FR2982906A1 - THERMAL MANAGEMENT SYSTEM OF A SUPPLY AIR CIRCUIT. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système de gestion thermique (1) d'un circuit d'air de suralimentation, ledit air de suralimentation provenant d'au moins un turbocompresseur (3) et destiné à être admis dans les cylindres de combustion (5) d'un moteur à explosion, ledit système de gestion thermique (1) comportant au moins un refroidisseur d'air de suralimentation (7) placé en amont des cylindres de combustion (5), ledit système de gestion thermique (1) comportant en outre un dispositif de contrôle passif (9) de la température d'air de suralimentation placé entre le turbocompresseur (3) et le au moins un refroidisseur d'air de suralimentation (7).The present invention relates to a system for thermal management (1) of a supercharging air circuit, said supercharging air coming from at least one turbocharger (3) and intended to be admitted into the combustion cylinders (5). an internal combustion engine, said thermal management system (1) comprising at least one charge air cooler (7) placed upstream of the combustion cylinders (5), said thermal management system (1) further comprising a passive control device (9) for the charge air temperature placed between the turbocharger (3) and the at least one charge air cooler (7).
Description
Système de gestion thermique d'un circuit d'air de suralimentation. La présente invention concerne un système de gestion thermique d'un circuit d'air de suralimentation, notamment pour véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention traite du refroidissement de l'air issu d'un turbocompresseur avant son admission dans les cylindres de combustion d'un moteur à explosion.Thermal management system of a charge air circuit. The present invention relates to a thermal management system of a charge air circuit, in particular for a motor vehicle. More particularly, the invention relates to the cooling of the air coming from a turbocompressor before it is admitted to the combustion cylinders of an internal combustion engine.
Dans le domaine automobile des moteurs suralimentés, il est connu de refroidir l'air d'admission, issue d'au moins un turbocompresseur, au moyen d'au moins un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) placé en amont des cylindres de combustion. Le RAS permet ainsi une diminution de la température d'air de suralimentation qui est à une température élevée en sortie du turbocompresseur. En effet, dans le circuit classique de suralimentation, l'air de suralimentation subit une compression au niveau du turbocompresseur, augmentant de fait sa température et diminuant sa densité. Ainsi du fait de l'abaissement de la température d'air d'admission les risques d'auto-allumage sont réduits et la densité de l'air de suralimentation est meilleure, améliorant le rendement de combustion. Les RAS sont généralement des échangeurs de chaleurs de types air/air ou encore air/liquide qui subissent des contraintes importantes, notamment d'un point de vue thermique du fait de l'utilisation cyclique du turbocompresseur en fonction du régime moteur. En effet, à chaque utilisation du turbocompresseur, l'air de suralimentation augmente en pression et en température. Les augmentations de température de l'air de suralimentation, liées à l'utilisation du turbocompresseur, sont illustrées par la figure 1. Cette figure 1 montre une courbe de température de l'air de suralimentation en sortie du turbocompresseur en fonction du temps. Il est ainsi possible d'observer des pics de température de l'air de suralimentation pouvant monter jusqu'à 24o °C lors de l'utilisation du turbocompresseur. Ces augmentations de température importantes imposent donc l'utilisation de matériaux résistant 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 de grandes tailles afin de gérer ces hautes températures.In the automotive field of supercharged engines, it is known to cool the intake air, resulting from at least one turbocharger, by means of at least one charge air cooler (RAS) placed upstream of the cylinders of combustion. The RAS thus allows a decrease in the charge air temperature which is at a high temperature output of the turbocharger. Indeed, in the conventional supercharging circuit, the supercharging air is compressed at the turbocharger, increasing its temperature and reducing its density. Thus, because of the lowering of the intake air temperature, the risks of auto-ignition are reduced and the density of the charge air is better, improving the combustion efficiency. The SARs are generally heat exchangers of the air / air or air / liquid types which are subject to significant constraints, in particular from a thermal point of view due to the cyclical use of the turbocharger depending on the engine speed. Indeed, with each use of the turbocharger, the supercharging air increases in pressure and temperature. The increases in charge air temperature, related to the use of the turbocharger, are illustrated in FIG. 1. This FIG. 1 shows a temperature curve of the charge air at the output of the turbocharger as a function of time. It is thus possible to observe supercharging air temperature peaks that can rise up to 24o ° C when using the turbocharger. These significant increases in temperature therefore require the use of materials resistant to these high temperatures, the implementation of material thicknesses consistent for the mechanical strength of the elements and also the use of RAS large sizes to manage these high temperatures .
