FR3050777B1 - Systeme de gestion d'air d'admission pour un moteur thermique de vehicule automobile - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un système (100,100') de gestion d'air d'admission pour un moteur thermique de véhicule automobile, le système comprenant : - un compresseur électrique (1,1'), apte à comprimer l'air d'admission destiné au moteur thermique, le compresseur comportant un corps (18,18') présentant une entrée d'air (14) et une sortie d'air (15), - un dispositif de refroidissement (2 ;50) apte à refroidir l'air qui circule à travers le compresseur, le dispositif de refroidissement étant pourvu d'au moins une surface d'échange thermique (31; 31') le corps (20) du compresseur comportant une interface (23 ;23') de montage du dispositif de refroidissement.

Description

Système de gestion d’air d’admission pour un moteur thermique de véhicule automobile
La présente invention concerne un système de gestion d’air d’admission pour un moteur thermique de véhicule automobile.
On connaît par la demande de brevet EP1832754 un compresseur de suralimentation mettant en oeuvre des ailettes à l’intérieur de la volute du compresseur, de sorte à refroidir l’air circulant à l’intérieur du compresseur.
Par ailleurs la demande de brevet W02004027234 décrit un turbo-charger. L’invention vise notamment à améliorer un système de gestion d’air d’admission pour un moteur thermique de véhicule automobile.
Pour ce faire, l’invention a pour objet un système de gestion d’air d’admission pour un moteur thermique de véhicule automobile, le système comprenant : - un compresseur électrique apte à comprimer l’air d’admission destiné au moteur thermique, le compresseur comportant un corps, notamment réalisé en aluminium, présentant une entrée d’air et une sortie d’air, - un dispositif de refroidissement apte à refroidir l’air qui circule à travers le compresseur, le dispositif de refroidissement étant pourvu d’au moins une surface d’échange thermique, le corps du compresseur comportant une interface de montage du dispositif de refroidissement.
De ce fait, grâce à l’intégration mécanique du dispositif de refroidissement au contact du compresseur électrique, au niveau de l’interface de montage, on évite les pertes thermiques tout en améliorant l’action du dispositif de refroidissement.
En outre, le dispositif de refroidissement peut être agencé de sorte que le refroidissement de l’air d’admission augmente la densité de l’air d’admission tout en maintenant la pression de manière à réduire la consommation électrique du compresseur de suralimentation ou, en variante, à puissance électrique constante d’augmenter la densité de l’air.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif de refroidissement comporte une pluralité de surfaces d’échange thermique, par exemple un bloc de surfaces d’échange thermique.
Dans un mode de réalisation de l’invention, l’interface de montage du dispositif de refroidissement est placée au contact de la sortie d’air du compresseur électrique, sur une surface extérieure du corps du compresseur.
Selon un aspect de l’invention, le compresseur comporte une volute présentant une sortie et l’interface de montage est disposée en sortie de cette volute.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif de refroidissement est majoritairement hors de la volute, notamment totalement hors de la volute.
Par exemple le dispositif de refroidissement est disposé dans le prolongement de la volute.
Selon un autre aspect de l’invention, le bloc de surfaces d’échange thermique intercepte le flux d’air ayant circulé dans le compresseur, en sortie du compresseur.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le système comprend un boîtier monté sur le corps du compresseur via l’interface de montage, le boîtier et le corps formant un carter du dispositif de refroidissement.
Selon un aspect de l’invention, l’interface de montage est une collerette du corps du compresseur, collerette contre laquelle vient s’appliquer le boîtier pour former le carter du dispositif de refroidissement.
Selon un aspect de l’invention, le carter définit une cavité intérieure dans laquelle est disposée la surface d’échange thermique, ou le cas échéant un groupe de surfaces d’échange thermique, ce groupe étant par exemple un bloc de surfaces d’échange thermique.
De ce fait, le maintien mécanique du dispositif de refroidissement en sortie du compresseur est facilité. En outre, le boîtier permet d’isoler le dispositif de refroidissement par rapport à l’environnement extérieur et ainsi d’assurer au moins en partie l’étanchéité.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le boîtier est au moins partiellement en matière plastique.
