FR2915274A1 - Echangeur de chaleur pour vehicule automobile - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un échangeur de chaleur comportant un faisceau (40) d'échange de chaleur. Il comporte en outre une dérivation (54) apte à court-circuiter le faisceau (40) d'échange de chaleur. Le faisceau (40) et la dérivation (54) comportent chacun une sortie s'étendant selon une même direction (D1).Application notamment au domaine automobile.

Description

Echangeur de chaleur pour véhicule automobile
L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur, 5 notamment pour véhicules automobiles.
Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur comportant un faisceau d'échange de chaleur. Un tel échangeur de chaleur est en particulier connu des documents 10 DE 199 02 504 ou FR 2 886 390.
Ce type d'échangeur est notamment utilisé en tant que refroidisseur d'air de suralimentation d'un moteur thermique de véhicule automobile. 15 Dans ce cas, le gaz à refroidir est l'air de suralimentation qui provient du turbo-compresseur et qui est admis dans le moteur thermique au travers d'un répartiteur d'air. Il est aussi possible que l'air de suralimentation soit un mélange 20 d'air de suralimentation et de gaz d'échappement recirculés. Le liquide de refroidissement est le liquide servant au refroidissement du moteur.
Il est parfois souhaité, notamment pendant les phases de 25 démarrage du moteur ou pendant la phase de régénération du filtre à particules, que l'air issu du turbo-compresseur ne soit pas refroidi. Il faut donc empêcher l'air de suralimentation de circuler dans l'échangeur de chaleur.
30 Ainsi, il a été proposé de munir les circuits d'air d'admission d'une dérivation qui permet de court-circuiter le refroidisseur d'air de suralimentation.
Dans un tel cas, la dérivation est une conduite qui est ajoutée sur le circuit d'air d'admission. Elle va permettre une liaison directe entre le turbo-compresseur et les différents collecteurs d'admission des têtes de cylindre d'un moteur.
Avec un tel système de dérivation indépendante, il est difficile d'avoir une homogénéisation de la température d'air d'admission entre les différents cylindres du moteur. Dans un tel cas de figure, le risque est que seuls certains cylindres proches de la sortie de la dérivation se remplissent d'air de suralimentation pendant que les cylindres les plus éloignés de cette sortie risquent de ne pas être alimentés en air. Un tel mode de fonctionnement du moteur n'est pas souhaitable car entraînant la formation de nombreux polluants.
En outre, une dérivation indépendante occasionne des 20 composants additionnels coûteux sur le circuit d'air d'admission.
L'invention vise à améliorer la situation.
25 Elle propose à cet effet un échangeur tel que décrit auparavant et qui comporte en outre une dérivation apte à court-circuiter le faisceau d'échange de chaleur. Le faisceau et la dérivation comportent chacun une sortie s'étendant selon une même direction donnée. 30 Ainsi, on favorise ainsi une homogénéisation de la température d'air d'admission entre les différents cylindres d'un moteur.
En outre, chaque sortie pourra respectivement présenter une longueur 11 et 12 selon ladite direction. Les longueurs 11 et 5 12 sont sensiblement égales.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description à titre illustratif et non limitatif d'exemples issus des figures 10 sur les dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 représente schématiquement un moteur thermique avec un circuit d'air d'admission.
15 La figure 2 représente de manière schématique un échangeur de chaleur selon un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 3 A représente de manière schématique un échangeur 20 de chaleur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 3 B représente de manière schématique un échangeur de chaleur selon le deuxième mode de réalisation de 25 l'invention selon la coupe 3-3 représentée à la figure 3 A.
La figure 1 représente un moteur thermique 10, par exemple un moteur de véhicule automobile, comportant un collecteur d'admission 1 et un collecteur d'échappement 2. Le 30 répartiteur d'admission 12 est alimenté par un circuit d'air d'admission 16, encore appelé ligne d'admission, par de l'air extérieur AE. Ce circuit 16 comprend un compresseur 18 3 et un échangeur de chaleur 20. L'échangeur de chaleur 20 est ici un refroidisseur d'air de suralimentation.
