DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT DE SYSTÈME DE SURALIMENTATION D'AIR DE MOTEUR THERMIQUE, ET SYSTÈME DE SURALIMENTATION THERMAL ENGINE AIR SUPPLY SYSTEM COOLING DEVICE, AND OVERHEATING SYSTEM
D'AIR ÉQUIPÉ D'UN TEL DISPOSITIF AIR EQUIPPED WITH SUCH A DEVICE
[001 ] 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. [001] The invention relates generally to the field of the automobile. More particularly, the invention relates to a cooling device for an engine air supercharging system comprising a thermal turbocharger and an electric compressor. The invention also relates to an air supercharging system in which is integrated such a cooling device.
[002] Dans le contexte de la réduction des émissions de C02 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. [002] In the context of the reduction of C0 2 emissions from motor vehicles, car manufacturers have moved towards the development of smaller-displacement engines equipped with more efficient and responsive new-generation air-boosting systems. These new-generation air-boosting systems are built around a thermal turbocharger and an electric compressor. [003] The conventional thermal turbocharger operating from the energy recovered in the hot exhaust gases of the engine requires for its release sufficient pressure of the exhaust gas. The thermal turbocharger is actually triggered actually only from a certain speed of rotation of the engine causing a rise in pressure of the exhaust gas. The integration of an electric compressor in an air supercharging system makes it possible to overcome this known disadvantage of the turbocharger by extending the operating range of the air supercharging at low speeds.
[004] 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. [004] The implementation under the bonnet of an electric compressor imposes severe constraints on car manufacturers. Indeed, the volume required under the bonnet is important. It is necessary not only to house the electric compressor and the connection and bypass lines to be integrated in the air loop of the engine, but also an additional cooling circuit that may be necessary to cool the electric compressor.
[005] 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
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. [005] From a certain power, the electric compressor requires more efficient cooling means than a simple air cooling for its electric motor and power electronics associated therewith. The need for a circuit of Water cooling is then required and requires a water-air heat exchanger and a water pump which represent additional costs and a large volume.
[006] Le document DE10315779A1 décrit un dispositif de refroidissement d'un système de suralimentation d'air de moteur thermique. 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 le capot moteur d'un véhicule automobile, et qui soit moins contraignante en termes de d'encombrement et de coût. [006] The document DE10315779A1 describes a cooling device of a thermal engine air supercharging system. In the current state of the art, it appears necessary to propose a solution facilitating the integration of the electric compressor and its cooling circuit under the engine bonnet of a motor vehicle, and which is less restrictive in terms of congestion and cost.
[007] 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 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. Le dispositif comprend un échangeur thermique eau-air qui est commun aux deux dits premier et deuxième circuits de refroidissement. According to a first aspect, the invention relates to a cooling device of an engine air supercharging system comprising a thermal turbocharger and a water-cooled electric compressor, the device comprising a first cooling circuit for cooling of the charge air supplied by the system to the heat engine and a second cooling circuit for the water cooling of the electric compressor. The device comprises a water-air heat exchanger which is common to both said first and second cooling circuits.
[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 électrique sous le capot moteur du véhicule et autorise une réduction significative des coûts. [008] A same water-air heat exchanger is thus used for cooling the supercharged compressed air and for cooling the compressor. The water-to-air heat exchanger does not need to be oversized compared to the one that would be used in an air supercharging system without an electric compressor. The invention therefore provides a large volume gain that facilitates the integration of the electric compressor under the engine hood of the vehicle and allows a significant reduction in costs.
[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 thermique lorsque celui-ci est dans une zone de fonctionnement à haut régime dans laquelle il délivre sa puissance maximale. According to a particular characteristic of the device of the invention, the total cooling capacity of the common water-air heat exchanger is dimensioned for the first cooling circuit for cooling the supercharging air supplied to the heat engine when this it is in a high-speed operating zone in which it delivers its maximum power.
[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 l'échangeur thermique eau-air commun.
[001 1 ] Selon encore une autre caractéristique particulière, le premier circuit de refroidissement utilise les première et deuxième sections d'échange thermique. According to another particular feature, the common water-air heat exchanger is formed of first and second heat exchange sections in fluid communication and together providing the total cooling capacity of the common water-air heat exchanger. [001 1] According to yet another particular feature, the first cooling circuit uses the first and second heat exchange sections.
[0012] Selon encore une autre caractéristique particulière, le deuxième circuit de refroidissement utilise la deuxième section d'échange thermique. [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. According to yet another particular characteristic, the second cooling circuit uses the second heat exchange section. According to yet another particular characteristic, the thermal cooling capacity of the second heat exchange section is sized to cool the electric compressor to just necessary when the electric compressor is activated in a low-speed operating zone of the engine. .
