EP4112913A1 - Véhicule automobile à moteur à combustion interne comportant un système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement - Google Patents

Véhicule automobile à moteur à combustion interne comportant un système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement Download PDF

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Publication number
EP4112913A1
EP4112913A1 EP22179344.1A EP22179344A EP4112913A1 EP 4112913 A1 EP4112913 A1 EP 4112913A1 EP 22179344 A EP22179344 A EP 22179344A EP 4112913 A1 EP4112913 A1 EP 4112913A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
water
exhaust
engine
tank
outside air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22179344.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Fabre
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
New H Powertrain Holding SLU
Original Assignee
Renault SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault SAS filed Critical Renault SAS
Publication of EP4112913A1 publication Critical patent/EP4112913A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0221—Details of the water supply system, e.g. pumps or arrangement of valves
    • F02M25/0222—Water recovery or storage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/005—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for draining or otherwise eliminating condensates or moisture accumulating in the apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0227—Control aspects; Arrangement of sensors; Diagnostics; Actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/025—Adding water

Definitions

  • the invention relates to a motor vehicle comprising a system for recovering water from the exhaust gases of an internal combustion engine by enthalpy air/exhaust gas mixing, with storage and management of the extracted water. It also relates to a process for recovering water from the exhaust gases passing through the exhaust line of an internal combustion engine, including supplying the engine with recovered water.
  • the heat engines of motor vehicles in particular gasoline-powered ones with high specific power, can be limited on the one hand by the thermal resistance of the constituent parts of the exhaust system evacuating the combustion gases, and on the other hand by the appearance knocking in their combustion chambers.
  • Another water recovery solution could be envisaged by recovery of rainwater, but it also has the major drawback of a lack of availability of water to condense for a given external condition, in particular in the event of summer drought or in very cold and/or desert climates.
  • the water injected is water recovered from the exhaust gases emitted by a combustion engine of a motor vehicle, following the combustion of the fuel.
  • a heat exchanger also called a condenser
  • the condenser/cooler is used directly in the exhaust gas duct, to condense the water vapor contained in said gases.
  • This type of system requires that the condenser/cooler itself be supplied with cold fluid. Independently of the high cost of this device, it therefore has the disadvantage of adding cooling needs additional and considerable on calenders already well loaded with coolers (RAS (Supercharged Air Cooler) / Main radiator / Air conditioning system exchanger / aerostat, etc.).
  • RAS Supercharged Air Cooler
  • the invention aims to provide a system for injecting water into an engine, whether directly into the combustion chamber or whether upstream of the combustion chamber, in the air intake ducts, which does not have, at least in large part, the drawbacks of the systems of the prior art.
  • upstream and downstream relate to the direction of circulation of the exhaust gases in the exhaust line and the condensation chamber, the gases circulating from the outlet of the combustion chamber of the engine towards the open end of the exhaust pipe expelling said gases (generally towards the rear of the vehicle).
  • the powertrain comprises at least one internal combustion engine, which can be naturally aspirated or turbocharged (supercharged), assisted or not by electric motors.
  • one or more computers can make it possible to operate the entire powertrain.
  • the means for post-treatment of the exhaust gases produced by the engine, resulting from the combustion of the fuel/intake air mixture may comprise a catalytic converter to clean up the exhaust gases and preferably also a particulate filter to treat the fine particles present in the exhaust gases.
  • the circuit for supplying the engine with recovered water may comprise means for introducing recovered water into the engine, such as one or more injectors, for example an injector rail.
  • said secondary reservoir has a capacity greater than that of the primary reservoir, in order to be able to transfer therein at least all of the water contained in the primary reservoir. Furthermore, it should preferably be insensitive to the solidification of water.
  • said secondary tank also called “hot tank”
  • said secondary tank must be in a hot zone so that sufficient temperatures prevail there to allow the liquefaction and evaporation of the water it contains. It is preferably located in a hot part of the exhaust line when driving (of the vehicle).
  • this secondary tank allows at least to drain the water accumulated in said tank primary, also called “cold tank”, in particular at the end of driving so as to avoid the problem of managing the frost in said cold tank, and it can also avoid the stagnation of the recovered water.
  • the exhaust line comprises a silencer, and said silencer constitutes said secondary tank.
  • said water recovery system comprises a water pump allowing at least the circulation of the water recovered from the primary tank to the secondary tank and also from the primary tank to the engine supply circuit in reclaimed water.
  • said water recovery system comprises means for circulating the recovered water allowing water to circulate in both directions between said primary reservoir and said secondary reservoir. Also advantageously, said system comprises means for circulating the recovered water allowing water to circulate in both directions between said primary tank and the circuit for supplying the engine with recovered water, in order to be able to drain the circuit if necessary.
  • said means allowing this two-way circulation comprise a self-priming water pump.
  • the condensation chamber is intended to receive the mixture of exhaust gases and fresh air. This is where the condensation reaction of the mixture thus formed takes place.
  • said condensation chamber comprises at least one metal condensation support, making it possible to promote the condensation of the water contained in the gases by the formation of droplets on its cold metal walls, for example one or more grids fine mesh metal.
  • said water recovery system comprises a mixer downstream of the connection of the system for capturing and conveying outside air to the exhaust line and upstream of the chamber condensation, to homogenize the exhaust gases and the outside air forming the enthalpy mixture that will enter the condensation chamber.
  • said system for capturing and conveying outside air comprises means for controlling the flow rate of the flow of outside air mixing with the exhaust gases, for example a controllable valve.
  • said system for capturing and conveying outside air comprises a scoop, and if necessary the scoop is equipped with a means for controlling the flow rate of the flow of outside air mixing with the exhaust gases, by example a controllable valve.
  • said system for capturing and conveying outside air comprises an air pump allowing the supply of air and the control of the flow rate of the flow of outside air mixing with the exhaust gas.
  • this air pump can be controlled electrically, in order to be able to generate an enthalpy mixture even if the vehicle is not moving, the engine being running, or is driving at low speeds.
  • said water recovery system comprises means for controlling the flow rate of the flow of exhaust gases mixing with the outside air to form the enthalpy mixture.
  • said system comprises a bypass, for example a controllable valve.