Le compresseur 18 comporte une turbine 32 disposée dans un circuit d'échappement issu du collecteur d'échappement 14 et propre à être entraînée par les gaz d'échappement issus du moteur.
L'air extérieur AE à la pression atmosphérique est ainsi comprimé par le compresseur 18, puis refroidi par le refroidisseur d'air de suralimentation 20 avant de pénétrer dans le moteur thermique au travers d'un répartiteur d'air 12.
Le circuit d'admission 16 comporte en outre une dérivation 22 qui permet un passage de l'air de suralimentation directement vers le collecteur d'admission 12, c'est-à-dire sans passer par l'échangeur de chaleur 20.
Le circuit comporte aussi un moyen de répartition 24. Ce moyen peut être une vanne, par exemple une vanne trois voies. Ce moyen de répartition permet de répartir l'air suralimenté dans la dérivation 22 et/ou l'échangeur de chaleur 20.
Selon le mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 2, l'échangeur de chaleur 20 comprend, de façon connu de l'homme du métier, un faisceau 40 d'échange de chaleur qui, dans l'exemple, est formé par empilement de plaques 42.
Le faisceau 40 comporte une entrée et une sortie pour l'air de suralimentation.
La sortie du faisceau 40 pour l'air de suralimentation s'étend selon une direction Dl et présente une longueur 11 selon cette direction Dl.
On entend par longueur , la distance séparant les deux extrémités du faisceau dans la direction D1, la direction D1 étant ici perpendiculaire à la direction du flux d'air traversant l'échangeur de chaleur.
En outre, le faisceau d'échange de chaleur 40 s'étend selon un premier plan qui est parallèle au plan d'extension général des plaques 42.
Les plaques 42 pourront être, par exemple, des plaques embouties comportant deux bossages munis d'ouvertures. Les plaques 42 sont disposées par paires et les bossages respectifs d'une plaque appartenant à une paire sont en communication avec les bossages respectifs d'une plaque voisine appartenant à une paire de plaques voisines. Ceci permet d'établir une communication de fluide, ici le liquide de refroidissement moteur, entre les paires respectives de plaques.
Le faisceau comporte une plaque d'extrémité 52 dite dernière 25 plaque.
Le faisceau 42 comporte en outre des intercalaires ondulés 44 disposés à chaque fois entre des paires de plaques voisines et brasés aux plaques 42. L'air de suralimentation 30 circule entre chaque paire de plaque. Autrement dit, le faisceau 40 délimite des premiers canaux
6 pour le gaz à refroidir, dans lesquels sont présents les intercalaires ondulés 44, et des seconds canaux pour la circulation du liquide de refroidissement.
L'air de suralimentation est, ainsi, refroidi par le liquide de refroidissement qui pénètre dans le faisceau 40, par exemple, par une tubulure 62, circule dans les seconds canaux du faisceau pour échanger de la chaleur avec l'air de suralimentation à refroidir et quitte ensuite le faisceau par la tubulure 64.
Le faisceau 40 d'échange de chaleur est logé à l'intérieur d'un boîtier 46. Le boîtier 46 est, notamment, en aluminium ou en alliage d'aluminium. Dans l'exemple représenté à la figure 2, le boîtier 46 présente une forme parallélépipédique comportant quatre faces pleines dont une paroi dite de fond 50 et deux faces ouvertes 48-1 et 48-2 situées en vis-à-vis l'une de l'autre. 20 L'échangeur de chaleur 20 comporte, en outre selon l'invention, un espace formant dérivation 54. Cette dérivation est apte à permettre la circulation du gaz sans échange thermique et est défini au moins en partie par le 25 boîtier 46. Autrement dit, la dérivation ou canalisation 54 est apte à court-circuiter le faisceau d'échange de chaleur et permet un acheminement direct des gaz dans un collecteur de sortie 58 selon l'exemple illustré décrit plus loin.
