluants, il est envisagé de prélever des gaz d'échappement basse pression, c'est-à-dire juste en amont du silencieux d'échappement et en aval des organes de dépollution. Le gaz d'échappement basse pression est mélangé à de l'air frais en amont d'une turbine de compression d'air d'admission. [000s] Un tel mode de fonctionnement: du moteur à combustion interne présente des inconvénients. En effet, les inventeurs ont constaté une usure prématurée de l'échangeur de refroidissement d'air d'admission. pou] L'invention vise à résoudre cet inconvénient. A cet effet, l'invention propose un échangeur de refroidissement d'air suralimenté, comprenant un canal de guidage de l'air suralimenté entre une entrée et une sortie d'air, ce canal de guidage comprenant au moins des tubulures d'échange thermique et au moins une boîte à air raccordée à ces tubulures, la boîte à air étant munie d'une paroi comprenant du matériau thermoplastique et dont la surface intérieure guide l'écoulement de l'air suralimenté ; ladite surface intérieure est revêtue d'un matériau métallique. [Nos] Selon une variante, une dite boîte à air est un collecteur d'entrée de l'échangeur. [000s] Selon encore une variante, une dite boîte à air est un collecteur de sortie de l'échangeur. [polo] Selon une autre variante, une dite boîte à air est un connecteur raccordant des tubulures d'échange thermique raccordées à l'entrée avec des tubulures d'échange thermique raccordées à la sortie. [0011] Selon encore une autre variante, les tubulures d'échange thermique sont délimitées par une pluralité de tubes en matériau métallique et son: en communication avec ladite boîte à air. [0012] Selon une variante, ledit matériau thermoplastique est du polyamide, en particulier renforcé par des fibres de verre. [0013] Selon une autre variante, le matériau métallique est chimiquement compatible avec le matériau thermoplastique. [0014] Selon encore une variante, le matériau métallique présente une taille de grain comprise entre 2 et 5000 nm, et une épaisseur comprise entre 25 [gym et 5 mm. [0015] L'invention concerne également un moteur à combustion interne, comprenant : un dispositif de compression d'air d'admission du moteur ; un échangeur tel que décrit ci-dessus recevant de l'air provenant du dispositif de compression et le refoulant vers l'admission du moteur ; au moins un organe n de dépollution recevant les gaz d'échappement issus du moteur ; un circuit de recyclage de gaz d'échappement recevant des gaz d'échappement issus de l'organe de dépollution et refoulant ces gaz d'échappement vers le dispositif de compression d'a r d'admission. [0016] Selon une variante, ladite boîte à air forme la partie inférieure de l'échangeur et est traversée par l'air suralimenté. [0017] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels • la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne incluant un 10 échangeur de refroidissement d'air de suralimentation selon l'invention ; • la figure 2 est une vue en perspective d'une première géométrie d'un échangeur de refroidissement d'air ; • la figure 3 est une vue en perspective d'une deuxième géométrie d'un échangeur de refroidissement d'air ; 15 • la figure 4 est une vue en section transversale de dessus d'une boîte à air de l'échangeur de la figure 2; • la figure 5 est une vue en section transversale de dessus d'une boîte à air de l'échangeur de la figure 3. 20 [0018] Un gaz d'échappement basse pression désignera par la suite un gaz d'échappement ayant traversé des organes de dépollution. Un thermoplastique désigne un polymère susceptible d'être ramolli par chauffage et durci par refroidissement de manière répétée. Les polymères thermoplastiques sont transformés sans réaction chimique, contrairement aux polymères thermodurcissables. La cadence de transformation de ces polymères thermoplastiques est principalement liée à leur vitesse de 25 refroidissement et est donc beaucoup plus rapide que celle des polymères thermodurcissables. [0019] Les inventeurs ont constaté qu'un échangeur de refroidissement d'air de suralimentation en matériaux thermoplastiques subissait une usure prématurée