Brevet FR2959455A1 — publié le 20111104

DISPOSITIF COMPORTANT UN ECHANGEUR THERMIQUE, UN CONDUIT DE DERIVATION ET DES MOYENS DE VIDANGES DES CONDENSATS PRESENTS DANS L'ECHANGEUR, ET MOTEUR DOTE D'UN TEL DISPOSITIF [0001] L'invention porte sur le domaine du refroidissement de l'air d'admission des moteurs à combustion suralimentés. Elle porte en particulier sur les échangeurs air-air permettant un tel refroidissement. [0002] Les véhicules automobiles comportent généralement des échangeurs de chaleur destinés à refroidir ou bien à réchauffer les fluides nécessaires à leur fonctionnement. [0003] Plus particulièrement, compte tenu des exigences requises en termes de puissance pour les nouvelles motorisations, il est classique de disposer dans la ligne d'admission d'air du moteur, un compresseur destiné à comprimer l'air devant être admis dans les chambres de combustion. Toutefois, l'air comprimé est échauffé par la compression, et a donc tendance à se dilater en sortie du compresseur. Aussi, afin de garantir une bonne densité à l'air de suralimentation, il est nécessaire de le refroidir. C'est pourquoi, il est également classique de rencontrer en aval du compresseur un échangeur de chaleur apte à refroidir l'air circulant dans la ligne d'admission. Cet échangeur de chaleur est habituellement nommé « Refroidisseur d'Air de Suralimentation » (ou plus simplement « RAS »). [0004] Le refroidissement se fait généralement au travers d'un échangeur air/air implanté dans le bloc avant du véhicule. Cependant, le circuit d'air suralimenté est pollué par de l'huile, principalement en provenance des paliers de turbocompresseur, et par de l'eau formée par condensation. [0005] La perte de charge générée par le faisceau du refroidisseur est augmentée par l'émulsion eau/huile polluant le circuit, et ce tout particulièrement dans des conditions climatiques froides qui vont entrainer un épaississement de l'émulsion. [0006] Un tel phénomène peut provoquer une suppression entre le compresseur et le refroidisseur, pouvant diminuer les performances du moteur voire compromettre la fiabilité de certains de ses éléments, et notamment du turbocompresseur (phénomène de pompage). Ce phénomène peut également empêcher le démarrage du moteur dans des situations de grand froid. [0007] Il connu du document GB-A-486 276 un moteur à combustion interne avec compression préalable de charge et avec un radiateur refroidi par air pour le refroidissement de la charge préalablement comprimée avant son entrée dans le moteur à combustion interne, en particulier pour les avions. Il est prévu un dispositif de contrôle qui répond à la perte de pression de la charge préalablement comprimée dans le radiateur et qui utilise des moyens de régulation tels que les volets de la quantité d'air de refroidissement qui passe à travers le radiateur de façon à ce que, sur une augmentation de la perte de pression de la charge préalablement comprimée dans le radiateur, laquelle perte de pression est due à une formation de givre dans le radiateur, la quantité d'air de refroidissement qui passe à travers le radiateur soit réduite. [0008] Il s'agit cependant d'un dispositif compliqué, et qui ne permet pas en outre l'élimination de l'émulsion ou condensat pouvant stagner dans le refroidisseur. [0009] Dans l'invention, on résout ce problème en proposant un dispositif comportant des moyens simples pour évacuer les condensats obstruant dans des conditions de grand froid des moyens d'échanges thermiques, par exemple employés pour le refroidissement de l'air à l'admission d'un moteur à combustion suralimenté. [0010] Plus précisément, l'invention porte donc sur un dispositif comportant un échangeur thermique du type air/air présentant des moyens d'échanges thermiques disposés entre une boîte d'entrée et une boîte de sortie d'un flux gazeux, et un conduit de dérivation des moyens d'échanges thermiques pour le flux gazeux, ledit conduit de dérivation étant muni de moyens d'obturation, dans lequel au moins une des boîtes comporte un orifice de vidange des condensats présents dans ladite boîte, des moyens d'obturation de l'orifice de vidange, et des moyens de liaison, entre les moyens d'obturation du conduit de dérivation et les moyens d'obturation de l'orifice de vidange, conformés de sorte à ce que l'ouverture du conduit de dérivation entraîne l'ouverture des moyens d'obturation de l'orifice de vidange des condensats présents dans la boîte. [0011] Ainsi, lorsque le flux gazeux, par exemple l'air d'admission d'un moteur à combustion suralimenté est dérivé et évite les moyens d'échanges par exemple lorsque la contrepression générée dans ces moyens d'échanges thermiques devient