[0014] Selon encore une autre caractéristique particulière, les premier et second circuits de refroidissement comprennent respectivement des première et deuxième pompes à eau. According to yet another particular characteristic, the first and second cooling circuits respectively comprise first and second water pumps.
[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. [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 ; 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. According to another aspect, the invention also relates to a thermal engine air supercharging system comprising a thermal turbocharger and a water-cooled electric compressor, and in which is integrated a cooling device as briefly described herein. -Dessous. Other advantages and features of the present invention will appear more clearly on reading the description below of a particular embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. a block diagram showing a particular embodiment of an air supercharging system of the invention equipped with its cooling device; and Figs.2A and 2B are views of principle showing the architecture and operation of a water-air heat exchanger integrated in the cooling device according to the invention.
[0017] En référence à la Fig.1 , il est maintenant décrit de manière détaillé l'architecture générale d'un système de suralimentation d'air 1 selon l'invention. Referring to Fig.1, it is now described in detail the general architecture of an air supercharging system 1 according to the invention.
[0018] Le système de suralimentation d'air 1 comporte essentiellement un turbocompresseur thermique 10, un compresseur électrique 1 1 refroidi par eau, un dispositif de refroidissement 12, et différents éléments annexes de la boucle de
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 1 1 . The air supercharging system 1 essentially comprises a thermal turbocharger 10, an electric compressor 1 1 cooled by water, a cooling device 12, and various ancillary elements of the air loop. supplying air such as an air filter 13, air lines 14, and a branch line 15 equipped with a solenoid valve 150 for the electric compressor 1 1.
[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 d'échappement 23 et la ligne d'échappement des gaz, à travers une hélice de gaz 100 du turbocompresseur 10. The system 1 equips a heat engine 2 and is connected thereto at the air intake distributor 20, through a throttle valve 21, and at the exhaust manifold 23 and the line of the engine. exhausting gases, through a gas propeller 100 of the turbocharger 10.
[0020] En référence également aux Figs.2A et 2B, il est maintenant décrit en détail le dispositif de refroidissement 12 selon l'invention. Also referring to Figs.2A and 2B, is now described in detail the cooling device 12 according to the invention.
[0021 ] Le dispositif de refroidissement 12 comporte un premier circuit de refroidissement 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. [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 1 10 (Fig.1 ) du compresseur 1 1 . 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 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 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. The cooling device 12 comprises a first cooling circuit 12A (Fig.1) and a second cooling circuit 12B (Fig.1) which share a common water-air heat exchanger 120. The heat exchanger 120 has first and second heat exchange sections 120A and 120B that are in fluid communication. These first and second sections 120A and 120B, shown in detail in Figs.2A and 2B, are shown in solid and hatched lines, respectively. The first cooling circuit 12A is dedicated to the cooling of the supercharging air, whether it comes from the compression performed by an air propeller 101 (Fig.1) of the turbocharger 10 or that produced by an air propeller 1 10 (Fig.1) of the compressor 1 1. As known, such a cooling of the charge air allows a better filling of the cylinders of the heat engine 2. This first cooling circuit 12A is established through the common water-air heat exchanger 120 and also uses an exchanger thermal air-water 121 and a first water pump 122A. The pump 122A forces the cooling water circulation through the air-water exchanger 121 to cool the charge air and through the exchanger 120. The calories from the charge air are extracted from it. in the exchanger 121 and transferred to the cooling water of the circuit 12A. The cooling water then releases its calories into the ambient air at the level of the common exchanger 120.
[0023] Le deuxième circuit de refroidissement 12B est un dispositif de refroidissement dédié au compresseur 1 1 , et plus précisément son moteur électrique 1 1 1 et l'électronique de puissance associée à celui-ci. Ce deuxième circuit de refroidissement 12B est établi à 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 1 1 1 pour refroidir ce dernier et à travers l'échangeur
120. Les calories extraites du moteur 1 1 1 et de son électronique associée sont libérées dans l'air ambiant au niveau de l'échangeur 120. The second cooling circuit 12B is a cooling device dedicated to the compressor 1 1, and more precisely its electric motor 1 1 1 and the power electronics associated therewith. This second cooling circuit 12B is established through the common water-air heat exchanger 120 and uses a second water pump 122B which forces the circulation of the cooling water through channels arranged in an engine casing 1 1 1 to cool the latter and through the exchanger 120. The calories extracted from the engine 1 1 1 and its associated electronics are released into the ambient air at the exchanger 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 permettre un contrôle différencié des débits d'eau à travers les première et deuxième pompes à eau 122A et 122B. The cooling device 12 according to the invention has an architecture called here "in two independent cooling circuits." This architecture has the advantage of allowing differential control of water flow rates through the first and second water pumps 122A and 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 compresseur électrique. In the cooling device 12 according to the invention, the common water-air heat exchanger 120 does not need to be oversized compared to the water-air heat exchanger which would be used in a supercharging system. of air without electric compressor.