du fait de la présence de gaz d'échappement basse pression recyclé. Ce gaz d'échappement basse pression contient en pratique des gaz acides tels que de l'acide nitrique, de l'acide sulfurique, de l'acide formique, de l'acide acétique ou de l'acide chlorhydrique. Ces gaz érodent les parois en thermoplastique des boîtes à air de l'échangeur. En particulier, lorsqu'une boîte à air est disposée dans a partie inférieure de l'échangeur, une partie de ces gaz s'y condense et l'érode. [0020] [0021] L'invention propose un échangeur de refroidissement d'air suralimenté, comprenant un canal d'écoulement d'air muni d'une paroi d'une boîte à air de raccordernent de tubulures d'échange thermique et comprenant du matériau thermoplastique, la surface intérieure de la paroi guidant l'écoulement d'air et étant recouverte d'un revêtement métallique. [0022] Pour palier à cet inconvénient, il serait possible de réaliser le canal d'écoulement d'air sous forme d'une pièce métallique mais l'échangeur de refroidissement serait à la fois plus lourd et beaucoup plus complexe à industrialiser. Il serait également possible d'améliorer la résistance de l'échangeur de refroidissement en choisissant des thermoplastiques présentant d'excellentes propriétés de résistance mécanique, avec pour contrepartie un coût de revient sensiblement accru. [0023] Une boîte à air désignera par la suite un élément du canal de guidage raccordant des tubulures d'échange thermique à un autre composant du circuit d'air. [0024] [0025] La figure 1 représente schématiquement un moteur 1 comprenant un échangeur de refroidissement d'air de suralimentation 4 associé à un circuit de recyclage de gaz d'échappement basse pression. De l'air frais traverse un filtre à air 31. L'air frais traverse ensuite un débitmètre d'air 32. L'air frais traverse ensuite une vanne de dosage d'air frais 21. Une turbine 34 est connectée à la vanne 21 et comprime de façon connue en soi de l'air d'admission. Une vanne 22 est connectée à la sortie de la turbine 34. La vanne 22 envoie l'air d'admission soit directement vers une vanne de contrôle de charge moteur 23 ou papillon des gaz, soit vers l'entrée d'un échangeur de refroidissement d'air 4. La sortie de l'échangeur de refroidissement d'air 4 est connectée à l'entrée de la vanne 23. L'air issu de la vanne 23 débouche dans l'admission 11 du moteur 1, L'échappement moteur 12 évacue les gaz de combustion du moteur 1. Une vanne 24 récupère une partie des çaz au niveau de l'échappement 12 et les réinjecte à l'admission 11, pour réaliser du recyclage de gaz d'échappement haute pression. [0026] L'échappement moteur 12 débouche dans une turbine de détente 35. La turbine de détente 35 30 entraîne la turbine de compression 34 par l'intermédiaire d'un arbre 33. Des organes de dépollution sont connectés à la sortie de la turbine 35. Un catalyseur d'oxydation d'oxydes d'azotes 36 est connecté à la sortie de la turbine 35. Un filtre à particules 37 est connecté à la sortie du catalyseur 36. Une vanne 25 est connectée à la sortie du filtre à particules 37, Un silencieux d'échappement est connecté à la sortie de la vanne 25. [0027 Une dérivation prélève des gaz d'échappement à la sortie du filtre à particules 37 et les refoule à la sortie de la vanne 21. La dérivation comprend un radiateur de refroidissement de gaz d'échappement 38. Une vanne 26 et connectée à la sortie du radiateur 38 et débouche en aval de la vanne 21. La dérivation permet ainsi de réaliser du recyclage de gaz d'échappement basse pression. [00281 Selon l'invention, une paroi d'une boîte à air de l'échangeur de refroidissement comprend un matériau thermoplastique. La surface intérieure de cette paroi guide l'écoulement d'air suralimenté et est revêtue d'un matériau métallique. Ainsi, la paroi est correctement protégée contre les agressions chimiques dues à la présence de gaz d'échappement recyclés basse pression. [00291 Les figures 2 et 4 représentent une première variante d'échangeur de refroidissement d'air de suralimentation 4. Selon cette variante, l'air de suralimentation effectue un parcours en forme de U à l'intérieur de