Brevet FR3001773A1 — publié le 20140808

REFROIDISSEUR D'AIR DE SURALIMENTATION EN U [0001] L'invention porte sur un refroidisseur d'air de suralimentation en U limitant la formation de condensats. [0002] Un refroidisseur d'air de suralimentation est utilisé pour un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur dans un véhicule automobile. Ce refroidisseur d'air de suralimentation permet de réduire à une température adéquate la température de l'air de suralimentation vers l'admission d'air dans le moteur. En effet, lors de la compression de l'air de suralimentation, cet air s'échauffe et il convient de réduire sa température pour son admission dans le moteur. Par exemple, une baisse de température de 10°C de l'air de suralimentation peut augmenter la puissance du moteur de 3 à 6%. Avec un tel refroidisseur d'air de suralimentation, il est donc possible de réduire fortement la température de l'air de suralimentation. [0003] Il existe plusieurs types de refroidisseur d'air de suralimentation ci-après dénommé refroidisseur RAS. [0004] Par exemple, il existe un premier type de refroidisseur RAS présentant une forme de U avec deux branches du U communicantes. L'entrée et la sortie d'air s'effectuent avantageusement par un boîtier supérieur et le passage d'une branche à l'autre s'effectue avantageusement par un boîtier inférieur. [0005] De plus, il existe un second type de refroidisseur RAS en forme de I dans lequel s'effectue une circulation d'air orientée généralement vers le haut avec une entrée d'air chaud de suralimentation par un boîtier inférieur et une sortie d'air refroidi par un boîtier supérieur. Il existe aussi un autre type de refroidisseur RAS en forme de I couché dit en brique dont l'axe longitudinal est disposé sensiblement horizontalement, l'entrée d'air se faisant d'un côté du refroidisseur RAS et la sortie d'air par le côté opposé. [0006] Ces refroidisseurs ont en commun l'inconvénient de créer dans la partie inférieure du refroidisseur, le plus souvent le boîtier inférieur, une zone d'accumulation de condensats qui peut être préjudiciable, notamment par température extérieure négative avec formation de glace dans le refroidisseur RAS d'où un risque d'étouffement du moteur. En particulier, cela entraîne un risque lors du démarrage du moteur après un arrêt prolongé sous une température extérieure négative. [0007] Un deuxième risque parmi d'autres se produit du fait de la possible admission d'eau liquide dans la chambre de combustion du moteur. Ceci peut entraîner des ratés de combustion d'où une diminution des performances du moteur, une dilution dans l'huile et surtout une dégradation voire une casse moteur due à l'incompressibilité de l'eau dans les cylindres du moteur. [0008] Le document WO-A-2009/033643 décrit un échangeur thermique, notamment pour un véhicule à moteur, en forme de U et comprenant une pluralité de conduits d'échange thermique fixés sur au moins un fond et destinés au transport d'un premier fluide. Selon ce document, les conduits d'échange thermique sont disposés dans un boîtier traversé par un deuxième fluide, boîtier dans lequel est monté un élément support qui permet à au moins deux conduits d'être placés l'un contre l'autre. Si l'échangeur thermique est en forme de U, il ne traite cependant pas de l'élimination des condensats en son intérieur lors du refroidissement des gaz traversant l'échangeur thermique. [0009] Le problème à la base de la présente invention est de diminuer la présence de condensats dans la partie inférieure d'un refroidisseur RAS du type en forme de U tout en garantissant un refroidissement suffisant de l'air de suralimentation. [0010] Pour atteindre cet objectif, il est prévu, selon l'invention, un refroidisseur d'air de suralimentation en forme de U d'un moteur thermique présentant au moins deux branches d'échange de chaleur parcourues en sens contraire par l'air de suralimentation à refroidir dont une branche descendante d'entrée d'air de suralimentation et une branche ascendante de sortie d'air de suralimentation, les deux branches communiquant entre elles et des condensats se formant lors du refroidissement de l'air de suralimentation dans chacune des branches, caractérisé en ce que les branches ascendante et descendante