FR3055671A1 - Systeme de recuperation d'energie - Google Patents

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Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
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Abstract

La présente invention décrit un système de récupération d'énergie (30) dans un circuit d'échappement (3) d'un moteur thermique (1), comprenant : Une ligne d'échappement (5), Une ligne de recirculation (6) agencée pour recevoir des gaz d'échappement du moteur thermique (1), la ligne de recirculation (6) comportant : ○ un échangeur thermique (7) ○ une vanne de contrôle du débit de recirculation (8), disposée en aval de l'échangeur thermique (7), Un conduit auxiliaire (9) reliant la ligne d'échappement (5) et la ligne de recirculation (6), Une vanne trois voies (11) disposée à la jonction (15) entre le conduit auxiliaire (9) et la ligne d'échappement (5), la vanne trois voies (11) étant agencée pour contrôler le débit de gaz circulant dans le conduit auxiliaire (9) et le débit de gaz circulant dans la ligne d'échappement (5).

Description

® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 055 671 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national : 16 58366
COURBEVOIE © IntCI8 : F 02 M 26/00 (2017.01), F 02 M 26/13
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
©) Date de dépôt : 08.09.16. © Demandeur(s) : VALEO SYSTEMES DE CONTROLE
(© Priorité : MOTEUR Société par actions simplifiée — FR.
@ Inventeur(s) : HODEBOURG GREGORY.
©) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 09.03.18 Bulletin 18/10.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux ® Titulaire(s) : VALEO SYSTEMES DE CONTROLE
apparentés : MOTEUR Société par actions simplifiée.
©) Demande(s) d’extension : © Mandataire(s) : VALEO SYSTEMES DE CONTROLE
MOTEUR Société par actions simplifiée.
FR 3 055 671 - A1
SYSTEME DE RECUPERATION D'ENERGIE.
©) La présente invention décrit un système de récupération d'énergie (30) dans un circuit d'échappement (3) d'un moteur thermique (1), comprenant:
Une ligne d'échappement (5),
Une ligne de recirculation (6) agencée pour recevoir des gaz d'échappement du moteur thermique (1 ), la ligne de recirculation (6) comportant: O un échangeur thermique (7)
O une vanne de contrôle du débit de recirculation (8), disposée en aval de l'échangeur thermique (7),
Un conduit auxiliaire (9) reliant la ligne d'échappement (5) et la ligne de recirculation (6), Une vanne trois voies (11 ) disposée à la jonction (15) entre le conduit auxiliaire (9) et la ligne d'échappement (5), la vanne trois voies (11) étant agencée pour contrôler le débit de gaz circulant dans le conduit auxiliaire (9) et le débit de gaz circulant dans la ligne d'échappement (5).
Figure FR3055671A1_D0001
Figure FR3055671A1_D0002
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Figure FR3055671A1_D0003
Système de récupération d'énergie
La présente invention concerne un système de récupération d'énergie dans un circuit d'échappement d'un moteur thermique, notamment pour véhicule automobile.
On connaît, par exemple par le brevet US 8,862,369, le principe de recirculer une partie des gaz d'échappement d'un moteur à combustion vers l'admission du moteur, de préférence après les avoir refroidis en traversant un échangeur thermique. Cette technologie permet sur les moteurs Diesel, de réduire les émissions d'oxyde d'azote. Sur les moteurs suralimentés à allumage commandé, elle permet de diminuer la consommation de carburant.
On connaît également, notamment par la demande internationale WO2013/167823, le principe de récupérer une partie de la chaleur contenue des gaz d'échappement d'un moteur thermique, en transférant cette énergie thermique vers un fluide caloporteur. Pour cela, le circuit d'échappement du moteur thermique comprend différentes lignes connectées entre elles, et le débit de gaz dans les différentes lignes est contrôlé par plusieurs vannes.
La présence simultanée d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement et d'un dispositif de récupération d'énergie à l'échappement tend à multiplier le nombre de composants nécessaires, comme par exemple les échangeurs thermiques et les vannes de contrôle du débit de gaz dans les différentes lignes. Cette augmentation du nombre de composants augmente le coût du système, ainsi que son poids, et rend leur implantation dans le véhicule plus difficile.
Le but de l'invention est de permettre d'assurer une recirculation des gaz d'échappement et une récupération d'énergie à l'échappement, soit sélectivement soit de manière concomitante, tout en minimisant le nombre de composants présents dans les différents circuits et en facilitant leur intégration.