Ainsi, la partie en plastique du boîtier permet d’améliorer encore les propriétés thermiques.
En effet, les propriétés isolantes intrinsèques (conductivité et conduction) du plastique limitent les pertes thermiques avec le milieu ambiant ainsi que la volute métallique du compresseur.
Notamment l’utilisation d’un boîtier plastique permet un découplage thermique entre le compresseur et le dispositif de refroidissement grâce à l’isolation de la surface de contact avec le compresseur via un joint plat d’isolation thermique.
Le corps du compresseur est par exemple en aluminium. De ce fait, le boîtier en plastique isole thermiquement le dispositif de refroidissement plus froid que le corps en aluminium du compresseur et que l’environnement sous-capot moteur.
Selon un aspect de l’invention, le boîtier est réalisé d’un seul tenant.
Le boîtier est par exemple réalisé par moulage.
Selon un aspect de l’invention, le boîtier plastique comprend une lame d’air agencée pour augmenter l’isolation thermique avec le milieu ambiant.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, le boîtier est fixé au corps du compresseur de manière détachable, par exemple à l’aide d’organes de fixation fixés sur le corps et/ou le boîtier.
Par exemple, ces organes de fixation peuvent comprendre une ou plusieurs vis coopérant avec des trous formés dans le corps du compresseur.
Selon un autre aspect d’un mode de réalisation de l’invention, le boîtier présente une ouverture apte à laisser passer l’air d’admission.
Ainsi, cela permet de faciliter l’intégration du dispositif de refroidissement au contact du compresseur.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le système comprend des moyens d’étanchéité ménagés entre le boîtier et le corps du compresseur, au contact de l’interface de montage.
Cela permet d’améliorer l’isolation thermique du système et ainsi le rendement.
Par exemple, les moyens d’étanchéité peuvent comprendre un joint d’étanchéité.
Dans une variante de l’invention, le boîtier présente une surface extérieure comprenant des nervures de renforcement mécanique.
Selon un aspect de l’invention, la sortie du compresseur, notamment de la volute, présente une forme sensiblement rectangulaire.
Selon un aspect de l’invention, la collerette qui définit l’interface de montage est également de forme sensiblement rectangulaire. Cette collerette peut comporter une ou plusieurs oreilles avec un trou de passage pour vis.
Selon un aspect de l’invention, l’interface de montage est sensiblement plane.
Selon un aspect de l’invention, le boîtier comporte une entaille, notamment latérale, agencée pour permettre le passage d’au moins un connecteur fluidique permettant de faire circuler dans le dispositif de refroidissement du fluide de refroidissement.
Selon un aspect de l’invention, l’entaille pour le connecteur fluidique est disposé perpendiculairement au sens de l’écoulement de l’air d’admission dans le dispositif de refroidissement.
Le connecteur fluidique peut comporter une entrée et une sortie pour du fluide de refroidissement.
Selon un aspect de l’invention, chaque connecteur fluidique est connecté à des canaux du dispositif de refroidissement, lesquels canaux sont au contact des surfaces d’échange thermique.
Selon un aspect de l’invention, les surfaces d’échange thermique sont disposées parallèlement entre elles, au moins partiellement.
Selon un aspect de l’invention, les surfaces d’échange thermique sont agencées de manière à ce que l’air d’admission qui circule dans ce dispositif de refroidissement passe entre les surfaces d’échange thermique.
Selon un aspect de l’invention, les surfaces d’échange thermique sont solidaires ensemble de manière à former un bloc de refroidissement disposé dans le carter.
Selon un aspect de l’invention, ce bloc est au moins partiellement entouré, à l’une de ses extrémités, par le joint d’étanchéité précité.
Selon un autre aspect de l’invention, le dispositif de refroidissement est logé au moins partiellement dans le corps de compresseur.
Selon un autre aspect de l’invention, le bloc de surfaces d’échange thermique est logé majoritairement dans le corps du compresseur.
Le corps du compresseur correspond notamment à un carter mécanique disposé autour du moteur électrique et de l’arbre d’entraînement associé.
