Brevet FR3055368A1 — publié le 20180302

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT DE SYSTÈME DE SURALIMENTATION D'AIR DE MOTEUR THERMIQUE, ET SYSTÈME DE SURALIMENTATION D'AIR EQUIPÉ D'UN TEL DISPOSITIF [1] L'invention concerne de manière générale le domaine de l'automobile. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de refroidissement pour un système de suralimentation d'air de moteur thermique comprenant un turbocompresseur thermique et un compresseur électrique. L'invention concerne également un système de suralimentation d'air dans lequel est intégré un tel dispositif de refroidissement. [2] Dans le contexte de la réduction des émissions de CO2 des véhicules automobiles, les constructeurs automobiles se sont orientés vers le développement de moteurs thermiques de plus faible cylindrée équipés de systèmes de suralimentation d'air de nouvelle génération plus performants et réactifs. Ces systèmes de suralimentation d'air de nouvelle génération sont construits autour d'un turbocompresseur thermique et d'un compresseur électrique. [003] Le turbocompresseur thermique classique fonctionnant à partir de l'énergie récupérée dans les gaz chauds d'échappement du moteur thermique nécessite pour son déclenchement une pression suffisante des gaz d'échappement. Le turbocompresseur thermique ne se déclenche en fait réellement qu'à partir d'une certaine vitesse de rotation du moteur thermique provoquant une montée en pression des gaz d'échappement. L'intégration d'un compresseur électrique dans un système de suralimentation d'air permet de palier à cet inconvénient connu du turbocompresseur en étendant dans les basses vitesses la plage de fonctionnement de la suralimentation d'air. [4] L'implantation sous le capot moteur d'un compresseur électrique pose des contraintes sévères aux constructeurs automobiles. En effet, le volume requis sous le capot moteur est important. Il faut non seulement loger le compresseur électrique et les conduites de raccordement et de dérivation à intégrer dans la boucle d'air du moteur thermique, mais aussi un circuit de refroidissement supplémentaire qui peut s'avérer nécessaire pour refroidir le compresseur électrique. [5] A partir d'une certaine puissance, le compresseur électrique requière des moyens de refroidissement plus efficaces qu'un simple refroidissement par air pour son moteur électrique et l'électronique de puissance associée à celui-ci. La nécessité d'un circuit de 3055368 2 refroidissement par eau s'impose alors et demande un échangeur thermique eau-air et une pompe à eau qui représentent des coûts additionnels et un volume conséquent. [6] Dans l'état de la technique actuel, il apparaît nécessaire de proposer une solution facilitant l'intégration du compresseur électrique et de son circuit de refroidissement sous 5 le capot moteur d'un véhicule automobile, et qui soit moins contraignante en termes de d'encombrement et de coût. [7] Selon un premier aspect, l'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un système de suralimentation d'air de moteur thermique comprenant un turbocompresseur thermique et un compresseur électrique à refroidissement par eau, le 10 dispositif comprenant un premier circuit de refroidissement destiné au refroidissement de l'air de suralimentation fourni par le système au moteur thermique et un deuxième circuit de refroidissement destiné au refroidissement par eau du compresseur électrique. Conformément à l'invention, le dispositif comprend un échangeur thermique eau-air qui est commun aux deux dits premier et deuxième circuits de refroidissement. 15 [008] Un même échangeur thermique eau-air est ainsi utilisé pour le refroidissement de l'air comprimé de suralimentation et pour le refroidissement du compresseur. L'échangeur thermique eau-air n'a pas besoin d'être surdimensionné par rapport à celui qui serait utilisé dans un système de suralimentation d'air sans compresseur électrique. L'invention apporte donc un gain en volume important qui facilite l'intégration du compresseur 20 électrique sous le capot moteur du véhicule et autorise une réduction significative des coûts. [009] Selon une caractéristique particulière du dispositif de l'invention, la capacité de refroidissement totale de l'échangeur thermique eau-air commun est dimensionnée pour le premier circuit de refroidissement pour refroidir l'air de suralimentation fourni au moteur 25 thermique lorsque celui-ci est dans une zone de fonctionnement à haut régime dans laquelle il délivre sa puissance maximale. [0010] Selon une autre caractéristique particulière, l'échangeur thermique eau-air commun est formé de première et deuxième sections d'échange thermique en communication fluidique et fournissant ensemble la capacité de refroidissement totale de 30 l'échangeur thermique eau-air commun. 