Brevet FR3159630A1 — publié le 20250829

L’invention concerne un moteur à combustion interne pour véhicule automobile, le moteur comprenant des chambres de combustion (CC), un compresseur d'air (5) prenant en entrée de l'air atmosphérique et fournissant en sortie un flux d'air compressé (2) à destination des chambres de combustion, caractérisé en ce que le moteur comprend un refroidisseur à vortex (1) interposé contre le compresseur et les chambres de combustion via les première conduite (81) et deuxième conduite (82), le refroidisseur à vortex (1) recevant en entrée le flux d'air compressé (2) et comprenant une première sortie (S1) délivrant un flux d'air compressé froid (4) à destination des chambres de combustion et une deuxième sortie (S2) délivrant un flux d'air compressé chaud (3) à destination d'un organe auxiliaire interne moteur ou externe moteur. Figure 1 MOTEUR A COMBUSTION INTERNE AVEC COMPRESSEUR ET REFROIDISSEUR A VORTEX La présente invention concerne un moteur à combustion interne avec compresseur d’air, notamment un compresseur de type turbocompresseur. Dans les configurations de moteurs thermiques (à combustion interne) équipés de compresseur, l'air compressé sortant du compresseur a été également réchauffé par la compression. Le compresseur en question peut être un turbocompresseur ou un compresseur mécanique. Pour augmenter la densité de l’air admis dans les chambres de combustion, il est connu de placer un échangeur de chaleur, appelé dans le métier ‘intercooler’ pour abaisser la température des gaz compressés avant leur introduction dans les chambres de combustion. Cet échangeur de chaleur ‘intercooler’ est agencé en aval du compresseur. L'échangeur de chaleur ‘intercooler’ nécessite l'utilisation d’un autre fluide que l'air compressé, et nécessite l'installation de tuyauteries pour canaliser cet autre fluide. Ainsi il subsiste un besoin de proposer de nouvelles solutions pour abaisser la température de l'air compressé en sortie du compresseur avant son introduction dans les chambres de combustion du moteur. A cet effet, la présente invention propose un moteur à combustion interne pour véhicule automobile, le moteur comprenant des chambres de combustion, un compresseur d'air prenant en entrée de l'air atmosphérique et fournissant en sortie un flux d'air compressé à destination des chambres de combustion, caractérisé en ce que le moteur comprend un refroidisseur à vortex interposé contre le compresseur et les chambres de combustion via des première conduite et deuxième conduite, le refroidisseur à vortex recevant en entrée le flux d'air compressé et comprenant une première sortie délivrant un flux d'air compressé froid à destination des chambres de combustion et une deuxième sortie délivrant un flux d'air compressé chaud à destination d'un organe auxiliaire interne moteur ou externe moteur. Avantageusement, le refroidisseur à vortex fonctionne de manière autonome, il n'utilise aucun autre fluide que l’air compressé, il ne s’agit pas d’un échangeur de chaleur à deux fluides comme dans les solutions ‘intercooler’ de l’art connu. Grâce au tourbillon rapide qui prévaut dans le refroidisseur à vortex, il se produit une ségrégation et une séparation entre de l’air chaud et de l’air froid. Il faut noter que le refroidisseur à vortex est parfois appelé en littérature générale un tube de Ranque-Hilsch. On remarque que la séparation entre chaud et froid utilise simplement un phénomène physique. Le fonctionnement est automatique ; on verra plus bas qu'on peut introduire un réglage du débit de sortie de la portion chaude. On note qu’il n’y a pas de pièce en mouvement dans un tube de Ranque-Hilsch et donc il n’y a pas d’usure et la fiabilité de la solution de refroidisseur à vortex est très satisfaisante. Selon une réalisation, le refroidisseur à vortex présente une forme tubulaire avec la première sortie agencée à une première extrémité de la forme tubulaire et la deuxième sortie agencée à une deuxième extrémité de la forme tubulaire. Selon une réalisation avantageuse, cela favorise un gradient thermique important le long de la forme tubulaire et les effets de conduction thermique peuvent être minimisés. Selon une réalisation, le refroidisseur à vortex présente un axe d’élongation et comprend un anneau de mise en tourbillon où le flux d'air compressé entre tangentiellement. Moyennant quoi, un tourbillon très rapide est généré à l'intérieur de la forme tubulaire du refroidisseur à vortex. Selon une réalisation, l’anneau de mise en tourbillon est agencé à une position plus