présentent au moins une caractéristique technique différente afin d'effectuer un refroidissement plus fort et donc une plus grande formation de condensats dans la branche ascendante que dans la branche descendante. [0011] L'effet technique est l'obtention d'un refroidisseur d'air de suralimentation en forme de U permettant de réduire la formation de condensats pour éviter leur accumulation dans sa zone inférieure, ceci sans l'emploi d'un dispositif extérieur d'évacuation des condensats. Ceci se fait en différenciant la capacité d'échange de chaleur entre la branche descendante et la branche ascendante, le refroidissement étant moins efficace dans la branche descendante. Une formation de condensats plus importante dans la branche ascendante vers la sortie que dans la branche descendante à partir de l'entrée a pour effet que moins de condensats tombent dans la partie inférieure du refroidisseur RAS en forme de U, le plus fréquemment un boîtier inférieur. Ceci fonctionne avec des refroidisseurs RAS en forme de U avec entrée et sortie vers le haut, ce type de refroidisseur RAS étant particulièrement favorable à l'accumulation des condensats et ayant comme conséquence de pouvoir entraîner un dysfonctionnement du moteur. [0012] Avantageusement, le refroidisseur comprend un boîtier inférieur recueillant les condensats et présentant un passage d'air de suralimentation d'une branche à l'autre. [0013] Avantageusement, les branches d'échangeur de chaleur sont formées de tubes ou de plaques formant une surface d'échange de chaleur lors de la circulation de l'air de suralimentation, ces tubes ou plaques étant munis d'ailettes de refroidissement refroidies par un fluide réfrigérant, des turbulateurs étant prévus sur le passage du fluide réfrigérant. [0014] Avantageusement, ladite au moins une caractéristique technique différente est le diamètre hydraulique ou section de passage des tubes ou plaques de la branche d'échange de chaleur ascendante qui est supérieure à celle de la branche d'échange de chaleur descendante. [0015] Avantageusement, ladite au moins une caractéristique technique différente est une diminution de la surface d'échange de chaleur dans la branche descendante par rapport à la branche ascendante. [0016] Avantageusement, ladite au moins une caractéristique technique différente est le nombre inférieur de tubes ou de plaques de la branche descendante par rapport au nombre de tubes ou de plaques de la branche ascendante, le nombre de tubes dans la branche descendante pouvant être égale à 1. [0017] Avantageusement, ladite au moins une caractéristique technique différente est la distance plus petite entre les tubes ou plaques de la branche descendante par rapport à la distance entre les tubes ou plaques de la branche ascendante pour un même nombre de tubes ou de plaques dans les branches ou un espacement moindre entre les ailettes de refroidissement des tubes ou des plaques de la branche descendante pour un même nombre d'ailettes dans les deux branches. [0018] Avantageusement, ladite au moins une caractéristique technique différente est un nombre inférieur de turbulateurs dans la branche descendante par rapport à la branche ascendante, le nombre de turbulateurs pouvant atteindre zéro dans la branche descendante. [0019] Avantageusement, ladite au moins une caractéristique technique différente est la distance plus petite entre les tubes ou plaques de la branche descendante par rapport à la distance entre les tubes ou plaques de la branche ascendante pour un même nombre de tubes ou de plaques dans les branches ou un espacement moindre entre les ailettes de refroidissement des tubes ou des plaques de la branche descendante pour un même nombre d'ailettes dans les deux branches. [0020] L'invention concerne aussi une ligne d'apport d'air de suralimentation à l'admission d'air d'un moteur thermique, caractérisée en ce qu'elle présente au moins un tel refroidisseur. [0021] L'invention concerne enfin un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile présentant un système EGR à une ou deux boucles, des gaz d'échappement étant injectés dans l'admission d'air du moteur thermique, caractérisé en ce qu'il présente une telle ligne d'apport. [0022] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale d'une forme de réalisation d'un refroidisseur d'air de suralimentation selon l'état de la technique, - la figure 2 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale d'une forme de réalisation d'un refroidisseur d'air de suralimentation selon la présente invention, les deux branches d'échange de chaleur étant de dimension différente dans ce mode de réalisation. [0023] A la figure 1, il est montré un refroidisseur RAS la mosaïque en forme de U selon l'état de la technique. Comme précédemment mentionné, ce refroidisseur RAS la est destiné à être disposé dans la ligne d'admission d'air de suralimentation d'un moteur thermique de véhicule automobile avant l'admission d'air Adm du moteur. [0024] Un tel refroidisseur RAS la en forme de U présente des première et seconde branches 2, 2a d'échange de chaleur entre le fluide réfrigérant contenu dans le refroidisseur RAS la et l'air de suralimentation à refroidir. Un tel refroidisseur RAS la mosaïque en forme de U est particulièrement sensible à l'accumulation de condensats d'eau, comme il va maintenant être détaillé. [0025] La première branche 2 d'échange de chaleur relie l'entrée du refroidisseur RAS 1 a, avantageusement sous la forme d'un boîtier d'entrée 3, à un boîtier inférieur 4, le sens de passage de l'air de suralimentation étant symbolisé par le flèche Fe, cette première branche 2 étant appelée branche descendante. La seconde branche d'échange de chaleur 2a relie le boîtier inférieur 4 à la sortie du refroidisseur RAS 1 a, avantageusement sous la forme d'un boîtier de sortie 5, le sens de passage de l'air de suralimentation dans cette seconde branche 2a étant symbolisé par le flèche Fs. L'air de suralimentation sortant du refroidisseur RAS la est alors dirigé vers l'admission d'air Adm du moteur. Le cas échéant quand existant, le boîtier de sortie 5 peut être avantageusement regroupé avec le boîtier d'entrée 3 dans un boîtier supérieur présentant deux compartiments séparés. [0026] L'air de suralimentation est donc successivement et progressivement refroidi dans la première branche 2 d'échange de chaleur descendante puis dans la seconde branche 2a d'échange de chaleur ascendante. Ceci provoque au fur et à mesure que l'air se refroidit la condensation de la vapeur d'eau provenant de l'air pénétrant dans la ligne d'admission d'air. Cet air de suralimentation peut comprendre, le cas échéant, des gaz de carter réinjectés à l'admission en amont du turbocompresseur quand le refroidisseur RAS la est couplé avec un système EGR à une ou deux boucles, principalement par la boucle basse pression du système quand le système EGR comporte deux boucles. [0027] Pour un tel refroidisseur RAS 1 a, la ou les branches 2, 2a d'échange de chaleur descendante et ascendante peuvent être sous forme de tubes ou de plaques métalliques parallèles, fréquemment en aluminium, ces tubes ou ces plaques formant la surface d'échange de chaleur. L'air de suralimentation circule par les tubes ou plaques qui portent avantageusement des ailettes de refroidissement, les ailettes étant refroidies par un flux de fluide réfrigérant qui peut être de l'air ou de l'eau glycolée. La conduction thermique entre les ailettes et la paroi des tubes assure le refroidissement de l'air de suralimentation circulant dans les tubes. Des turbulateurs sont avantageusement présents dans le refroidisseur RAS afin de diriger l'écoulement du fluide réfrigérant. [0028] Compte tenu des flèches de passage Fe et Fs de l'air de suralimentation en entrée comme en sortie et du positionnement sensiblement vertical des branches 2, 2a d'échange de chaleur, les condensats se forment dans les branches 2, 2a d'échange de chaleur et s'écoulent le long des branches 2, 2a pour aboutir dans le fond du boîtier inférieur 4 en formant un niveau d'eau 6a de condensats restant dans ce boîtier 4. Le niveau d'eau 6a dans le boîtier inférieur 4 augmente alors rapidement en fonctionnement du refroidisseur RAS la et peut boucher le passage de l'air de suralimentation entre les branches 2, 2a d'échange de chaleur. [0029] C'est ce que la présente invention entend empêcher en diminuant les condensats d'eau contenue dans le boîtier inférieur 4. Pour ce faire, le refroidisseur RAS 1 selon la présente invention, montré à