30 La dérivation 54 est ici réalisée sous la forme d'un canal unique.15 De même que le faisceau 40, la dérivation 54 comporte une entrée et une sortie pour l'air de suralimentation qui, dans ce cas, ne sera pas refroidi.
Selon l'invention, la sortie de la dérivation 54 pour l'air de suralimentation s'étend, selon la direction Dl, sous la sortie du faisceau 40 et de manière parallèle à celle-ci. La dérivation 54 présente une longueur 12 selon la direction Dl. On entend par longueur , la distance séparant les deux extrémités le la dérivation dans la direction Dl, la direction Dl étant ici perpendiculaire à la direction du flux d'air traversant l'échangeur de chaleur. 15 Ainsi, le faisceau 40 et la dérivation 54 s'étendent selon la même direction Dl donnée.
L'extension du faisceau 40 et de la dérivation 54 selon la 20 direction Dl pourra, par exemple, couvrir tout ou partie, et notamment au moins deux orifices d'admission d'air de la culasse du moteur destiné à être alimenté en air de suralimentation.
25 Comme illustré, les longueurs 11 et 12 (respectivement pour la longueur de la sortie du faisceau 40 d'échange de chaleur et pour la longueur de la sortie de la dérivation 54) pourront être sensiblement égales.
30 Une telle disposition favorise une alimentation de tous les cylindres du moteur de manière homogène, évitant ainsi la production de polluants.10
8 En outre, la dérivation 54 s'étend selon un deuxième plan qui est, lui aussi parallèle au plan d'extension général des plaques 42. Ainsi, le faisceau 40 et la dérivation 54 s'étendent selon deux plans parallèles entre eux et parallèle au plan d'extension général des plaques 42.
10 Un mode de réalisation non représenté propose que la dérivation comporte un moyen de renfort mécanique.
Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, la dérivation 54 est composée par la paroi de fond 50 du 15 boîtier 46, d'une partie des autres faces pleines du boîtier 46 et de la dernière plaque du faisceau 44. La dernière plaque 44 du faisceau est définie comme la plaque du faisceau 40 qui est en vis-à-vis de la paroi de fond 50 du boîtier 46. La paroi de fond 50 et la dernière plaque 44 20 forment respectivement les parois inférieure et supérieure de la dérivation 54.
De cette façon, la dérivation 54 forme un couvercle du boîtier 46. Ainsi, le faisceau 40 d'échange de chaleur et la dérivation 54 sont logés dans un même boîtier qui est un unique composant compact ce qui permet de réduire le coup global du circuit d'air d'admission. 30 Le boîtier 46 est, en outre, muni des deux dites tubulures 62 et 64 servant respectivement à l'entrée et à la sortie du 25 liquide de refroidissement. Ces deux tubulures sont en communication fluidique avec les seconds canaux pour la circulation du fluide de refroidissement à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 20.
Les composants de l'échangeur de chaleur décrits précédemment sont assemblés par brasage. Lors du passage d'un échangeur selon l'invention dans un four de brasage, le métal d'apport fond pour solidariser les différentes pièces de l'échangeur de chaleur. La hauteur du faisceau va ainsi diminuer.
Le fait d'avoir un ensemble unitaire intégrant le faisceau d'échange de chaleur et la dérivation permet d'absorber le jeu résultant de la fonte du métal d'apport. Ce jeu sera absorbé par la dérivation qui comportera un volume plus grand après passage au four de brasage.
Le mode de réalisation représenté à la figure 2 permet ainsi une gestion du foisonnement du faisceau de l'échangeur de chaleur. On entend par foisonnement, la différence de hauteur du faisceau d'échange de chaleur avant son brasage et la hauteur du faisceau une fois assemblé, c'est-à-dire après brasage.
Comme indiqué plus haut, le faisceau 40 et la dérivation 54 comporte chacun une entrée et une sortie pour l'air du suralimentation. Dans l'exemple représenté, les entrées se situent sur une même face ouverte 48-1 du boîtier 46 et les sorties se situent sur l'autre face ouverte 48-2 du boîtier 46, la face ouverte 48-2 étant située en vis-à- vis de la face ouverte 48-1.