  • said system comprises means for managing the production of water, making it possible to adjust the quantity of water produced on demand, in particular according to the meteorological conditions (temperature, hygrometry) and/or the type of route of the vehicle. , and/or the formulation of the fuel used, and to supervise the minimum quantity of water to be kept in reserve in the primary tank.
  • meteorological conditions temperature, hygrometry
  • the formulation of the fuel used and/or to supervise the minimum quantity of water to be kept in reserve in the primary tank.
  • said system comprises a supervisor of a minimum quantity of water constituting a water reserve in the primary reservoir, in conjunction with a water production model, in particular as a function of parameters relating to meteorological conditions, and /or to the characteristics of the fuel and/or of the intake air and/or of the exhaust gases and/or of the outside air forming the enthalpy mixture, and/or of the road profile through which the vehicle travels
  • the water recovery system comprises sensors, probes, computers and, where appropriate, means of communication with or without wires necessary for its operation.
  • the various controllable elements can be controlled by dedicated computers or by those of the powertrain.
  • condensation chamber is arranged on the exhaust line downstream of a hot part of said exhaust line is understood to mean that the chamber is located downstream of the gas post-treatment part, and sufficiently away to benefit from "natural" cooling of the exhaust gases.
  • said method comprises the following step: checking the quantity of water available in the primary tank previously at or during the starting of the engine, and if the quantity is zero or insufficient in relation to a quantity estimated to be necessary, pumping the water from the secondary tank to the primary tank.
  • said method comprises the step: monitoring the rate of renewal of the water in the primary reservoir, and if this rate is lower than a given rate (fixed for example by the manufacturer or a standard, and well before the conditions alteration of the water do not occur), during the next uses of the engine, for example when driving the vehicle comprising said engine, routing the water from the cold tank to the hot tank so that this water vaporizes from again and is vented to the atmosphere and/or recondensed.
  • a given rate fixed for example by the manufacturer or a standard, and well before the conditions alteration of the water do not occur
  • said method comprises the step: managing the production of recovered water by controlling the flow rate of the outside air and/or the flow rate of the exhaust gases before the connection between the system for capturing and conveying the outside air and the exhaust line, for example by controlling controllable valves, or in the case of air by pumping the outside air with a controllable air pump, in particular an electric air pump.
  • the outside air flow rate set point and the exhaust gas flow rate set point are determined from the desired water flow rate by applying an inverted water production model, and by applying vectors of flow rate couples of the possible exhaust gases / outdoor air flow setpoint, and by minimizing the carbon dioxide cost function
  • the production of recovered water is managed according to a water production model by corrective learning, in particular to establish the reserve of water necessary to have in the primary reservoir.
  • the figure 1 schematically illustrates a system for recovering water from the exhaust gases of an internal combustion engine with storage of the extracted water to supply said engine with recovered water in accordance with the invention.
  • FIG 2 and 3 schematically illustrate a motor vehicle V, V 'in bottom view whose four wheels R1, R2, R3, R4 are represented, the water recovery system comprising variants on an outside air supply.
  • a powertrain comprising at least one internal combustion engine 1, which can be naturally aspirated or turbocharged (supercharged), assisted or not by electric motors.
  • the engine comprises four cylinders supplied with fresh air by an air intake device comprising an air inlet 100 passing through an air filter 101, a flow meter 102 to mix with the fuel, the mixture being burned in the combustion chamber 10.
  • the exhaust line 20 comprises an exhaust pipe for conducting the exhaust gases to the outlet 200, the line comprising on the gas path a post-treatment system making it possible to treat the gaseous effluents as well that the particles, produced by the internal combustion engine consisting of an upstream oxygen sensor 203A then a catalytic converter 203 depolluting the effluents of certain compounds, followed by a downstream oxygen sensor 203 B, a particulate filter 204, an exhaust gas temperature sensor 205.
  • the exhaust line also includes a silencer 201 to attenuate the noise generated by the exhaust gases.
  • a system for recovering water in the exhaust gases is installed on the exhaust line downstream of the gas post-treatment and upstream of the exhaust gas outlet expelling said gases at the rear of the vehicle.
  • Said water recovery system comprises a device for capturing and conveying outside air, a chamber for condensing an enthalpy air/exhaust gas mixture, means for managing the extracted water comprising reservoirs extracted water storage and extracted water circulation circuits with a water pump.
  • said water recovery system is located between the exhaust gas inlet (arrow G) in the silencer 201 and the exhaust gas outlet 200.
  • This water recovery system comprises a scoop 40 forming an air intake for capturing and conveying outside air (arrow A), captured while the vehicle is moving. It is connected to the exhaust pipe, the fluidic junction being located downstream of the gas post-treatment, according to the example at the outlet of the silencer 201, allowing a supply of fresh air (arrow A) which mixes with the exhaust gases. hot exhaust (arrow G).
  • this junction will be made as far as possible from the engine outlet and after the post-treatment of the gases because the mixture must be done with gases already purified of their pollutants and far enough to benefit from a "natural" cooling of the gases. exhaust; in fact, the purified exhaust gases will have already been partially cooled by the heat exchanges between the exhaust line and the outside.
  • the exhaust backpressure is very low at the end of the line, it is all the more easy to introduce air traveling there from the scoop (capturing air in an overpressure zone when the vehicle is moving ).
  • said scoop is a bent tube open at its free end to capture air while driving along a tubular part oriented along the longitudinal axis X of the vehicle, and its other open end, after the bend of the tube, is connected opening into the exhaust pipe, before the mixer.
  • the scoop 40' has a flap 43 such as a controllable valve to modulate the flow of fresh air to the condensation chamber.
  • the scoop is a tube comprising a straight part (in the direction X) open at each end in which the air enters while driving and a tubular part connecting with the exhaust pipe in which the air circulates (arrow A1) .
  • the flap modulates the incoming air flow (arrow A) into a first air flow (arrow A1) which is directed by the tubular joining part towards the exhaust pipe, before the mixer, to mix with the exhaust gases. exhaust, and in a flow of air (arrow A2) which emerges from the scoop at the end of the right part.
  • the flap has the advantage of minimizing the additional drag (coefficient Cx) due to the scoop when the quantity of water to be produced is low or zero. Indeed, when the scoop flap is open, the drag of the scoop is then reduced to that of a tube, right part, whose axis is in the axis longitudinal X of the vehicle, and then being open at both ends, it generates very low drag.
