BOITIER DE FILTRAGE, SYSTEME DE REFROIDISSEMENT ET VEHICULE EQUIPE DE CE BOITIER
[0001 L'invention concerne un boîtier de filtrage d'air de suralimentation contenant de la vapeur d'eau. L'invention concerne également un système de refroidissement et un véhicule équipés de ce boîtier de filtrage. [0002] Ce boîtier trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des véhicules automobiles dans lesquels l'air d'admission est suralimenté au moyen d'un compresseur, notamment au moyen d'un turbocompresseur. L'air d'admission compressée est appelé « air de suralimentation ». [0003 Afin d'augmenter la densité de l'air à l'admission d'un moteur compressé ou turbocompressé, il est connu de refroidir l'air de suralimentation sortant du compresseur au moyen d'un dispositif de refroidissement appelé refroidisseur d'air de suralimentation ou RAS en abrégé (ou encore CAC pour « Charger Air Cooler » en anglais). Ce refroidisseur d'air de suralimentation utilise comme fluide caloporteur l'air ou un liquide de refroidissement comme l'eau glycolé. L'air de suralimentation peut aussi bien être de l'air extérieur compressé qu'un mélange d'air extérieur avec des gaz d'échappement. [0004] L'air de suralimentation contient de l'eau généralement sous forme vapeur. [0005] Par temps de grand froid, c'est-à-dire si la température extérieure est inférieure à -10°C, alors l'eau peut se condenser dans le refroidisseur d'air de suralimentation. Ce condensat gèle et forme des glaçons qui détériorent gravement le fonctionnement du refroidisseur d'air de suralimentation. Par exemple, les glaçons peuvent boucher le refroidisseur d'air de suralimentation et empêcher ainsi toute circulation d'air de suralimentation à travers ce refroidisseur. [0006] Il a déjà été proposé dans la demande de brevet FR 2 925 351 de filtrer l'air de suralimentation en amont du refroidisseur à air de suralimentation à l'aide d'un boîtier de filtrage. [0007] Dans cette description, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement de l'air de suralimentation. [0008] Les boîtiers connus de filtrage d'air de suralimentation comportent : - un embout d'entrée de l'air de suralimentation, - un embout de sortie de l'air de suralimentation appauvri en vapeur d'eau, et - une cartouche de filtrage apte à piéger les molécules d'eau de l'air de suralimentation traversant le boîtier de filtrage. [0009] La cartouche de filtrage est typiquement composée d'une ou plusieurs grilles métalliques sur lesquelles la vapeur d'eau se condense pour être ensuite évacuée par gravité en dehors de l'air de suralimentation. Ainsi, l'air de suralimentation est appauvri en eau avant de rentrer dans le refroidisseur ce qui évite ou limite la formation de glaçons dans ce dernier. 2 [0010] Toutefois, l'utilisation de grilles métalliques complexifie la réalisation du boîtier de filtrage et s'avère aussi parfois peu efficace pour filtrer l'eau. [0011] L'invention vise à remédier à au moins l'un de ces inconvénients en proposant un boîtier de filtrage dans lequel la cartouche de filtrage comporte au moins une zéolithe apte à piéger les molécules d'eau. [0012] Dans le boîtier de filtrage ci-dessus, la cartouche de filtrage est plus simple à réaliser que des grilles métalliques aptes à condenser la vapeur d'eau et moins susceptible de colmatage ou encrassement. [0013] Les modes de réalisation de ce boîtier de filtrage peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : ^ la cartouche de filtrage est amovible et le boîtier comprend un mécanisme de verrouillage déplaçable entre : û une position verrouillée dans laquelle la cartouche est retenue à l'intérieur du boîtier de filtrage pour piéger les molécules d'eau, et û une position déverrouillée dans laquelle la cartouche est libérée pour permettre son retrait du boîtier de filtrage ; ^ le boîtier comprend : û un embout d'évacuation des molécules d'eau piégées par la cartouche de filtrage, û une valve déplaçable entre une position fermée dans laquelle elle obture complètement l'orifice d'évacuation