trop important, les condensats présents dans l'échangeur à l'origine de cette contrepression peuvent être vidangés, ce qui restaure un niveau de contrepression acceptable dans les moyens d'échanges. [0012] Selon divers modes de réalisation considérés seuls ou en combinaison, le dispositif selon l'invention peut comporter les caractéristiques suivantes : - les moyens d'obturation du conduit de dérivation sont du type à deux positions. - le conduit de dérivation et l'échangeur sont contenus dans un même boîtier. Cela permet l'obtention d'un module compact pour l'application de l'invention, et résout tout problème d'étanchéité de la dérivation. - l'orifice de vidange des condensats débouche dans un bac de rétention. Cela permet la récupération locale des condensats, puis leur élimination périodique par vidange du bac de rétention. - le bac de rétention est muni d'une mise à l'air libre dotée d'un silencieux acoustique. On évite ainsi tout phénomène de souffle, de sifflement ou autre désagrément acoustique pouvant être produit par la mise à l'air libre. - les moyens d'obturation du conduit de dérivation sont actionnés directement par la différence de pression entre la boîte d'entrée et la boîte de sortie. Cette disposition est particulièrement avantageuse car la présence de condensats dans les moyens d'échange se traduisent, au moins en condition environnementales froides, par une augmentation de la contrepression générée dans l'échangeur. - les moyens d'obturation du conduit de dérivation comportent un volet fermé, en l'absence d'une différence de pression suffisante entre les boîtes d'entrée et de sortie, par un ressort taré. On peut ainsi adapter le système selon le niveau de contrepression acceptable, et éviter de trop nombreuses fuites par le conduit de dérivation. - les moyens d'obturation du conduit de dérivation sont actionnés par des moyens d'actionnement électriques. C'est une solution plus onéreuse, mais qui permet un pilotage précis en fonction de paramètre de pression et/ou de température récupérés par des capteurs adéquats. - le dispositif présente une liaison mécanique entre les moyens d'obturation du conduit de dérivation et un clapet obturant l'orifice de vidange des condensats lorsque le conduit de dérivation est obturé. - la liaison mécanique est une liaison rigide. C'est le mode de réalisation le plus simple de cet aspect de l'invention. - boîte d'entrée comporte un orifice de vidange des condensats. Cette disposition est avantageuse dans la mesure où dans la majorité des configurations d'échangeur, les condensats s'accumulent surtout dans la boîte d'entrée de l'échangeur. - la ou les boîtes comportant un orifice de vidange présentent en outre un système de piégeage à alvéoles percées favorisant la décantation des condensats. La récupération des condensats est ainsi facilitée. [0013] L'invention porte également sur un moteur suralimenté comportant un dispositif tel que précédemment décrit, dans lequel le flux gazeux est l'air d'admission du moteur. [0014] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0015] La figure 1 présente en 3 dimensions un dispositif conforme à l'invention, dans son mode de réalisation préférentiel. [0016] La figure 2, présente en coupe un dispositif selon l'invention, dans son mode de réalisation préférentiel. [0017] La figure 3 présente un dispositif conforme à l'invention, dans le cas d'un échangeur de type « en U ». [0018] La figure 4 présente un dispositif conforme à l'invention, dans le cas d'un échangeur de type à faisceau d'échange horizontal et boîtes verticales. [0019] Un dispositif conforme à l'invention présente un échangeur air/air comportant des moyens d'échanges thermiques 1 permettant de refroidir un flux gazeux F par exemple destiné à l'alimentation en air d'un moteur à combustion suralimenté. [0020] Dans la variante de l'invention ici représentée, le dispositif est entièrement contenu dans un boîtier unique B. [0021] Le dispositif comporte une boîte d'entrée 2 et une boîte de sortie 3, entre lesquelles sont disposés les moyens d'échanges thermiques 1, pouvant typiquement être un faisceau de canaux dans lesquels peut circuler le flux gazeux F, les canaux étant liés par des ailettes augmentant les échanges thermiques avec un flux de refroidissement les traversant. La boîte d'entrée 2 sert essentiellement à la répartition du flux gazeux F dans les moyens d'échanges thermiques, la boîte de sortie permettant essentiellement la collecte du flux gazeux refroidi avant sa sortie du dispositif. [0022] Dans l'invention, un conduit de dérivation 4 (ou de bipasse) permet à tout ou partie du flux gazeux, lorsque ledit conduit de dérivation 4 est