Brevet FR3001797A1 — publié le 20140808

PROCEDE DE REFROIDISSEMENT ET DE PROTECTION D'UN ECHANGEUR DE CHALEUR AIR/FLUIDE. [0001] L'invention porte sur un procédé de refroidissement et de protection d'un premier échangeur de chaleur air/fluide équipant un véhicule automobile pourvu d'un moteur à combustion interne. L'invention porte encore sur un système de régulation apte à mettre en oeuvre un tel procédé. [0002] Le document US 5,415,147 décrit un système de régulation de température pour un moteur à combustion interne qui est pourvu d'un turbocompresseur en vue de fournir un air comprimé au moteur à combustion interne. Le système de régulation comprend un radiateur à l'intérieur duquel circule un liquide de refroidissement pour transférer de la chaleur depuis le moteur à combustion interne à un flux d'air qui est en contact avec le radiateur. Le système de régulation comprend aussi des moyens de ventilation pour faciliter une traversée du flux d'air à travers le radiateur. Le système de régulation comprend encore un refroidisseur d'air suralimenté pour permettre un échange de chaleur entre un fluide réfrigérant et l'air comprimé en provenance du turbocompresseur. Le système de régulation comprend enfin un échangeur thermique qui est en communication fluidique avec le radiateur pour refroidir une partie du fluide réfrigérant sortant du radiateur et un moyen de distribution pour permettre un écoulement du fluide réfrigérant du moteur à combustion interne entre au moins l'une d'une pluralité de chemins d'écoulement, les chemins d'écoulement comprenant d'une part un premier chemin d'écoulement entre le moteur à combustion interne et le radiateur et d'autre part un deuxième chemin d'écoulement entre le moteur à combustion interne et le refroidisseur d'air sans que le fluide réfrigérant circule à travers le radiateur. Le moyen de distribution comprend une première vanne pour réguler un premier flux de fluide réfrigérant circulant à l'intérieur du premier chemin d'écoulement et une deuxième vanne pour réguler un deuxième flux de fluide réfrigérant circulant le long du deuxième chemin d'écoulement. Le moyen de distribution comprend enfin des moyens de commande pour actionner la deuxième vanne en réponse à une température du fluide réfrigérant à un emplacement prédéterminé du système de régulation thermique. [0003] Un tel système de régulation thermique mérite d'être amélioré pour optimiser une alimentation en air comprimé du moteur à combustion interne et pour atteindre une puissance désirée fournie par le moteur à combustion interne. [0004] Plus particulièrement, un tel système de régulation est globalement susceptible d'être d'un encombrement excessif. De plus, lorsque le refroidisseur d'air suralimenté est couplé avec un échangeur thermique air/air, il est fréquent d'avoir à diminuer la taille du refroidisseur d'air suralimenté et/ou de l'échangeur thermique air/air pour minimiser l'encombrement total du système de régulation, ce qui affecte un rendement global de ce dernier. Par ailleurs, une inertie thermique d'un tel système de régulation étant faible, un pilotage d'actionneurs affectés à des éléments que le système de régulation comporte, tels que des volets de distribution d'un flux d'air par exemple ou analogue, est complexe, en raison du fait notamment que de tels actionneurs ont des temps de réponse longs. De surcroit, pour optimiser une consommation électrique de ces actionneurs, il est souhaitable de les solliciter le moins possible. Selon un autre aspect, une surface d'échange thermique du refroidisseur d'air suralimenté est souhaitée la plus grande possible pour éviter un risque d'ébullition nucléée du fluide réfrigérant et un risque de gel du refroidisseur d'air suralimenté. Selon encore un autre aspect, il est possible d'estimer une température du fluide réfrigérant du refroidisseur d'air suralimenté en se basant sur une température d'air du refroidisseur d'air suralimenté, mais la précision obtenue ne permet pas de gérer de façon sûre le risque d'ébullition nucléé dans le refroidisseur d'air suralimenté, en raison du fait qu'un modèle de comportement du refroidisseur d'air suralimenté ne peut pas prendre en compte rapidement certains dysfonctionnements comme l'obstruction d'ailettes que comporte le refroidisseur d'air suralimenté, ou le vieillissement de pièces que comporte le refroidisseur d'air suralimenté. D'autant que l'estimation de la température du fluide réfrigérant est particulièrement difficile lorsque le refroidisseur d'air suralimenté est couplé avec un échangeur thermique air/air, la température d'air n'ayant alors pas de relation directe avec la température d'eau du