Selon un autre aspect de l’invention, le bloc de surfaces d’échange thermique intercepte le flux d’air circulant dans le compresseur avant que ce flux ne quitte le compresseur.
Selon un autre aspect de l’invention, le dispositif de refroidissement s’étend majoritairement, dans la direction radiale, en retrait du rayon maximal du corps de compresseur.
Selon un autre aspect de l’invention, le bloc de surfaces d’échange thermique est localisé majoritairement, dans la direction radiale, en retrait du rayon maximal d’une volute du compresseur.
Selon un autre aspect de l’invention, le dispositif de refroidissement s’étend entre une partie principale de la volute et une portion d’extrémité qui guide l’air comprimé vers la sortie du compresseur.
Cette disposition permet de profiter de l’espace radial disponible autour du moteur électrique du compresseur pour placer le dispositif de refroidissement, ce qui permet d’avoir un ensemble compact.
Selon un autre aspect de l’invention, la surface d’échange thermique est solidaire d’un support qui est monté sur l’interface de montage du corps de compresseur.
Selon un autre aspect de l’invention, le support comprend une face plane du côté des surfaces d’échange thermique.
Selon un autre aspect de l’invention, le support comporte une plaque.
Selon un autre aspect de l’invention, le support est monté sur l’interface de montage à l’aide de vis.
Selon un autre aspect de l’invention, le support comporte des entrée et sortie pour connecter fluidiquement le bloc de surfaces d’échange thermique à une source de fluide de refroidissement.
Selon un autre aspect de l’invention, un joint d’étanchéité est prévu entre l’interface de montage et le support.
Selon un autre aspect de l’invention, ce support ou cette plaque sont réalisé en aluminium.
Selon un autre aspect de l’invention, le refroidissement du corps du compresseur peut être assuré par une circulation de fluide de refroidissement au sein d’une double enveloppe faisant office de carter. Un des connecteurs se situe alors sur le carter tandis que le second se situe sur le dispositif de refroidissement. Le liquide de refroidissement peut circuler en série dans le dispositif de refroidissement et le carter du compresseur.
Selon un aspect de l’invention, le compresseur électrique de suralimentation (« electric supercharger » en anglais) vient en complément d’un turbocompresseur pour palier son temps de réponse (dû à son inertie et au temps nécessaire pour que les gaz d'échappement aient une énergie suffisante pour l'entrainer). Le compresseur fournit une suralimentation en quelques centaines de millisecondes jusqu'à ce que le turbocompresseur ait une vitesse suffisante pour prendre le relais.
La vitesse de rotation de ce type de machine électrique peut atteindre 70000 tours/min.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente un temps de réponse de l’ordre de 250ms pour passer de 5000 à 70000 tours/min. L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description suivante, fournie à titre d’exemple illustratif et non limitatif et en référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue éclatée en perspective d’un premier mode de réalisation de l’invention ; - la figure 1 a illustre un compresseur du système de la figure 1, - la figure 2 est une vue assemblée en perspective du mode de réalisation de la figure 1 ; - les figures 3 et 4 sont des vues en perspective d’un deuxième mode de réalisation de l’invention, avant et après montage.
On a représenté, en relation avec les figures 1 et 2, un premier mode de réalisation de l’invention d’un système 100 de gestion d’air d’admission d’un moteur thermique de véhicule automobile, qui comprend un compresseur électrique 1 et un dispositif de refroidissement 2.
La figure 1a montre le compresseur de sur-alimentation électrique 1 comportant une roue 12 munie d'ailettes 13 apte à aspirer, via une entrée 14, de l'air non-comprimé issu d'une source d'air (non représentée) et à refouler de l'air comprimé via la sortie 15 après passage dans une volute 16. La sortie 15 peut être reliée à un répartiteur d’admission (non représenté) situé en amont du moteur à explosions afin d'optimiser le remplissage des cylindres du moteur à combustion. En l'occurrence, l'aspiration de l'air est réalisée suivant une direction axiale, c’est-à-dire suivant l'axe X de la roue 12, et le refoulement est réalisé suivant une direction radiale sensiblement perpendiculaire à l'axe X de la roue 12. L’air pourrait être pré-comprimé sur un turbo mécanique en amont.