  • the collection of fresh air can be ensured by an air pump 44, directly taking the outside air (arrow A), and said pumped air A' is routed through a conduit cooperating with the air pump, towards the pipe of exhaust, at a point similar to the junction point as described above for the scoops, before the mixer.
  • This pump can be controlled electrically, which has the advantage of being able to generate an enthalpy mixture even when the vehicle is not moving (with the engine running) or is at low speed.
  • the junction should be located as far away from the engine as possible. The exhaust backpressure to be overcome will thus be minimized.
  • said water recovery system comprises an exhaust gas by-pass, constituted according to the example of a valve 23 for controlling the flow of exhaust gases (arrow G) leaving the silencer 201.
  • This by- pass is located downstream of the silencer, and upstream of the junction at the point of introduction of fresh air, before the mixer 4, and therefore upstream of the condensation chamber 30.
  • This configuration is intended to facilitate the condensation of the water contained in the enthalpy mixture by taking only part of the exhaust gases (arrow G1) to adapt it to the capacities of the means to condense the water, the other part of the gases (arrow G2) being for example evacuated by a pipe 22 whose outlet 220 opens out at the rear of the vehicle.
  • this bypass can be useful in driving conditions where the flow of fresh air would not be sufficient to bring all the exhaust gases below the dew point.
  • the typical example here in which this bypass can be useful is that of a vehicle on a steep climb, for example the climb of a pass, the engine being very stressed, temperature and exhaust gas flow will be high with a low vehicle speed, which limits the flow of fresh air forced by the scoop ( figure 2 ).
  • the water recovery system comprises a condensation chamber 30 comprising condensation supports 300, constituted according to the example by fine-mesh metal grids, making it possible to promote the condensation of the water contained in the gases by the formation of droplets on the cold metal walls.
  • condensation supports 300 must only generate a very low counterpressure so as not to penalize the rated operation of the motor.
  • the grids are arranged straight or inclined to promote the flow of water droplets.
  • the outside air entering (arrow A, A') in the outside air capture and delivery device 40, 40'; 40” passes through a mixer 4, located upstream of the condensation chamber 30, with the hot exhaust gases leaving the silencer 201 to homogenize said mixture and form a fresh air/hot gas enthalpy mixture leading to the condensation reaction of the water contained in vapor form in the hot exhaust gases in the condensation chamber.
  • the water droplets thus formed in the condensation chamber flow along the condensation grids and accumulate in said chamber which forms according to this example the primary storage tank 301, also called “cold tank”, to recover in liquid form, the water vapor extracted from the exhaust gases.
  • the primary storage tank can be separate from the condensation chamber, it is located downstream of said chamber.
  • said water recovery system comprises a system for managing the water extracted in liquid form from said primary storage tank 301.
  • Said management system comprises a circuit connecting said primary tank 301 and a water pump 33, and said pump being connected on the one hand to the circuit for supplying the engine with recovered water 32, and on the other hand to a circuit for returning recovered water 34, also called the end-of-mission circuit, to a secondary storage tank 302 located upstream of the condensation chamber.
  • This secondary tank, called “hot tank”, is constituted according to the example by the silencer, more precisely by the envelope of the silencer.
  • the circuit for supplying the engine with recovered water 32 ends with an injection rail 35 equipped with injectors 350 in order to inject the water into the air intake circuit at the level of the engine (one injector per cylinder).
  • the injection of water into the engine can take place directly into the combustion chamber.
  • the secondary storage tank 302 is a tank into which up to all of the water contained in the primary tank can be discharged. In fact, its capacity must be greater than that of the primary reservoir, especially since the water can freeze there. It must be insensitive to the solidification of water, in other words it must not be sensitive to frozen water, it must not crack, tear or even deform on the passage of water from the state liquid to solid. In driving conditions of the vehicle, there must be sufficiently high temperatures to allow the liquefaction and evaporation of the water. Thus, this hot tank makes it possible to drain the water accumulated in the cold tank at the end of driving so as to avoid the problem of managing frost in the cold tank. This emptying of the cold tank, at the end of the mission, makes it possible to make the system operational quickly with the water produced at the start of the mission (no need to wait for the water produced during the previous runs to thaw).
  • this transfer of water from the primary tank to the hot secondary tank prevents the water extracted from stagnating, because the water will then be vaporized due to the temperatures prevailing there when the engine is running, and will pass into the exhaust gases. hot exhaust to be condensed and/or expelled.
  • the water pump 33 makes it possible to supply recovered water to the engine supply circuit by the water thus produced, from the primary tank to its place of introduction into the engine, and also to drain this water accumulated at the end of taxiing, possibly during taxiing, from the primary tank to the secondary tank.
  • this pump is preferably self-priming to be able to act in discharge/pumping in order to also be able to drain the supply circuit of the engine to prevent freezing if necessary, and to allow the transit of water in both directions between the secondary tank and the primary tank.
  • the figure 4 represents a block diagram of a strategy for implementing and controlling a configuration similar to that according to the configuration according to the picture 2 .
  • a control of the volume of water required is present in the primary tank (block 501), if not the system verifies whether the water is recoverable in the secondary reservoir (block 502). If yes, the system in the taxiing phase (line 51) checks the status of the system's pump 33 (blocks 512, 513, 516), and if correct, the production supervisor requests the quantity of water required for maintaining water reserve for the primary reservoir (block 518) and the water production model is activated (block 520), and when the required water level is reached (block 522) the injection of water in the engine is possible (block 524).
  • the system checks whether a risk of freezing is detected or whether the water has been stored for longer than required in the primary tank (block 530), and whether yes, the system orders the emptying of the primary tank towards the secondary and the emptying of the pump and the circuit pipes (block 531), if not the computer is authorized to be switched off (block 532).
  • a direct measurement of the relative wind; by anemometer, Pitot probe, or indirectly by analysis of the drag force at constant speed, etc. makes it possible to refine the opening setpoint to obtain a target fresh air flow.
  • the direct measurement of the air flow makes it possible to slave the opening of the scoop valve to a target flow of fresh air.
  • This flow measurement can be made by means of a physical flow meter or by a correlation of the flow to the counterpressure measured at the terminals of the pilot valve for example.
