Brevet FR2982906A1 — publié le 20130524

Système de gestion thermique d'un circuit d'air de suralimentation. La présente invention concerne un système de gestion thermique d'un circuit d'air de suralimentation, notamment pour véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention traite du refroidissement de l'air issu d'un turbocompresseur avant son admission dans les cylindres de combustion d'un moteur à explosion. Dans le domaine automobile des moteurs suralimentés, il est connu de refroidir l'air d'admission, issue d'au moins un turbocompresseur, au moyen d'au moins un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) placé en amont des cylindres de combustion. Le RAS permet ainsi une diminution de la température d'air de suralimentation qui est à une température élevée en sortie du turbocompresseur. En effet, dans le circuit classique de suralimentation, l'air de suralimentation subit une compression au niveau du turbocompresseur, augmentant de fait sa température et diminuant sa densité. Ainsi du fait de l'abaissement de la température d'air d'admission les risques d'auto-allumage sont réduits et la densité de l'air de suralimentation est meilleure, améliorant le rendement de combustion. Les RAS sont généralement des échangeurs de chaleurs de types air/air ou encore air/liquide qui subissent des contraintes importantes, notamment d'un point de vue thermique du fait de l'utilisation cyclique du turbocompresseur en fonction du régime moteur. En effet, à chaque utilisation du turbocompresseur, l'air de suralimentation augmente en pression et en température. Les augmentations de température de l'air de suralimentation, liées à l'utilisation du turbocompresseur, sont illustrées par la figure 1. Cette figure 1 montre une courbe de température de l'air de suralimentation en sortie du turbocompresseur en fonction du temps. Il est ainsi possible d'observer des pics de température de l'air de suralimentation pouvant monter jusqu'à 24o °C lors de l'utilisation du turbocompresseur. Ces augmentations de température importantes imposent donc l'utilisation de matériaux résistant à ces hautes températures, la mise en oeuvre d'épaisseurs de matière conséquentes pour la tenue mécanique des éléments et également l'utilisation de RAS de grandes tailles afin de gérer ces hautes températures. Il est également connue de mettre en série deux RAS de plus petite tailles afin de limiter l'encombrement et de les placer dans les espaces disponibles du compartiment moteur. Cependant, cette solution n'est pas satisfaisante car la diminution de l'encombrement est limitée et la multiplication de RAS peut entrainer des surcouts de fabrication. Un des buts de l'invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un système de gestion thermique d'un circuit d'air de suralimentation optimisé. La présente invention concerne donc un système de gestion thermique d'un circuit d'air de suralimentation, ledit air de suralimentation provenant d'au moins un turbocompresseur et destiné à être admis dans les cylindres de combustion d'un moteur à explosion, ledit système de gestion thermique comportant au moins un refroidisseur d'air de suralimentation placé en amont des cylindres de combustion, ledit système de gestion thermique comportant en outre un dispositif de contrôle passif de la température d'air de suralimentation placé entre le turbocompresseur et le au moins un refroidisseur d'air de suralimentation. Selon un aspect de l'invention, le dispositif de contrôle passif de la température d'air de suralimentation comporte une encapsulation de matériau à changement de phase. Selon un autre aspect de l'invention, le matériau à changement de phase a une température de changement de phase comprise entre 180°C et 200°C. Selon un autre aspect de l'invention, le matériau à changement de phase est un composé eutectique. Selon un autre aspect de l'invention, le matériau à changement de phase a une chaleur latente de 391 MJ/m3. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de contrôle passif de la 15 température d'air de suralimentation comporte au moins un tube d'air dans lequel circule l'air de suralimentation, ledit tube d'air étant gainé par l'encapsulation de matériau à changement de phase. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de contrôle passif de la 20 température d'air de suralimentation comporte au moins deux tubes d'air coaxiaux, chaque tube d'air étant gainé par une encapsulation de matériau à changement de phase. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de contrôle passif de la 25 température d'air de suralimentation comporte au moins deux tubes d'air parallèles gainés par une même encapsulation de matériau à changement de phase. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de contrôle passif de la 30 température d'air de suralimentation comprend un échangeur de type à plaques. Selon un autre aspect de l'invention, l'encapsulation de matériau à changement de phase est intégrée dans les parois de la tubulure d'entrée d'air fixée au refroidisseur d'air de suralimentation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - La figure 1 montre une courbe de température de l'air de suralimentation en fonction du temps, en sortie de turbocompresseur, - la figure 2 montre une représentation schématique d'un circuit d'air de suralimentation comprenant un système de gestion thermique selon l'invention, - la figure 3 montre une courbe de température de l'air de suralimentation en fonction du temps, en sortie d'un dispositif de contrôle passif de la température d'air de suralimentation selon l'invention, - les figures 4A, 4B et 4C montrent des représentations schématiques selon une coupe A-A' de plusieurs modes de réalisation d'un dispositif de contrôle passif de la température d'air de suralimentation selon l'invention. Sur les différentes figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. La figure 2 montre une représentation schématique d'un circuit d'air de suralimentation. Ledit circuit d'air de suralimentation comprend un turbocompresseur 3 qui, sous l'action des gaz d'échappement recueillis en sortie du collecteur d'échappement 11, comprime l'air destinée aux cylindres de combustion 5, recueillie par l'admission d'air 13. L'air de suralimentation ainsi crée passe alors dans un système de gestion thermique 1, comprenant un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) 7 placé entre le turbocompresseur 3 et les cylindres de combustion 5. Le système de gestion thermique 1 comporte en outre un dispositif de contrôle passif 9 de la température de suralimentation. Ledit dispositif de contrôle passif 9 de la température de suralimentation est placé entre le turbocompresseur 3 et le RAS 7. Le rôle de ce dispositif de contrôle passif 9 est d'atténuer, au moins en partie, les pics de température montrés sur la figure 1 lors de l'utilisation du turbocompresseur 3. Le dispositif de contrôle passif 9 de la température d'air de suralimentation peut ainsi être un réservoir thermique capable d'absorber de l'énergie calorifique au niveau de l'air de suralimentation et de la restituer ultérieurement. Ledit dispositif de contrôle passif 9 peut être une encapsulation de matériau à changement de phase (PCM), qui au contact de la chaleur de l'air de suralimentation chaud, change de phase, par exemple en passant de l'état solide à liquide, et absorbe ainsi de l'énergie calorifique et donc permet un abaissement de la température d'air de suralimentation. La figure 3 montre, à l'instar de la figure 1, une courbe de température de l'air de suralimentation lors de quatre cycles d'utilisation du turbocompresseur 3, à la différence que la mesure est effectuée en sortie du dispositif de contrôle passif 9 de la température de suralimentation. La courbe de température d'air d'admission monte ainsi, du fait de l'action du dispositif de contrôle passif 9, à des températures maximums inférieures à 200°C. Le dispositif de contrôle passif 9 utilisé pour la réalisation de cette courbe est une encapsulation de PCM ayant une température de changement de phase comprise entre 180°C et 200°C. Le PCM utilisé et est un composé eutectique et a une chaleur latente de 391MJ/m3 afin de pouvoir absorber efficacement des pics de température de l'orbe de 240°C. Le choix de cette encapsulation de PCM ayant une température de changement de phase comprise entre 180°C et 200°C, permet ainsi de stabiliser la température d'air de suralimentation en entrée de RAS à une valeur toujours inférieure à 200°C. Il est ainsi possible de caractériser la courbe de température montrée par la figure 3 en fonction des événements mécaniques et thermiques se déroulant dans le circuit d'air de suralimentation lors d'un cycle d'utilisation du turbocompresseur 3 : - la première partie ascendante 31 de la courbe montrant une augmentation de la température de l'air d'admission est le résultat de l'utilisation et de l'accélération de la vitesse de rotation du turbocompresseur 3 et de la montée en pression dudit air d'admission. - La seconde partie 32 de la courbe décrivant un pallier de température de l'ordre de 200°C, est le résultat de l'effet du dispositif de contrôle passif 9, absorbant de l'énergie calorifique au niveau de l'air de suralimentation. Dans le cas de l'utilisation d'une encapsulation de PCM, le pallier est dû au changement d'état du PCM qui nécessite de l'énergie calorifique et la prend au niveau de l'air de suralimentation, réduisant sa température. - La troisième partie descendante 33 de la courbe montrant une augmentation de la température de l'air d'admission est le résultat de l'arrêt de l'utilisation et de la décélération de la vitesse de rotation du turbocompresseur 3 et de la baisse de pression dudit air d'admission. - Lors de la quatrième partie 34 de la courbe, entre deux cycles d'utilisation du turbocompresseur 3, l'énergie calorifique absorbée par le dispositif de contrôle passif 9 se dissipe. Dans le cas de l'utilisation d'une encapsulation de PCM, le PCM retourne à son état physique d'origine, restituant l'énergie qu'il a absorbé. Lors de cette quatrième partie 34 entre deux cycles d'utilisation du turbocompresseur 3, l'énergie calorifique absorbée, peut se dissiper passivement vers l'extérieur dudit dispositif de contrôle passif 9, ou bien il est possible d'imaginer un système de récupération de cette énergie, en reliant ce dernier à un circuit de gestion thermique du véhicule, par exemple pour aider au chauffage de l'habitacle. La diminution de la température d'air en entrée de RAS permet ainsi une diminution des contraintes thermiques qui lui sont associées, et ainsi il est possible d'utiliser des matériaux moins résistants aux hautes températures et donc moins onéreux. Le RAS peut ainsi par exemple être contenu dans un boitier en plastique plus léger, réduisant de fait son poids. Il est également possible de réduire le volume de l'échangeur de chaleur présent dans le RAS car les températures