Brevet FR3032009A1 — publié le 20160729

Système d'admission d'air et procédé de gestion thermique d'air d'admission. La présente invention concerne un système d'admission d'air pour moteur 5 thermique suralimenté et son procédé de gestion thermique de l'air d'admission. Dans des conditions climatiques froides, un moteur thermique nécessite un certain temps de chauffe avant que les gaz d'échappement aient une température suffisante pour que les dispositifs de traitement des gaz d'échappement, comme par 10 exemple le catalyseur, puissent être complètement efficace. De plus des conditions climatiques froides peuvent entraîner des soucis de combustion lors du démarrage à froid et entraîner une surconsommation ainsi qu'une augmentation des émissions polluantes. 15 Une solution connue dans le cas d'un véhicule équipé d'un turbocompresseur et d'un refroidisseur d'air de suralimentation est d'utiliser ledit refroidisseur d'air de suralimentation afin de réchauffer l'air d'admission le traversant, par exemple en reliant ledit refroidisseur d'air de suralimentation à une source chaude, comme un circuit de climatisation en mode pompe à chaleur, ou encore à un circuit de refroidissement du 20 moteur thermique ou des gaz d'échappement. 11 est également possible de réchauffer l'air d'admission au moyen de dispositif d'un chauffage électrique qui par exemple chauffe le fluide caloporteur circulant dans le refroidisseur d'air de suralimentation ou bien qui chauffe directement l'air d'admission. 25 Cependant ces diverses solutions afin de réchauffer l'air d'admission pendant le temps de chauffe du moteur thermique ont elles-mêmes besoin d'un certain temps pour se déclencher et être efficace. De plus certaines solutions comme l'utilisation de résistances électriques entraînent une consommation électrique supplémentaire notamment en provenance de l'alternateur et qui donc conduit à une surconsomation de 30 carburant. 3032009 2 Un des but de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un système d'admission d'air amélioré ainsi que son procédé de gestion thermique de l'air d'admission. La présente invention concerne donc un système d'admission d'air d'un moteur thermique suralimenté, ledit système d'admission d'air comportant une entrée d'air extérieur et un refroidisseur d'air de suralimentation, ledit système d'admission d'air comportant en outre une branche de contournement du refroidisseur d'air de suralimentation entre un point d'embranchement disposé en amont dudit refroidisseur d'air de suralimentation et une sortie d'air d'alimentation reliée au moteur thermique, ladite branche de contournement comportant en son sein un matériau à changement de phase, ledit système d'admission d'air comportant également un dispositif de régulation et de redirection de l'air d'admission au niveau du point d'embranchement. Le matériau à changement de phase permet de réchauffer l'air d'admission traversant la branche de contournement lorsque qu'il passe d'un état liquide à un état solide en cédant de l'énergie calorifique. Selon un aspect de l'invention, le matériau à changement de phase est intégré à la 20 paroi de la branche de contournement. Selon un autre aspect de l'invention, le matériau à changement de phase est sous forme de billes de matériau à changement de phase polymère ou encapsulé, disposées au sein de la branche de contournement entre deux dispositifs de retenues. 25 Selon un autre aspect de l'invention, les deux dispositifs de retenues sont respectivement disposés au niveau du point d'embranchement et de la sortie d'air d'alimentation de la branche de contournement. 3032009 3 Selon un autre aspect de l'invention, le matériau à changement de phase rempli jusqu'à 80 % de la section transversale de la branche de contournement. Selon un autre aspect de l'invention, le matériau à changement de phase est un 5 matériau à changement de phase organique, inorganique ou végétal dont la température de fusion est comprise entre 40 et 90°C. Selon un autre aspect de l'invention, la branche de contournement est recouverte d'un matériau isolant. 10 La présente invention concerne également un procédé de gestion thermique d'un système d'admission d'air tel que décrit précédemment, comprenant une étape de gestion et de redirection de l'air d'admission vers le refroidisseur d'air d'admission et/ou vers la branche de contournement. 15 Selon un aspect du procédé de gestion thermique, ledit procédé est selon un mode dit de « refroidissement de l'air d'admission » dans lequel le dispositif de régulation et de redirection redirige l'air d'admission chaud en provenance d'un compresseur en direction du refroidisseur d'air d'admission. Selon un aspect du procédé de gestion thermique, ledit procédé est selon un mode dit de « chauffage de l'air d'admission » dans lequel le dispositif de régulation et de redirection redirige l'air d'admission froid en provenance du compresseur en direction de la branche de contournement. Selon un aspect du procédé de gestion thermique, ledit procédé est selon un premier mode dit de « régénération du matériau à changement de phase » dans lequel le dispositif de régulation et de redirection redirige, le temps de la fusion totale du matériau à changement de phase, l'air d'admission chaud en provenance d'un compresseur en direction de la branche de contournement. 