Brevet FR3049308A1 — publié le 20170929

Refroidisseur d'air de suralimentation pour compresseur électrique 1. Domaine L'invention se rapporte au domaine de l'automobile et plus particulièrement aux moteurs thermiques à compresseur électrique. L'invention concerne notamment l'amélioration du fonctionnement, en particulier du rendement d'un moteur coopérant avec un tel compresseur électrique, notamment en régime transitoire à bas régime sous forte charge 2. Art antérieur Dans le domaine de l'automobile, il est connu d'équiper un moteur à combustion interne d'un turbocompresseur permettant d'en améliorer les performances. Un tel turbocompresseur produit de l'air sous pression, également appelé « air de suralimentation », qui est par la suite introduit dans la chambre de combustion du moteur. Le principe général du turbocompresseur est ainsi d'augmenter la puissance volumique du moteur afin d'en augmenter le rendement de combustion ou de réduire sa consommation par la mise en oeuvre à puissance équivalente d'un moteur de plus faible cylindrée. A ce titre, un turbocompresseur est entraîné par une turbine, elle-même animée par l'enthalpie des gaz d'échappement du moteur. L'un des inconvénients du turbocompresseur réside dans son temps de réponse à bas régime. Ce temps de latence correspond au laps de temps nécessaire aux gaz d'échappement du moteur pour fournir l'énergie suffisante à l'entraînement de la turbine du turbocompresseur. De nombreuses solutions ont été proposées pour répondre à ce problème. On connait notamment un compresseur de suralimentation électrique (« electric supercharger » ou « e-turbo » en anglais), également nommé « compresseur électrique » dans la présente description, prévu notamment pour venir en appoint d'un turbocompresseur, pendant ce temps de latence. Contrairement au turbocompresseur, ce compresseur électrique est entraîné par un moteur électrique et peut de ce fait être mis en oeuvre très rapidement, indépendamment des gaz d'échappement, et donc 3049308 2 quelque soit le régime du moteur. Il peut par exemple monter en régime entre 250 et 350 millisecondes, contre 1 à 2 secondes pour un turbocompresseur. Il est notamment envisagé de l'utiliser en complément d'un turbocompresseur, bien que des applications indépendantes puissent également être envisagées. 5 Les architectures électriques récentes des véhicules automobiles permettent de disposer de l'énergie électrique suffisante à son fonctionnement pendant des cycles d'utilisation courts, par exemple de l'ordre de 10s maximum, mais pouvant être répétés. Un compresseur électrique permet ainsi réduire la consommation des véhicules de 8 à 20%, selon le type de motorisation, le dimensionnement du moteur et celui du 10 turbocompresseur. On sait qu'il n'est pas souhaitable que l'air alimentant le moteur soit à une température trop élevée. Une augmentation de température se traduit notamment par une baisse du remplissage et une augmentation du risque d'auto-allumage. Pour cette raison, on prévoit généralement, pour refroidir l'air suralimenté 15 alimentant un moteur, un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) placé en aval du turbocompresseur. Les RAS sont généralement des échangeurs de chaleur de types air/air ou air/liquide. A chaque utilisation du turbocompresseur, l'air de suralimentation augmente en pression et en température. Il est ainsi possible d'observer à la sortie du turbocompresseur des pics de température de l'air de suralimentation pouvant monter 20 jusqu'à 240°C lors de l'utilisation du turbocompresseur. Ces augmentations de température importantes imposent donc l'utilisation de matériaux résistants 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 adaptés afin de refroidir l'air aux alentours de 50°C. 25 Dans le cas d'un RAS air/air, le compresseur électrique est placé en aval du RAS principal. L'air comprimé et chauffé par le compresseur électrique ne bénéficie donc pas du refroidissement du RAS, et entre chaud dans le moteur dans les phases d'utilisation du compresseur électrique. En effet, à la différence du turbocompresseur, le compresseur électrique n'est 30 opérationnel que pendant un très court laps de temps, par exemple de l'ordre de 10s, 3049308 3 qui correspond à une phase transitoire au cours de laquelle le moteur est à bas régime et ne permet pas une mise en oeuvre optimale du turbocompresseur. Une fois cet intervalle de temps écoulé, le turbocompresseur prend en général le relais du compresseur électrique qui cesse alors son travail de compression. Au cours de la phase 5 transitoire de compression de l'air par le compresseur électrique, période désignée dans la présente description par l'expression « phase de décharge », l'air comprimé s'est échauffé de 40 à 80°C environ, en comparaison avec les pics de températures représentant une augmentation de l'ordre de 220°C en sortie du turbocompresseur. En revanche, le refroidissement doit être effectué très rapidement, pendant 10 cette phase transitoire, ce que n'assure par efficacement le RAS classique, du fait notamment de ces dimensions, adaptés au turbocompresseur. Il existe donc un besoin d'amélioration du refroidissement de l'air de suralimentation, lorsqu'un compresseur électrique est mis en oeuvre. 