Il est également connue de mettre en série deux RAS de plus petite tailles afin de limiter l'encombrement et de les placer dans les espaces disponibles du compartiment moteur. Cependant, cette solution n'est pas satisfaisante car la diminution de l'encombrement est limitée et la multiplication de RAS peut entrainer des surcouts de fabrication.It is also known to put in series two smaller RAS to limit the size and place them in the available spaces of the engine compartment. However, this solution is not satisfactory because the reduction of the space requirement is limited and the multiplication of RAS can lead to additional manufacturing costs.
Un des buts de l'invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un système de gestion thermique d'un circuit d'air de suralimentation optimisé.An object of the invention is therefore to at least partially overcome the disadvantages of the prior art and to provide a thermal management system of an optimized supercharging air circuit.
La présente invention concerne donc un système de gestion thermique d'un circuit d'air de suralimentation, ledit air de suralimentation provenant d'au moins un turbocompresseur et destiné à être admis dans les cylindres de combustion d'un moteur à explosion, ledit système de gestion thermique comportant au moins un refroidisseur d'air de suralimentation placé en amont des cylindres de combustion, ledit système de gestion thermique comportant en outre un dispositif de contrôle passif de la température d'air de suralimentation placé entre le turbocompresseur et le au moins un refroidisseur d'air de suralimentation.The present invention therefore relates to a system for thermal management of a supercharging air circuit, said supercharging air coming from at least one turbocharger and intended to be admitted into the combustion cylinders of an internal combustion engine, said system thermal management system comprising at least one charge air cooler placed upstream of the combustion cylinders, said thermal management system further comprising a device for passive control of the charge air temperature placed between the turbocharger and the at least one a charge air cooler.
Selon un aspect de l'invention, le dispositif de contrôle passif de la température d'air de suralimentation comporte une encapsulation de matériau à changement de phase.According to one aspect of the invention, the device for passive control of the charge air temperature comprises an encapsulation of phase change material.
Selon un autre aspect de l'invention, le matériau à changement de phase a une température de changement de phase comprise entre 180°C et 200°C. Selon un autre aspect de l'invention, le matériau à changement de phase est un composé eutectique.According to another aspect of the invention, the phase change material has a phase change temperature of between 180 ° C and 200 ° C. According to another aspect of the invention, the phase change material is a eutectic compound.
Selon un autre aspect de l'invention, le matériau à changement de phase a une chaleur latente de 391 MJ/m3. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de contrôle passif de la 15 température d'air de suralimentation comporte au moins un tube d'air dans lequel circule l'air de suralimentation, ledit tube d'air étant gainé par l'encapsulation de matériau à changement de phase. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de contrôle passif de la 20 température d'air de suralimentation comporte au moins deux tubes d'air coaxiaux, chaque tube d'air étant gainé par une encapsulation de matériau à changement de phase. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de contrôle passif de la 25 température d'air de suralimentation comporte au moins deux tubes d'air parallèles gainés par une même encapsulation de matériau à changement de phase. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de contrôle passif de la 30 température d'air de suralimentation comprend un échangeur de type à plaques.In another aspect of the invention, the phase change material has a latent heat of 391 MJ / m3. According to another aspect of the invention, the device for the passive control of the charge air temperature comprises at least one air tube in which the charge air circulates, said air tube being sheathed by the encapsulation of phase change material. According to another aspect of the invention, the passive control device of the charge air temperature comprises at least two coaxial air tubes, each air tube being sheathed by encapsulation of phase change material. According to another aspect of the invention, the device for passive control of the charge air temperature comprises at least two parallel air tubes sheathed by the same encapsulation of phase change material. According to another aspect of the invention, the passive control device of the charge air temperature comprises a plate type exchanger.
Selon un autre aspect de l'invention, l'encapsulation de matériau à changement de phase est intégrée dans les parois de la tubulure d'entrée d'air fixée au refroidisseur d'air de suralimentation.According to another aspect of the invention, the encapsulation of phase change material is integrated into the walls of the air intake manifold attached to the charge air cooler.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - La figure 1 montre une courbe de température de l'air de suralimentation en fonction du temps, en sortie de turbocompresseur, - la figure 2 montre une représentation schématique d'un circuit d'air de suralimentation comprenant un système de gestion thermique selon l'invention, - la figure 3 montre une courbe de température de l'air de suralimentation en fonction du temps, en sortie d'un dispositif de contrôle passif de la température d'air de suralimentation selon l'invention, - les figures 4A, 4B et 4C montrent des représentations schématiques selon une coupe A-A' de plusieurs modes de réalisation d'un dispositif de contrôle passif de la température d'air de suralimentation selon l'invention. Sur les différentes figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence.Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the following description, given by way of illustrative and nonlimiting example, and the appended drawings in which: FIG. 1 shows a temperature curve of the time of the supercharging air at the turbocharger outlet; FIG. 2 shows a schematic representation of a supercharging air circuit comprising a thermal management system according to the invention; FIG. temperature of the charge air as a function of time, at the output of a device for passive control of the charge air temperature according to the invention, - FIGS. 4A, 4B and 4C show schematic representations in section AA of several embodiments of a device for passive control of the charge air temperature according to the invention. In the different figures, the identical elements bear the same reference numbers.