  • a water reserve supervisor issues the water production needs, in mg/s for example, this request is established taking into account the quantity consumed, the stock and possibly a forecast quantity based on the information of the trip, the driver habits etc.
  • the quantity of water to be extracted is deduced in particular from the following information, temperature and flow rate of the exhaust gases to be mixed (or set point if controlled via a valve), fuel richness, fuel formulation, temperature and air flow outside (or setpoint if controlled via a lifting scoop), hygrometry.
  • the water reserve supervisor aims to maintain a buffer water level to deal with the unexpected. This is the level of reserve to be reached, deemed optimal. Once this prior stock of water has been constituted, the supervisor aims to maintain this level by issuing to the water production model a setpoint making it possible to exactly compensate for the water consumption of the engine.
  • the supervisor can also take into account a usage forecasting aspect coupled with knowledge of the driving profile (geographical data by GPS) and of the customer usage profile. This is to respond to case of difficult uses such as the production of water at low speed of a vehicle under heavy load (for example in the case of a mountain pass), or to temporarily minimize production if conditions are more favorable for production of water are imminent (for example in the case of the descent of the pass). This forecast therefore makes it possible to secure the water supply and produce water at a lower environmental cost, in particular in terms of carbon dioxide (CO2) if future driving conditions allow it.
  • CO2 carbon dioxide
  • This invention has the advantage of being autonomous (without human intervention) and of having the best availability of the function of injecting water into the engine by eliminating, for example, the risk of non-availability of the system in the event of non refilling the water tank.
  • the system according to the invention has the advantage of being economical (no cost of an exchanger, with significant cooling requirements) and of being easy to implement, in particular because it does not require additional cooling on the front of the vehicle.
  • the responsiveness of the system according to the invention and its ability to regulate the quantity of water produced makes it possible to facilitate the storage of water.
  • the water production and management management strategy makes it possible to recover only the strictly necessary volume of water in the exhaust line. It thus limits the drag induced by the scoop, or the exhaust counter-pressure necessary to take off the adequate flow.
  • Water management and in particular the draining system upstream of the condensation chamber at the end of driving protects against non-operation in the case of use of starting in very cold conditions (Text ⁇ 0°C) .

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Abstract

[Véhicule automobile (V, V') comprenant un système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement incluant un circuit d'alimentation du moteur (32, 35, 350) en eau récupérée, le ledit système comprenant :- une chambre de condensation (30) d'un mélange enthalpique air extérieur/gaz d'échappement pour en extraire l'eau , disposée dans la ligne d'échappement en aval de la partie de post-traitement des gaz d'échappement,- un système de captation et d'acheminement d'air extérieur (40, 40', 40", 43, 44), ayant une connexion fluidique avec la ligne d'échappement en aval de la partie de post-traitement des gaz d'échappement et en amont de ladite chambre de condensation, et- au moins deux réservoirs (301, 302) distincts pour le stockage de l'eau récupérée, l'un constituant un réservoir primaire (301) situé dans ou en aval de ladite chambre de condensation et qui fournit l'eau qui alimentera le moteur, et l'autre constituant un réservoir secondaire (302) situé en amont de la chambre de condensation, et- des moyens de circulation (33) de l'eau récupérée permettant au moins une circulation de l'eau dudit réservoir primaire vers ledit réservoir secondaire et dudit réservoir primaire vers le circuit d'alimentation du moteur en eau récupérée.

Description

  • [L'invention concerne un véhicule automobile comprenant un système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne par mélange enthalpique air/gaz d'échappement, avec stockage et gestion de l'eau extraite. Elle concerne aussi un procédé de récupération d'eau dans les gaz d'échappement passant dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, incluant l'alimentation du moteur en eau récupérée.
  • Les moteurs thermiques des véhicules automobiles, notamment ceux à essence à forte puissance spécifique, peuvent être limités d'une part par la tenue thermique des pièces constitutives du dispositif d'échappement évacuant les gaz de combustion, et d'autre part par l'apparition de cliquetis dans leurs chambres de combustion.
  • Une des voies connues permettant de résoudre ces problèmes, tout en conservant les performances de dépollution, est l'injection d'eau à l'admission d'air. En effet l'injection d'eau sous forme liquide n'apporte pas d'énergie supplémentaire à la combustion. L'eau injectée sous forme liquide ajoute de la capacité thermique massique (dite aussi chaleur massique ou chaleur spécifique) au mélange carburant/air d'admission, et sa chaleur latente de vaporisation (dite aussi enthalpie de vaporisation). Il en résulte une baisse de la température de combustion, ce qui est positif contre le cliquetis, et une baisse de la température des gaz d'échappement, ce qui est favorable à la tenue thermique des pièces constitutives du dispositif d'échappement.
  • Les systèmes d'injection d'eau existants fonctionnent majoritairement en étant rechargés par apport d'eau provenant du commerce via un remplissage d'un circuit d'alimentation dédié.
    Ce mode de réalisation pose notamment les problèmes suivants :
    • un compromis taille de réservoir / autonomie acceptable à trouver,
    • le besoin d'un système de remplissage dédié,
    • le besoin d'eau déminéralisée et la nécessité de faire la recharge du réservoir en eau déminéralisée régulièrement, avec intervention du conducteur ou d'un opérateur pour la recharge,
    • le besoin de maintien de la qualité de l'eau dans le temps par un traitement adéquat contre le croupissement,
    • le besoin d'un système de dégel, pour un fonctionnement par temps froid.
  • Les inconvénients de ce type de système d'injection avec recharge d'eau est d'être contraignant pour l'utilisateur du véhicule car non-autonome, et d'être relativement coûteux (surcoût initial fort et un coût d'usage supplémentaire pour les recharges en eau déminéralisée), et ce pour un système qui au final ne sera pas toujours disponible, ce qui de plus entraîne une perte de performance du moteur.
  • Comme autre solution connue, il a été proposé la récupération d'eau par assèchement de l'air extérieur par un système de climatisation. Son inconvénient majeur est d'être tributaire des conditions externes, par exemple en atmosphère sèche, ce système peut être limité voire inopérant.