3055368 3 [0011] Selon encore une autre caractéristique particulière, le premier circuit de refroidissement utilise les première et deuxième sections d'échange thermique. [0012] Selon encore une autre caractéristique particulière, le deuxième circuit de refroidissement utilise la deuxième section d'échange thermique. 5 [0013] Selon encore une autre caractéristique particulière, la capacité de refroidissement thermique de la deuxième section d'échange thermique est dimensionnée pour refroidir le compresseur électrique au juste nécessaire lorsque le compresseur électrique est activé dans une zone de fonctionnement à bas régime du moteur thermique. [0014] Selon encore une autre caractéristique particulière, les premier et second circuits 10 de refroidissement comprennent respectivement des première et deuxième pompes à eau. [0015] Selon un autre aspect, l'invention concerne également un système de suralimentation d'air de moteur thermique comprenant un turbocompresseur thermique et un compresseur électrique à refroidissement par eau, et dans lequel est intégré un dispositif de refroidissement tel que décrit brièvement ci-dessous. 15 [0016] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-dessous d'une forme de réalisation particulière de l'invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig.1 est un bloc-diagramme montrant une forme de réalisation particulière d'un système de suralimentation d'air de l'invention équipé de son dispositif de refroidissement 20 ; et les Figs.2A et 2B sont des vues de principe montrant l'architecture et le fonctionnement d'un échangeur thermique eau-air intégré dans le dispositif de refroidissement selon l'invention. [0017] En référence à la Fig.1, il est maintenant décrit de manière détaillé l'architecture 25 générale d'un système de suralimentation d'air 1 selon l'invention. [0018] Le système de suralimentation d'air 1 comporte essentiellement un turbocompresseur thermique 10, un compresseur électrique 11 refroidi par eau, un dispositif de refroidissement 12, et différents éléments annexes de la boucle de 3055368 4 d'alimentation d'air comme un filtre à air 13, des conduites d'air 14, et une conduite de dérivation 15 équipée d'une électrovanne 150 pour le compresseur électrique 11. [0019] Le système 1 équipe un moteur thermique 2 et est raccordé à celui-ci au niveau du répartiteur d'admission d'air 20, à travers un papillon des gaz 21, et au collecteur 5 d'échappement 23 et la ligne d'échappement des gaz, à travers une hélice de gaz 100 du turbocompresseur 10. [0020] En référence également aux Figs.2A et 2B, il est maintenant décrit en détail le dispositif de refroidissement 12 selon l'invention. [0021] Le dispositif de refroidissement 12 comporte un premier circuit de refroidissement 10 12A (Fig.1) et un deuxième circuit de refroidissement 12B (Fig.1) qui partagent un échangeur thermique eau-air 120 commun. L'échangeur thermique 120 comporte des première et deuxième sections d'échange thermique 120A et 120B qui sont en communication fluidique. Ces première et deuxième sections 120A et 120B, montrées en détail aux Figs.2A et 2B, sont montrées en trait plein et en trait hachuré, respectivement. 15 [0022] Le premier circuit de refroidissement 12A est dédié au refroidissement de l'air de suralimentation, que celui-ci soit issu de la compression réalisée par une hélice d'air 101 (Fig.1) du turbocompresseur 10 ou de celle réalisée par une hélice d'air 110 (Fig.1) du compresseur 11. Comme il est connu un tel refroidissement de l'air de suralimentation autorise un meilleur remplissage des cylindres du moteur thermique 2. Ce premier circuit 20 de refroidissement 12A est établi à travers l'échangeur thermique eau-air 120 commun et fait appel également à un échangeur thermique air-eau 121 et une première pompe à eau 122A. La pompe 122A force la circulation de l'eau de refroidissement à travers l'échangeur air-eau 121 pour refroidir l'air de suralimentation et à travers l'échangeur 120. Les calories de l'air de suralimentation sont extraites de celui-ci dans l'échangeur 121 et transférées 25 vers l'eau de refroidissement du circuit 12A. L'eau