La figure 2 montre une représentation schématique d'un circuit d'air de suralimentation. Ledit circuit d'air de suralimentation comprend un turbocompresseur 3 qui, sous l'action des gaz d'échappement recueillis en sortie du collecteur d'échappement 11, comprime l'air destinée aux cylindres de combustion 5, recueillie par l'admission d'air 13. L'air de suralimentation ainsi crée passe alors dans un système de gestion thermique 1, comprenant un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) 7 placé entre le turbocompresseur 3 et les cylindres de combustion 5. Le système de gestion thermique 1 comporte en outre un dispositif de contrôle passif 9 de la température de suralimentation. Ledit dispositif de contrôle passif 9 de la température de suralimentation est placé entre le turbocompresseur 3 et le RAS 7. Le rôle de ce dispositif de contrôle passif 9 est d'atténuer, au moins en partie, les pics de température montrés sur la figure 1 lors de l'utilisation du turbocompresseur 3.Figure 2 shows a schematic representation of a charge air circuit. Said supercharging air circuit comprises a turbocharger 3 which, under the action of the exhaust gases collected at the outlet of the exhaust manifold 11, compresses the air intended for the combustion cylinders 5, collected by the intake of air 13. The supercharging air thus created then passes into a thermal management system 1, comprising a charge air cooler (RAS) 7 placed between the turbocharger 3 and the combustion cylinders 5. The thermal management system 1 further comprises a passive control device 9 of the boost temperature. Said passive control device 9 of the supercharging temperature is placed between the turbocharger 3 and the RAS 7. The role of this passive control device 9 is to attenuate, at least in part, the temperature peaks shown in FIG. when using the turbocharger 3.
Le dispositif de contrôle passif 9 de la température d'air de suralimentation peut ainsi être un réservoir thermique capable d'absorber de l'énergie calorifique au niveau de l'air de suralimentation et de la restituer ultérieurement. Ledit dispositif de contrôle passif 9 peut être une encapsulation de matériau à changement de phase (PCM), qui au contact de la chaleur de l'air de suralimentation chaud, change de phase, par exemple en passant de l'état solide à liquide, et absorbe ainsi de l'énergie calorifique et donc permet un abaissement de la température d'air de suralimentation.The passive control device 9 of the charge air temperature can thus be a thermal reservoir capable of absorbing heat energy at the charge air and returning it later. Said passive control device 9 may be an encapsulation of phase change material (PCM), which in contact with the heat of the hot supercharging air, changes phase, for example by passing from the solid state to the liquid, and thus absorbs heat energy and thus allows a lowering of the charge air temperature.
La figure 3 montre, à l'instar de la figure 1, une courbe de température de l'air de suralimentation lors de quatre cycles d'utilisation du turbocompresseur 3, à la différence que la mesure est effectuée en sortie du dispositif de contrôle passif 9 de la température de suralimentation. La courbe de température d'air d'admission monte ainsi, du fait de l'action du dispositif de contrôle passif 9, à des températures maximums inférieures à 200°C. Le dispositif de contrôle passif 9 utilisé pour la réalisation de cette courbe est une encapsulation de PCM ayant une température de changement de phase comprise entre 180°C et 200°C. Le PCM utilisé et est un composé eutectique et a une chaleur latente de 391MJ/m3 afin de pouvoir absorber efficacement des pics de température de l'orbe de 240°C. Le choix de cette encapsulation de PCM ayant une température de changement de phase comprise entre 180°C et 200°C, permet ainsi de stabiliser la température d'air de suralimentation en entrée de RAS à une valeur toujours inférieure à 200°C.FIG. 3 shows, as in FIG. 1, a charge air temperature curve during four cycles of use of the turbocharger 3, except that the measurement is performed at the output of the passive control device 9 of the boost temperature. The intake air temperature curve thus rises, due to the action of the passive control device 9, to maximum temperatures below 200 ° C. The passive control device 9 used for the realization of this curve is a PCM encapsulation having a phase change temperature of between 180 ° C. and 200 ° C. The PCM used and is a eutectic compound and has a latent heat of 391MJ / m3 in order to effectively absorb orbid temperature peaks of 240 ° C. The choice of this encapsulation of PCM having a phase change temperature of between 180 ° C. and 200 ° C. thus makes it possible to stabilize the charge air temperature at the inlet of RAS at a value always lower than 200 ° C.