A cet effet, l'invention propose un système de récupération d'énergie dans un circuit d'échappement d'un moteur thermique, comprenant :
une ligne d'échappement, une ligne de recirculation agencée pour recevoir des gaz d'échappement du moteur thermique, la ligne de recirculation comportant :
o un échangeur thermique o une vanne de contrôle du débit de recirculation, disposée en aval de l'échangeur thermique, un conduit auxiliaire reliant la ligne d'échappement et la ligne de recirculation, la jonction entre le conduit auxiliaire et la ligne de recirculation étant situé entre la vanne de contrôle du débit de recirculation et l'échangeur thermique , une vanne trois voies disposée à la jonction entre le conduit auxiliaire et la ligne d'échappement, la vanne trois voies étant agencée pour contrôler le débit de gaz circulant dans le conduit auxiliaire et le débit de gaz circulant dans la ligne d'échappement.
Avantageusement, la vanne trois voies comporte un volet unique mobile en rotation.
L'emploi d'une vanne trois voies permet de contrôler le débit dans deux portions de circuit différentes avec une vanne unique, ce qui simplifie le système. Cette configuration d'emplacement de la vanne trois voies est appelé « coté chaud », car les gaz d'échappement sortant du moteur peuvent rejoindre la vanne trois voies sans traverser l'échangeur thermique 7, et donc sans subir de refroidissement.
De préférence, le volet de la vanne trois voies est mobile en rotation entre :
une première position angulaire dans laquelle la section de passage du conduit auxiliaire est minimale et la section de passage de la ligne d'échappement est maximale, et une deuxième position angulaire dans laquelle la section de passage du conduit auxiliaire est maximale et la section de passage de la ligne d'échappement est minimale.
L'ajustement de la position du volet de la vanne trois voies permet d'ajuster de façon continue la section de passage du conduit auxiliaire ainsi que celle de la ligne d'échappement.
De préférence, la section de passage minimale du conduit auxiliaire correspond à une obturation totale du conduit auxiliaire.
Il est ainsi possible de ne pas mettre en communication la ligne d'échappement et le conduit auxiliaire.
De préférence encore, la section de passage minimale de la ligne d'échappement correspond à une obturation à 90% de la ligne d'échappement.
La ligne d'échappement ne peut pas être totalement obturée, car elle doit rester suffisamment dégagée pour permettre une évacuation suffisante des gaz brûlés afin de permettre un fonctionnement correct du moteur.
Avantageusement, la section de passage maximale du conduit auxiliaire correspond à une ouverture totale du conduit auxiliaire.
Avantageusement encore, la section de passage maximale de la ligne d'échappement correspond à une ouverture totale de la ligne d'échappement.
L'ouverture totale, possible dans une position d'ouverture maximale du volet, permet de minimiser les pertes de charge et donc le rendement énergétique du système.
Selon un mode de réalisation, la section de passage du conduit auxiliaire est contrôlée par une première aile du volet, et la section de passage de la ligne d'échappement est contrôlée par une deuxième aile du volet.
Ainsi, l'augmentation de la section de passage du conduit auxiliaire est concomitante avec la diminution de la section de passage de la ligne d'échappement.
Selon un mode de réalisation, la jonction entre le conduit auxiliaire et la ligne d'échappement est située en aval de la position occupée par la deuxième aile du volet lorsque le volet est en position assurant la section de passage minimale de la ligne d'échappement.
Avantageusement, l'échangeur thermique est en partie intégré à un dispositif de dépollution des gaz d'échappement du moteur thermique.
Cette disposition permet d'obtenir un ensemble compact. De plus, les gaz d'échappement entrent dans l'échangeur à une température élevée, ce qui permet d'augmenter le potentiel de récupération d'énergie du système.
De préférence, la ligne d'échappement est reliée au dispositif de dépollution des gaz d'échappement du moteur thermique.
La ligne d'échappement et l'échangeur thermique de la ligne de recirculation sont tous les deux reliés au dispositif de dépollution des gaz d'échappement, ce qui permet une disposition compacte.
De préférence, le dispositif de dépollution comprend un filtre à particules.
Les gaz d'échappement sont ainsi débarrassés des particules provenant de résidus de combustion. Les gaz d'échappement recirculés génèrent ainsi moins d'encrassement du circuit de recirculation et sont moins agressifs pour le dispositif de suralimentation du moteur lorsque une recirculation des gaz d'échappement en amont du compresseur est réalisée.
Selon un mode de réalisation, la vanne de contrôle du débit de recirculation est une vanne de type à volet rotatif.
Ce type de vanne génère peu de pertes de charge, ce qui permet d'obtenir un débit élevé de gaz d'échappement recirculés.
Selon un autre mode de réalisation, la vanne de contrôle du débit de débit de recirculation est une vanne de type à soupape.
Ce type de vanne possède une bonne étanchéité, et évite d'avoir un débit parasite de gaz recirculés.