la figure 2, reprend sensiblement toutes les caractéristiques du refroidisseur RAS la de l'état de la technique montré à la figure 1 avec une forme en U en présentant notamment deux branches d'échange de chaleur 2, 2b avec une branche ascendante 2b suivant une branche descendante 2. [0030] La différence notoire est que les branches d'échange de chaleur descendante 2 et ascendante 2b sont différenciées afin de limiter la formation des condensats, la branche ascendante 2b présentant une capacité de refroidissement plus importante que la branche descendante 2. Ceci permet de ne pas remplacer un refroidisseur RAS en U, très propice à la formation de condensats, par un refroidisseur RAS d'une autre forme moins favorable à la formation de condensats, par exemple en I avec une seule branche soit en mosaïque, en semi-surfacique ou en brique, le refroidisseur étant disposé avec son axe longitudinal horizontal dans cette dernière configuration. [0031] En effet, un refroidisseur RAS en forme de I pose notamment un problème pour le passage de la durite d'entrée d'air de suralimentation dans le refroidisseur RAS avec un risque de décalage de façade et donc d'impact sur le porte à faux du refroidisseur. [0032] Le principe à la base de la présente invention consiste à limiter la condensation dans la branche descendante 2 d'échange de chaleur et ainsi limiter l'accumulation de condensats en zone basse du refroidisseur RAS 1 dans le boîtier inférieur 4, tout en assurant une performance globale du refroidisseur RAS 1 suffisante dans un encombrement donné. [0033] Ainsi, conformément à la présente invention, les branches ascendante 2b et descendante 2 présentent au moins une caractéristique technique différente afin d'effectuer un refroidissement plus fort et donc une formation de condensats plus grande dans la branche ascendante 2b que dans la branche descendante 2. [0034] A la figure 2, la seconde branche ascendante 2b d'échange de chaleur présente au moins une plus grande dimension que la première branche descendante 2 d'échange de chaleur, ce qui illustre une des caractéristiques techniques possibles selon la présente invention. Avantageusement, cette dimension est le diamètre hydraulique ou section de passage des tubes ou plaques de la branche d'échange de chaleur ascendante 2b qui est supérieure à celle de la branche d'échange de chaleur descendante 2. Ceci peut être effectué en prévoyant une diminution du diamètre hydraulique pour la branche descendante 2 jusqu'à atteindre une section de passage suffisante en regard de la perte de charge interne suivant le nombre de tubes/plaques alloués à la branche descendante 2. En allant jusqu'à l'extrême, il peut n'y avoir qu'un seul tube ou plaque dans la branche descendante 2. [0035] Cette dimension peut aussi être la longueur des branches 2, 2b. Par exemple, la longueur peut être plus grande pour la branche ascendante 2b d'échange de chaleur que pour la branche descendante 2 d'échange de chaleur. Ceci n'est cependant pas préféré. [0036] En effet, l'accroissement de la largeur de la branche ascendante 2b d'échange de chaleur par rapport à la branche descendante 2 permet par exemple une augmentation du nombre de tubes ou de plaques dans la branche ascendante 2b, d'où une meilleure efficacité du refroidissement. L'accroissement de la longueur de cette branche ascendante 2b permet un plus long échange de chaleur dans cette branche 2b et donc aussi une augmentation de la capacité de refroidissement de la branche ascendante 2b par rapport à la branche descendante 2 à la ou aux dimensions inchangées. [0037] Cependant, ceci n'est pas la seule forme de réalisation possible pour obtenir une différenciation dans la capacité de refroidissement de chacune des branches influant sur la formation de condensats, la branche descendante 2 devant avoir une capacité de refroidissement moins efficace et donc produire moins de condensats que la branche ascendante 2b. [0038] A titre d'exemple non limitatif, au moins une plus grande dimension de la branche ascendante 2b d'échange de chaleur peut être combinée avec un plus grand nombre de tubes ou de plaques d'échange de chaleur contenus dans cette branche 2b par rapport à la branche ascendante 2. Ceci représente aussi une caractéristique