ouvert, de contourner les moyens d'échange gazeux. [0023] Dans la variante de l'invention ici représentée, la boîte d'entrée 2 présente un orifice de vidange 5 pour la vidange des condensats pouvant se former dans le dispositif, par condensation de l'eau contenue dans le flux gazeux et/ou par pollution de ce flux par de l'huile par exemple issue des moyens de lubrification d'une turbine d'un turbocompresseur située en amont du dispositif, dans une application du dispositif en tant que refroidisseur d'air de suralimentation d'un moteur à combustion. [0024] L'orifice de vidange débouche dans un bac de rétention 6 des condensats. [0025] Préférentiellement, le bac de rétention 6 est doté d'une mise à l'air libre 7, et d'un hublot 8 de visualisation du niveau des condensats dans le bac de rétention 6. Dans la variante ici représentée, le hublot 8 est démontable, de sorte à constituer un bouchon pour la vidange périodique du bac de rétention 6. [0026] Dans une variante de l'invention, il est possible de traiter les émissions acoustiques (bruits de fuites: sifflement...etc) par l'utilisation d'un silencieux (non représenté) tel qu'un système utilisé sur les échappements d'appareillage pneumatique ou de moteur thermique. Ce dispositif prend place au niveau de la mise à l'air du bac de rétention. [0027] Dans l'invention, le dispositif comporte des moyens d'obturation et d'ouverture du conduit de dérivation. Dans la variante ici présenté, les moyens d'obturation et d'ouverture du conduit de dérivation comportent un volet 9. En l'absence d'une différence de pression suffisante entre la boîte d'entrée 2 et la boîte de sortie 3, le volet 9 est fermé par un ressort taré précontraint de sorte à mettre en appui le volet 9 sur une butée 10. [0028] Dans la variante préférentielle de l'invention ici représenté, le volet 9 est lié rigidement à un clapet 11 obturant l'orifice de vidange 5 lorsque le volet 9 obture le conduit de dérivation 4. La liaison peut être réalisée par exemple à l'aide d'une tige métallique, de sorte à ne pas s'opposer au passage du flux gazeux F. [0029] Dans une situation de grand froid, les condensats présents dans le dispositif peuvent augmenter la perte de charge générée par les moyens d'échanges thermiques 1. L'augmentation de la perte de charge va entrainer une augmentation de la pression différentielle entre la boîte d'entrée 2 (dans laquelle la pression augmente) et la boîte de sortie 3 (dans laquelle la pression diminue) [0030] Lorsque la différence de pression est suffisante pour vaincre l'effort exercé par le ressort sur le volet 9, le volet s'ouvre permettant le passage de tout ou partie du flux gazeux F. L'ouverture du volet 9 va entrainer le basculement du clapet 11, permettant l'évacuation des condensats par l'orifice 5 alors ouvert. [0031] Le volet 9 et le clapet 11 sont représentés en pointillés sur la figure 2 dans une telle position d'ouverture. [0032] Le volet 9 peut-être équipé d'un capteur de position. L'information fournie par ce capteur permet d'être exploitée via un calculateur moteur (injection), afin d'être traitée et de servir au diagnostic moteur et/ou afin d'avertir l'utilisateur du moteur équipé de l'invention d'une anomalie (par exemple par allumage d'un voyant) si le système restait toujours ouvert (blocage du volet 9 ou du clapet 11 par exemple) . [0033] Les condensats évacués sont stockés dans le bac de rétention 6. Le hublot 8 permet de visualiser la présence éventuelle de condensats dans le bac de rétention 6 lors d'une opération de maintenance, afin d'en envisager la vidange. [0034] Lorsque le volet 9 est ouvert, l'équilibre de pression qui se restaure entre la boîte d'entrée 2 et la boîte de sortie 3 aide les condensats présents dans les moyens d'échanges thermiques 1 à retomber par gravité dans la boîte d'entrée 2 afin d'être évacués par l'orifice de vidange 5. Par ailleurs, la montée en température du moteur va favoriser l'élimination des condensats pâteux ou solides obstruant les moyens d'échanges thermiques 1. Une fois la différence de pression entre la boîte d'entrée et la boîte de sortie suffisamment réduite, le volet 9 se referme sous l'effet du ressort précontraint, et l'ensemble du flux gazeux F circule alors dans les moyens d'échanges thermiques. [0035] Dans une variante de l'invention non représentée la commande du volet 9 peut être de type électrique. Un système de prises d'informations en amont et en aval du dispositif selon l'invention mettant en jeu des capteurs de pression ou de débit permet par un traitement électronique de gérer la vidange des condensats. [0036] Tel que présenté en figure 3, un dispositif selon l'invention peut être mis en