Selon un mode de réalisation, le volet de la vanne trois voies est un assemblage de deux parties de volet.
Chaque partie du volet rotatif de la vanne trois voies est ainsi fabriquée de manière simple, et les deux parties sont ensuite assemblées ensemble.
En variante, le volet de la vanne trois voies est monobloc. Le volet peut par exemple être obtenu par déformation d'une pièce préformée. Le nombre de constituants est ainsi minimisé.
Avantageusement, l'échangeur thermique est de type air/eau. Une partie de l'énergie thermique des gaz d'échappement est transférée au fluide caloporteur circulant dans l'échangeur thermique. L'utilisation de cette énergie récupérée permet d'augmenter le rendement thermique global du groupe moto-propulseur et donc de diminuer sa consommation de carburant.
Selon un mode de réalisation, l'échangeur thermique est relié à un circuit de refroidissement du moteur thermique, la chaleur des gaz d'échappement étant transférée au liquide de refroidissement du circuit de refroidissement du moteur thermique.
L'énergie récupérée des gaz d'échappement permet ainsi d'accélérer la montée en température du moteur. Les pertes thermiques du moteur sont réduites et les frottements sont minimisés, ce qui permet de réduire la consommation de carburant du moteur.
En variante, l'échangeur thermique est relié à un circuit de refroidissement indépendant du circuit de refroidissement du moteur thermique.
L'énergie récupérée des gaz d'échappement est alors transférée au fluide d'un circuit de refroidissement indépendant de celui du moteur. Ce fluide peut être utilisé pour un usage spécifique, par exemple la production d'énergie électrique par détente à travers une turbine entraînant un générateur électrique.
Avantageusement, le liquide du circuit de refroidissement est principalement constitué d'alcool. L'ébullition du liquide de refroidissement, qui permet une détente de la vapeur dans une turbine, est ainsi atteinte pour une température peu élevée.
L'invention concerne également un procédé de récupération d'énergie, mettant en œuvre le système de récupération d'énergie tel que décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes :
Contrôler la vanne de contrôle du débit de recirculation disposée en aval de l'échangeur thermique, (étape 50)
Contrôler la vanne trois voies disposée à la jonction entre un conduit auxiliaire et une ligne d'échappement, (étape 51)
Le contrôle de la position des deux vannes permet d'assurer différents modes de fonctionnement, satisfaisant différents objectifs correspondant à différentes phases d'utilisation du moteur.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
Maintenir la vanne de contrôle du débit de recirculation en position fermée,
Maintenir la vanne trois voies dans une position où la section de passage du conduit auxiliaire est maximale et la section de passage de la ligne d'échappement est minimale, pour maximiser la récupération d'énergie des gaz d'échappement sans assurer de recirculation de gaz d'échappement.
Ce mode d'utilisation, désigné par mode 1, permet de récupérer le maximum d'énergie des gaz d'échappement en forçant les gaz d'échappement à traverser l'échangeur thermique. Aucune recirculation de gaz d'échappement n'est alors assurée.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
Maintenir la vanne trois voies dans une position où la section de passage de la ligne d'échappement est maximale et la section de passage du conduit auxiliaire est minimale, Contrôler la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation autour d'une position d'ouverture partielle, pour assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés.
Ce mode d'utilisation, désigné par mode 2, permet d'assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés. Dans ce mode, le taux de recirculation est ajusté à des valeurs faibles, comprises entre 0% et environ 15%., Un taux de recirculation de 15% signifie que le débit de gaz recirculés correspond à 15% du débit total de gaz d'admission du moteur.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
Maintenir la vanne trois voies dans une position d'ouverture partielle du conduit auxiliaire et de fermeture partielle de la ligne d'échappement,
Contrôler la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation autour d'une position d'ouverture partielle, pour assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés.
Ce mode d'utilisation, désigné par mode 3, permet d'assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés, le taux de recirculation pouvant atteindre des valeurs plus élevées que celles du mode 2. En effet, la fermeture partielle de la ligne d'échappement permet d'augmenter le débit dans la portion de circuit située en amont de la vanne de contrôle du débit de recirculation, et par conséquent permet d'augmenter le débit de recirculation.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
Maintenir la vanne trois voies dans une position où la section de passage du conduit auxiliaire est maximale et la section de passage de la ligne d'échappement est minimale, Contrôler la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation autour d'une position d'ouverture partielle, pour assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés et assurer une récupération d'énergie des gaz d'échappement.