proche de la première sortie que de la deuxième sortie. Avantageusement, l'anneau de mise en tourbillon peut comprendre une forme de déflection qui dirige le tourbillon de l'air compressé entrant en direction de la deuxième sortie. Une partie du tourbillon d'air compressé rebondit au niveau de l'extrémité de la deuxième sortie et parcours en sens inverse la forme tubulaire pour sortir au niveau de la première sortie. Selon une réalisation, le compresseur est un turbocompresseur. On bénéficie ainsi d'une indépendance par rapport au régime moteur. Le turbocompresseur est un composant bien maîtrisé et très efficace pour comprimer de l'air d'admission dans un moteur thermique. Selon une réalisation, le refroidisseur à vortex comprend une électrovanne de contrôle configurée pour commander un débit de sortie sur la deuxième sortie. Moyennant quoi, on peut choisir et piloter le refroidissement et/ou la fourniture d’air chaud. Selon une réalisation, le moteur à combustion interne comprend en outre une unité de commande configurée pour commander l’électrovanne de contrôle du refroidisseur à vortex. L'unité de commande en question peut être l'unité de gestion complète du moteur ou une unité spécifique. Selon une réalisation, l’unité de commande est configurée pour commander en outre une soupape de décharge du turbocompresseur. On a alors une commande conjointe et coordonnée du fonctionnement du turbocompresseur et du fonctionnement du refroidisseur à vortex. Selon une réalisation, le refroidisseur à vortex est circonscrit dans un cylindre qui présente une longueur inférieure à 30 cm et un diamètre inférieur à 10 cm. Moyennant quoi, l’intégration dans l’architecture moteur et véhicule est aisée. L'invention concerne en outre un véhicule automobile comprenant un habitacle, des vitrages et un moteur à combustion interne tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que le flux d'air compressé chaud délivré par la deuxième sortie du refroidisseur à vortex est dirigé sélectivement vers l’habitacle et/ou les vitrages du véhicule automobile. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : FIG. 1 est une représentation schématique d’un exemple de moteur à combustion interne avec un turbocompresseur et un refroidisseur à vortex, tel que proposé ; FIG. 2 est une représentation schématique d’un exemple de refroidisseur à vortex selon la présente invention. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. Pour des raisons de clarté de l'exposé, certains éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle. On s’intéresse ici à un véhicule automobile à moteur thermique, autrement dit à un moteur à combustion interne. Il peut s'agir d'un moteur à essence ou d'un moteur Diesel. Il n’est pas exclu que le véhicule électrique soit un véhicule hybride doté, outre le moteur thermique, d’une chaîne de traction électrique. Dans certains véhicules hybrides, le moteur à combustion interne comporte trois cylindres au lieu de quatre (‘downsizing’) et dans cette configuration, l’utilisation d’un turbocompresseur est de plus en plus fréquente et importante de manière à obtenir une plage de couple satisfaisante et pour avoir une puissance spécifique au litre de cylindrée élevée. Il faut noter que, outre l’utilisation d’un turbocompresseur, la présente invention couvre aussi l’utilisation d’un compresseur mécanique, e.g. entrainé depuis le vilebrequin, voire entrainé par un moteur électrique. En revenant au cas du turbocompresseur, le turbocompresseur peut être classique à géométrie fixe, mais dans certains cas il peut être à géométrie variable. Le turbocompresseur peut être équipé d’un système de bypass appelé ‘waste-gate’, aussi appelé soupape de décharge. Le moteur à combustion interne peut être installé typiquement à bord d’un véhicule automobile. Alternativement, le moteur à combustion peut être installé dans un équipement stationnaire, comme une génératrice d’électricité, une pompe, sans aucune limitation d’applications. Sur la FIG. 1 , le moteur à combustion interne comprend un corps principal de moteur noté 7, un compresseur d'air noté 5 et un refroidisseur à vortex noté 1. Les éléments sont représentés sur la FIG. 1 à distance les uns les autres, mais il faut comprendre qu'ils peuvent être physiquement adjacents les uns aux autres. Comme connu en soi, le moteur à combustion interne comprend des chambres de combustion notées CC. Comme connu en soi, il est prévu des soupapes d’admission et des soupapes d’échappement. A la sortie chambres de combustion, les gaz brûlés 6 passent dans le