10 Chaque face ouverte 48-1 et 48-2 comportent chacune au moins une ouverture qui permet la définition des entrées ou des sorties pour le gaz à refroidir ou non.
En outre, la face ouverte 48-2 définit un plan dans lequel les sorties du faisceau 40 d'échange de chaleur et de la dérivation 54 sont situées.
Les deux faces ouvertes 48-1 et 48-2 permettent, en outre, une interface avec des collecteurs 56 et 58, respectivement, d'entrée et de sortie pour l'air de suralimentation. Ces collecteurs sont munis respectivement d'une tubulure d'entrée de gaz 60 et d'au moins une tubulure de sortie de 15 gaz.
Dans le mode de réalisation particulier représenté ici, le collecteur d'entrée est sous la forme d'une boite collectrice 56. La boite collectrice 56 est divisée en deux compartiments 66 et 68 prévus respectivement pour la circulation de l'air de suralimentation dans le faisceau 40 et dans la dérivation 54. 25 Un premier compartiment, situé dans la partie supérieure de la boite collectrice 56 de l'exemple représenté à la figure 2, est un compartiment ou conduit 66, dit du circuit d'échange. Ce compartiment du circuit d'échange permet une 30 communication entre la tubulure d'entrée de gaz 60 et le faisceau d'échange de chaleur 40. 10 20 La boite collectrice d'entrée 56 et plus particulièrement le compartiment du circuit d'échange 66 est équipée d'une vanne 72 dite vanne du circuit d'échange, ici une vanne papillon. Cette vanne permet d'autoriser ou d'interdire et/ou de doser le débit du passage de l'air de suralimentation dans le faisceau 40.
Un second compartiment, situé dans la partie inférieure de la boite collectrice 56 de l'exemple représenté à la figure 2, est un compartiment ou conduit dit du circuit de dérivation 68. Ce compartiment du circuit de dérivation permet une communication entre la tubulure d'entrée de gaz 60 et la dérivation 54.
La boite collectrice d'entrée 56 et plus particulièrement le compartiment du circuit de dérivation 68 est équipée d'une vanne 70 dite du circuit de dérivation, ici aussi une vanne papillon. Cette vanne permet d'autoriser ou d'interdire et/ou de doser le débit du passage de l'air de suralimentation dans la dérivation 54.
Les deux compartiments 66 et 68 sont séparés par une cloison 74.
Un mode de réalisation non illustré propose que les deux vannes d'échange 70 et de dérivation 72 soient regroupées en une unique vanne, par exemple du type trois voies. Dans ce cas, la vanne sera placée dans la tubulure d'entrée 60. Elle permettra de diriger l'air de suralimentation, en fonction des besoins du moteur, dans le compartiment du circuit d'échange 66, dans le compartiment du circuit de dérivation 68 ou simultanément dans les deux compartiments.
Dans le mode de réalisation illustré, le collecteur de sortie est réalisé sous la forme d'un répartiteur 58 d'air d'admission pour le moteur qui permet une communication avec des conduits d'admission des têtes de cylindre du moteur.
Le répartiteur d'air 58 recouvre les sorties pour l'air de suralimentation du faisceau 40 et de la dérivation 54.
Ainsi, l'échangeur de chaleur 20 comporte un collecteur de sortie commun au faisceau 40 et à la dérivation 54. Ce répartiteur 58 sert d'interface entre l'échangeur de chaleur et la culasse du moteur sur lequel l'échangeur de chaleur 20 est monté. On pourra notamment prévoir des trous pour le passage de vis dans le répartiteur 58 en vue de sa solidarisation avec la culasse du moteur.
Le répartiteur 58 est muni, par exemple, de trous ou d'orifices 76 pour le passage de l'air de suralimentation vers les cylindres du moteur. Chaque orifice est en vis-à-vis d'une entrée d'un conduit d'admission pour les têtes de cylindres.