Ce mode d'utilisation, désigné par mode 4, permet de réguler le taux de gaz d'échappement recirculés tout en maximisant la récupération d'énergie des gaz d'échappement, puisque la section de passage de la ligne d'échappement est minimale et force les gaz d'échappement à traverser l'échangeur thermique avant d'être évacués vers l'extérieur ou recirculés vers l'admission du moteur.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
Contrôler la position de la vanne trois voies autour d'une position d'ouverture partielle, Contrôler la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation autour d'une position d'ouverture partielle, pour assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés en maximisant la température des gaz d'échappement recirculés.
Ce mode d'utilisation, désigné par mode 5, permet qu'une fraction des gaz d'échappement, n'ayant pas subi de refroidissement à travers l'échangeur thermique, empruntent le conduit auxiliaire et participe au débit de gaz recirculés. Ce mode permet de favoriser la combustion dans les premières secondes de fonctionnement du moteur qui suivent une phase de démarrage, en augmentant la température du mélange comburant admis.
L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures.
- La figure 1 représente de manière schématique un moteur à combustion équipé d'un système de récupération d'énergie selon l'invention,
- La figure 2 décrit de manière schématique la position des différentes vannes de contrôle du débit du système de récupération d'énergie, selon le mode d'utilisation 1,
- La figure 3 décrit de manière schématique la position des différentes vannes de contrôle du débit du système de récupération d'énergie, selon le mode d'utilisation 2,
- La figure 4 décrit manière schématique la position des différentes vannes de contrôle du débit du système de récupération d'énergie, selon le mode d'utilisation 3,
- La figure 5 décrit manière schématique la position des différentes vannes de contrôle du débit du système de récupération d'énergie, selon le mode d'utilisation 4,
- La figure 6 décrit manière schématique la position des différentes vannes de contrôle du débit du système de récupération d'énergie, selon le mode d'utilisation 5.
- La figure 7 est un schéma bloc illustrant les différentes étapes du procédé mis en œuvre par le dispositif des figures 1 à 6.
On a représenté sur la figure 1 un moteur thermique 1 équipé d'un système de récupération d'énergie 30.
Le fonctionnement du moteur thermique 1 est classique : le moteur 1 comprend un circuit d'admission 2 en gaz comburant, un circuit d'échappement 3 des gaz brûlés et un circuit de recirculation 4 des gaz d'échappement.
L'air comburant alimentant le moteur 1 est admis par l'entrée 21 du circuit d'admission 2, puis est comprimé par un dispositif de suralimentation, comprenant un compresseur 22 entraîné par une turbine 23 solidaire du même axe que le compresseur 22. Le flux gazeux sortant du compresseur 22 est refroidi dans l'échangeur de suralimentation 25. Le débit de ce flux est ajusté par le boîtier papillon 24, et vient alimenter le moteur 1 en gaz comburant. Le répartiteur d'admission permet de répartir le flux traversant le boîtier papillon 24 entre les différents cylindres du moteur 1.
Le carburant est injecté dans le moteur 1 par un système d'injection 26 et brûlé dans les chambres de combustion, permettant ainsi au moteur 1 de fournir de l'énergie mécanique.
Le moteur 1 est ici du type à allumage commandé.
Le mélange gazeux résultant du processus de combustion est évacué du moteur 1 par le circuit d'échappement 3. Les gaz d'échappement traversent la turbine 23 et fournissent, en s'y détendant, l'énergie mécanique nécessaire à la compression du mélange traversant le compresseur 22.
Après détente dans la turbine 23, les gaz d'échappement traversent un dispositif de dépollution 20, comprenant un catalyseur, qui catalyse les réactions chimiques d'oxydation et de réduction des polluants se trouvant dans les gaz d'échappement. Le dispositif de post-traitement 20 comporte également un filtre à particules, retenant les particules contenues dans les gaz d'échappement.
Le système de récupération d'énergie 30 dans le circuit d'échappement 3 du moteur thermique 1 comprend :
Une ligne d'échappement 5,
Une ligne de recirculation 6 agencée pour recevoir des gaz d'échappement du moteur thermique 1, la ligne de recirculation 6 comportant :
o un échangeur thermique 7 o une vanne de contrôle du débit de recirculation 8, disposée en aval de l'échangeur thermique 7,
Un conduit auxiliaire 9 reliant la ligne d'échappement 5 et la ligne de recirculation 6, la jonction 10 entre le conduit auxiliaire 9 et la ligne de recirculation 6 étant situé entre la vanne de contrôle du débit de recirculation 8 et l'échangeur thermique 7,
Une vanne trois voies 11 disposée à la jonction 15 entre le conduit auxiliaire 9 et la ligne d'échappement 5, la vanne trois voies 11 étant agencée pour contrôler le débit de gaz circulant dans le conduit auxiliaire 9 et le débit de gaz circulant dans la ligne d'échappement 5.
La vanne trois voies 11 comporte un volet 12 unique, mobile en rotation, illustré sur les figures 2 à 6.