collecteur d’échappement et dans la tubulure d’échappement 80 en direction du turbocompresseur 5. Le fonctionnement du turbocompresseur 5 est connu en soi, avec une roue de turbine 52, une roue de compresseur 51, une entrée d’air 50 et une sortie de gaz chauds 53. Le turbocompresseur 5 comprend une sortie 55 pour délivrer l'air compressé 2 et une entrée 56 des gaz brûlés 6, en provenance de la tubulure 80. Selon une option, le turbocompresseur 5 comprend une soupape de décharge notée 8. Selon un exemple de réalisation il s'agit d'une soupape de décharge pilotée électriquement comme il sera vu plus bas. La soupape de décharge 8 permet de faire passer une partie des gaz brûlés 6 directement vers le pot d'échappement sans qu'ils passent par la portion de turbine du turbocompresseur. La sortie 55 de la partie compresseur est dirigée par une première conduite 81 vers le refroidisseur à vortex 1. Ainsi, le flux d'air compressé 2 est dirigé depuis le turbocompresseur 5 vers le refroidisseur à vortex 1. Le refroidisseur à vortex 1 est fonctionnellement interposé contre le compresseur et les chambres de combustion. Le refroidisseur à vortex 1 reçoit en entrée le flux d'air compressé 2. Le refroidisseur à vortex 1 comprend une première sortie S1 délivrant un flux d'air compressé froid 4 à destination des chambres de combustion et une deuxième sortie S2 délivrant un flux d'air compressé chaud 3. L'entrée et la sortie sont de préférence à distance l'une de l'autre. De préférence l'entrée et la sortie sont agencées à l'opposé l'une de l'autre. Il est prévu et deuxième conduite 82 qui dirige le flux d'air compressé froid 4 vers les chambres de combustion CC. Il est prévu et troisième conduite 83 qui dirige le flux d'air compressé chaud 3 vers un organe auxiliaire. Le flux d'air compressé chaud 3 est destiné à réchauffer un organe auxiliaire interne moteur ou externe moteur. Le flux d'air compressé chaud 3 peut être dirigé sélectivement vers l'habitacle du véhicule vers les vitrages du véhicule, vers la batterie, vers lui le moteur, ou plus généralement vers tout organe où sous-système qui nécessite un apport de calories transitoire ou permanent. Il n'est pas exclu de diriger sélectivement le flux d'air compressé chaud vers la ligne d'échappement moyennant l'interposition d'un clapet anti-retour. Le refroidisseur à vortex 1 présente un corps 10 de forme tubulaire avec la première sortie S1 agencée à une première extrémité E1 de la forme tubulaire et la deuxième sortie S2 agencée à une deuxième extrémité E2 de la forme tubulaire. Le refroidisseur à vortex 1 comprend une entrée d'air compressé 11 qui reçoit le flux d'air compressé 2 de la première conduite 81. Le refroidisseur à vortex présente un axe d’élongation A. Le refroidisseur à vortex comprend un anneau de mise en tourbillon 16 où le flux d'air compressé entre tangentiellement par rapport à l’axe, sur le plus grand rayon disponible à l’intérieur de l’anneau. L’anneau de mise en tourbillon 16 est agencé à une position plus proche de la première extrémité que de la deuxième extrémité. La pulsation de rotation du tourbillon autour de l'axe est très élevée, on parle de plus de 100 000 tours par minute. Il peut être prévu une buse adaptée au niveau de l'entrée d'air compressé pour générer ce tourbillon rapide. Dans l’anneau de mise en tourbillon 16, il est prévu une forme de déflecteur qui permet d'orienter le tourbillon en direction de la deuxième extrémité c'est-à-dire vers la droite sur la FIG. 2 . Cette forme de déflecteur peut avoir la forme d’un pas hélicoïdal. Le tourbillon primaire ou tourbillon incident noté T1 est ainsi dirigé vers la deuxième extrémité et occupe un espace radial extérieur à l'intérieur du tube, comme illustré à la FIG. 2 . Il est prévu une forme conique à la deuxième extrémité sur laquelle rebondit le premier tourbillon pour générer un deuxième tourbillon noter T2 qui va se propager à l'intérieur du tube en direction inverse du premier tourbillon et radialement à un rayon plus petit, c'est-à-dire à l'intérieur du premier tourbillon T1. À la deuxième extrémité E2, la deuxième sortie S2 se présente comme une fente annulaire. Selon une option de flux de sortie contrôlé, la dimension de cette fente annulaire peut être modifiée par la commande d'un organe qui permet de déplacer l'organe conique. Selon une réalisation, cet organe conique déplaçable est appelé ici électrovanne de contrôle 18. Le refroidisseur à vortex 1 comprend donc une électrovanne de contrôle 18 configurée pour commander un débit de sortie sur la deuxième