et une position ouverte dans laquelle elle libère l'orifice d'évacuation, et û un moyen de rappel apte à déplacer automatiquement la valve de sa position ouverte vers sa position fermée en réponse au retrait de la cartouche de filtrage du boîtier ; ^ le boîtier comprend : û un embout d'évacuation des molécules d'eau piégées par la zéolithe, et û un activateur de relargage apte à produire un stimulus électrique ou thermique propre à déclencher la libération des molécules d'eau piégées dans la zéolithe vers l'orifice d'évacuation [0014] Les modes de réalisation de ce boîtier de filtrage présentent en outre les avantages suivants : û l'utilisation d'un mécanisme de verrouillage de la cartouche à l'intérieur du boîtier permet d'installer et de retirer cette cartouche du boîtier ; û l'utilisation de moyens de rappel pour obturer automatiquement l'orifice d'évacuation des condensats, en cas d'absence ou de retrait de la cartouche de filtrage permet de garantir que l'ensemble de l'air de suralimentation traverse dans sa totalité l'embout de sortie vers le RAS, avant tout pour traiter les situations de vie nécessitant un passage obligé et total de l'air vers le Refroidisseur d'Air de 3 Suralimentation que l'on souhaitera les plus efficace et pour lesquelles tout prélèvement d'air parasite non voulu pourrait s'avérer préjudiciable, notamment par conditions climatiques grand chaud. [0015] L'invention a également pour objet un système de refroidissement d'air de suralimentation, ce système comportant : - un refroidisseur d'air de suralimentation susceptible de refroidir l'air de suralimentation en dessous de la température de condensation de la vapeur d'eau en situation de grand froid où son efficacité thermique n'est pas requise, ce refroidisseur comportant un embout d'entrée et un embout de sortie de l'air de suralimentation refroidi, et - le boîtier de filtrage ci-dessus, l'embout de sortie de ce boîtier étant fluidiquement raccordé à l'embout d'entrée du refroidisseur d'air de suralimentation. [0016] Les modes de réalisation de ce système peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : ^ le boîtier comprend également un embout d'évacuation des molécules d'eau piégées dans la zéolithe et une canalisation de réaspiration dont une extrémité est fluidiquement raccordée à l'embout d'évacuation et dont l'autre extrémité est fluidiquement raccordée en aval du refroidisseur d'air de suralimentation pour réintroduire les molécules d'eau filtrées dans l'air de suralimentation refroidi par ce refroidisseur sans que ces molécules ne passent à travers le refroidisseur d'air de suralimentation ; ^ le système comporte : û une canalisation de contournement du boîtier de filtrage dont une extrémité est fluidiquement raccordée en amont de ce boîtier de filtrage et dont l'autre extrémité est raccordée en aval du boîtier de filtrage et en amont du refroidisseur d'air de suralimentation, et û un boîtier de dérivation apte à diriger l'essentiel de l'air de suralimentation vers la canalisation de contournement si la température de cet air de suralimentation dépasse un seuil prédéterminé et, en alternance, à diriger l'essentiel de l'air de suralimentation vers le boîtier de filtrage si la température de l'air de suralimentation est inférieure à ce seuil prédéterminé. ^ le boîtier de dérivation comprend au moins un élément thermosensible dont les déformations sont principalement actionnées par la chaleur de l'air de suralimentation de manière à dévier automatiquement l'air de suralimentation vers la canalisation de contournement et, en alternance, vers le boîtier de filtrage en fonction de la température de cet air de suralimentation. [0017] Ces modes de réalisation du système de refroidissement présentent en outre les avantages suivants : ù l'utilisation de la canalisation de réaspiration limite la consommation d'eau nécessaire pour obtenir le degré d'hygrométrie ou le niveau d'humidité souhaité de l'air de suralimentation introduit dans les cylindres du moteur, ù l'utilisation