15 3. Résumé La technique proposée répond notamment à ce besoin. Plus particulièrement, dans au moins un mode de réalisation, la technique proposée se rapporte à un système de suralimentation délivrant de l'air de suralimentation à un moteur à combustion interne, comprenant un circuit d'air 20 présentant au moins un compresseur électrique de suralimentation, le compresseur électrique assurant une surpression temporaire de l'air alimentant le moteur à combustion interne, pendant une période de compression d'une durée maximale prédéterminée. Selon l'invention, le système comprend au moins un refroidisseur d'air placé en 25 amont et/ou en aval dudit compresseur électrique, apte à refroidir l'air de suralimentation pendant la durée de ladite période de compression. Ainsi, pendant la période de compression, généralement une période transitoire de courte durée (quelques secondes par exemple) un refroidissement dédié et rapide (par rapport au refroidissement classique) est ponctuellement appliqué, permettant 30 d'améliorer l'efficacité du système. 3049308 4 La présente invention repose sur une approche nouvelle et inventive consistant à fournir un refroidisseur dédié et adapté au refroidissement de l'air de suralimentation du compresseur électrique. Un tel refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) permet ainsi de réduire efficacement la température de l'air comprimé par le compresseur 5 électrique, en améliorant le rendement de combustion du moteur et en limitant les risques d'auto-allumage notamment. L'air refroidi par le RAS présente de plus une densité accrue, ce qui permet d'améliorer encore les performances du moteur. Le redimensionnement du refroidisseur permet de limiter l'encombrement sous le capot du véhicule, tout en permettant la conservation d'une réactivité satisfaisante du circuit 10 d'air de suralimentation animé par le compresseur électrique. Dans la présente description, les expressions « placé en amont » et « placé en aval » font référence au sens de circulation du flux concerné. Deux pièces sont considérées placées « à proximité » l'une de l'autre lorsqu'elles ne sont séparées par aucun organe mécanique majeur (turbocompresseur, moteur, refroidisseur) pouvant 15 faire varier significativement les caractéristiques de l'air de suralimentation. La durée maximale prédéterminée de la période de compression peut notamment correspondre sensiblement à la durée maximale de décharge du compresseur électrique, par exemple de l'ordre de 10 secondes. L'air de suralimentation entrant ou sortant du compresseur électrique est par 20 exemple refroidi de 30°C à 40°C par ce refroidisseur dédié, ce qui peut permettre d'obtenir une température d'air en aval du compresseur électrique et du RAS supérieure de 10°C à 30°C à la température d'air en amont du compresseur électrique et du RAS. Selon un mode de réalisation particulier, ledit refroidisseur est placé en aval dudit compresseur électrique. 25 Le montage du RAS en aval de compresseur permet notamment de maximiser la capacité de refroidissement de ce dernier, l'air expulsé par le compresseur présentant un plus grand écart de température avec le fluide réfrigérant que l'air puisé en amont du compresseur. Selon un mode de réalisation particulier, le circuit d'air comprend au moins un 30 turbocompresseur monté en série avec ledit compresseur électrique. 3049308 5 On allie ainsi les avantages techniques liés à la mise en oeuvre d'un compresseur électrique et ceux liés à la mise en oeuvre d'un turbocompresseur. Le compresseur électrique est en effet opérationnel durant la phase transitoire au cours de laquelle le moteur est à bas régime et ne permet pas une mise en oeuvre optimale du 5 turbocompresseur. Une fois ce laps de temps écoulé, le turbocompresseur prend le relai du compresseur électrique qui cesse alors son travail de compression. Selon un mode de réalisation particulier, le refroidisseur d'air est adapté pour être monté au niveau de l'ouverture d'admission, ou de l'ouverture d'expulsion dudit compresseur électrique. 