technique possible différente entre les branches ascendante (2b) et descendante (2). [0039] D'autres possibles caractéristiques techniques influant sur la capacité de refroidissement des branches 2, 2b d'échange de chaleur et donc sur la formation de condensats dans les branches descendante 2 et ascendante 2b peuvent aussi être sélectionnées unitairement ou en combinaison. Sans que cela soit limitatif et sans que ces caractéristiques soient citées dans un ordre préférentiel, il peut être procédé à: la diminution du nombre de tubes ou de plaques alloués à la branche descendante 2 d'échange de chaleur par rapport à la branche ascendante 2b d'échange de chaleur, ou inversement l'augmentation du nombre de tubes ou de plaques alloués à la branche ascendante 2b d'échange de chaleur par rapport à la branche descendante 2 d'échange de chaleur, pour un même nombre de tubes ou de plaques dans les deux branches 2, 2b, le rapprochement ou l'éloignement des tubes ou plaques dans une branche descendante 2 ou ascendante 2b d'échange de chaleur, le rapprochement entraînant un moins bon échange thermique et ayant lieu dans la branche descendante 2 d'échange de chaleur, l'éloignement se faisant dans la branche ascendante 2b, l'optimisation des espacements des ailettes de refroidissement entre les tubes ou les plaques des branches 2, 2b, les ailettes devant être les plus nombreuses possibles sans être trop proches les unes des autres pour augmenter l'échange de chaleur dans les branches 2, 2b. Ceci se traduit dans le cas d'un même nombre d'ailettes dans les deux branches 2, 2b par un espacement moindre entre les ailettes de refroidissement des tubes ou des plaques de la branche descendante 2 par rapport à l'espacement entre les ailettes de refroidissement des tubes ou des plaques de la branche ascendante 2b, l'échange de chaleur étant moins efficace alors dans la branche descendante 2 que dans la branche ascendante 2b, la diminution de l'échange thermique dans la branche descendante 2 par rapport à la branche ascendante 2b par un nombre inférieur de turbulateurs ou une diminution de la surface d'échange de chaleur dans cette branche descendante 2 par rapport à la branche ascendante 2b, le nombre de turbulateurs dans la branche descendante 2 pouvant même atteindre zéro. [0040] La présente invention permet donc de limiter les besoins d'évolution des refroidisseurs RAS en forme de U et donc de réduire les investissements permettant ces évolutions afin de rendre compatibles les lignes d'apport d'air de suralimentation vers l'admission d'air Adm du moteur. Par exemple, la présente invention permet de tenir compte des spécificités apportées par un système EGR avec au moins une boucle. [0041] Un tel refroidisseur d'air de suralimentation trouve ainsi une application préférentielle mais non limitative en combinaison avec un système EGR, notamment un système EGR avec une boucle basse pression. Pour réduire l'émission de substances polluantes d'un véhicule automobile à moteur thermique, il est connu d'équiper les véhicules automobiles d'une circulation de gaz d'échappement afin de récupérer des gaz d'échappement du moteur et de les réinjecter en entrée du moteur, cette circulation des gaz d'échappement portant communément le nom d'EGR. [0042] II existe fréquemment deux boucles de circulation de gaz d'échappement dans un système EGR pour un moteur turbocompressé. La première boucle de circulation est dite boucle EGR basse pression et réalise un prélèvement de gaz d'échappement en aval d'un organe de dépollution de la ligne d'échappement du véhicule automobile, par exemple un filtre à particules. Ces gaz d'échappement relativement propres, après un refroidissement dans le refroidisseur RAS, peuvent être injectés par la première boucle dans l'air d'admission alimentant le moteur thermique. [0043] La seconde boucle de circulation est dite boucle EGR haute pression et réalise un prélèvement de gaz d'échappement en amont de la turbine du turbocompresseur. Ces gaz d'échappement non dépollués, après un refroidissement dans le refroidisseur RAS, sont injectés par la seconde boucle dans l'air d'admission alimentant le moteur thermique. [0044] Les gaz des première et seconde boucles contiennent de l'eau qui se condense lors