d'une canalisation de contournement du boîtier de filtrage permet de limiter les pertes de charge causées par ce boîtier de filtrage en cas de fonctionnement à une température où l'eau ne risque pas de geler dans le refroidisseur d'air de suralimentation, ù l'utilisation d'un élément thermosensible pour dériver l'air de suralimentation vers le canal de contournement permet d'éviter d'avoir recours à une source d'énergie extérieure. [0018] L'invention a également pour objet un véhicule équipé du système de refroidissement ci-dessus. [0019] Les modes de réalisation de ce véhicule peuvent comporter la caractéristique suivante : ^ le véhicule comporte une source de chaleur placée à proximité de la canalisation de réaspiration de manière à élever la température de l'eau dans cette canalisation de plusieurs degrés Celsius par rapport au cas où cette source de chaleur est omise. [0020] Ces modes de réalisation du véhicule présentent en outre l'avantage d'éviter simplement la formation de glaçons dans la canalisation de contournement. [0021] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels : ù la figure 1 est une illustration schématique d'un véhicule équipé d'un système de refroidissement, ù la figure 2 est une illustration schématique et en coupe d'un boîtier de filtrage du système de refroidissement de la figure 1, et ù la figure 3 est une illustration schématique et partielle d'un autre mode de réalisation du système de refroidissement de la figure 1. [0022] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. De plus, les flèches représentées dans des canalisations indiquent le sens de l'écoulement. [0023] Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail. [0024] La figure 1 représente schématiquement une partie d'un véhicule 2. Le véhicule 2 est par exemple un véhicule automobile tel qu'une voiture. [0025] Le véhicule 2 comprend un moteur 4 à combustion interne. Ce moteur 4 est équipé de plusieurs cylindres 6 dans lesquels sont montés des pistons. Ce moteur 4 est apte à entraîner en rotation les roues motrices 8 du véhicule 2. [0026] Le moteur 4 comprend également un collecteur 10 d'admission apte à répartir l'air de suralimentation dans les différents cylindres 6 où celui-ci est mélangé avec du carburant pour former un mélange explosif. Les gaz d'échappement consécutifs à l'explosion du mélange dans les cylindres 6 sont collectés par un collecteur 12 5 d'échappement qui évacue ces gaz d'échappement vers une canalisation 14. [0027] Dans ce mode particulier de réalisation, une partie des gaz d'échappement évacués par l'intermédiaire de la canalisation 14 sont ramenés vers le collecteur 10. On dit que ces gaz d'échappement sont recirculés. A cet effet, une canalisation 16 raccorde fluidiquement le collecteur 12 à l'entrée du collecteur 10 par l'intermédiaire d'un doseur 18. Ce système de recirculation des gaz d'échappement est connu sous l'acronyme anglais EGR (Exhaust Gaz Recirculation). Typiquement, la canalisation 16 comprend à cet effet : û une vanne 20 dite vanne EGR et, û un échangeur thermique 22 apte à refroidir les gaz d'échappement recirculés. 15 [0028] Le doseur 18 mélange dans des proportions choisies les gaz d'échappement recirculés avec l'air de suralimentation. [0029] L'air de suralimentation est produit par un compresseur 24 qui comprime l'air capté à l'extérieur du véhicule 2. Cette compression réchauffe l'air. [0030] Pour refroidir l'air suralimenté obtenu, le véhicule 2 comprend également un 20 système 26 de refroidissement. [0031] Ce système 26 comprend un refroidisseur 28 d'air de suralimentation, échangeur dont la fonction de transfert de chaleur, répondant, dans une application automobile, avant tout aux situations de vie majoritaires de roulages plus ou moins chargées au sens de la suralimentation conjugué à en environnement climatique 25 tempéré ou grand chaud, est requise, à contrario des situations de grands froids où ce composant peut entrer dans un fonctionnement préjudiciable dans lequel l'air de suralimentation est porté