  • Une autre solution de récupération d'eau a pu être envisagée par récupération de l'eau de pluie, mais elle présente aussi l'inconvénient majeur d'un manque de disponibilité d'eau à condenser pour une condition externe donnée, notamment en cas de sécheresse estivale ou en climats très froids et/ou désertiques.
  • Selon une autre solution, l'eau injectée est une eau récupérée dans les gaz d'échappement émis par un moteur thermique d'un véhicule automobile, suite à la combustion du carburant. Dans cette solution, on utilise un échangeur de chaleur, appelé aussi condenseur, directement dans le conduit des gaz d'échappement, pour condenser la vapeur d'eau que comprend lesdits gaz. Un tel système a par exemple été décrit dans la demande de brevet WO2017174254A1 .
    Ce type de système impose que le condenseur/refroidisseur soit lui-même alimenté en fluide froid. Indépendamment du coût élevé de ce dispositif, il présente donc l'inconvénient de rajouter des besoins de refroidissement supplémentaires et considérables sur des calandres déjà bien chargées en refroidisseurs (RAS (Refroidisseur Air Suralimentation) / Radiateur principal /Echangeur du système de climatisation / aérostat, etc.).
  • Tous ces systèmes d'injection d'eau dans le circuit de combustion présentent des inconvénients, notamment ceux énoncés précédemment, bien que ces systèmes aient montré de l'intérêt quel que soit le lieu d'adjonction d'eau, que ce soit directement dans la chambre de combustion ou que ce soit en amont de la chambre de combustion dans les conduits d'admission d'air.
  • L'invention vise à proposer un système pour injecter de l'eau dans un moteur, que ce soit directement dans la chambre de combustion ou que ce soit en amont de la chambre de combustion, dans les conduits d'admission d'air, qui ne présente pas, au moins en grande partie, les inconvénients des systèmes de l'art antérieur.
  • A cet effet, l'invention propose un véhicule automobile comprenant un groupe motopropulseur comportant au moins un moteur à combustion interne, une ligne d'échappement avec une partie comportant des moyens de post-traitement des gaz d'échappement produits par le moteur, un système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement incluant un circuit d'alimentation en eau récupérée du moteur,
    se caractérisant en ce que ledit système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement comprend :
    • une chambre de condensation d'un mélange enthalpique air extérieur/gaz d'échappement pour en extraire l'eau , disposée sur la ligne d'échappement en aval de la partie de post-traitement des gaz d'échappement,
    • un système de captation et d'acheminement d'air extérieur, ayant une connexion fluidique avec la ligne d'échappement en aval de la partie de post-traitement des gaz d'échappement et en amont de ladite chambre de condensation, et
    • au moins deux réservoirs distincts pour le stockage de l'eau récupérée, l'un constituant un réservoir primaire situé dans ou en aval de ladite chambre de condensation et qui fournit l'eau qui alimentera le moteur, et l'autre constituant un réservoir secondaire situé en amont de la chambre de condensation, et
    • des moyens de circulation de l'eau récupérée permettant au moins une circulation de l'eau dudit réservoir primaire vers ledit réservoir secondaire et dudit réservoir primaire vers le circuit d'alimentation du moteur en eau récupérée.
  • Les notions d' « amont » et d' « aval » sont relatives au sens de circulation des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement et la chambre de condensation, les gaz circulant de la sortie de la chambre de combustion du moteur vers l'extrémité ouverte du tuyau d'échappement expulsant lesdits gaz (en général vers l'arrière du véhicule).
  • Le groupe motopropulseur comporte au moins un moteur à combustion interne, qui peut être atmosphérique ou turbocompressé (suralimenté), assisté(s) ou non par des moteurs électriques. En outre un ou plusieurs calculateurs peuvent permettre de faire fonctionner l'ensemble du groupe motopropulseur.
  • Les moyens de post-traitement des gaz d'échappement produits par le moteur, résultant de la combustion du mélange carburant / air d'admission, peuvent comprendre un convertisseur catalytique pour dépolluer les gaz d'échappement et de préférence aussi un filtre à particules pour traiter les particules fines présentes dans les gaz d'échappement.
  • L'apport d'air extérieur qui est à une température fraîche, beaucoup plus basse que celle des gaz d'échappement qui sont chauds, permet d'effectuer/contrôler le mélange gazeux enthalpique comme expliqué plus loin en détails lors de la description des exemples et des dessins.
  • Le circuit d'alimentation du moteur, en eau récupérée, peut comprendre des moyens d'introduction d'eau récupérée dans le moteur tels que un ou plusieurs injecteurs, par exemple une rampe d'injecteurs.
  • Selon un mode avantageux de l'invention, ledit réservoir secondaire a une contenance supérieure à celle du réservoir primaire, afin de pouvoir y transvaser au moins l'intégralité de l'eau contenue dans le réservoir primaire. En outre il doit être de préférence insensible à la solidification de l'eau. De plus, ledit réservoir secondaire, dit aussi « réservoir chaud », doit être dans une zone chaude de sorte qu'il y règne des températures suffisantes pour permettre la liquéfaction et l'évaporation de l'eau qu'il contient. Il est de préférence situé dans une partie chaude de la ligne d'échappement en roulage (du véhicule). Ainsi ce réservoir secondaire permet au moins de vidanger l'eau accumulée dans ledit réservoir primaire, dit aussi « réservoir froid », notamment en fin de roulage de manière à éviter le problème de la gestion du gel dans ledit réservoir froid, et il peut aussi éviter le croupissement de l'eau récupérée.
  • Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la ligne d'échappement comprend un silencieux, et ledit silencieux constitue ledit réservoir secondaire.
  • De préférence selon l'invention, ledit système de récupération d'eau comprend une pompe à eau permettant au moins la circulation de l'eau récupérée du réservoir primaire vers le réservoir secondaire et aussi du réservoir primaire vers le circuit d'alimentation du moteur en eau récupérée.
  • Avantageusement selon l'invention, ledit système de récupération d'eau comprend des moyens de circulation de l'eau récupérée permettant une circulation de l'eau à double sens entre ledit réservoir primaire et ledit réservoir secondaire. Avantageusement aussi ledit système comprend des moyens de circulation de l'eau récupérée permettant une circulation de l'eau à double sens entre ledit réservoir primaire et le circuit d'alimentation du moteur en eau récupérée, afin de pouvoir vidanger le circuit si besoin. En particulier lesdits moyens permettant cette circulation à double sens comportent une pompe à eau auto-amorçable.