La roue 12 est entraînée par une machine électrique 17 montée à l'intérieur d’un carter ou corps 18. Cette machine 17 est configurée en moteur. Cette machine électrique 17 comporte un stator 29, qui pourra être polyphasé, entourant un rotor 10 avec présence d'un entrefer. Ce stator 29 est monté dans le corps de compresseur 18. Le rotor 10 est solidaire d’un arbre 19 coopérant avec des roulements 20a et 20b. L'arbre 19 est lié en rotation avec la roue 12 ainsi qu'avec le rotor 10.
Le stator 29 comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase.
Le rotor 10 d'axe de rotation X est par exemple à aimants permanents. Le rotor 10 comporte un corps formé ici par un empilement de tôles.
Une paroi de fond 45 ferme le corps de compresseur 18, sur le côté opposé à la roue 12.
Le corps 18 comprend à la fois une partie 18a qui entoure le moteur 17 et une partie 18b formant la volute 16. Ces parties 18a et 18b sont des pièces distinctes et assemblés ensemble, notamment à l’aide de vis.
Le corps 18 définit un compartiment pour recevoir des composants électroniques non représentés.
Le corps 18 ou au moins sa partie 18a peut être en aluminium. Toutefois, on peut bien évidemment mettre en oeuvre un corps de compresseur fabriqué dans un autre matériau.
Le dispositif de refroidissement 2 est apte à refroidir l’air qui circule à travers le compresseur 1.
Ce dispositif de refroidissement 3 est pourvu d’un groupe de surfaces d’échange thermique 31. Dans l’exemple illustré, la surface d’échange thermique 31 présente une alternance de paires de plaques, permettant la circulation d’un fluide de refroidissement, et d’intercalaires permettant la circulation de l’air sortant du compresseur 1.
Bien entendu, dans d’autres modes de réalisation, on peut avoir des surfaces d’échange thermique comprenant une alternance de tubes de circulation de fluide et d’ailettes.
La partie 18a du corps du compresseur 18 comporte une interface de montage 23 du dispositif de refroidissement 2. L’interface de montage 23 est disposée en sortie 15 de cette volute 16.
Le dispositif de refroidissement 2 est entièrement hors de la volute.
Le dispositif de refroidissement 2 est disposé dans le prolongement de la volute 16.
Les surfaces d’échange thermique 31 interceptent le flux d’air ayant circulé dans le compresseur 1, en sortie 15 du compresseur.
Le système 100 comprend un boîtier 4 monté sur le corps 18 du compresseur via l’interface de montage 23, le boîtier 4 et le corps 18 formant un carter du dispositif de refroidissement 3. L’interface de montage 23 est une collerette de la partie 18a du corps du compresseur, collerette contre laquelle vient s’appliquer le boîtier 4.
Le boîtier 4 est au moins partiellement en matière plastique, réalisé par moulage d’un seul tenant.
La partie du corps 18a du compresseur est par exemple en aluminium.
Le boîtier 4 est fixé au corps 18 du compresseur de manière détachable, par exemple à l’aide de vis 51 fixés sur le corps 18 et le boîtier 4.
Le boîtier 4 présente une ouverture 41 apte à laisser passer l’air d’admission.
Le système peut comprendre un joint d’étanchéité 39 disposé entre le boîtier et le corps du compresseur, au contact de l’interface de montage 23, autour de la bride de montage et sur le pourtour gauche du faisceau ou bloc de surfaces d’échange thermique.
Le boîtier 4 présente une surface extérieure comprenant des nervures 42 de renforcement mécanique. Les nervures 42 permettent au boîtier 4 d’avoir une meilleure résistance mécanique, par exemple aux déformations thermiques.
La sortie 15 du compresseur présente une forme sensiblement rectangulaire et la collerette 23 qui définit l’interface de montage est également de forme sensiblement rectangulaire. Cette collerette 23 peut comporter une ou plusieurs oreilles 52 avec un trou de passage pour vis.