à une température à laquelle la vapeur d'eau se condense puis gèle. [0032] Ce refroidisseur 28 est équipé d'un embout d'entrée 30 et d'un embout de 30 sortie 32 d'air de suralimentation. Dans la variante de l'invention ici représentée, l'embout 32 est directement raccordé au doseur 18 par l'intermédiaire d'une canalisation 34. [0033] Pour éviter la formation de glaçons à l'intérieur du refroidisseur 28 par temps de grand froid, le système 26 comporte également un boîtier 36 de filtrage de l'air de 35 suralimentation. Ce boîtier 36 permet d'appauvrir en eau l'air de suralimentation qui traverse le refroidisseur 28. A cet effet, le boîtier 36 comprend : - un embout 38 d'entrée directement connecté par l'intermédiaire d'une canalisation 40 à une sortie du compresseur 24, - un embout 42 de sortie de l'air de suralimentation appauvri en eau, et 40 - un orifice 44 d'évacuation de l'eau filtrée par le boîtier 36. [0034] L' embout 42 est directement raccordé à l'embout 30 du refroidisseur 28 par l'intermédiaire d'une canalisation 46. [0035] Pour appauvrir l'air de suralimentation en eau, le boîtier 36 comprend une cartouche 48 de filtrage de l'eau. Cette cartouche 48 est capable de piéger les molécules d'eau dans l'air de suralimentation qui le traverse tout en étant perméable à l'air. [0036] Pour simplifier la réalisation de cette cartouche, celle-ci est ici réalisée en zéolithe naturelle ou synthétique. [0037] Les zéolithes sont des minéraux appartenant à la famille des aluminosilicates hydratés de métaux des groupes IA et IIA du tableau périodique des éléments tels que le calcium, le magnésium ou le potassium. [0038] Généralement, leurs formules chimiques respectent le squelette suivant : NaX,CaXzMg,13aX,Kx5A1x6[SiX,OX$], x9 H2O, où x1 à x9 sont des entiers positifs ou nuls. [0039] Le système 26 comprend également une canalisation 50 de réaspiration de l'eau filtrée par la cartouche 48 dans le collecteur 10 d'admission du moteur 4. Ici, cette canalisation 50 est directement raccordée entre l'orifice 44 et un point de raccordement 52 situé en aval du refroidisseur 28. Ici, ce point 52 est choisi à un emplacement où la pression de l'air de suralimentation est très inférieure à la pression de l'air de suralimentation dans le boîtier 36. Ainsi, l'eau filtrée par le boîtier 36 est aspirée dans la canalisation 50 pour être ensuite réinjectée dans l'air de suralimentation en aval du refroidisseur 28. Pour augmenter l'efficacité de cette aspiration, ici, le point 52 de raccordement se situe en aval du doseur 18 et juste en amont du collecteur d'admission 10. [0040] La canalisation 50 a une section transversale faible pour limiter la quantité d'air de suralimentation non refroidi qui est directement admis dans le collecteur 10. Par exemple, la surface de la section transversale de la canalisation 50 est au moins deux fois voire trois fois inférieure à la section de la canalisation 46. [0041] La canalisation 50 est placée à l'intérieur du véhicule 2 de manière à passer à proximité d'une source de chaleur 54. La source de chaleur 54 est suffisante pour élever la température de l'eau à l'intérieur de la canalisation 50 de plusieurs degrés Celsius et, de préférence, d'au moins 5 ou 10 degrés Celsius par rapport à la température qu'aurait cette eau en absence de cette source de chaleur 54. Par exemple, la source de chaleur est un turbocompresseur, un pré-catalyseur ou les gaz d'échappement. [0042] De préférence, pour capter de façon efficace la chaleur de la source 54, au moins une partie de la canalisation 50 est réalisée dans un matériau bon conducteur de chaleur tel qu'un métal. Par exemple, ici le métal est de l'acier inoxydable ou de l'aluminium. [0043] La figure 2 représente plus en détail le boîtier 36. Le boîtier 36 comprend un volet amovible 60 déplaçable entre une position permettant d'introduire la cartouche 48 à l'intérieur du boîtier 36 et une position fermée de façon étanche. [0044] Un mécanisme 62 de verrouillage de la cartouche 48 à l'intérieur du boîtier 36 est