Le volet 12 de la vanne trois voies 11 est mobile en rotation entre :
Une première position angulaire dans laquelle la section de passage du conduit auxiliaire 9 est minimale et la section de passage de la ligne d'échappement 5 est maximale, et Une deuxième position angulaire dans laquelle la section de passage du conduit auxiliaire 9 est maximale et la section de passage de la ligne d'échappement 5 est minimale.
L'ajustement de la position du volet de la vanne trois voies permet d'ajuster de manière continue la section de passage respective du conduit auxiliaire et de la ligne d'échappement.
La section de passage minimale du conduit auxiliaire 9 correspond à une obturation totale du conduit auxiliaire 9. Par obturation totale d'un conduit, on entend un débit nul à travers le conduit, aux fuites près. En effet, les inévitables imperfections géométriques des pièces laissent subsister un débit de fuite généralement négligeable.
La section de passage minimale de la ligne d'échappement 5 correspond à une obturation à 90% de la ligne d'échappement 5.
En effet, la ligne d'échappement doit permettre que même en cas de blocage de la vanne trois voies l'évacuation des gaz brûlés soit suffisante pour assurer un fonctionnement correct du moteur.
La section de passage maximale du conduit auxiliaire 9 correspond à une ouverture totale du conduit auxiliaire 9.
La section de passage maximale de la ligne d'échappement 5 correspond à une ouverture totale de la ligne d'échappement 5.
La section de passage du conduit auxiliaire 9 est contrôlée par une première aile 13 du volet 12, et la section de passage de la ligne d'échappement 5 est contrôlée par une deuxième aile 14 du volet 12.
Ainsi, l'augmentation de la section de passage du conduit auxiliaire 9 est concomitante avec la diminution de la section de passage de la ligne d'échappement 5.
Par contrôle de la section de passage d'un conduit, on entend que la position de la vanne est ajustée de façon à ce que la valeur de consigne de la section de passage soit atteinte. La vanne trois voies 11 comporte un moteur électrique permettant de commander la rotation du volet par l'intermédiaire d'un mécanisme de commande comportant plusieurs engrenages. Un capteur de position permet de connaître la position angulaire du volet et d'en assurer un contrôle en boucle fermée. Ce contrôle peut être assuré par l'unité électronique pilotant le fonctionnement du moteur thermique 1, ou par une unité électronique dédiée. L'unité électronique de contrôle n' a pas été représentée.
Le volet 12 de la vanne trois voies 11 est un assemblage de deux parties de volet. Les deux parties de volets peuvent être assemblées ensemble par vissage, brasage, ou soudage.
La jonction 15 entre le conduit auxiliaire 9 et la ligne d'échappement 5 est située en aval de la position occupée par la deuxième aile 14 du volet 12 lorsque le volet 12 est en position assurant la section de passage minimale de la ligne d'échappement 5.
Sur l'exemple représenté, l'échangeur thermique 7 est en partie intégré à un dispositif de dépollution 20 des gaz d'échappement du moteur thermique 1. Le dispositif de dépollution 20 possède une forme globalement cylindrique, se terminant par une partie de section décroissante se raccordant avec la ligne d'échappement 5. L'échangeur thermique 7 est raccordé au dispositif de dépollution au niveau de la partie de section décroissante. L'échangeur thermique 7 peut être par exemple soudé au dispositif de dépollution 20.
Cette disposition permet d'obtenir un ensemble compact. De plus, la distance entre le dispositif de dépollution 20 et l'entrée de l'échangeur thermique 7 est minimisée. Certaines réactions chimiques ayant lieu dans le dispositif de dépollution étant exothermiques, les gaz d'échappement entrent ainsi dans l'échangeur à une température élevée, ce qui permet d'augmenter le potentiel de récupération d'énergie.
La ligne d'échappement 5 est reliée au dispositif de dépollution 20 des gaz d'échappement du moteur thermique 1.
La ligne d'échappement et l'échangeur thermique de la ligne de recirculation sont ainsi tous les deux reliées au dispositif de dépollution des gaz d'échappement, ce qui permet une disposition compacte.
La vanne de contrôle du débit de débit de recirculation 8 est une vanne de type à volet rotatif.
Ce type de vanne génère peu de pertes de charge, ce qui permet d'obtenir un débit élevé de gaz d'échappement recirculés.
Comme pour la vanne trois voies, la position angulaire du volet de la vanne est commandée par un moteur électrique, non représenté, qui entraîne le mécanisme de commande du volet. L'échangeur thermique 7 est de type air/eau.
L'échangeur thermique 7 est relié au circuit de refroidissement du moteur thermique 1, la chaleur des gaz d'échappement étant transférée au liquide de refroidissement du circuit de refroidissement du moteur thermique 1.