refroidisseur d'air suralimenté en raison d'éléments structurels potentiellement interposés entre l'échangeur thermique air/air et le refroidisseur d'air suralimenté. [0005] Un procédé de la présente invention est un procédé de refroidissement et de protection d'un premier échangeur de chaleur air/fluide équipant un véhicule automobile pourvu d'un moteur à combustion interne. Le procédé comprend au moins trois étapes principales, dont une étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide, une étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide contre une ébullition nucléée d'un fluide caloporteur circulant à l'intérieur du premier échangeur de chaleur air/fluide et une étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide contre un risque de gel du premier échangeur de chaleur air/fluide. [0006] Au cours de l'étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide, une consigne de température du fluide caloporteur est définie à partir d'un point de fonctionnement du moteur à combustion interne et une unité de commande contrôle la mise en oeuvre d'actionneurs respectivement affectés à au moins un volet, un groupe moto-ventilateur et une pompe, en fonction de la consigne de température du fluide caloporteur et d'une température du fluide caloporteur 12. [0007] De préférence, l'étape de refroidissement comprend une première étape de calcul de la consigne de refroidissement en stabilisé par une régulation proportionnelle-intégrale. [0008] De préférence, l'étape de refroidissement comprend une deuxième étape de calcul de la consigne de refroidissement en un mode transitoire. [0009] De préférence, la dite étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide comprend aussi une troisième étape de calcul de consignes des actionneurs. [0010] De préférence, au cours de l'étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide contre une ébullition nucléée du fluide caloporteur à l'intérieur du premier échangeur de chaleur air/fluide, une activation du refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide est réalisée et/ou une limitation du couple moteur, en fonction de la température du fluide caloporteur. [0011] De préférence, l'étape de protection comprend une étape d'estimation de la température des points les plus chauds du premier échangeur de chaleur air/fluide à partir d'une cartographie qui est fonction de la température du fluide caloporteur. [0012] De préférence, au cours de l'étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide contre le risque de gel du premier échangeur de chaleur air/fluide, un arrêt de la pompe est réalisé. [0013] De préférence, un arrêt de la pompe est réalisé lorsqu'une température ambiante est inférieure à une température-seuil. [0014] Un système de régulation de la présente invention est apte à la mise en oeuvre d'un tel procédé. [0015] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va en être faite d'exemples de réalisation, en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles : [0016] La figure 1 est une vue schématique d'un système de régulation de température selon la présente invention. [0017] Les figures 2 à 6 sont des vues schématiques partielles de phases successives constitutives d'une étape de refroidissement d'un premier échangeur de chaleur air/fluide constitutif du système de régulation représenté sur la figure précédente. [0018] La figure 7 est une vue schématique d'une étape de protection dudit premier échangeur de chaleur air/fluide contre un phénomène d'ébullition nucléée. [0019] La figure 8 est une vue schématique d'une étape de protection du dudit premier échangeur de chaleur air/fluide contre un risque de gel. [0020] Sur la figure 1, un véhicule automobile est équipé d'un moteur à combustion interne 1 pour pourvoir à son déplacement. Le moteur à combustion interne 1 est indifféremment un moteur à essence ou un moteur Diesel. Le moteur à combustion interne 1 est pourvu d'un plenum 2 pour faciliter une distribution d'un flux d'air comprimé 3 à l'intérieur du moteur à combustion interne 1. Le flux d'air comprimé 3 est obtenu à partir d'un flux d'air extérieur 4 qui est comprimé par l'intermédiaire d'un turbocompresseur 5. En sortie du turbocompresseur 5, le flux d'air comprimé 3 traverse un premier échangeur de chaleur air/fluide 6 à l'intérieur duquel circule un fluide caloporteur 7, tel qu'un mélange d'eau et de glycol ou analogue. Ces dispositions visent à permettre un échange de chaleur entre le premier fluide caloporteur 7 et le flux d'air comprimé 3. En sortie du premier échangeur de chaleur air/fluide 6, le flux d'air comprimé 3 traverse préférentiellement un premier échangeur de chaleur