prévu. Ce mécanisme 62 est déplaçable entre : ù une position verrouillée dans laquelle la cartouche 48 est maintenue interposée entre les embouts d'entrée et sortie 38 et 42 de manière à être traversée par l'air de suralimentation, et ù une position rétractée dans laquelle la cartouche 48 est libérée pour pouvoir être retirée de l'intérieur du boîtier 36. [0045] Ce mécanisme 62 est par exemple déplacé manuellement entre ces positions de verrouillage et rétractée. Dans la position verrouillée, un ergot peut coopérer avec un logement de forme complémentaire sur la cartouche 48 pour l'immobiliser. [0046] Le boîtier 36 comprend également ici un mécanisme 64 d'obturation de l'orifice 44. Ce mécanisme 64 est déplaçable entre : ù une position ouverte dans laquelle les molécules d'eau piégées par la zéolithe sont aspirées dans la canalisation 50, et ù une position fermée dans laquelle l'air de suralimentation ne peut pas traverser la canalisation 50. [0047] Par exemple, à cet effet, le mécanisme 64 comporte une valve 66 dont le déplacement de la position fermée vers la position ouverte est actionné par l'insertion de la cartouche 48 à l'intérieur du boîtier 36. A cet effet, la cartouche 48 peut être équipée d'un ergot qui déplace un maneton d'une bielle solidaire de la valve 66 de manière à entraîner le déplacement de cette valve 66 vers la position ouverte lors de l'insertion de la cartouche 48 à l'intérieur du boîtier 36. [0048] Le mécanisme 64 est également pourvu d'un moyen de rappel qui sollicite en permanence la valve 66 vers sa position fermée. Par exemple, ce moyen de rappel est un ressort. Ainsi, ce moyen de rappel ramène automatiquement la valve 66 vers sa position fermée lorsque la cartouche 48 est retirée du boîtier 36. [0049] Enfin, le boîtier 36 comprend aussi un activateur 68 de relargage des molécules d'eau piégées dans la zéolithe de la cartouche 48. Cet activateur 68 génère par exemple un stimulus électrique ou thermique apte à déclencher la libération des molécules d'eau piégées dans la zéolithe vers l'orifice 44. [0050] Le fonctionnement du système 26 va maintenant être décrit. En dehors des situations de grand froid, la cartouche 48 est retirée du boîtier 36. La valve 66 est donc automatiquement ramenée et maintenue dans sa position fermée par le moyen de rappel. L'air de suralimentation introduit dans le boîtier 36 par l'intermédiaire de l'embout 38 est alors entièrement évacué de ce boîtier par l'intermédiaire de l'embout 42. Ainsi, étant donné que la cartouche 48 a été retirée, la traversée du boîtier 36 ne provoque quasiment aucune perte de charge dans l'écoulement de l'air de suralimentation. De plus étant donné que la canalisation 50 est obturée, l'ensemble de l'air de suralimentation est refroidi par le refroidisseur 28. Cela évite un éventuel réchauffement de l'air de suralimentation par introduction d'air de suralimentation non refroidi ayant traversé la canalisation 50. [0051] Par temps de grand froid, la cartouche 48 est introduite manuellement à l'intérieur du boîtier 36. A cet effet, le volet 60 est soulevé puis la cartouche 48 est introduite à l'intérieur du boîtier 36. Lorsque la cartouche 48 a atteint sa position de fonctionnement, celle-ci est verrouillée dans cette position par le mécanisme 62. [0052] En même temps, l'introduction de la cartouche 48 à l'intérieur du boîtier 36 provoque le déplacement de la valve 66 vers sa position ouverte. [0053] Ainsi, une fois que la cartouche 48 a été introduite à l'intérieur du boîtier 36, l'air de suralimentation traverse la zéolithe. La zéolithe piège alors au moins une partie des molécules d'eau de sorte que l'air de suralimentation évacué par l'intermédiaire de l'embout 42 est appauvri en eau. [0054] En même temps ou plus tard, dans un moment opportun de fonctionnement moteur et d'ambiance thermique sous capot de la durit 50 de réaspiration favorables, l'activateur 68 de relargage est mis en oeuvre. Lorsque cet activateur est mis en oeuvre, les molécules d'eau piégées dans la zéolithe sont