  • La chambre de condensation est destinée à recevoir le mélange des gaz d'échappement et de l'air frais. C'est le lieu où se situe la réaction de condensation du mélange ainsi formé. De préférence selon l'invention, ladite chambre de condensation comprend au moins un support de condensation métallique, permettant de favoriser la condensation de l'eau contenue dans les gaz par la formation de gouttelettes sur ses parois métalliques froides, par exemple une ou plusieurs grilles métalliques à maille fine.
  • Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit système de récupération d'eau comprend un mélangeur en aval de la connexion du système de captation et d'acheminement d'air extérieur à la ligne d'échappement et en amont de la chambre de condensation, pour homogénéiser les gaz d'échappement et l'air extérieur formant le mélange enthalpique qui va entrer dans la chambre de condensation.
  • Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit système de captation et d'acheminement d'air extérieur comprend un moyen de contrôle du débit du flux d'air extérieur se mélangeant aux gaz d'échappement, par exemple une vanne pilotable.
  • En particulier ledit système de captation et d'acheminement d'air extérieur comprend une écope, et le cas échéant l'écope est équipée d'un moyen de contrôle du débit du flux d'air extérieur se mélangeant aux gaz d'échappement, par exemple une vanne pilotable.
  • Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, ledit système de captation et d'acheminement d'air extérieur comprend une pompe à air permettant l'apport d'air et le contrôle du débit du flux d'air extérieur se mélangeant aux gaz d'échappement. Avantageusement cette pompe à air peut être pilotée électriquement, afin de pouvoir générer un mélange enthalpique même si le véhicule ne roule pas, le moteur étant en marche, ou roule à faibles vitesses.
  • Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit système de récupération de l'eau comprend un moyen de contrôle du débit du flux de gaz d'échappement se mélangeant à l'air extérieur pour former le mélange enthalpique. Autrement dit ledit système comprend un by-pass, par exemple une vanne pilotable.
  • De préférence ledit système comprend des moyens de gestion de la production d'eau, permettant d'ajuster la quantité d'eau produite à la demande, notamment en fonction des conditions météorologiques (températures, hygrométrie) et/ou du type de parcours du véhicule, et/ou de la formulation du carburant utilisé, et de superviser la quantité d'eau minimale d'eau à conserver en réserve dans le réservoir primaire.
  • En particulier, ledit système comprend un superviseur d'une quantité d'eau minimale constituant une réserve d'eau dans le réservoir primaire, en liaison avec un modèle de production d'eau, en particulier en fonction de paramètres relatifs aux conditions météorologiques, et/ou aux caractéristiques du carburant et/ou de l'air d'admission et/ou des gaz d'échappement et/ou de l'air extérieur formant le mélange enthalpique, et/ou du profil routier que parcourt le véhicule
  • En particulier, le système de récupération d'eau selon l'invention comprend des capteurs, des sondes, des calculateurs et le cas échéant des moyens de communication avec ou sans fils nécessaires à son fonctionnement. En particulier les divers éléments pilotables peuvent être pilotés par des calculateurs dédiés ou par ceux du groupe motopropulseur.
  • L'invention concerne aussi un procédé de récupération d'eau dans les gaz d'échappement passant dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant les étapes suivantes :
    • mélanger les gaz d'échappement émis par le moteur à de l'air extérieur pour former un mélange enthalpique, ledit air extérieur étant apporté par un système de captation et d'acheminement d'air extérieur en connexion fluidique avec la ligne d'échappement en aval des éléments de post-traitement (et assez loin pour profiter des échanges thermiques qui ont lieu lors du cheminement des gaz d'échappement dans la ligne), et en amont d'une chambre de condensation, puis
    • acheminer et condenser ledit mélange enthalpique air extérieur /gaz d'échappement dans une chambre de condensation pour en extraire l'eau par condensation sur des supports de condensation, ladite chambre étant disposée sur la ligne d'échappement en aval d'une partie chaude de ladite ligne d'échappement, et
    • récupérer l'eau ainsi condensée dans un réservoir primaire, situé dans ou en aval de ladite chambre de condensation, reliée au circuit d'alimentation du moteur en eau récupérée afin d'alimenter en eau récupérée ledit moteur (par injection de l'eau dans le moteur),
    • vidanger, en particulier par pompage, en fonction d'une réserve d'eau donnée conservée dans le réservoir primaire, ou en totalité si nécessaire, dudit réservoir primaire vers un réservoir secondaire situé en amont de la chambre de condensation, et avant la connexion entre le système de captation et d'acheminement de l'air extérieur et la ligne d'échappement, selon des événements programmés ou détectés, notamment périodiquement lors d'arrêts du moteur ou en fin d'utilisation du moteur, ou lorsque l'eau est restée pendant un temps donné dans le réservoir primaire (contre le risque de croupissement), ou en cas de risque de gel de l'eau dans le réservoir primaire.
  • On entend par le fait que la chambre de condensation est disposée sur la ligne d'échappement en aval d'une partie chaude de ladite ligne d'échappement que la chambre est située en aval de la parie de post-traitement des gaz, et suffisamment loin pour bénéficier d'un refroidissement « naturel » des gaz d'échappement.
  • En particulier ledit procédé comprend l'étape suivante : vérifier la quantité d'eau disponible dans le réservoir primaire précédemment au ou au cours du démarrage du moteur, et si la quantité est nulle ou insuffisante par rapport à une quantité estimée nécessaire, pomper l'eau du réservoir secondaire vers le réservoir primaire.
  • En particulier ledit procédé comprend l' étape : surveiller le taux de renouvellement de l'eau dans le réservoir primaire, et si ce taux est inférieur à un taux donné (fixé par exemple par le constructeur ou une norme, et bien avant que les conditions d'altération de l'eau ne surviennent), lors des prochaines utilisations du moteur, par exemple lors des roulages du véhicule comprenant ledit moteur, acheminer l'eau du réservoir froid vers le réservoir chaud de manière à ce que cette eau se vaporise de nouveau et soit évacuée à l'atmosphère et/ou recondensée.