Au lieu de rectangulaire, la sortie 15 peut avoir une forme circulaire, ovale, carrée, ou polygonale en général. L’interface de montage 23 est sensiblement plane.
Le boîtier 4 comporte une entaille 44 latérale, agencée pour permettre le passage d’un connecteur fluidique 45 permettant de faire circuler dans le dispositif de refroidissement du fluide de refroidissement. L’entaille 44 pour le connecteur fluidique est disposé perpendiculaire au sens de l’écoulement de l’air d’admission dans le dispositif de refroidissement.
Le connecteur fluidique 45 comporte des entrée et sortie 311 et 312 pour du fluide de refroidissement.
Ce connecteur fluidique 45 est connecté à des canaux du dispositif de refroidissement, lesquels canaux sont au contact des surfaces d’échange thermique.
Les surfaces d’échange thermique 31 sont agencées de manière à ce que l’air d’admission qui circule dans ce dispositif de refroidissement passe entre les surfaces d’échange thermique.
Dans l’exemple illustré, le dispositif de refroidissement 3 est placé de telle sorte que le flux d’air sortant du compresseur électrique arrive perpendiculairement à une direction longitudinale du dispositif formée par l’alignement des paires de plaques.
En d’autres termes, le dispositif de refroidissement 3 est placé de telle sorte que le flux d’air d’admission sortant du compresseur puisse traverser les intercalaires et être refroidi par du fluide réfrigérant circulant dans les paires de plaques.
On pourrait bien évidemment prévoir d’autres moyens de fixation du boîtier 4 au corps 18 du compresseur 2, tel que des systèmes crochets/encoches, un collage, ou des moyens de fixation non amovibles. L’ouverture 41 présente, dans l’exemple illustré, une section sensiblement circulaire ménagée à l’extrémité d’une tubulure de forme cylindrique 410.
On présente maintenant, en relation avec les figures 3 et 4, un autre mode de réalisation de l’invention du système 100’.
Dans cet exemple, le compresseur électrique 1’ comprend un corps 18’ qui présente une entrée d’air 14 et une sortie d’air 15. Le corps 18’, comme le corps 18, comporte des parties 18a’ et 18b’.
La partie du corps 18a’ peut par exemple être en aluminium.
Le système 100’ comporte un dispositif de refroidissement 50 logé partiellement dans le corps 18’ de compresseur.
Ce dispositif de refroidissement 50 est pourvu d’une surface d’échange thermique 3Γ. Dans l’exemple illustré, la surface d’échange thermique 31’ présente une alternance de paires de plaques, permettant la circulation d’un fluide de refroidissement, et d’intercalaires permettant la circulation de l’air sortant du compresseur T.
Toutefois, dans d’autres modes de réalisation, on pourrait imaginer une surface d’échange thermique 31’ comprenant une alternance de tubes de circulation de fluide et d’ailettes.
Cette surface d’échange 31’ présente également un support 55 portant une entrée 311’ de fluide et une sortie 312’ de fluide placées dans la continuité de l’empilement de paires de plaques.
Le corps 18’ du compresseur T comporte une interface 23’ de montage du dispositif de refroidissement 50.
Les surfaces d’échange thermique sont logées majoritairement dans le corps 18’ du compresseur.
Les surfaces d’échange thermique 31’ interceptent le flux d’air circulant dans le compresseur avant que ce flux ne quitte le compresseur 1’.
Le dispositif de refroidissement 50 s’étend majoritairement, dans la direction radiale, en retrait du rayon maximal du corps 18’ de compresseur.
Les surfaces d’échange thermique sont localisées majoritairement, dans la direction radiale, en retrait du rayon maximal de la volute 16 du compresseur.
Le dispositif de refroidissement 50 s’étend entre une partie principale 58 de la volute et une portion d’extrémité 59 qui guide l’air comprimé vers la sortie du compresseur.
Le surface d’échange thermique31’ est solidaire d’un support 55 qui est monté sur l’interface de montage 23’ du corps de compresseur.
Le support 55 comprend une face plane du côté des surfaces d’échange thermique, et comporte une plaque.