air/air 8 à l'intérieur duquel circule un flux d'air externe 9. Ces dispositions visent à permettre un échange de chaleur entre le flux d'air externe 9 et le flux d'air comprimé 3. [0021] Le premier échangeur de chaleur air/fluide 6 est constitutif d'un circuit de refroidissement 10 à l'intérieur duquel circule le fluide caloporteur 7. Le circuit de refroidissement 10 comprend une pompe 11 pour faire circuler le fluide caloporteur 7 à l'intérieur du circuit de refroidissement 10. Le circuit de refroidissement 10 comprend également un deuxième échangeur de chaleur air/fluide 12 qui est traversé par un flux d'air extérieur 13. Le circuit de refroidissement 10 est destiné à prélever de la chaleur au flux d'air comprimé 3 par l'intermédiaire du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 pour restituer cette chaleur au flux d'air extérieur 13 par l'intermédiaire du deuxième échangeur de chaleur air/fluide 12. Pour faciliter un tel transfert de chaleur, le deuxième échangeur de chaleur air/fluide 12 est équipé d'un groupe moto-ventilateur 14 qui facilite une traversée du flux d'air extérieur 13 à travers le deuxième échangeur de chaleur air/fluide 12. Le deuxième échangeur de chaleur air/fluide 12 et le groupe moto-ventilateur 14 constituent conjointement un aérotherme 15 qui est logé à l'intérieur d'une façade avant 16 du véhicule automobile. Cette dernière est contigüe d'une calandre 17 à travers laquelle le flux d'air extérieur 13 pénètre à l'intérieur d'un compartiment moteur 18 depuis un environnement extérieur 100 au véhicule automobile. La façade avant 16 loge aussi au moins un volet 19 de distribution du flux d'air extérieur 13 qui est mobile entre une position d'ouverture dans laquelle le volet 19 autorise une admission du flux d'air extérieur 19 à l'intérieur du compartiment moteur 18 et une position de fermeture dans laquelle le volet 19 interdit une telle admission du flux d'air extérieur 13. Selon la variante préférée illustrée sur la figure 1, la façade avant 16 loge une pluralité de volets 19. [0022] Le véhicule automobile est pourvu d'une unité électronique de commande 20 qui est apte à contrôler une mise en oeuvre respective du volet 19, du groupe moto-ventilateur 14 et de la pompe 11. L'unité de commande 20 est constitutive d'un système de régulation 102 qui comprend en outre des actionneurs 101 pour la mise en oeuvre respective du volet 19, du groupe moto-ventilateur 14 et de la pompe 11, notamment en fonction d'une consigne de température du fluide caloporteur C et d'une température du fluide caloporteur 12. A cet effet, le véhicule automobile est équipé d'un capteur de température 21 qui est placé entre le plenum 2 et le premier échangeur de chaleur air/air 8 pour mesurer une température d'admission d'air comprimé T. Le véhicule automobile est encore équipé d'une sonde de température 110 qui est placée sur le circuit de refroidissement 10 entre le premier échangeur de chaleur air/fluide 6 et le deuxième échangeur de chaleur air/fluide 12 pour mesurer la température du fluide caloporteur 12. [0023] Dans sa généralité, la présente invention propose une stratégie de contrôle de commande permettant de refroidir le flux d'air comprimé 3 par l'intermédiaire du premier échangeur de chaleur air/fluide 6, mais aussi de protéger le premier échangeur de chaleur air/fluide 6 contre un phénomène d'ébullition nucléé. Un tel phénomène est susceptible d'engendrer à terme une détérioration du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 et/ou une fuite du fluide caloporteur 7. La présente invention propose une stratégie de contrôle de commande permettant aussi de protéger le premier échangeur de chaleur air/fluide 6 contre un risque de gel de ce dernier. En effet, en cas de gel sévère, par exemple pour une température ambiante Ta inférieure à -10°C, l'humidité du flux d'air comprimé 3 qui traverse le premier échangeur de chaleur air/fluide 6 est susceptible de s'agglomérer contre des parois du premier échangeur de chaleur air/fluide 6, d'y geler et finalement d'empêcher un écoulement du flux d'air comprimé 3. La température ambiante Ta est la température prise à l'extérieur du véhicule automobile. [0024] Plus particulièrement, la présente invention propose une stratégie de contrôle comprenant trois étapes principales, dont une étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide 6, une étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 contre une ébullition nucléée du fluide caloporteur 7 à l'intérieur du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 et une étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 contre un risque de gel du premier échangeur de chaleur