Il est ainsi possible de caractériser la courbe de température montrée par la figure 3 en fonction des événements mécaniques et thermiques se déroulant dans le circuit d'air de suralimentation lors d'un cycle d'utilisation du turbocompresseur 3 : - la première partie ascendante 31 de la courbe montrant une augmentation de la température de l'air d'admission est le résultat de l'utilisation et de l'accélération de la vitesse de rotation du turbocompresseur 3 et de la montée en pression dudit air d'admission. - La seconde partie 32 de la courbe décrivant un pallier de température de l'ordre de 200°C, est le résultat de l'effet du dispositif de contrôle passif 9, absorbant de l'énergie calorifique au niveau de l'air de suralimentation. Dans le cas de l'utilisation d'une encapsulation de PCM, le pallier est dû au changement d'état du PCM qui nécessite de l'énergie calorifique et la prend au niveau de l'air de suralimentation, réduisant sa température. - La troisième partie descendante 33 de la courbe montrant une augmentation de la température de l'air d'admission est le résultat de l'arrêt de l'utilisation et de la décélération de la vitesse de rotation du turbocompresseur 3 et de la baisse de pression dudit air d'admission. - Lors de la quatrième partie 34 de la courbe, entre deux cycles d'utilisation du turbocompresseur 3, l'énergie calorifique absorbée par le dispositif de contrôle passif 9 se dissipe. Dans le cas de l'utilisation d'une encapsulation de PCM, le PCM retourne à son état physique d'origine, restituant l'énergie qu'il a absorbé. Lors de cette quatrième partie 34 entre deux cycles d'utilisation du turbocompresseur 3, l'énergie calorifique absorbée, peut se dissiper passivement vers l'extérieur dudit dispositif de contrôle passif 9, ou bien il est possible d'imaginer un système de récupération de cette énergie, en reliant ce dernier à un circuit de gestion thermique du véhicule, par exemple pour aider au chauffage de l'habitacle.It is thus possible to characterize the temperature curve shown in FIG. 3 as a function of the mechanical and thermal events taking place in the supercharging air circuit during a cycle of use of the turbocharger 3: the first ascending part 31 of the curve showing an increase in the temperature of the intake air is the result of the use and acceleration of the rotational speed of the turbocharger 3 and the rise in pressure of said intake air. - The second part 32 of the curve describing a temperature plateau of the order of 200 ° C, is the result of the effect of the passive control device 9, absorbing heat energy at the supercharging air level . In the case of the use of a PCM encapsulation, the compensation is due to the change of state of the PCM which requires heat energy and takes it at the level of the supercharging air, reducing its temperature. - The third descending portion 33 of the curve showing an increase in the temperature of the intake air is the result of stopping the use and deceleration of the rotational speed of the turbocharger 3 and the decrease in pressure of said intake air. - In the fourth part of the curve 34, between two cycles of use of the turbocharger 3, the heat energy absorbed by the passive control device 9 is dissipated. In the case of using a PCM encapsulation, the PCM returns to its original physical state, restoring the energy it has absorbed. During this fourth part 34 between two cycles of use of the turbocharger 3, the heat energy absorbed can passively dissipate to the outside of said passive control device 9, or it is possible to imagine a system for recovering this energy, by connecting the latter to a thermal management circuit of the vehicle, for example to help the heating of the passenger compartment.
La diminution de la température d'air en entrée de RAS permet ainsi une diminution des contraintes thermiques qui lui sont associées, et ainsi il est possible d'utiliser des matériaux moins résistants aux hautes températures et donc moins onéreux. Le RAS peut ainsi par exemple être contenu dans un boitier en plastique plus léger, réduisant de fait son poids. Il est également possible de réduire le volume de l'échangeur de chaleur présent dans le RAS car les températures maximales sont moins importantes, cela impliquant un gain de place dans le compartiment moteur ainsi qu'une diminution des coûts du RAS.The reduction of the air temperature at the inlet of RAS thus makes it possible to reduce the thermal stresses associated with it, and thus it is possible to use materials that are less resistant to high temperatures and therefore less expensive. The RAS can for example be contained in a lighter plastic case, reducing its weight. It is also possible to reduce the volume of the heat exchanger present in the RAS because the maximum temperatures are less important, this implies a saving of space in the engine compartment as well as a reduction of the costs of the RAS.