10 Un tel refroidisseur d'air du fait de ses dimensions réduites et/ou de la mise en oeuvre d'éléments de fixation au compresseur électrique, peut ainsi être au moins en partie intégré dans les ouvertures d'admission, ou d'expulsion du compresseur. L'électronique de commande dudit refroidisseur est également adaptée pour être montée au niveau de l'ouverture d'admission ou de l'ouverture d'échappement 15 dudit compresseur électrique. Selon un mode de réalisation particulier, au moins une portion dudit refroidisseur d'air présente une forme cylindrique, adaptée pour intégrer un conduit d'alimentation ou d'échappement du compresseur électrique. Selon un mode de réalisation particulier, le refroidisseur d'air est alimenté en 20 fluide réfrigérant par un système de climatisation. Selon un mode de réalisation particulier, le fluide réfrigérant refroidit également ledit compresseur électrique et/ou des moyens de motorisation dudit compresseur électrique et/ou d'une électronique de commande dudit refroidisseur. Le fluide réfrigérant du RAS est ainsi également utilisé afin d'améliorer les 25 performances du compresseur électrique. Selon un mode de réalisation particulier, ledit refroidisseur est alimenté en liquide réfrigérant basse température ou à changement de phase. Selon un mode de réalisation particulier, le refroidisseur comprend un corps d'échange de chaleur entre l'air de suralimentation et ledit fluide réfrigérant, mettant 30 en oeuvre un matériau de capacité thermique massique à pression constante (Cp) 3049308 6 supérieure de 40% à 80% à la capacité thermique massique à pression constante nécessaire au maintien d'une température constante de l'air suralimenté en sortie dudit refroidisseur. Un matériau présentant une capacité thermique élevée, et notamment une 5 faible inertie thermique, permet une mise en oeuvre efficace du transfert de chaleur significatif depuis l'air de suralimentation vers le fluide de refroidissement, compte tenu notamment du laps de temps réduit correspondant à la décharge du compresseur électrique. Selon un mode de réalisation particulier, le matériau constituant le corps 10 d'échange de chaleur est de l'aluminium ou un alliage d'aluminium, qui présentent une faible inertie thermique L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant un système de suralimentation tel que décrit ci-dessus. L'invention concerne également un procédé de refroidissement d'air de 15 suralimentation, mis en oeuvre dans un système de suralimentation tel que décrit ci- dessus et comprenant : - une phase de charge au cours de laquelle ledit refroidisseur d'air et l'air qu'il contient sont refroidis à une température prédéterminée, par exemple de 2°C à 13°C, 20 - une étape d'activation dudit compresseur électrique, - une phase de décharge au cours de laquelle l'air de suralimentation traverse ledit refroidisseur pour alimenter ledit compresseur électrique et/ou ledit moteur. Selon les mises en oeuvre, les phases de charge et de décharge peuvent être en 25 partie ou totalement dissociées. Selon un mode de réalisation particulier, la phase de charge est initiée au cours d'une phase de décélération du moteur. L'énergie récupérée lors de la décélération du véhicule peut ainsi être utilisée pour alimenter le RAS, limitant ainsi la consommation de carburant par le RAS. 3049308 7 Bien que non décrit explicitement, les différents aspects décrits ci-dessus peuvent être mis en oeuvre selon toute combinaison ou sous-combinaison idoine. 4. Figures 5 D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation particulier de la divulgation, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 est un schéma illustrant un système de suralimentation selon un 10 mode de réalisation particulier de l'invention ; la figure 2 est une vue schématique de dessus illustrant un véhicule automobile selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; la figure 3 est un schéma illustrant le montage en aval du RAS par rapport au compresseur électrique, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; 15 - la figure 4 est un schéma illustrant le montage en amont du RAS par rapport au compresseur électrique, selon un autre mode de réalisation de l'invention ; la figure 5 est un diagramme de flux illustrant les différentes étapes d'un procédé de refroidissement d'air de suralimentation, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; 20 - la figure 6 est un diagramme illustrant les cycles d'activation puis d'arrêt d'un compresseur électrique, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; la figure 7 est un graphique illustrant les variations de température d'un fluide réfrigérant au cours de la phase de décharge, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; 25 - la figure 8 est un graphique illustrant les variations d'énergie absorbée depuis l'air de suralimentation au cours de la phase de décharge, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; Les différents éléments illustrés par les figures ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle réelle, l'accent étant davantage porté sur la représentation du 30 fonctionnement général de l'invention. 