maximales sont moins importantes, cela impliquant un gain de place dans le compartiment moteur ainsi qu'une diminution des coûts du RAS. Les figures 4A, 4B et 4C montrent des exemples de configurations de dispositifs de contrôle passif 9 composés d'encapsulation de PCM. Dans ces configurations, le coefficient d'échange entre l'air et le PCM et l'air de suralimentation est maximisé afin que la cinétique absorption/dissipation de l'énergie au niveau du PCM soit optimale et donc que son temps de réponse soit réduit. Les configurations présentées par les figures 4A, 4B et 4C sont également optimisées pour limiter les pertes de charge de l'air de suralimentation et garantir une bonne densité d'air.30 Les figures 4A et 4B montrent ainsi un dispositif de contrôle passif 9 comportant au moins un tube d'air 91 dans lequel circule l'air de suralimentation, ledit tube d'air 91 étant gainé par l'encapsulation de PCM 93. Plus en détail, la figure 4A montre un premier mode de réalisation où le dispositif de contrôle passif 9 comporte au moins deux tubes d'air 91 coaxiaux, chaque tube d'air 91 étant gainé par une encapsulation de PCM 93. La figure 4B montre un second mode de réalisation où le dispositif de 10 contrôle passif 9 comporte au moins deux tubes d'air 91 parallèles, lesdits tubes d'air 91 étant gainés pas une même encapsulation de PCM 93. Un mode de réalisation supplémentaire peut être l'intégration dans les parois de la tubulure d'entrée d'air d'admission fixée au RAS de l'encapsulation 15 de PCM, réduisant ainsi au maximum l'encombrement du dispositif de contrôle passif 9. La figure 4C montre un autre mode de réalisation où le dispositif de contrôle passif 9 comprend un échangeur de type à plaque. Dans ce mode de 20 réalisation, l'air de suralimentation passe dans des tubes plats d'air 95 entre des plaques d'encapsulation de PCM 93. Dans ces différents modes de réalisations, les tubes d'air 91 et tubes plats d'air 95 peuvent contenir des surfaces additionnelles 94 permettant un meilleur 25 échange calorifique. Afin de limiter les pertes de charges de l'air de suralimentation liées à ces surfaces additionnelles 94, ces dernières sont orientées parallèlement au sens de circulation de l'air de suralimentation. Ainsi, on voit bien que le système de gestion thermique selon l'invention 30 permet une meilleure gestion des pics de température d'air de suralimentation, issus de l'utilisation d'un turbocompresseur. L'ajout d'un dispositif de contrôle passif de la température d'air de suralimentation permet, pour un encombrement minimum et un coût réduit, d'optimiser la gestion thermique de l'air de suralimentation et ainsi de réduire l'encombrement et les coûts même du RAS pour des performances égales. REVENDICATIONS1. Système de gestion thermique (1) d'un circuit d'air de suralimentation, ledit air de suralimentation provenant d'au moins un turbocompresseur (3) et destiné à être admis dans les cylindres de combustion (5) d'un moteur à explosion, ledit système de gestion thermique (i) comportant au moins un refroidisseur d'air de suralimentation (7) placé en amont des cylindres de combustion (5), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif de contrôle passif (9) de la température d'air de suralimentation placé entre le turbocompresseur (3) et le au moins un refroidisseur d'air de suralimentation (7). 2. Système de gestion thermique (i) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle passif (9) de la température d'air de suralimentation est un réservoir thermique. 3. Système de gestion thermique (i) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle passif (9) de la température d'air de suralimentation comporte une encapsulation de matériau à changement de phase (93)- 4. Système de gestion thermique (i) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase a une température de changement de phase comprise entre i8o°C et 200°C. 5. Système de gestion thermique (i) selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase est un composé eutectique.30 6. Système de gestion thermique (1) selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase a une chaleur latente de 391 MJ/m3. 7. Système de gestion thermique (1) selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle passif (9) de la température d'air de suralimentation comporte au moins un tube d'air (91) dans lequel circule l'air de suralimentation, ledit tube d'air (91) étant gainé par l'encapsulation de matériau à changement de phase (93). 8. Système de gestion thermique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle passif (9) de la température d'air de suralimentation comporte au moins deux tubes d'air (91) coaxiaux, chaque tube d'air (91) étant gainé par une encapsulation de matériau à changement de phase (93)- 9. Système de gestion thermique (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle passif (9) de la température d'air de suralimentation comporte au moins deux tubes d'air (91) parallèles gainés par une même encapsulation de matériau à changement de phase (93)- 10. Système de gestion thermique (1) selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle passif (9) de la température d'air de suralimentation comprend un échangeur de type à plaques. 11. Système de gestion thermique (1) selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'encapsulation de matériau à changement de phase (93) est intégrée dans les parois de la tubulure d'entrée d'air fixée au refroidisseur d'air de suralimentation (7).