oeuvre également dans le cadre de moyens d'échanges de type « en U », c'est-à-dire présentant un flux d'air dans l'échangeur parcourant un premier groupe de faisceau dans un sens donné, puis un second groupe de faisceau dans le sens inverse. Dans l'invention, les boîtes d'entrée 2 et de sortie 3 sont positionnées du côté du dispositif destiné à être positionné en partie basse du dispositif lors de son utilisation. Un orifice de purge peut être alors prévu dans chacune des boîtes. On équipe prioritairement dans ce cadre la boîte d'entrée, plus sensible à la décantation des condensats. [0037] Tel que présenté en figure 4, un dispositif selon l'invention peut être mis en oeuvre également dans le cas ou les moyens d'échanges sont constitués de faisceaux destinés à être disposés sensiblement horizontalement, la boîte d'entrée 2 et la boîte de sortie 3 étant destinées à être disposées sensiblement verticalement. On veillera dans cette configuration à ce que les entrées et sortie des boîtes d'entrée 2 et de sortie 3 ne soient pas positionnés en partie basse de ces dernières, de sorte à permettre la décantation des condensats. [0038] Dans toutes les variantes de l'invention, la décantation des condensats peut-être améliorée par un système de piégeage à alvéoles percées (non représenté) pour limiter l'action du flux dans le fond des boites. Ce type de dispositif est connu sur des circuits de traitement des vapeurs d'huile dans un moteur thermique. [0039] L'invention propose ainsi un dispositif simple garantissant le bon fonctionnement d'un échangeur thermique susceptible d'être obstrué par des condensats, notamment dans des situations de grand froid. [0040] L'application préférentielle d'un tel dispositif est le refroidissement de l'air d'admission d'un moteur à combustion suralimenté, dans le cadre d'un « refroidisseur d'air de suralimentation ». Revendications: 1. Dispositif comportant un échangeur thermique du type air/air présentant des moyens d'échanges thermiques (1) disposés entre une boîte d'entrée (2) et une boîte de sortie (3) d'un flux gazeux (F), et un conduit de dérivation (4) des moyens d'échanges thermiques (1) pour le flux gazeux (F), ledit conduit de dérivation (4) étant muni de moyens d'obturation (9), caractérisé en ce qu'au moins une des boîtes comporte un orifice de vidange (5) des condensats présents dans ladite boîte, des moyens d'obturation de l'orifice de vidange (11), et des moyens de liaison, entre les moyens d'obturation du conduit de dérivation (9) et les moyens d'obturation de l'orifice de vidange (11), conformés de sorte à ce que l'ouverture du conduit de dérivation (4) entraîne l'ouverture des moyens d'obturation de l'orifice de vidange (11) des condensats présents dans la boîte. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'obturation du conduit de dérivation (9) sont du type à deux positions. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le conduit de dérivation (4) et l'échangeur sont contenus dans un même boîtier (B). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'orifice de vidange (5) des condensats débouche dans un bac de rétention (6). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bac de rétention (6) est muni d'une mise à l'air libre (7) dotée d'un silencieux acoustique. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'obturation du conduit de dérivation (9) sont actionnés directement par la différence de pression entre la boîte d'entrée (2) et la boîte de sortie (3). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'obturation du conduit de dérivation (9) comportent un volet fermé, en l'absence d'une différence de pression suffisante entre les boîtes d'entrée et de sortie, par un ressort taré. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens d'obturation du conduit de dérivation (9) sont actionnés par des moyens d'actionnement électriques. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par une liaison mécanique entre les moyens d'obturation du conduit de dérivation (9) et un clapet(11) obturant l'orifice de vidange (5) des condensats lorsque le conduit de dérivation (4) est obturé. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la liaison mécanique est une liaison rigide. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boîte d'entrée 52) comporte un orifice de vidange (5) des condensats. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les boîtes comportant un orifice de vidange (5) présentent en outre un système de piégeage à alvéoles percées favorisant la décantation des condensats. 13. Moteur suralimenté caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le flux gazeux (F) est l'air d'admission du moteur.