sortie. À la sortie du refroidisseur à vortex, la ségrégation entre air chaud et air froid se matérialise par un différentiel de température de quelques dizaines de degrés entre l'air chaud 3 et l'air froid 4. Ce différentiel dépend aussi du débit de sortie sur la deuxième sortie. Généralement, l’anneau de mise en tourbillon 16 est agencé à une position plus proche de la première sortie S1 que de la deuxième sortie S2. Dans l'exemple illustré, l’anneau de mise en tourbillon 16 est situé à proximité immédiate de la première sortie S1. Ainsi la longueur parcourue par le premier tourbillon T1 est très peu supérieure à la longueur parcourue par le deuxième tourbillon T2. Le refroidisseur à vortex présente une longueur notée L1. Selon un exemple de réalisation, la longueur L1 est inférieure à 30 cm. Le refroidisseur à vortex présente un diamètre hors tout noté D1. Selon un exemple de réalisation, le diamètre L1 est inférieure à 10 cm. On a ainsi un appareil très compact. Les possibilités d'intégration sont ainsi augmentées par comparaison a un échangeur à deux fluides et quatre canalisations. Le moteur à combustion interne comprend en outre une unité de commande 9 configurée pour commander l’électrovanne de contrôle du refroidisseur à vortex. L’unité de commande 9 représentée ici peut correspondre à une partie du calculateur de contrôle moteur général ou elle peut correspondre à un petit calculateur spécifique en charge de l'option turbocompresseur et refroidisseur à vortex. L’unité de commande 9 pilote l’électrovanne de contrôle du refroidisseur à vortex via la ligne 91. L’unité de commande 9 pilote la soupape de décharge du turbocompresseur via la ligne 92. Optionnellement, il peut être prévu un traitement acoustique de certaines parties du refroidisseur à vortex ou de certaines conduites, de manière à éviter que des bruits de sifflement soient perceptibles à l'extérieur du compartiment moteur. Moteur à combustion interne pour véhicule automobile, le moteur comprenant des chambres de combustion (CC), un compresseur d'air (5) prenant en entrée de l'air atmosphérique et fournissant en sortie un flux d'air compressé (2) à destination des chambres de combustion, caractérisé en ce que le moteur comprend un refroidisseur à vortex (1) interposé contre le compresseur et les chambres de combustion via des première conduite (81) et deuxième conduite (82), le refroidisseur à vortex (1) recevant en entrée le flux d'air compressé (2) et comprenant une première sortie (S1) délivrant un flux d'air compressé froid (4) à destination des chambres de combustion et une deuxième sortie (S2) délivrant un flux d'air compressé chaud (3) à destination d'un organe auxiliaire interne moteur ou externe moteur. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidisseur à vortex (1) présente une forme tubulaire avec la première sortie (S1) agencée à une première extrémité de la forme tubulaire et la deuxième sortie (S2) agencée à une deuxième extrémité de la forme tubulaire. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le refroidisseur à vortex (1) présente un axe d’élongation (A) et comprend un anneau de mise en tourbillon (16) où le flux d'air compressé (2) entre tangentiellement. Moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’anneau de mise en tourbillon (16) est agencé à une position plus proche de la première sortie (S1) que de la deuxième sortie (S2). Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le compresseur est un turbocompresseur. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le refroidisseur à vortex (1) comprend une électrovanne de contrôle (18) configurée pour commander un débit de sortie sur la deuxième sortie (S2). Moteur à combustion interne selon la revendication 6, comprenant en outre une unité de commande (9) configurée pour commander l’électrovanne de contrôle (18) du refroidisseur à vortex. Moteur à combustion interne selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’unité de commande (9) est configurée pour commander en outre une soupape de décharge (8) du turbocompresseur. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le refroidisseur à vortex est circonscrit dans un cylindre qui présente une longueur inférieure à 30 cm et un diamètre inférieur à 10 cm. Véhicule automobile comprenant un habitacle, des vitrages et un moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le flux d'air compressé chaud (3) délivré par la deuxième sortie (S2) du refroidisseur à vortex est dirigé sélectivement vers l’habitacle et/ou les vitrages du véhicule automobile.