  • En particulier ledit procédé comprend l'étape : gérer la production d'eau récupérée en contrôlant le débit de l'air extérieur et/ou le débit des gaz d'échappement avant la connexion entre le système de captation et d'acheminement de l'air extérieur et la ligne d'échappement, par exemple par pilotage de vannes pilotables, ou dans le cas de l'air en pompant l'air extérieur avec une pompe à air contrôlable, en particulier une pompe à air électrique. En particulier on détermine la consigne de débit d'air extérieur et la consigne de débit des gaz d'échappement à partir du débit d'eau souhaité en appliquant un modèle de production d'eau inversée, et par application de vecteurs de couples débit des gaz d'échappement / consigne de débit d'air extérieur possibles, et par minimisation de la fonction coût en dioxyde de carbone
  • En particulier dans ledit procédé, la production d'eau récupérée est gérée selon un modèle de production de l'eau par apprentissage correctif, en particulier pour établir la réserve d'eau nécessaire à avoir dans le réservoir primaire.
  • Le procédé de récupération d'eau dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne ainsi décrit s'applique en particulier au fonctionnement du véhicule automobile comprenant le système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement décrit précédemment.
  • D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés.
    • [Fig. 1] illustre schématiquement un système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne alimentant en eau récupérée ledit moteur conformément à l'invention.
    • [Fig. 2] illustre schématiquement en vue de dessous, un véhicule automobile comprenant un système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne conformément à l'invention.
    • [Fig. 3] illustre schématiquement en vue de dessous, un véhicule automobile comprenant un système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne conformément à l'invention.
    • [Fig. 4] illustre un schéma synoptique d'une stratégie de contrôle de la mise en œuvre du système de récupération d'eau du véhicule illustré en figure 2.
  • Les orientations exprimées dans la description des figures sont données en référence à un repère orthonormé classique XYZ du véhicule dans lequel X représente la direction longitudinale avant-arrière du véhicule, orientée vers l'arrière, Y la direction transversale du véhicule, orientée vers la droite, et Z la direction verticale orientée vers le haut du véhicule.
  • Des références identiques pourront être utilisées d'une figure à l'autre pour désigner des éléments identiques ou similaires.
  • La figure 1 illustre schématiquement un système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne avec stockage de l'eau extraite pour alimenter en eau récupérée ledit moteur conformément à l'invention.
  • Les figures 2 et 3 illustrent schématiquement un véhicule automobile V, V' en vue dessous dont les quatre roues R1, R2, R3, R4 sont représentées, le système de récupération d'eau comprenant des variantes sur un apport d'air extérieur.
  • Un groupe motopropulseur comportant au moins un moteur à combustion interne 1, qui peut être atmosphérique ou turbocompressé (suralimenté), assisté(s) ou non par des moteurs électriques. Selon l'exemple le moteur comprend quatre cylindres alimentés en air frais par un dispositif d'admission d'air comprenant une entrée d'air 100 passant dans un filtre à air 101, un débitmètre 102 pour se mêler au carburant, le mélange étant brûlé dans la chambre de combustion 10.
  • En sortie de la chambre de combustion du mélange carburant /air, un groupe de collecteurs d'échappement 2 solidarisés respectivement aux culasses du moteur, recueillent et dirigent les gaz brûlés vers la ligne d'échappement. Selon l'exemple, la ligne d'échappement 20 comprend un tuyau d'échappement pour conduire les gaz d'échappement vers la sortie 200, la ligne comprenant sur le parcours des gaz un système de post-traitement permettant de traiter les effluents gazeux ainsi que les particules, produits par le moteur à combustion interne se composant d'une sonde à oxygène amont 203A puis un convertisseur catalytique 203 dépolluants les effluents de certains composés, suivi d'une sonde à oxygène aval 203 B, un filtre à particules 204, un capteur de température des gaz d'échappement 205. La ligne d'échappement comprend aussi un silencieux 201 pour atténuer les bruits générés par les gaz d'échappement.
  • Conformément à l'invention, un système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement est installé sur la ligne d'échappement en aval du post-traitement des gaz et en amont de la sortie des gaz d'échappement expulsant lesdits gaz à l'arrière du véhicule.
  • Ledit système de récupération d'eau comprend un dispositif de captation et d'acheminement de l'air extérieur, une chambre de condensation d'un mélange enthalpique air/gaz d'échappement, des moyens de gestion de l'eau extraite comprenant des réservoirs de stockage de l'eau extraite et des circuits de circulation de l'eau extraite avec une pompe à eau.
  • Selon l'exemple, ledit système de récupération d'eau est situé entre l'arrivée des gaz d'échappement (flèche G) dans le silencieux 201 et la sortie des gaz d'échappement 200.
  • Ce système de récupération d'eau, selon l'exemple illustré en figure 1, comprend une écope 40 formant une prise d'air pour la captation et l'acheminement de l'air extérieur (flèche A), capté en roulage du véhicule. Elle est connectée au tuyau d'échappement, la jonction fluidique se situant en aval du post- traitement des gaz, selon l'exemple en sortie du silencieux 201, permettant un apport d'air frais (flèche A) qui se mélange aux gaz d'échappement chauds (flèche G). Avantageusement cette jonction se fera le plus loin possible de la sortie du moteur et après le post-traitement des gaz car le mélange doit se faire avec des gaz déjà épurés de leurs polluants et suffisamment loin pour bénéficier d'un refroidissement « naturel » des gaz d'échappement; en effet se faisant les gaz d'échappement purifiés auront déjà été partiellement refroidis par les échanges thermiques entre la ligne d'échappement et l'extérieur. De plus la contre-pression échappement est très faible en bout de ligne, il est d'autant plus aisé d'y introduire de l'air cheminant depuis l'écope (captant de l'air dans une zone en surpression lorsque le véhicule roule).
  • De manière basique ladite écope est un tube coudé ouvert en son extrémité libre pour capter l'air en roulage suivant une partie tubulaire orientée selon l'axe longitudinal X du véhicule, et son autre extrémité ouverte, après le coude du tube, est connectée de manière débouchante dans le tuyau d'échappement, avant le mélangeur.