3049308 8 5. Description d'un mode de réalisation particulier de la divulgation 5.1 Système de suralimentation d'un moteur La figure 1 présente schématiquement un exemple d'un système de 5 suralimentation 1 d'un moteur 2 à combustion interne selon un mode particulier de la divulgation comprend un circuit d'air 3 présentant un compresseur électrique 4 de suralimentation et un turbocompresseur 5, tous deux montés en série. Un canal de déviation 4' est monté en parallèle du compresseur électrique 4 et permet ainsi de rediriger directement vers le moteur 2 l'air destiné à alimenter le compresseur 10 électrique 4. Bien que la mise en oeuvre d'un circuit d'air 3 comprenant à la fois un compresseur électrique 4 et un turbocompresseur 5 soit particulièrement avantageuse, compte tenu de leurs avantages techniques respectifs, l'homme du métier comprendra qu'un système de suralimentation selon un autre mode de réalisation de l'invention 15 peut ne pas comprendre de turbocompresseur 5. Selon d'autres modes de réalisation, plusieurs turbocompresseurs et/ou plusieurs compresseurs électriques peuvent être prévus. Tel qu'illustré par la figure 2, l'invention concerne également un véhicule automobile 6 comprenant selon un mode de réalisation particulier un système de 20 suralimentation tel que celui représenté sur la figure 1. Sur la figure 2, le système de suralimentation n'est pas représenté dans le détail à des fins de simplification. Tel que représenté sur la figure 1, un premier refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) 7 de turbocompresseur est monté en aval de ce dernier. Un tel RAS 7, de par sa taille importante, n'est cependant pas adapté pour refroidir de manière 25 satisfaisante l'air de suralimentation du compresseur électrique 4. A cet effet, un deuxième RAS 8, quant à lui adapté et dédié au compresseur électrique 4, est monté en aval de ce dernier, c'est-à-dire entre le compresseur électrique 4 et le moteur 2. Un tel montage en aval est également illustré par la figure 3. Un homme du métier comprendra que selon un mode de réalisation alternatif 30 de la divulgation, et tel qu'illustré par la figure 4, le deuxième refroidisseur 8 peut 3049308 9 également être monté en amont du compresseur électrique 4. Il peut être également prévu plusieurs deuxièmes RAS, et par exemple un en amont et un en aval. 5.2 Procédé de refroidissement d'air de suralimentation 5 Selon une mise en oeuvre particulière de l'invention et tel qu'illustré par la figure 5, le système de suralimentation 1 illustré par les figures 1 et 3, pour lequel le RAS 8 est monté en aval du compresseur électrique 4, est utilisé selon le procédé de refroidissement d'air de suralimentation décrit par la suite. Il comprend une étape de charge 10, pendant laquelle le deuxième refroidisseur 10 8 et l'air qu'il contient sont refroidis. Par exemple, au cours ce cette phase de charge 10, le deuxième refroidisseur 8, ayant un coefficient de performance de 0,4, est alimenté par une branche du réfrigérant de la boucle de climatisation. Le refroidisseur 8 et l'air présent à l'intérieur sont alors refroidis par exemple à une température de l'ordre de 2°C. Dans le même temps, la température T1 à l'entrée du compresseur électrique 4 est 15 amenée à environ 20°C. Dans une deuxième étape 11, le compresseur électrique est activé. Suite à l'activation 11 du compresseur électrique 4, l'air de suralimentation traverse le compresseur électrique 4, par exemple à un débit de 50g/s, pendant une étape de décharge 12, d'une durée par exemple comprise entre 1 et 3 secondes. Au 20 cours de cette décharge 12, cet air peut être compressé par exemple avec un degré de compression de 1,5, et avec un coefficient de performance de 0,7. La température T2 de l'air en sortie du compresseur électrique est alors de l'ordre de 70°C. Après passage dans le deuxième refroidisseur 8, cet air est refroidi à une température T2', par exemple de l'ordre de 45°C. Pour un degré de compression équivalent, la puissance requise par le 25 compresseur électrique est alors réduite de 1,5 kW à 1 kW. Tel qu'illustré par la figure 6, le procédé de refroidissement d'air de suralimentation comprend une succession de phases d'activation 11 du compresseur électrique 4, d'une durée de 3 secondes, et de phases de repos du compresseur électrique 4, d'une durée de 27 secondes. 