3032009 4 Selon un aspect du procédé de gestion thermique, ledit procédé selon un deuxième mode dit de « régénération du matériau à changement de phase » dans lequel le dispositif de régulation et de redirection redirige, le temps de la fusion totale du 5 matériau à changement de phase, entre 5 et 15 % de l'air d'admission chaud en provenance d'un compresseur en direction de la branche de contournement et redirige le restant vers le refroidisseur d'air de suralimentation. Selon un aspect du procédé de gestion thermique, ledit procédé selon un 10 troisième mode dit de « régénération du matériau à changement de phase » dans lequel le dispositif de régulation et de redirection redirige en permanence entre 1 et 5 % de l'air d'admission chaud en provenance d'un compresseur en direction de la branche de contournement et redirige le restant vers le refroidisseur d'air de suralimentation. 15 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 représentation schématique d'un système d'admission d'air, 20 - la figure 2 montre une représentation schématique en coupe transversale de la branche de contournement du refroidisseur d'air de suralimentation, selon un premier mode de réalisation, - la figure 3 montre une représentation schématique en coupe transversale de la branche de contournement du refroidisseur d'air de suralimentation, selon un 25 deuxième mode de réalisation, Sur les différentes figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. 3032009 5 Dans la présente description, on entend par « placé en amont » qu'un élément est placé avant un autre par rapport au sens de circulation d'un fluide. A contrario, on entend par « placé en aval » qu'un élément est placé après un autre par rapport au sens de circulation du fluide. 5 La figure 1 montre une représentation schématique d'un système d'admission d'air 1 d'un moteur thermique 3 suralimenté. Ce système d'admission d'air 1 comporte : - une entrée d'air extérieur 2, 10 - un compresseur 7 qui est généralement relié à une turbine placée dans le circuit d'évacuation des gaz d'échappement, et - un refroidisseur d'air de suralimentation 9 disposé en aval dudit compresseur 7, généralement accolé à un collecteur d'air d'admission 11 distribuant l'air d'admission aux cylindres du moteur thermique 3. 15 Le système d'admission d'air 1 comporte en outre une branche de contournement 13 du refroidisseur d'air de suralimentation 9 entre un point d'embranchement 101, disposé en amont dudit refroidisseur d'air de suralimentation 9, et une sortie d'air d'alimentation 103 reliée au moteur thermique 3. La sortie d'air d'alimentation 103 peut par exemple directement être connectée au collecteur d'air d'admission 11, comme 20 représenté sur la figure 1, ou alors il peut simplement venir se connecter en aval du refroidisseur d'air de suralimentation 9. Le système d'admission d'air 1 comporte également un dispositif de régulation et de redirection 17 de l'air d'admission au niveau du point d'embranchement 101. Ce dispositif de régulation et de redirection 17 de l'air d'admission peut par exemple être 25 une vanne trois-voies permettant la redirection de l'air d'admission provenant du compresseur 7 au choix vers le refroidisseur d'air de suralimentation 9 ou vers la branche de contournement 13. Avantageusement, le dispositif de régulation et de redirection 17 peut rediriger simultanément une partie de l'air d'admission vers le refroidisseur d'air de suralimentation 9 et vers la branche de contournement 13. Le 30 dispositif de régulation et de redirection 17 peut également comporter deux vannes de 3032009 6 régulation, une première vanne placée sur la branche de contournement 13, au niveau du point d'embranchement 101, et une deuxième vanne de régulation placée entre ledit point d'embranchement 101 et le refroidisseur d'air de suralimentation 9. 5 La branche de contournement 13 comporte en son sein un matériau à changement de phase 15. Le matériau à changement de phase 15 permet de réchauffer l'air d'admission traversant la branche de contournement 13 lorsque qu'il passe d'un état liquide à un état solide en cédant de l'énergie calorifique. Le matériau à changement de phase 15 peut notamment être un matériau à 10 changement de phase organique, inorganique ou végétal dont la température de fusion est choisie en fonction de la température de l'air d'admission en sortie de la branche de contournement 13 désirée lorsque ledit matériau à changement de phase 15 refroidit l'air d'admission. Cette température de fusion du matériau à changement de phase 15 peut ainsi être comprise entre 40 et 90°C. 15 Comme le montrent les figures 1 et 2, le matériau à changement de phase 15 peut être sous forme de billes de matériau à changement de phase polymère ou encapsulé. Lesdites billes de matériau à changement de phase 15 sont disposées au sein de la branche de contournement 13 entre deux dispositifs de retenues 19. Ces dispositifs de retenues 19, par exemple des grilles dont les mailles ont une dimension inférieure à 20 celle des billes, sont préférentiellement disposées dans la branche de contournement 13 au niveau du point d'embranchement 101 et de la sortie d'air d'admission 103. Les billes de matériau à changement de phase 15 peuvent notamment remplir la branche de contournement 13 jusqu'à 80 % de sa section transversale afin de permettre un échange de chaleur suffisant. Les billes de matériau à changement de phase 15 ont un 25 diamètre suffisant pour permettre le passage de l'air d'admission dans les interstices entre les billes avec une perte de charge minimale tout en ayant une grande surface d'échange. 