[0026] En effet, la zone de fonctionnement du moteur thermique 2 nécessitant un refroidissement du compresseur 1 1 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 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. [0027] Le compresseur électrique 1 1 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. Indeed, the operating zone of the heat engine 2 requiring a cooling of the compressor 1 1 is different from that for which was dimensioned the water-air heat exchanger 120. The water-air heat exchanger 120 is dimensioned in full cooling capacity for a high-speed operating zone of the engine 2, that is to say, when the turbocharger 10 is active. The dimensioning of the exchanger 120 is made on the point of maximum power of the heat engine, that is to say in a high-speed operating zone thereof, to evacuate sufficient calories for the cooling of the engine. supercharged compressed air. The electric compressor 1 1 needs to be cooled only when it is used, that is to say in a low-speed operating zone of the engine 2 in which the turbocharger 10 is not active. .
[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 1 1 avec son 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 1 1 et le deuxième circuit de refroidissement 12B. [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-
air 120 correspondant respectivement aux zones de fonctionnement à haut régime et à bas régime du moteur thermique 2. As there is no overlap between these two operating zones of the engine, at high and low speed, the integration of the compressor 1 1 with its water cooling does not affect the dimensioning of full capacity. The cooling device 12 according to the invention can therefore have a water-air heat exchanger 120 having the same volume of space that would be used if the system 1 did not include the compressor. electric 1 1 and the second cooling circuit 12B. With particular reference to Figs.2A and 2B, it is now described in detail the first and second modes of operation of the water heat exchanger- air 120 respectively corresponding to the operating zones at high speed and low speed of the engine 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 1 1 n'est pas actif. Il est alors 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 1 1 . 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 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 . In the first mode of operation shown in Fig.2A, the engine 2 operates at high speed and the electric compressor 1 1 is not active. It is then only necessary to cool the charge air supplied by the turbocharger 10. In this first mode of operation of the exchanger 120, the pump 122B is not activated (sign "X" in Fig.2A) and there is therefore no water circulation in the electric compressor 1 1. There is then obtained a circulation of water in the cooling circuit 12A with all the cooling capacity of the exchanger 120 which is used. The flow of water through the heat exchange sections 120A and 120B is shown in Fig. 2A by the solid arrows. The cooling water circulates throughout the tubular structure of the exchanger 120 to cool the charge air at the exchanger 121.
[0031 ] Dans le deuxième mode de fonctionnement montré à la Fig.2B, le moteur thermique 2 fonctionne à bas régime, le turbocompresseur 10 n'est pas actif et l'air de suralimentation est fourni par le compresseur électrique 1 1 . Il est alors nécessaire de refroidir l'air de suralimentation fourni par le compresseur électrique 1 1 et de refroidir également le compresseur 1 1 lui-même (moteur électrique 1 1 et électronique de puissance associée). Dans ce deuxième mode de fonctionnement de l'échangeur 120, les 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. [0032] Dans ce deuxième mode de fonctionnement de l'échangeur 120, la section d'échange thermique 120B est dimensionnée pour refroidir le compresseur électrique 1 1 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 suralimentation au niveau de l'échangeur 121 . In the second mode of operation shown in Fig.2B, the engine 2 operates at low speed, the turbocharger 10 is not active and the charge air is supplied by the electric compressor 1 1. It is then necessary to cool the charge air supplied by the electric compressor 1 1 and also to cool the compressor 1 1 itself (electric motor 1 1 and associated power electronics). In this second mode of operation of the exchanger 120, the 122B and 122A pumps are both activated. A flow of water is then obtained in the two cooling circuits 12A and 12B. In Fig.2B, the flow of water through the heat exchange sections 120A and 120B is shown by solid arrows for the first cooling circuit 12A and by dashed arrows for the second circuit. 12B. In this second mode of operation of the exchanger 120, the heat exchange section 120B is sized to cool the electric compressor 1 1 just necessary when it is activated. In this way, the heat exchange section 120B retains a maximum capacity for cooling the water entering the air-water heat exchanger 121 so as to lower the temperature of the charge air at the level of the exchanger 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
refroidissement d'eau adaptée à leurs besoins, et cela sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un actionneur tel qu'une électrovanne. The architecture of the exchanger 120 according to the invention offers the advantage of being able to be designed so as to provide each of the circuits 12A and 12B a capacitance of water cooling adapted to their needs, and without the need to use an actuator such as a solenoid valve.
[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, pourra y apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées.
Of course, the invention is not limited to the particular embodiment which has been described here by way of example. Those skilled in the art, according to the applications of the invention, may make various modifications and variations that fall within the scope of the appended claims.