l'échangeur 4, en s'écoulant dans deux conduits paralèles ménagés dans sa partie médiane 43. L'échangeur 4 présente une entrée 41 destinée à être connectée à la sortie d'un organe de suralimentation. L'échangeur 4 présente une sortie 42 destinée à être connectée à une vanne d'admission. L'entrée 41 et la sortie 42 sont formées par une boite à air 48. L'entrée 41 et la sortie 42 sont séparées par une paroi ménagée dans la boîte à air 48. La boîte à air 48 raccorde l'entrée 41 et la sortie 42 à des tubulures d'échange thermiques respectives non détaillées présentes dans la partie médiane 43. La partie médiane 43 est destinée à assurer un éclange thermique optimal entre l'air de suralimentation la traversant et un fluide caloporteur, air sous-capot moteur pour un échangeur air/air, eau pour un échangeur air/eau. [oo3ot Dans cet exemple, un premier groupe de tubes raccorde l'entrée 41 de la boîte à air 48 à une boîte à air intermédiaire 46. Un deuxième groupe de tubes raccorde la boîte à air intermédiaire 46 à la sortie 42 de la boîte à air 48. Les boîtes à air 46 et 48 ainsi que la partie médiane 43 forment ainsi un canal de guidage de l'air entre l'entrée et la sortie de l'échangeur 4. Les premier et deuxième groupes de tubes sont parallèles. La boîte à air 46 raccorde ainsi deux extrémités des groupes de tube, l'air suralimenté effectuant ainsi un trajet en U à l'intérieur de l'échangeur 4. On obtient ainsi un échangeur 4 compact. [0031] Les parois des boîtes à air 46 et 48 sont formées en matériau thermoplastique. Les surfaces intérieures des parois 6 de ces boîtes à air sont en contact avec des gaz acides traversant l'échangeur 4. Pour les protéger contre ces gaz, ces surfaces intérieures sont revêtues d'une couche de matériau métallique 5. [0032] La boîte à air 46 forme une partie inférieure de l'échangeur 4 lorsque celui-ci est associé au moteur 1. Lorsque des gaz acides se condensent pour former du liquide, ce liquide retombe dans la boîte à air 46 et risque de le perforer par une érosion réuétée. La surface intérieure de la boîte à air 46 est ainsi avantageusement revêtue d'un matériau métallique la protégeant de telles attaques acides. [0033] Les figures 3 et 5 représentent une deuxième variante d'échangeur de refroidissement d'air de suralimentation 4. Selon cette variante, l'air de suralimentation effectue un parcours linéaire à l'intérieur de l'échangeur 4. L'échangeur 4 comprend une boîte à air 47 formant un collecteur d'entrée 47 raccordé à une turbine de compression par l'intermédiaire d'un conduit 44. L'échangeur 4 comprend une boîte à air 49 formant un collecteur de sortie raccordé à une vanne d'admission par l'intermédiaire d'un conduit 45. Les boîtes à air 47 et 49 sont connectées par l'intermédiaire de la partie médiane 43, formée d'un ensemble de tubes métalliques. [0034] Dans l'exemple illustré, une des boîtes à air, en l'occurrence la boîte à air de sortie 49, constitue une partie inférieure de l'échangeur 4 lorsque celui-ci es: associé au moteur 1. Lorsque des gaz acides se condensent en refroidissant pour former du liquide dans l'échangeur 4, le liquide retombe dans la boîte à air constituant la partie inférieure. La surface intérieure de la paroi 6 de la boîte à air 49 est ainsi avantageusement revêtue d'un matériau métallique 5 le protégeant de telles attaques acides. [0035] [0036] L'homme du métier pourra déterminer un matériau métallique chimiquement compatible avec le matériau thermoplastique utilisé pour la paroi du canal. En l'occurrence, le matériau métallique forme un revêtement métallique adhérant à la face intérieure de la paroi. Ce revêtement permettra également d'accroître la résistance mécanique de la paroi. Le revêtement pourra être formé par un dépôt d'un alliage métallique nanocristallin, contenant un alliage de nickel et de fer. Un tel alliage métallique est notamment commercialisé sous le nom commercial Metafuse par la société Dupont. Cet alliage est particulièrement avantageux pour revêtir des matières thermoplastiques renforcées par des fibres de verre. [0037] Le document WO2006/063469 décrit des procédés de