Les figures 4A, 4B et 4C montrent des exemples de configurations de dispositifs de contrôle passif 9 composés d'encapsulation de PCM. Dans ces configurations, le coefficient d'échange entre l'air et le PCM et l'air de suralimentation est maximisé afin que la cinétique absorption/dissipation de l'énergie au niveau du PCM soit optimale et donc que son temps de réponse soit réduit. Les configurations présentées par les figures 4A, 4B et 4C sont également optimisées pour limiter les pertes de charge de l'air de suralimentation et garantir une bonne densité d'air.30 Les figures 4A et 4B montrent ainsi un dispositif de contrôle passif 9 comportant au moins un tube d'air 91 dans lequel circule l'air de suralimentation, ledit tube d'air 91 étant gainé par l'encapsulation de PCM 93.Figures 4A, 4B and 4C show examples of passive control device configurations 9 composed of PCM encapsulation. In these configurations, the exchange coefficient between the air and the PCM and the charge air is maximized so that the kinetics absorption / dissipation of the energy at the PCM is optimal and therefore its response time is reduced. . The configurations shown in FIGS. 4A, 4B and 4C are also optimized to limit the charge air losses of the charge air and to guarantee good air density. FIGS. 4A and 4B thus show a passive control device 9 comprising at least one air tube 91 in which the charge air circulates, said air tube 91 being sheathed by the encapsulation of PCM 93.
Plus en détail, la figure 4A montre un premier mode de réalisation où le dispositif de contrôle passif 9 comporte au moins deux tubes d'air 91 coaxiaux, chaque tube d'air 91 étant gainé par une encapsulation de PCM 93. La figure 4B montre un second mode de réalisation où le dispositif de 10 contrôle passif 9 comporte au moins deux tubes d'air 91 parallèles, lesdits tubes d'air 91 étant gainés pas une même encapsulation de PCM 93. Un mode de réalisation supplémentaire peut être l'intégration dans les parois de la tubulure d'entrée d'air d'admission fixée au RAS de l'encapsulation 15 de PCM, réduisant ainsi au maximum l'encombrement du dispositif de contrôle passif 9. La figure 4C montre un autre mode de réalisation où le dispositif de contrôle passif 9 comprend un échangeur de type à plaque. Dans ce mode de 20 réalisation, l'air de suralimentation passe dans des tubes plats d'air 95 entre des plaques d'encapsulation de PCM 93. Dans ces différents modes de réalisations, les tubes d'air 91 et tubes plats d'air 95 peuvent contenir des surfaces additionnelles 94 permettant un meilleur 25 échange calorifique. Afin de limiter les pertes de charges de l'air de suralimentation liées à ces surfaces additionnelles 94, ces dernières sont orientées parallèlement au sens de circulation de l'air de suralimentation. Ainsi, on voit bien que le système de gestion thermique selon l'invention 30 permet une meilleure gestion des pics de température d'air de suralimentation, issus de l'utilisation d'un turbocompresseur. L'ajout d'un dispositif de contrôle passif de la température d'air de suralimentation permet, pour un encombrement minimum et un coût réduit, d'optimiser la gestion thermique de l'air de suralimentation et ainsi de réduire l'encombrement et les coûts même du RAS pour des performances égales.In more detail, FIG. 4A shows a first embodiment in which the passive control device 9 comprises at least two coaxial air tubes 91, each air tube 91 being sheathed by an encapsulation of PCM 93. FIG. 4B shows a second embodiment where the passive control device 9 comprises at least two parallel air tubes 91, said air tubes 91 being sheathed not the same encapsulation of PCM 93. An additional embodiment can be the integration in the walls of the intake air intake manifold fixed to the PCM encapsulation RAS 15, thus minimizing the bulk of the passive control device 9. FIG. 4C shows another embodiment where the passive control device 9 comprises a plate type exchanger. In this embodiment, the charge air passes into flat air tubes 95 between PCM 93 encapsulation plates. In these various embodiments, the air tubes 91 and air tubes 95 may contain additional surfaces 94 for better heat exchange. In order to limit the charge losses of the charge air connected to these additional surfaces 94, the latter are oriented parallel to the direction of circulation of the charge air. Thus, it is clear that the thermal management system according to the invention 30 allows better management of supercharging air temperature peaks, from the use of a turbocharger. The addition of a device for passive control of the charge air temperature makes it possible, for a minimum space requirement and a reduced cost, to optimize the thermal management of the charge air and thus to reduce the bulk and the same costs of the RAS for equal performance.
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