L'énergie thermique récupérée des gaz d'échappement permet ainsi d'accélérer la montée en température du moteur. Les pertes thermiques sont réduites et les frottements du moteur sont minimisés, ce qui permet de réduire la consommation de carburant et la quantité d'émissions polluantes.
L'invention concerne également un procédé de récupération d'énergie, mettant en oeuvre le système de récupération d'énergie 30 tel que décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes :
Contrôler la vanne de contrôle du débit de recirculation 8 disposée en aval de l'échangeur thermique 7, (étape 50)
Contrôler la vanne trois voies 11 disposée à la jonction entre un conduit auxiliaire 9 et une ligne d'échappement 5. (étape 51)
Le contrôle de la position des deux vannes permet d'assurer la recirculation des gaz d'échappement et la récupération d'énergie à l'échappement. Les flux de gaz entre les différentes lignes où s'écoulent les gaz d'échappement peuvent être optimisés en gérant la position des deux vannes de contrôle. Suivant les conditions d'utilisation du moteur et du véhicule, différents modes peuvent être obtenus, et seront décrits ci-dessous. Les différents modes de fonctionnement peuvent être utilisés tour à tour afin d'optimiser en temps réel le fonctionnement du système en fonction des conditions d'utilisation. Le critère d'optimisation utilisé est différent suivant les différents modes.
Le procédé est mis en œuvre par une unité électronique de contrôle, qui peut notamment être l'unité de pilotage du moteur thermique.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
Maintenir la vanne de contrôle du débit de recirculation 8 en position fermée,
Maintenir la vanne trois voies 11 dans une position où la section de passage du conduit auxiliaire 9 est maximale et la section de passage de la ligne d'échappement 5 est minimale, pour maximiser la récupération d'énergie des gaz d'échappement sans assurer de recirculation de gaz d'échappement.
Dans ce mode d'utilisation, désigné par mode 1, et schématisé sur la figure 2, l'aile 14 du volet 12 obture la partie amont de la ligne d'échappement 5, dont la section de passage est alors minimale. Les gaz d'échappement passent donc par l'échangeur thermique 7 et rejoignent la ligne d'échappement 5 en aval du volet 12. La vanne 8 de recirculation étant alors en position d'obturation de la voie de recirculation 6, il n'y a pas de recirculation de gaz d'échappement. Ce mode de fonctionnement correspond à une récupération d'énergie maximale, sans assurer de recirculation de gaz d'échappement.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
Maintenir la vanne trois voies 11 dans une position où la section de passage de la ligne d'échappement 5 est maximale et la section de passage du conduit auxiliaire 9 est minimale,
Contrôler la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation 8 autour d'une position d'ouverture partielle, pour assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés.
Dans ce mode d'utilisation, désigné par mode 2, et schématisé sur la figure 3, le volet 12 de la vanne trois voies 11 est disposé de façon à ce que la section de passage de la ligne d'échappement 5 soit maximale, et la section de passage du conduit auxiliaire 9 minimale. Les gaz ayant traversé l'échangeur de chaleur 7 ne rejoignent pas la ligne d'échappement 5, puisque le conduit auxiliaire 9 est obturé. L'ouverture contrôlée du volet 18 de la vanne de recirculation 8 permet de réguler le débit de gaz d'échappement recirculés. Le contrôle de la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation consiste à ajuster en continu le degré d'ouverture de la vanne afin que le débit de gaz d'échappement soit égal à sa valeur de consigne. La valeur de consigne est déterminée en continu par l'unité électronique pilotant le fonctionnement du moteur. Le taux de gaz d'échappement recirculés est défini comme le débit de gaz d'échappement recirculés divisé par le débit total de gaz comburant consommé par le moteur.
Le taux de gaz d'échappement recirculés est exprimé en pourcentage. Dans ce mode, le taux de recirculation est ajusté à des valeurs faibles, comprises entre 0% et environ 15%. La récupération d'énergie est très limitée, puisque le débit de gaz traversant l'échangeur thermique 7 correspond au seul débit de gaz recirculés. La recirculation des gaz d'échappement est assurée entre un point du circuit d'échappement situé en aval de la turbine de suralimentation 23 et un point du circuit d'admission situé en amont du compresseur de suralimentation 22, ce qui correspond à l'architecture appelée couramment « basse pression ».
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
Maintenir la vanne trois voies 11 dans une position d'ouverture partielle du conduit auxiliaire 9 et de fermeture partielle de la ligne d'échappement 5,
Contrôler la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation 8 autour d'une position d'ouverture partielle, pour assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés.