formation de revêtements à grain fin par dépôt métallique. Le dépôt est effectué par électrodéposition en courant alternatif ou continu. Ce document fait référence à des techniques déjà connues de dépôt de métaux à grain fin par électrodéposition, par la sélection de formulations et de conditions de bains de plaquage adéquates. Ce document fait également référence à des procédés de dépôt chimiques en phase vapeur ou par pistolage à froid. Ce document préconise de réaliser un revêtement métallique ayant une taille de grain comprise entre 2 et 5000 nm, une épaisseur comprise entre 25pm et 5 mm, et une dureté comprise entre 200 et 3000 VHN. Le revêtement décrit présente une résilience comprise entre 0,25 et 25 MPa et une limite à l'allongement élastique comprise entre 0,25% et 2%. Le document indique des valeurs de rugosité à respecter pour la surface à métalliser. [0038] L'invention permet d'utiliser des matériaux thermoplastiques présentant une température de fusion inférieure ou égale à 300° C, sans pour autant nuire à la fiabilité de l'échangeur. Le matériau thermoplastique utilisé pour la paroi du canal pourra être du polyamide. L'épaisseur de la paroi comprend avantageusement au moins 50 % de matériaux thermoplastiques. La paroi du canal est avantageusement formée d'un matériau thermoplastique renforcé par des fibres, ce qui accroît sa résistance mécanique et sa durée de vie. Les fibres de renforcement pourront par exemple être des fibres de verre. Le matériau thermoplastique pourra notamment être du PA6 GF35, du PA66 GF35, du PA66 GF 30, du PA46GF30 ou du PPAGF30, REVENDICATIONS1. Échangeur (4) de refroidissement d'air suralimenté, comprenant : -un canal de guidage de l'air suralimenté entre une entrée (41) et une sortie (42) d'air, ce canal de guidage comprenant au moins des tubulures d'échange thermique et au moins une boîte à air (46, 47, 48, 49) raccordée à ces tubulures, la boîte à air étant munie d'une paroi (6) comprenant du matériau thermoplastique et dont la surface intérieure guide l'écoulement de l'air suralimenté ; caractérisée en ce que -ladite surface intérieure est revêtue d'un matériau métallique (5). 2. Échangeur selon la revendication 1, dans lequel la boîte à air est un collecteur d'entrée (47) de l'échangeur. 3. Echangeur selon la revendication 1, dans lequel la boîte à air est un collecteur de sortie (49) 1.5 de l'échangeur. 4. Echangeur selon la revendication 1, dans lequel la boî':e à air est un connecteur raccordant des tubulures d'échange thermique raccordées à l'entrée avec des tubulures d'échange thermique raccordées à la sortie. 5. Échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les tubulures d'échange thermique sont délimitées par une pluralité de tubes en matériau métallique et sont en communication avec ladite boîte à air. 25 6. Échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit matériau thermoplastique est du polyamide. 7. Échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit matériau thermoplastique est renforcé par des fibres de verre. 8. Échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau métallique est chimiquement compatible avec le matériau thermoplastique. 20 9. Échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau métallique présente une taille de grain comprise entre 2 et 5000 nm, et une épaisseur comprise entre 25 im et 5 mm, 10. Moteur à combustion interne (1), comprenant : -un dispositif (34) de compression d'air d'admission du moteur ; -un échangeur (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes recevant de l'air provenant du dispositif de compression et le refoulant vers l'admission (11) du moteur ; -au moins un organe de dépollution (36,37) recevant les gaz d'échappement issus du moteur ; -un circuit de recyclage de gaz d'échappement recevant des gaz d'échappement issus de l'organe de dépollution et refoulant ces gaz d'échappement vers le dispositif �34) de compression d'air d'admission. 11. Moteur à combustion interne selon la revendication 10, dans lequel ladite boîte à air forme la 15 partie inférieure (46,49) de l'échangeur et est traversée par l'air suralimenté.