de refroidissement libère ensuite ses calories dans l'air ambiant au niveau de l'échangeur commun 120. [0023] Le deuxième circuit de refroidissement 12B est un dispositif de refroidissement dédié au compresseur 11, et plus précisément son moteur électrique 111 et l'électronique de puissance associée à celui-ci. Ce deuxième circuit de refroidissement 12B est établi à 30 travers l'échangeur thermique eau-air 120 commun et fait appel à une deuxième pompe à eau 122B qui force la circulation de l'eau de refroidissement à travers des canaux aménagés dans un carter du moteur 111 pour refroidir ce dernier et à travers l'échangeur 3055368 5 120. Les calories extraites du moteur 111 et de son électronique associée sont libérées dans l'air ambiant au niveau de l'échangeur 120. [0024] Le dispositif de refroidissement 12 selon l'invention présente une architecture dite ici « en deux circuits de refroidissement indépendants ». Cette architecture a l'avantage de 5 permettre un contrôle différencié des débits d'eau à travers les première et deuxième pompes à eau 122A et 122B. [0025] Dans le dispositif de refroidissement 12 selon l'invention, l'échangeur thermique eau-air 120 commun n'a pas besoin d'être surdimensionné par rapport à l'échangeur thermique eau-air qui serait utilisé dans un système de suralimentation d'air sans 10 compresseur électrique. [0026] En effet, la zone de fonctionnement du moteur thermique 2 nécessitant un refroidissement du compresseur 11 est différente de celle pour laquelle a été dimensionné l'échangeur thermique eau-air 120. L'échangeur thermique eau-air 120 est dimensionné en pleine capacité de refroidissement pour une zone de fonctionnement à haut régime du 15 moteur thermique 2, c'est-à-dire, lorsque le turbocompresseur 10 est actif. Le dimensionnement de L'échangeur 120 est fait sur le point de puissance maximum du moteur thermique, c'est-à-dire dans une zone de fonctionnement à haut régime de celui-ci, pour évacuer suffisamment de calories pour le refroidissement de l'air comprimé de suralimentation. 20 [0027] Le compresseur électrique 11 a besoin d'être refroidi uniquement lorsqu'il est utilisé, c'est-à-dire dans une zone de fonctionnement à bas régime du moteur thermique 2 dans laquelle le turbocompresseur 10 n'est pas actif. [0028] Comme il n'y a pas de chevauchement entre ces deux zones de fonctionnement du moteur thermique, à haut et à bas régime, l'intégration du compresseur 11 avec son 25 refroidissement par eau n'affecte pas le dimensionnement de pleine capacité de refroidissement de l'échangeur 120. On peut donc dans le dispositif de refroidissement 12 selon l'invention avoir un échangeur thermique eau-air 120 ayant le même volume d'encombrement que celui qui serait utilisé si le système 1 ne comprenait pas le compresseur électrique 11 et le deuxième circuit de refroidissement 12B. 30 [0029] En référence plus particulièrement aux Figs.2A et 2B, il est maintenant décrit en détail des premier et deuxième modes de fonctionnement de l'échangeur thermique eau- 3055368 6 air 120 correspondant respectivement aux zones de fonctionnement à haut régime et à bas régime du moteur thermique 2. [0030] Dans le premier mode de fonctionnement montré à la Fig.2A, le moteur thermique 2 fonctionne à haut régime et le compresseur électrique 11 n'est pas actif. Il est alors 5 seulement nécessaire de refroidir l'air de suralimentation fourni par le turbocompresseur 10. Dans ce premier mode de fonctionnement de l'échangeur 120, la pompe 122B n'est pas activée (signe « X » à la Fig.2A) et il n'y a donc aucune circulation d'eau dans le compresseur électrique 11. On obtient alors une circulation d'eau dans le circuit de refroidissement 12A avec la totalité de la capacité de refroidissement de l'échangeur 120 10 qui est utilisée. L'écoulement de l'eau à travers les sections d'échange thermique 120A et 120B est montré à la Fig.2A par les flèches en trait plein. L'eau de refroidissement circule dans l'ensemble de la structure tubulaire de l'échangeur 120 pour refroidir l'air de suralimentation au niveau de l'échangeur 121. [0031] Dans le deuxième mode de fonctionnement montré à la Fig.2B, le moteur 15 thermique 2 fonctionne à bas régime, le turbocompresseur 10 n'est pas actif et l'air de suralimentation est fourni par le compresseur électrique 11. Il est alors nécessaire de refroidir l'air de suralimentation fourni par le compresseur électrique 11 et de refroidir également le compresseur 11 lui-même (moteur électrique 11 et électronique de puissance associée). Dans ce deuxième mode de fonctionnement de l'échangeur 120, les 20 pompes 122B et 122A sont toutes deux activées. On obtient alors une circulation d'eau dans les deux circuits de refroidissement 12A et 12B. A la Fig.2B, l'écoulement de l'eau à travers les sections d'échange thermique 120A et 120B est montré par des flèches en trait plein pour le premier circuit de refroidissement 12A et par des flèches en trait pointillé pour le deuxième circuit de refroidissement 12B. 25 [0032] Dans ce deuxième mode de fonctionnement de l'échangeur 120, la section d'échange thermique 120B est dimensionnée pour refroidir le compresseur électrique 11 au juste nécessaire lorsque celui-ci est activé. De cette manière, la section d'échange thermique 120B garde une capacité maximale pour refroidir l'eau entrant dans l'échangeur thermique air-eau 121 de manière à faire baisser plus possible la température de l'air de 30 suralimentation au niveau de l'échangeur 121. [0033] L'architecture de l'échangeur 120 selon l'invention offre l'avantage de pouvoir être conçu de manière à fournir à chacun des circuits 12A et 12B une capacité de 3055368 7 refroidissement d'eau adaptée à leurs besoins, et cela sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un actionneur tel qu'une électrovanne. [0034] Bien entendu, l'invention ne se limite pas à la forme de réalisation particulière qui a été décrite ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, 5 pourra y apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées. REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement (12) d'un système de suralimentation d'air (1) de moteur thermique (2) comprenant un turbocompresseur thermique (10) et un compresseur électrique à refroidissement par eau (11), le dispositif comprenant un premier circuit de refroidissement (12A) destiné au refroidissement de l'air de suralimentation fourni par ledit système (1) audit moteur thermique (2) et un deuxième circuit de refroidissement (12B) destiné au refroidissement par eau dudit compresseur électrique (11), caractérisé en ce qu'il comprend un échangetx thermique eau-air (120) qui est commun aux deux dits premier et deuxième circuits de refroidissement (12A, 12B). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité de refroidissement totale dudit échangeur thermique eau-air commun (120) est dimensionnée pour ledit premier circuit de refroidissement (12A) pour refroidir l'air de suralimentation fourni audit moteur thermique (2) lorsque celui-ci est dans une zone de fonctionnement à haut régime dans laquelle il délivre sa puissance maximale. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit échangeur thermique eau-air commun (120) est formé de première et deuxième sections d'échange thermique (120A, 120B) en communication fluidique et fournissant ensemble ladite capacité de refroidissement totale de l'échangeur thermique eau- air commun (120). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit premier circuit de refroidissement (12A) utilise lesdites première et deuxième sections d'échange thermique (120A, 120B). 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit deuxième circuit de refroidissement (12B) utilise ladite deuxième section d'échange thermique (1208). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la capacité de refroidissement thermique de ladite deuxième section d'échange thermique (120B) est dimensionnée pour refroidir ledit compresseur électrique (1-1.,) 3055368 9 au juste nécessaire lorsque le compresseur électrique (11) est activé dans une zone de fonctionnement à bas régime dudit moteur thermique (2). 7. Dispositif selon l'une quelconque les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits premier (12A) et second (12B) circuits de refroidissement comprennent 5 respectivement des première (122A) et deuxième (122B) pompes à eau. 8. Système de suralimentation d'air (1) de moteur thermique (2) comprenant un turbocompresseur thermique (10) et un compresseur électrique à refroidissement par eau (11), caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif de refroidissement (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 10 9. Moteur thermique équipé de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un système de suralimentation d'air (1) selon la revendication 8. 10. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un moteur thermique équipé (2, 1) selon la revendication 9.