Cet élément est aussi connu sous sa dénomination anglaise intake manifold Il est fixé à la culasse de la chambre de combustion.
Les deux collecteurs 56 et 58 pourront être réalisés en 30 aluminium ou en alliage de ce dernier. Dans ce cas, ils pourront être assemblés par brasage au boîtier 46.
13 Un autre mode de réalisation prévoit aussi que les collecteurs puissent être réalisés en plastique. Dans un tel cas, ils seront assemblés au boîtier par sertissage. L'utilisation du plastique permet de réaliser des tubulures venues de matière du collecteur.
En fonction du régime moteur, les gaz peuvent être refroidis, en tout ou partie, ou pas.
Ainsi, en cas de forte charge du moteur, le gaz à refroidir (c'est-à-dire l'air de suralimentation) emprunte le compartiment du circuit d'échange 66 de la boite collectrice d'entrée de gaz 56 par l'intermédiaire de la tubulure 60, il traverse ensuite les premiers canaux de circulation (canaux comportant les intercalaires ondulés 44) du faisceau 40 pour gagner le répartiteur 58.
Dans un tel mode de fonctionnement, la vanne du circuit d'échange 72 est ouverte de manière à laisser passer l'air de suralimentation, selon un débit donné, dans le faisceau d'échange de chaleur 40. La vanne du circuit de dérivation 72 est, quant à elle, fermée, interdisant tout passage de l'air de suralimentation dans le compartiment du circuit de dérivation 68 de la boite collectrice 56 et la dérivation 54.
En cas de faible charge du moteur, de phase de démarrage du moteur (autrement appelée phase de warm-up ) ou encore de phase de régénération du filtre à particules, le gaz à refroidir pénètre dans le compartiment du circuit de dérivation 68 de la boite collectrice d'entrée de gaz 56 au travers de la tubulure 60, il circule ensuite dans la dérivation 54 sans subir d'échange thermique avec le liquide de refroidissement moteur et gagne le répartiteur 58.
Dans un tel mode de fonctionnement, la vanne du circuit de dérivation 72 est ouverte de manière à permettre un passage de l'air de suralimentation dans la dérivation 54. La vanne du circuit d'échange 70 est, quant à elle, fermée, interdisant tout passage de l'air de suralimentation dans le compartiment du circuit d'échange 66 et dans le faisceau d'échange de chaleur 40.
Dans des modes de fonctionnement intermédiaires, les deux vannes 70 et 72 peuvent être partiellement ouvertes.
Les deux vannes 70 et 72 peuvent aussi être toutes les deux simultanément fermées. Dans ce cas, il va se produire un étouffement du moteur qui va entraîner son arrêt.
Les figures 3 A et 3 B représentent un autre mode de 20 réalisation d'un échangeur selon la présente invention.
Dans ce mode de réalisation, l'air de suralimentation circulant dans le circuit d'échange (c'est-à-dire l'air de suralimentation refroidi) entre dans l'échangeur de chaleur 25 20 au travers d'une boite collectrice 56 d'entrée, puis circule dans un faisceau d'échange de chaleur 40 et enfin sort par un collecteur de sortie 58.
Le faisceau 40 est identique au faisceau d'échange décrit 30 précédemment et est logé dans un boîtier 46. Le faisceau 40 s'étend selon un premier plan parallèle au plan d'extension générale des plaques.
Dans l'exemple représenté aux figures 3A et 3B, le boîtier 46 présente une forme parallélépipédique comportant quatre faces pleines et deux faces ouvertes 48-1 et 48-2 situées en vis-à-vis l'une de l'autre.
L'air de suralimentation circulant dans le circuit de dérivation (c'est-à-dire l'air de suralimentation non refroidi) est amené par une conduite 82. L'air traverse ensuite la dérivation 54 de l'échangeur de chaleur 20 et enfin sort par un collecteur de sortie 58.
Dans ce mode de réalisation, la dérivation 54 s'étend sur 15 une partie seulement du boîtier, selon la direction de circulation de l'air de suralimentation.