air/fluide 6. [0025] Plus particulièrement encore, et en se reportant sur la figure 2 et la figure 3, la présente invention propose qu'au cours de l'étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide 6, la consigne de température C du fluide caloporteur 7 est définie à partir d'un point de fonctionnement du moteur à combustion interne 1. [0026] En se reportant sur la figure 2, la dite étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 comprend une première étape de définition de la consigne de température du fluide caloporteur C à partir d'une première cartographie de la consigne de couple en air et du régime moteur. La consigne de couple en air correspond au couple demandé par un utilisateur du véhicule automobile, la consigne de couple en air n'étant pas forcément atteinte. La première cartographie est définie de telle sorte que dans toutes les situations de vie du véhicule automobile, une certaine température d'admission d'air comprimé Ti est atteinte, ce qui permet d'atteindre la performance attendue. De surcroit, la consigne de température du fluide caloporteur C permet un refroidissement sur des points stabilisés. [0027] En se reportant sur la figure 3, la dite étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 comprend aussi une deuxième étape de définition d'une consigne de température d'air C' à partir d'une cartographie de la consigne de couple et du régime moteur. La consigne de température d'air C' permet une correction lente du refroidissement, sur des points stabilisés, et permet de compenser une éventuelle perte d'efficacité du système de régulation 102. Ces deux consignes peuvent être corrigées par la pression atmosphérique, notamment en cas de perte d'efficacité avec la baisse de pression, et par la température ambiante Ta, notamment en cas d'une augmentation de l'efficacité du dit système de régulation 102 si la température ambiante Ta est sévèrement froide, par exemple inférieure à -10°C. [0028] En se reportant sur la figure 4, la dite étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 comprend aussi une première étape de calcul d'une consigne de refroidissement en stabilisé C" par une régulation proportionnelle-intégrale. Par exemple, la consigne de température du fluide caloporteur C et la température du fluide caloporteur mesurée donnent une consigne proportionnelle, la consigne de température du fluide caloporteur C et la température du fluide caloporteur mesurée donnent une première consigne intégrale (correction lente) et la consigne de température d'air et la température d'air mesurée, donnent une deuxième consigne intégrale (correction très lente). Il en découle une obtention de la consigne de refroidissement en stabilisé C". [0029] En se reportant sur la figure 5, la dite étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 comprend aussi une deuxième étape de calcul de la consigne de refroidissement en un mode transitoire C-, cette consigne est mise à 100 (3/0 lorsqu'on détecte un gradient important sur la volonté de l'utilisateur du véhicule automobile, puis une anticipation d'une montée en température sur l'eau en activant le refroidissement. [0030] En se reportant sur la figure 6, la dite étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 comprend aussi une troisième étape de calcul de consignes actionneurs C" pour la mise en oeuvre respective du volet 19, du groupe moto-ventilateur 14 et de la pompe 11, à partir d'une prise en compte d'un maximum des consignes respectives de refroidissement en stabilisé et en transitoire, puis à partir d'un filtrage appliqué pour prolonger le refroidissement et à partir d'une limitation des cycles arrêt-marche desdits actionneurs et enfin à partir des cartographies convertissant le résultat en consignes actionneurs en tenant compte de l'effet d'une vitesse du véhicule automobile. [0031] Plus particulièrement encore, et en se reportant sur la figure 7, la présente invention propose qu'au cours de l'étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 contre une ébullition nucléée du fluide caloporteur 7 à l'intérieur du premier échangeur de chaleur air/fluide 6, une activation du refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 soit réalisée et/ou une limitation du couple moteur, en fonction de la température du fluide caloporteur 12. [0032] A cet effet, l'étape de protection comprend une étape d'estimation de la température des points les plus chaud du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 à partir d'une cartographie qui est fonction de la température du fluide caloporteur, l'ébullition nucléé se produisant sur les points les plus chauds du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 