Dans ce mode d'utilisation, désigné par mode 3, et schématisé sur la figure 4, le volet 12 de la vanne trois voies 11 est disposé selon une position angulaire permettant une ouverture partielle du conduit auxiliaire et simultanément une fermeture partielle de la partie amont de la ligne d'échappement 5. L'ouverture contrôlée de la vanne de recirculation 8 permet de réguler le débit de gaz d'échappement recirculés. Le taux de recirculation peut atteindre des valeurs plus élevées que dans le mode 2, de l'ordre de 25%, et peut atteindre 40%. En effet, la fermeture partielle de la ligne d'échappement permet d'augmenter le débit de gaz à travers l'échangeur thermique et dans la portion de circuit située en amont de la vanne de contrôle du débit de recirculation. Le taux de gaz recirculés est contrôlé en temps réel en ajustant la position de l'obturateur 18 de la vanne de recirculation 8.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
Maintenir la vanne trois voies 11 dans une position où la section de passage du conduit auxiliaire 9 est maximale et la section de passage de la ligne d'échappement 5 est minimale,
Contrôler la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation 8 autour d'une position d'ouverture partielle, pour assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés et assurer une récupération d'énergie des gaz d'échappement.
Dans ce mode d'utilisation, désigné par mode 4, et schématisé sur la figure 5, le volet 12 de la vanne trois voies 11 assure l'ouverture totale du conduit auxiliaire 9 et la section de passage minimale pour la ligne d'échappement 5. Autrement dit, ce mode correspond au mode précédent avec une position extrême du volet 12 de la vanne trois voies 11. Le taux de recirculation peut atteindre des valeurs encore plus élevées que dans le mode 2, et peut atteindre 70%. Ce mode d'utilisation correspond au contrôle du taux de gaz d'échappement recirculés, selon un faible ou un fort taux, tout en assurant une récupération d'énergie à l'échappement.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
Contrôler la position de la vanne trois voies 11 autour d'une position d'ouverture partielle du conduit auxiliaire 9,
Contrôler la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation 8 autour d'une position d'ouverture partielle, pour assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés en maximisant la température des gaz d'échappement recirculés.
Dans ce mode d'utilisation, désigné par mode 5, et schématisé sur la figure 6, la position du volet 12 de la vanne trois voies 11, associée à la position de l'obturateur de la vanne de recirculation 8, permet qu'une fraction des gaz d'échappement n'ayant pas subi de refroidissement à travers l'échangeur thermique emprunte le conduit auxiliaire 9 et participe au débit de gaz recirculés à l'admission du moteur 1. Le contrôle de la position de la vanne trois voies 11 consiste à ajuster en continu le degré d'ouverture du volet 12 de la vanne 11 afin que le débit de gaz d'échappement soit égal à sa valeur de consigne. Ce mode permet de réaliser une recirculation de gaz d'échappement non refroidis, ce qui permet d'augmenter la température du mélange comburant admis par le moteur 1. La vaporisation du carburant dans les chambres de combustion du moteur est facilitée, ce qui améliore la qualité de la combustion dans les premières secondes de fonctionnement du moteur, assurant une combustion plus stable et générant moins d'émissions polluantes.
Selon des modes de réalisation non représentés, le système de récupération d'énergie décrit peut également comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou combinées entre elles :
L'échangeur thermique 7 peut être fixé au dispositif de dépollution 20 par vissage. Les deux composants peuvent ainsi fabriqués séparément.
La vanne de contrôle du débit de débit de recirculation 8 peut être une vanne de type à soupape. Ce type de vanne possède une bonne étanchéité, et évite d'avoir un débit parasite de gaz recirculés.
Le volet 12 de la vanne trois voies 11 peut être monobloc. Le volet peut par exemple être obtenu par déformation d'une pièce préformée, comme une tôle emboutie. Le nombre de constituants est ainsi minimisé.
La première aile 13 du volet 12 peut reposer sur un joint lorsque le volet est en position d'obturation du conduit auxiliaire. Le joint est métallique.
L'axe de rotation du volet 12 peut passer par le volume dans lequel s'étendent les deux ailes 13,14 du volet.
L'échangeur thermique 7 peut être relié à un circuit de refroidissement indépendant du circuit de refroidissement du moteur thermique 1. L'énergie récupérée des gaz d'échappement est ainsi transférée au fluide d'un circuit de refroidissement indépendant de celui du moteur. Ce fluide peut être utilisé pour un usage spécifique, par exemple la production d'énergie électrique par détente du fluide chauffé à travers une turbine entraînant un générateur électrique.
Le liquide du circuit de refroidissement peut être principalement constitué d'alcool. L'ébullition du liquide de refroidissement est ainsi atteinte pour des températures peu élevées.