Dans le mode de réalisation proposé, la conduite 82 se situe sous l'échangeur de chaleur. La dérivation 54 est positionnée sous le boîtier 46. Elle s'étend selon un deuxième plan parallèle au plan d'extension générale des plaques et au premier plan du faisceau d'échange de chaleur 40. 25 Le collecteur de sortie 58 est commun au faisceau 40 et à la dérivation 54. Ainsi, les deux sorties du faisceau 40 et de la dérivation 54 débouchent dans un espace commun. Ceci permet notamment un mélange homogène de l'air de 30 suralimentation. 20 En outre, les sorties pour l'air de suralimentation du faisceau 40 et de la dérivation 54 sont toutes les deux situées dans le plan de la face ouverte 48-2.
Les sorties du faisceau 40 et la dérivation 54 s'étendent selon une direction Dl' et présentent respectivement une longueur 11' et 12' selon cette même direction. Ici aussi, les longueurs 11' et 12' sont sensiblement égales.
Dans ce mode de réalisation, le collecteur de sortie est aussi réalisé sous la forme d'un répartiteur 58 d'air d'admission qui est muni d'orifices pour le passage de l'air de suralimentation vers les conduits d'admission moteur et les cylindres du moteur.
La présente description a été faite par rapport à un échangeur de chaleur et une dérivation où circule un gaz composé d'air de suralimentation. Toutefois, il est aussi possible que cet échangeur de chaleur et la dérivation voient passer un gaz composé d'un mélange d'air de suralimentation et de gaz d'échappement recirculés.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci avant, seulement à titre d'exemples, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après. Les variantes décrites précédemment peuvent être prises séparément ou en combinaison les unes avec les autres. .

Claims (12)

Revendications
1. Echangeur de chaleur comportant un faisceau (40) d'échange de chaleur caractérisé en ce qu'il comporte en outre une dérivation {54) apte à court-circuiter ledit faisceau (40) d'échange de chaleur, ledit faisceau (40) et ladite dérivation (54) comportant chacun une sortie s'étendant selon une même direction (D1).
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel lesdites sorties dudit faisceau (40) et de ladite dérivation (54) présentant respectivement une longueur 11 et 12 selon ladite direction (Dl) et en ce que lesdites longueurs 11 et 12 sont sensiblement égales.
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit faisceau (40) et ladite dérivation (54) s'étendent respectivement selon un premier et un second plan et dans lequel lesdits premier et second plans sont parallèles.
4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites sorties dudit faisceau (40) et de ladite dérivation (54) se situent dans un même plan.
5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit échangeur de chaleur (20) comporte un collecteur (58) de sortie commun audit faisceau (40) et à ladite dérivation (54). 30
6. Echangeur selon la revendication précédente, dans lequel ledit collecteur (58) de sortie est un répartiteur d'air d'admission pour le moteur. 35
7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1725 18 précédentes, dans lequel ledit faisceau (40) est constitué par un empilement de plaques (42) et comporte une plaque (44) d'extrémité dite dernière plaque.
8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins ledit faisceau (40) est logé dans un boîtier (46).
9. Echangeur de chaleur selon la revendication précédente pris dans son rattachement à la revendication 4, dans lequel ledit même plan est défini par une face ouverte (48-2) dudit boîtier (46).
10. Echangeur de chaleur selon la revendication 8 ou 9 prises dans leur rattachement à la revendication 7, dans lequel ledit boîtier (46) comporte une paroi (50) dite de fond et dans lequel ladite paroi (50) de fond dudit boîtier (46) et la dernière plaque (44) du faisceau (40) prévue en vis-à-vis de ladite paroi (50) de fond définissent des parois supérieure et inférieure de ladite dérivation (54).
11. Echangeur selon la revendication 8, dans lequel ladite dérivation (54) forme un couvercle dudit boîtier (46).
12. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite dérivation (54) comporte un moyen de. renfort mécanique.30
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