lorsque leur température respective dépasse la température d'ébullition, la température d'ébullition étant fonction de la pression du fluide caloporteur, elle même fonction d'une température d'eau du moteur à combustion interne 1, dite température BSE, les circuits comprenant le premier échangeur de chaleur air/fluide 6 et le circuit de refroidissement du moteur du véhicule automobile étant à la même pression. Lorsque la température des points chauds dépasse la température d'ébullition, une activation active dans un premier temps des actionneurs (respectivement de la pompe à eau, du groupe moto-ventilateur et des volets pilotés), et si nécessaire, une telle activation étant complétée d'une limitation de couple moteur. [0033] Plus particulièrement encore, et en se reportant sur la figure 8, la présente invention propose qu'au cours de l'étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 contre le risque de gel du premier échangeur de chaleur air/fluide 6, un arrêt de la pompe 11 est réalisé de telle sorte que le flux d'air comprimé 3 réchauffe le fluide caloporteur 7 et limite la formation de glace. [0034] A cet effet, la dite étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide 6 comprend un arrêt de la pompe 11 lorsque la température ambiante Ta est inférieure à une température-seuil, par exemple de l'ordre de -20°C. Le fluide caloporteur 7 présent dans le premier échangeur de chaleur air/fluide 6 n'est plus refroidi mais chauffé par l'air de suralimentation. Il en ressort qu'une activation régulière de la pompe 11 pendant un temps court (activation courte) permet l'obtention d'une information valide de la température du fluide caloporteur 7, la période d'activation de la pompe 11 dépendant du régime moteur et du couple moteur. REVENDICATIONS: 1. Procédé de refroidissement et de protection d'un premier échangeur de chaleur air/fluide (6) équipant un véhicule automobile pourvu d'un moteur à combustion interne (1) dans lequel le procédé comprend au moins trois étapes principales, dont une étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide (6), une étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide (6) contre une ébullition nucléée d'un fluide caloporteur (7) circulant à l'intérieur du premier échangeur de chaleur air/fluide (6) et une étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide (6) contre un risque de gel du premier échangeur de chaleur air/fluide (6). 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide (6), une consigne de température du fluide caloporteur (C) est définie à partir d'un point de fonctionnement du moteur à combustion interne (1) et une unité de commande (20) contrôle la mise en oeuvre d'actionneurs (101) respectivement affectés à au moins un volet (19), un groupe moto-ventilateur (14) et une pompe (11), en fonction de la consigne de température du fluide caloporteur (C) et d'une température du fluide caloporteur (12). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de refroidissement comprend une première étape de calcul d'une consigne de refroidissement en stabilisé (C') par une régulation proportionnelle-intégrale. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de refroidissement comprend une deuxième étape de calcul d'une consigne de refroidissement en un mode transitoire (C"). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la dite étape de refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide (6) comprend aussi une troisième étape de calcul de consignes des actionneurs (C"). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide (6) contre une ébullition nucléée du fluide caloporteur (7) à l'intérieur du premier échangeur de chaleur air/fluide (6), une activation du refroidissement du premier échangeur de chaleur air/fluide (6) est réalisée et/ou une limitation du couple moteur, en fonction de la température du fluide caloporteur 12. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape de protection comprend une étape d'estimation de la température des points les plus chauds du premier échangeur de chaleur air/fluide (6) à partir d'une cartographie qui est fonction de la température du fluide caloporteur (7). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape de protection du premier échangeur de chaleur air/fluide (6) contre le risque de gel du premier échangeur de chaleur air/fluide (6), un arrêt de la pompe (11) est réalisé. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un arrêt de la pompe (11) est réalisé lorsqu'une température ambiante (Ta) est inférieure à une température-seuil. 10. Système de régulation (102) pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.