30 3049308 10 5.3 Exemple de matériau constituant le corps d'échange de chaleur du refroidisseur. Selon un mode de réalisation particulier, le matériau constituant le corps d'échange de chaleur est un alliage d'aluminium. L'aluminium étant l'un des matériaux solides présentant la plus faible inertie thermique, sa sélection en tant que matériau 5 d'interface permet la mise en oeuvre d'un transfert de chaleur efficace depuis l'air de suralimentation vers le fluide réfrigérant, compte tenu notamment de la brièveté de la phase de décharge 12. Les figures 7 et 8 permettent d'établir une comparaison entre les performances d'un système de refroidissement permanent classique, illustrées par la courbe verte 13, 10 pour lequel le liquide caloporteur est maintenu à température constante pendant la phase de décharge, et les performances d'un système optimisé de manière à mettre à profit l'inertie thermique de l'aluminium, illustrées par la courbe rouge 14 (sans refroidissement complémentaire du fluide caloporteur durant la phase de décharge). Ainsi, dans le cadre du refroidisseur mettant à profit l'inertie thermique de l'aluminium, 15 les figures 7 et 8 mettent en évidence la quantité importante d'énergie thermique absorbée lors des premières secondes de la phase de décharge, par la seule action de l'Aluminium dont l'inertie thermique est très faible. La quantité d'énergie thermique absorbée par le système optimisé (sans refroidissement complémentaire) n'est ainsi réduite que de 27%, en passant de 18.5 ki to 13.4 kt 20 La capacité thermique massique à pression constante Cp = E /At ritairxnemperature est ainsi augmentée depuis sa valeur d'origine de 1006 J/kg.K à une valeur avantageuse 1650 J/kg.K, par mise à profit de l'inertie thermique de l'aluminium. REVENDICATIONS1. Système de suralimentation (1) délivrant de l'air de suralimentation à un moteur (2) à combustion interne, comprenant un circuit d'air (3) présentant au moins un compresseur électrique (4) de suralimentation, le compresseur électrique assurant une surpression temporaire de l'air alimentant le moteur (2) à combustion interne, pendant une période de compression d'une durée maximale prédéterminée, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un refroidisseur (8) d'air placé en amont et/ou en aval dudit compresseur électrique (4), apte à refroidir l'air de suralimentation pendant la durée de ladite période de compression. Système de suralimentation (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit d'air (3) comprend au moins un turbocompresseur (5) monté en série avec ledit compresseur électrique (4). Système de suralimentation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit refroidisseur (8) est adapté pour être monté au niveau de l'ouverture d'admission ou de l'ouverture d'échappement dudit compresseur électrique (4). Système de suralimentation (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une électronique de commande dudit refroidisseur est également adaptée pour être montée au niveau de l'ouverture d'admission ou de l'ouverture d'échappement dudit compresseur électrique (4). Système de suralimentation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit refroidisseur d'air (8) est alimenté en fluide réfrigérant par un système de climatisation. Système de suralimentation (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit fluide réfrigérant refroidit en outre ledit compresseur électrique (4) et/ou des moyens de motorisation dudit compresseur électrique (4) et/ou d'une électronique de commande dudit refroidisseur.2. 3. 4. 5. 6. 3049308 12 7. Système de suralimentation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit refroidisseur (8) est alimenté en fluide réfrigérant basse température ou à changement de phase. 8. Système de suralimentation (1) selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, 5 caractérisé en ce que ledit refroidisseur (8) comprend un corps d'échange de chaleur entre l'air de suralimentation et ledit fluide réfrigérant, mettant en oeuvre un matériau dont la capacité thermique massique à pression constante (Cp) est supérieure de 40% à 80% à la capacité thermique massique à pression constante nécessaire au maintien d'une température constante de l'air 10 suralimenté en sortie dudit refroidisseur (8). 9. Véhicule automobile (6) comprenant un système de suralimentation (1) selon l'une des revendications précédentes. 10. Procédé de refroidissement (9) d'air de suralimentation, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre dans un système de suralimentation (1) d'un moteur (2) à 15 combustion interne, comprenant : - un circuit d'air (3) présentant au moins un compresseur électrique (4) de suralimentation, le compresseur électrique assurant une surpression temporaire de l'air alimentant le moteur (2) à combustion interne, pendant une période de compression d'une durée maximale prédéterminée, 20 - au moins un refroidisseur (8) d'air placé en amont et/ou en aval dudit compresseur électrique (4), apte à refroidir l'air délivré par ce dernier pendant la durée de ladite période de compression, et en ce que ledit procédé de refroidissement (9) comprend: - une phase de charge (11) au cours de laquelle ledit refroidisseur d'air (8) et 25 l'air qu'il contient sont refroidis à une température prédéterminée, - une étape d'activation (11) dudit compresseur électrique (4), - une phase de décharge (12) au cours de laquelle l'air de suralimentation traverse ledit refroidisseur (8) pour alimenter ledit compresseur électrique (4) et/ou ledit moteur (2).30