3032009 7 Selon un mode de réalisation alternatif illustré à la figure 3, le matériau à changement de phase est intégré directement à la paroi 131 de la branche de contournement 13. Il est cependant tout à fait possible d'imaginer d'autres modes de réalisation 5 d'intégration d'un matériau à changement de phase 15 au sein de la branche de contournement 13, comme par exemple sous forme de tubes contenant ledit matériau à changement de phase 15 et disposés parallèlement les un des autres dans le sens longitudinal de la branche de contournement 13. 10 Afin de limiter les pertes d'énergie calorifique contenue dans le matériau à changement de phase 15, la branche de contournement peut être recouverte d'un matériau isolant 133. La présente invention concerne également un procédé de gestion thermique du 15 système d'admission d'air 1. Ce procédé de gestion thermique comporte notamment une une étape de gestion et de redirection de l'air d'admission vers le refroidisseur d'air d'admission 9 et/ou vers la branche de contournement 13 selon différents modes de fonctionnement. 20 Selon un mode dit de « refroidissement de l'air d'admission », le dispositif de régulation et de redirection 17 redirige l'air d'admission chaud en provenance du compresseur 7, en direction du refroidisseur d'air d'admission 9. Ce mode de fonctionnement correspond au fonctionnement normal du moteur thermique lorsqu'il est est à température optimale de fonctionnement. L'air d'admission en sortie du 25 compresseur 7 peut ici atteindre 200°C et est refroidie au niveau du refroidisseur d'air de suralimentation 9. Selon un mode dit de « chauffage de l'air d'admission », le dispositif de régulation et de redirection 17 redirige l'air d'admission froid en provenance du 30 compresseur 7 en direction de la branche de contournement 13. Ce mode de 3032009 8 fonctionnement correspond à un démarrage à froid où l'air en sortie du compresseur 7 n'est pas chaud. De ce fait, l'air n'a pas une température suffisante pour assurer le bon fonctionnement du moteur 3, L'air d'admission passe alors dans la branche de contournement 13 où il est réchauffé par le matériau à changement de phase 15 qui 5 libère de l'énergie calorifique en passant d'un état liquide à un état solide. Le matériau à changement de phase 15 permet ainsi par exemple de faire passer un air extérieur à -7°C à une température minimale de 10°C à sa sortie d'air d'alimentation 103. Selon un premier mode dit de « régénération du matériau à changement de 10 phase » le dispositif de régulation et de redirection 17 redirige, le temps de la fusion totale du matériau à changement de phase 15, l'air d'admission chaud en provenance du compresseur 7 en direction de la branche de contournement 13. Selon un deuxième mode dit de « régénération du matériau à changement de 15 phase », le dispositif de régulation et de redirection 17 redirige, le temps de la fusion totale du matériau à changement de phase 15, entre 5 et 15 % de l'air d'admission chaud en provenance du compresseur 7 en direction de la branche de contournement 13 et redirige le restant vers le refroidisseur d'air de suralimentation 9. 20 Pour ces premier et deuxième modes dit de « régénération du matériau à changement de phase », le temps nécessaire à cette « régénération » est fonction du débit massique de l'air d'admission, de sa température, ainsi que de la masse de matériau à changement de phase 15, de sa chaleur latente et de sa conductivité thermique. Lors de ces premier et deuxième modes dit de « régénération du matériau à changement de 25 phase », l'air d'admission chaud est tout de même refroidis du fait de la captation d'énergie calorifique par le matériau à changement de phase 15. Selon un troisième mode dit de « régénération du matériau à changement de phase », le dispositif de régulation et de redirection 17 redirige en permanence entre 1 et 30 5. % de l'air d'admission chaud en provenance du compresseur 7 en direction de la 3032009 9 branche de contournement 13 et redirige le restant vers le refroidisseur d'air de suralimentation 9. Ces trois modes dit de « régénération du matériau à changement de phase » sont 5 réalisés lorsque le moteur est à température optimale de fonctionnement. L'air chaud provenant du compresseur 7 permet un apport d'énergie calorifique qui est stocké au niveau du matériau à changement de phase 15 qui passe d'un état solide à un état liquide. Cette énergie