Le support 55 est monté sur l’interface de montage à l’aide de vis 51 ou tout autre système de fixation.
Le support 55 comporte des entrée et sortie 311 et 312 pour connecter fluidiquement le bloc de surfaces d’échange thermique à une source de fluide de refroidissement.
Un joint d’étanchéité 66 de pourtour extérieur rectangulaire est prévu entre l’interface de montage 23’ et le support 55.
La plaque 55 est réalisée en aluminium.
Le dispositif de refroidissement 2 ;50 est disposé dans un circuit de climatisation du véhicule, notamment entre un détendeur et un évaporateur de ce circuit de climatisation.
Le dispositif de refroidissement est avantageusement placé à un emplacement froid du circuit de climatisation, juste après le détendeur dans une partie basse pression du circuit de climatisation. Le changement de phase dans une partie basse pression de la climatisation maximise le potentiel d’échange thermique.
Ceci permet d’avoir un dispositif de refroidissement le plus compact possible pour une capacité de refroidissement satisfaisante, facilitant son intégration avec le compresseur de suralimentation électrique. De plus le fait que le dispositif de refroidissement est en amont de l’évaporateur assure un flux de réfrigérant préétabli qui favorise la dynamique du système pour le transitoire.
Selon une autre variante de l’invention, le dispositif de refroidissement est placé fluidiquement sur une ligne haute pression pour limiter l’impact sur la climatisation.
La phase transitoire de fonctionnement peut être par exemple une phase d’accélération du véhicule ou une reprise à bas régime moteur.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système (100,100’) de gestion d’air d’admission pour un moteur thermique de véhicule automobile, le système comprenant : - un compresseur électrique (1,1’), apte à comprimer l’air d’admission destiné au moteur thermique, le compresseur comportant un corps (18,18’) présentant une entrée d’air (14) et une sortie d’air (15), - un dispositif de refroidissement (2 ;50) apte à refroidir l’air qui circule à travers le compresseur, le dispositif de refroidissement étant pourvu d’au moins une surface d’échange thermique (31 ;3Γ) le corps (20) du compresseur comportant une interface (23 ;23’) de montage du dispositif de refroidissement et le système comprend un boîtier (4) en matière plastique monté sur le corps (18) du compresseur (1), le boîtier (4) et le corps (18) formant un carter du dispositif de refroidissement (2)
  2. 2. Système selon la revendication précédente, l’interface (23) de montage du dispositif de refroidissement étant placée au contact de la sortie d’air (15) du compresseur électrique, sur une surface extérieure du corps (18 ;18’) du compresseur.
  3. 3. Système selon l’une des revendications précédentes, le boîtier plastique comprend une lame d’air agencée pour augmenter l’isolation thermique avec le milieu ambiant.
  4. 4. Système selon l’une des revendications précédentes, le boîtier (4) étant fixé au corps du compresseur (2) à l’aide de moyens de fixations (51, 52) ménagés au moins en partie sur le boîtier (4) et/ou sur le corps (2à).
  5. 5. Système, selon l’une des revendications précédentes, le boîtier (4) présentant une ouverture (41) apte à laisser passer l’air d'admission.
  6. 6. Système, selon l’une des revendications précédentes, le système comprenant des moyens d’étanchéité ménagés entre le boîtier (4) et le corps du compresseur (1), au contact de l’interface (23) de montage.
  7. 7. Système, selon l’une des revendications précédentes, te boîtier (4) présentant une surface extérieure comprenant des nervures (42) de renforcement mécanique.
  8. 8. Système, selon l’une des revendications précédentes, le dispositif de refroidissement est majoritairement hors d’une volute, notamment totalement hors de la volute.
  9. 9. Système selon l’une des revendications 1 à 7, la surface d’échange thermique (31’) du dispositif de refroidissement (50) étant logée à l’intérieur du corps (18’).
  10. 10. Système selon l’une des revendications précédentes, le refroidissement du corps du compresseur peut être assuré par une circulation de fluide de refroidissement au sein d’une double enveloppe faisant office de carter.
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