de leur refroidissement dans le refroidisseur RAS. Ceci est particulièrement valable pour la boucle EGR basse pression. Ainsi, un refroidisseur RAS couplé avec un système EGR est particulièrement confronté au problème de la présence de condensats en son intérieur. [0045] L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'a titre d'exemples. REVENDICATIONS: 1. Refroidisseur (1) d'air de suralimentation en forme de U d'un moteur thermique présentant au moins deux branches (2, 2b) d'échange de chaleur parcourues en sens contraire par l'air de suralimentation à refroidir dont une branche descendante (2) d'entrée d'air de suralimentation et une branche ascendante (2b) de sortie d'air de suralimentation, les deux branches (2, 2b) communiquant entre elles et des condensats se formant lors du refroidissement de l'air de suralimentation dans chacune des branches (2, 2b), caractérisé en ce que la branche ascendante (2b) présente une capacité d'échange de chaleur supérieure à celle de la branche descendante (2) afin d'effectuer un refroidissement plus fort et donc une formation de condensats plus grande dans la branche ascendante (2b) que dans la branche descendante (2). 2. Refroidisseur (1) selon la revendication 1, dans lequel le refroidisseur (1) comprend un boîtier inférieur (4) recueillant les condensats et présentant un passage d'air de suralimentation d'une branche (2, 2b) à l'autre. 3. Refroidisseur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, pour lequel les branches (2, 2b) d'échangeur de chaleur sont formées de tubes ou de plaques formant une surface d'échange de chaleur lors de la circulation de l'air de suralimentation, ces tubes ou plaques étant munis d'ailettes de refroidissement refroidies par un fluide réfrigérant, des turbulateurs étant prévus sur le passage du fluide réfrigérant. 4. Refroidisseur (1) selon la revendication 3, pour lequel la capacité d'échange de chaleur supérieure de la branche ascendante (2b) est obtenue par un diamètre hydraulique ou section de passage des tubes ou plaques de la branche d'échange de chaleur ascendante (2b) supérieur à celui de la branche d'échange de chaleur descendante (2). 5. Refroidisseur (1) selon la revendication 3 ou 4, pour lequel la capacité d'échange de chaleur supérieure de la branche ascendante (2b) est obtenue par une diminution de la surface d'échange de chaleur dans la branche descendante (2) par rapport à la branche ascendante (2b). 6. Refroidisseur (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, pour lequel la capacité d'échange de chaleur supérieure de la branche ascendante (2b) est obtenue par un nombre inférieur de tubes ou de plaques de la branche descendante (2) parrapport au nombre de tubes ou de plaques de la branche ascendante (2b), le nombre de tubes dans la branche descendante (2) pouvant être égale à 1. 7. Refroidisseur (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, pour lequel la capacité d'échange de chaleur supérieure de la branche ascendante (2b) est obtenue par une distance plus petite entre les tubes ou plaques de la branche descendante (2) par rapport à la distance entre les tubes ou plaques de la branche ascendante (2b) pour un même nombre de tubes ou de plaques dans les branches (2, 2b) ou un espacement moindre entre les ailettes de refroidissement des tubes ou des plaques de la branche descendante (2) pour un même nombre d'ailettes dans les deux branches (2, 2b). 8. Refroidisseur (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, pour lequel la capacité d'échange de chaleur supérieure de la branche ascendante (2b) est obtenue par un nombre inférieur de turbulateurs dans la branche descendante (2) par rapport à la branche ascendante (2b), le nombre de turbulateurs pouvant atteindre zéro dans la branche descendante (2). 9. Ligne d'apport d'air de suralimentation à l'admission d'air (Adm) d'un moteur thermique, caractérisée en ce qu'elle présente au moins un refroidisseur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Groupe motopropulseur d'un véhicule automobile présentant un système EGR à une ou deux boucles, des gaz d'échappement étant injectés dans l'admission d'air (Adm) du moteur thermique, caractérisé en ce qu'il présente une ligne d'apport selon la revendication 9.