libérées, par exemple sous la forme de condensat, vers l'orifice 44. Elles sont ensuite aspirées dans la canalisation 50 pour être réinjectées au niveau du point 52 dans l'air de suralimentation. [0055] Ainsi, le degré d'hygrométrie de l'air de suralimentation peut être maintenu inchangé sans pour cela avoir recours à une source d'humidité extérieure. [0056] Lorsque la cartouche 48 est retirée du boîtier 36, la vanne 66 se déplace automatique vers la position fermée sous l'action du moyen de rappel. [0057] La figure 3 représente un système 70 de refroidissement de l'air de suralimentation identique au système 26 à l'exception du fait qu'il comporte un boîtier 72 de dérivation et une canalisation 74 de contournement. [oo58] La canalisation 74 raccorde fluidiquement directement l'amont du boîtier 36 à l'aval de ce même boîtier. Plus précisément, une extrémité de la canalisation 74 est directement raccordée au boîtier de dérivation 72 situé en amont du boîtier 36. L'autre extrémité de cette canalisation 74 est fluidiquement raccordée à la canalisation 46 entre les embouts 30 et 42. Cette canalisation 74 permet à l'air de suralimentation de contourner à la demande le boîtier 36 et donc d'éviter les pertes de charges provoquées par la traversée de la cartouche 48. [0059] Le boîtier 72 est équipé d'un mécanisme pour diriger l'air de suralimentation vers la canalisation 74 lorsque la température de cet air de suralimentation est supérieure à un seuil S1 et, en alternance, vers l'orifice 38 du boîtier 36 lorsque la température de l'air de suralimentation est inférieure à ce seuil Si. [0060] De préférence, ce mécanisme est actionné par la chaleur même de l'air de suralimentation. Par exemple, à cet effet, ce mécanisme est réalisé à l'aide d'un élément thermosensible tel qu'un bilame. [0061] Le fonctionnement du système 70 est identique au fonctionnement du système 26 à l'exception du fait que lorsque la température de l'air de suralimentation dépasse le seuil S1 alors l'air de suralimentation est automatiquement dévié vers la canalisation 74. Dans ce cas, la cartouche 48 peut rester présente à l'intérieur du boîtier 36 sans pour autant augmenter les pertes de charge de l'écoulement d'air de suralimentation. [0062] Par temps de grand froid, la température de l'air de suralimentation devient inférieure au seuil Si. Le boîtier 72 dirige alors automatiquement l'essentiel de l'air de suralimentation vers le boîtier 36. Dans ce mode de fonctionnement, l'air de suralimentation qui traverse le refroidisseur 28 est appauvri en eau, ce qui empêche la formation de glaçons à l'intérieur de ce refroidisseur. [0063] Le système 70 permet donc de maintenir la cartouche 48 à l'intérieur du boîtier 36 même lorsque cela n'est pas nécessaire et ceci sans créer de perte de charge supplémentaire. [0064] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, le boîtier de dérivation peut être actionné électriquement. Dans ce cas, à titre d'illustration, il comporte une électrovanne, un capteur de température et une unité de commande. L'unité de commande commande la fermeture ou l'ouverture de l'électrovanne en fonction de la température mesurée par le capteur de manière à diriger l'air de suralimentation dans la canalisation 74 si la température mesurée dépasse le seuil S, et, en alternance, vers l'embout 38 si au contraire la température de l'air de suralimentation mesurée est inférieure au seuil Si. [0065] Le capteur de la température d'air de suralimentation peut être directement en contact avec l'air de suralimentation ou être placé à l'extérieur pour mesurer la température de l'air ambiant et estimer à partir de cette température mesurée la température de l'air de suralimentation. [0066] Le boîtier 72 de dérivation peut agir comme un vanne tout ou rien ou comme une vanne proportionnelle permettant de répartir l'air de suralimentation entre la canalisation 74 et l'orifice 38. [0067] En variante, l'activateur 68 peut être omis si une libération spontanée des molécules d'eau piégées existe.