La recirculation de gaz d'échappement peut être réalisée entre un point du circuit d'échappement situé en amont de la turbine de suralimentation et un point du circuit d'admission situé en aval du compresseur de suralimentation, selon l'architecture dite « haute pression ».
Le moteur 1 peut être un moteur à allumage par compression, aussi appelé moteur Diesel.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés, qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de récupération d'énergie (30) dans un circuit d'échappement (3) d'un moteur thermique (1), comprenant :
    une ligne d'échappement (5), une ligne de recirculation (6) agencée pour recevoir des gaz d'échappement du moteur thermique (1), la ligne de recirculation (6) comportant :
    o un échangeur thermique (7) o une vanne de contrôle du débit de recirculation (8), disposée en aval de l'échangeur thermique (7), un conduit auxiliaire (9) reliant la ligne d'échappement (5) et la ligne de recirculation (6), la jonction (10) entre le conduit auxiliaire (9) et la ligne de recirculation (6) étant situé entre la vanne de contrôle du débit de recirculation (8) et l'échangeur thermique (7), une vanne trois voies (11) disposée à la jonction (15) entre le conduit auxiliaire (9) et la ligne d'échappement (5), la vanne trois voies (11) étant agencée pour contrôler le débit de gaz circulant dans le conduit auxiliaire (9) et le débit de gaz circulant dans la ligne d'échappement (5).
  2. 2. Système de récupération d'énergie selon la revendication 1, selon lequel la vanne trois voies (11) comporte un volet (12) unique, mobile en rotation.
  3. 3. Système de récupération d'énergie selon la revendication 2, selon lequel le volet (12) de la vanne trois voies (11) est mobile en rotation entre :
    une première position angulaire dans laquelle la section de passage du conduit auxiliaire (9) est minimale et la section de passage de la ligne d'échappement (5) est maximale, et une deuxième position angulaire dans laquelle la section de passage du conduit auxiliaire (9) est maximale et la section de passage de la ligne d'échappement (5) est minimale.
  4. 4. Système de récupération d'énergie selon la revendication 2 ou 3, selon lequel la section de passage du conduit auxiliaire (9) est contrôlée par une première aile (13) du volet (12), et la section de passage de la ligne d'échappement (5) est contrôlée par une deuxième aile (14) du volet (12).
  5. 5. Système de récupération d'énergie selon l'une des revendications précédentes, selon lequel l'échangeur thermique (7) est en partie intégré à un dispositif de dépollution (20) des gaz d'échappement du moteur thermique (1).
  6. 6. Procédé de récupération d'énergie, mettant en oeuvre le système de récupération d'énergie (30) selon l'une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes :
    Contrôler la vanne de contrôle du débit de recirculation (8) disposée en aval de l'échangeur thermique (7), (étape 50)
    Contrôler la vanne trois voies (11) disposée à la jonction entre un conduit auxiliaire (9) et une ligne d'échappement (5). (étape 51)
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, comprenant les étapes suivantes :
    Maintenir la vanne de contrôle du débit de recirculation (8) en position fermée, Maintenir la vanne trois voies (11) dans une position où la section de passage du conduit auxiliaire (9) est maximale et la section de passage de la ligne d'échappement (5) est minimale, pour maximiser la récupération d'énergie des gaz d'échappement sans assurer de recirculation de gaz d'échappement.
  8. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, comprenant les étapes suivantes :
    Maintenir la vanne trois voies (11) dans une position où la section de passage de la ligne d'échappement (5) est maximale et la section de passage du conduit auxiliaire (9) est minimale,
    Contrôler la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation (8) autour d'une position d'ouverture partielle, pour assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés.
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, comprenant les étapes suivantes :
    Maintenir la vanne trois voies (11) dans une position d'ouverture partielle du conduit auxiliaire (9) et de fermeture partielle de la ligne d'échappement (5),
    Contrôler la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation (8) autour d'une position d'ouverture partielle, pour assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés.
  10. 10. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, comprenant les étapes suivantes :
    Maintenir la vanne trois voies (11) dans une position où la section de passage du conduit auxiliaire (9) est maximale et la section de passage de la ligne d'échappement (5) est minimale,
    Contrôler la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation (8) autour d'une position d'ouverture partielle, pour assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés et assurer une récupération d'énergie des gaz d'échappement.
  11. 11. Procédé selon l'une des revendications 6 à 10, comprenant les étapes suivantes :
    Contrôler la position de la vanne trois voies (11) autour d'une position d'ouverture
    5 partielle,
    Contrôler la position de la vanne de contrôle du débit de recirculation (8) autour d'une position d'ouverture partielle, pour assurer une régulation du débit de gaz d'échappement recirculés en maximisant la température des gaz d'échappement recirculés.
    1/3 >
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