calorifique stockée sera réutilisée ultérieurement lors d'un démarrage à froid pour réchauffer l'air d'admission en mode dit de « chauffage de l'air 10 d'admission ». Ainsi, on voit bien que le système d'admission d'air 1 permet de part la présence de la branche de contournement 13 et du matériau à changement de phase 15, un réchauffage immédiat de l'air d'admission lors d'un démarrage à froid en conditions 15 extérieures froides. Cela permet ainsi de diminuer le temps nécessaire au moteur thermique 3 pour atteindre une température de fonctionnement optimale et donc permet également une diminution des émissions polluantes. De plus, le fait que le moteur thermique atteigne une température de fonctionnement optimale plus rapidement permet une diminution des frottements et donc une diminution de sa consommation de 20 craburant. REVENDICATIONS1. Système d'admission d'air (1) d'un moteur thermique (3) suralimenté, ledit système d'admission d'air (1) comportant une entrée d'air extérieur (2), et un refroidisseur d'air de suralimentation (9), caractérisé en ce que ledit système d'admission d'air (1) comporte en outre une branche de contournement (13) du refroidisseur d'air de suralimentation (9) entre un point d'embranchement (101) disposé en amont dudit refroidisseur d'air de suralimentation (9) et une sortie d'air d'alimentation (103) reliée au moteur thermique (3), ladite branche de contournement (13) comportant en son sein un matériau à changement de phase (15), ledit système d'admission d'air (1) comportant également un dispositif de régulation et de redirection (17) de l'air d'admission au niveau du point d'embranchement (101). Système d'admission d'air (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase (15) est intégré à la paroi (131) de la branche de contournement (13). Système d'admission d'air (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase (15) est sous forme de billes de matériau à changement de phase polymère ou encapsulé, disposées au sein de la branche de contournement (13) entre deux dispositifs de retenues (19). Système d'admission d'air (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les 25 deux dispositifs de retenues (19) sont respectivement disposés au niveau du point d'embranchement (101) et de la sortie d'air d'alimentation (103) de la branche de contournement (13). 10 152. 3. 20 4. 3032009 11 5. Système d'admission d'air (1) selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase (15) rempli jusqu'à 80 % de la section transversale de la branche de contournement (13). 5 6. Système d'admission d'air (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase (15) est un matériau à changement de phase organique, inorganique ou végétal dont la température de fusion est comprise entre 40 et 90°C. 7. Système d'admission d'air (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la branche de contournement (13) est recouverte d'un matériau isolant (133) . 8. Procédé de gestion thermique d'un système d'admission d'air (1) selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant une étape de gestion et de redirection de l'air d'admission vers le refroidisseur d'air d'admission (9) et/ou vers la branche de contournement (13). 9. Procédé de gestion thermique selon la revendication 8 selon un mode dit de « refroidissement de l'air d'admission » dans lequel le dispositif de régulation et de redirection (17) redirige l'air d'admission chaud en provenance d'un compresseur (7) en direction du refroidisseur d'air d'admission (9). 10. Procédé de gestion thermique selon la revendication 8 selon un mode dit de « chauffage de l'air d'admission » dans lequel le dispositif de régulation et de redirection (17) redirige l'air d'admission froid en provenance d'un compresseur (7) en direction de la branche de contournement (13). 11. Procédé de gestion thermique selon la revendication 8 selon un premier mode dit de « régénération du matériau à changement de phase » dans lequel le dispositif 3032009 12 de régulation et de redirection (17) redirige, le temps de la fusion totale du matériau à changement de phase (15), l'air d'admission chaud en provenance du compresseur (7) en direction de la branche de contournement (13). 5 12. Procédé de gestion thermique selon la revendication 8 selon un deuxième mode dit de « régénération du matériau à changement de phase » dans lequel le dispositif de régulation et de redirection (17) redirige, le temps de la fusion totale du matériau à changement de phase (15), entre 5 et 15 % de l'air d'admission chaud en provenance d'un compresseur (7) en direction de la 10 branche de contournement (13) et redirige le restant vers le refroidisseur d'air de suralimentation (9). 13. Procédé de gestion thermique selon la revendication 8 selon un troisième mode dit de « régénération du matériau à changement de phase » dans lequel le 15 dispositif de régulation et de redirection (17) redirige en permanence entre 1 et 5 % de l'air d'admission chaud en provenance d'un compresseur (7) en direction de la branche de contournement (13) et redirige le restant vers le refroidisseur d'air de suralimentation (9).