  • En variante telle qu'illustrée par la figure 2, l'écope 40' possède un volet 43 tel qu'une vanne pilotable pour moduler le débit d'air frais à destination de la chambre de condensation. L'écope est un tube comprenant une partie droite (selon la direction X) ouverte en chaque extrémité dans lequel entre l'air en roulage et une partie tubulaire de jonction avec le tuyau d'échappement dans lequel circule l'air (flèche A1). Le volet module le flux d'air entrant (flèche A) en un premier flux d'air (flèche A1) qui est dirigé par la partie tubulaire de jonction vers le tuyau d'échappement, avant le mélangeur, pour se mélanger aux gaz d'échappement, et en un flux d'air (flèche A2) qui ressort de l'écope en l'extrémité de la partie droite. Le volet possède l'intérêt de minimiser la traînée (coefficient Cx) supplémentaire due à l'écope lorsque la quantité d'eau à produire est faible ou nulle. En effet, lorsque le volet d'écope est ouvert, la traînée de l'écope se résume alors à celle d'un tube, partie droite, dont l'axe est dans l'axe longitudinal X du véhicule, et étant alors ouvert en ses deux extrémités, il génère une traînée très faible.
  • Selon une autre variante telle qu'illustrée en figure 3, la captation en air frais peut être assuré par une pompe à air 44, prélevant directement l'air extérieur (flèche A), et ledit air pompé A' est acheminé par un conduit coopérant avec la pompe à air, vers le tuyau d'échappement, en un point similaire au point de jonction que celui décrit ci-dessus pour les écopes, avant le mélangeur. Cette pompe peut être pilotée électriquement, ce qui présente l'avantage de pouvoir générer un mélange enthalpique même quand le véhicule ne roule pas (le moteur tournant) ou est à faible vitesse. Dans le cas de la pompe à air aussi, la jonction doit se situer le plus loin possible du moteur. La contre-pression échappement à vaincre sera ainsi minimisée.
  • Dans une disposition particulière telle qu'illustrée par la figure 2 ou la figure 3, ledit système de récupération d'eau comprend un by-pass des gaz d'échappement, constitué selon l'exemple d'une vanne 23 de pilotage du débit des gaz d'échappement (flèche G) sortant du silencieux 201. Ce by-pass est situé en aval du silencieux, et en amont de la jonction au point d'introduction d'air frais, avant le mélangeur 4, et par conséquent en amont de la chambre de condensation 30. Cette configuration a pour but de faciliter la condensation de l'eau contenu dans le mélange enthalpique en ne prélevant qu'une partie des gaz d'échappement (flèche G1) pour l'adapter aux capacités des moyens à condenser l'eau, l'autre partie des gaz (flèche G2) étant par exemple évacué par un tuyau 22 dont la sortie 220 débouche à l'arrière du véhicule. Cela peut s'avérer avantageux dans des conditions de roulage où le débit d'air frais ne serait pas suffisant pour amener l'ensemble des gaz d'échappement sous le point de condensation. L'exemple typique ici dans lequel ce by-pass peut être utile est celui d'un véhicule dans une montée de forte pente, par exemple la montée de col, le moteur étant très sollicité, température et débit des gaz d'échappement seront élevés avec une vitesse véhicule faible, ce qui limite le débit d'air frais forcé par l'écope (figure 2).
  • Le système de récupération d'eau comprend une chambre de condensation 30 comportant des supports de condensation 300, constitués selon l'exemple par des grilles métalliques à maille fine, permettant de favoriser la condensation de l'eau contenue dans les gaz par la formation de gouttelettes sur les parois métalliques froides. Ces supports de condensation ne doivent générer qu'une très faible contrepression pour ne pas pénaliser le fonctionnement nominal du moteur.
  • Les grilles sont disposées droites ou inclinées pour favoriser l'écoulement des gouttelettes d'eau.
  • L'air extérieur entrant (flèche A, A') dans le dispositif de captation et d'acheminement de l'air extérieur 40, 40' ; 40" passe dans un mélangeur 4, situé en amont de la chambre de condensation 30, avec les gaz d'échappement chauds sortant du silencieux 201 pour homogénéiser ledit mélange et former un mélange enthalpique air frais/gaz chauds conduisant à la réaction de condensation de l'eau contenue sous forme vapeur dans les gaz d'échappement chauds dans la chambre de condensation. Les gouttelettes d'eau ainsi formées dans la chambre de condensation s'écoulent le long des grilles de condensation et s'accumulent dans ladite chambre qui forme selon cet exemple le réservoir de stockage primaire 301, dit aussi « réservoir froid », pour récupérer sous forme liquide, l'eau vapeur extraite des gaz d'échappement.
  • En variante non représentée, le réservoir de stockage primaire peut être distinct de la chambre de condensation, il est situé en aval de ladite chambre.
  • En outre ledit système de récupération d'eau comprend un système de gestion de l'eau extraite sous forme liquide dans ledit réservoir de stockage primaire 301. Ledit système de gestion comprend un circuit reliant ledit réservoir primaire 301 et une pompe à eau 33, et ladite pompe étant reliée d'une part au circuit d'alimentation du moteur en eau récupérée 32, et d'autre part à un circuit de retour d'eau récupérée 34, dit aussi circuit de fin de mission, vers un réservoir de stockage secondaire 302 situé en amont de la chambre de condensation. Ce réservoir secondaire, dit « réservoir chaud », est constitué selon l'exemple par le silencieux, plus précisément par l'enveloppe du silencieux.
    Comme illustré en figure 1, le circuit d'alimentation du moteur en eau récupérée 32 se termine par une rampe d'injection 35 muni d'injecteurs 350 afin d'injecter l'eau dans le circuit d'admission d'air au niveau du moteur (un injecteur par cylindre).
  • En variante l'injection de l'eau dans le moteur peut se faire directement dans la chambre de combustion.
  • Le réservoir de stockage secondaire 302 est un réservoir dans lequel jusqu'à l'intégralité de l'eau contenue dans le réservoir primaire pourra être déversée. De fait, sa contenance doit être supérieure à celle du réservoir primaire, d'autant que l'eau pourra y geler. Il doit être insensible à la solidification de l'eau, autrement dit il ne doit pas être sensible à l'eau gelée, il ne doit pas se fissurer, se déchirer voire ni même se déformer au passage de l'eau de l'état liquide à solide. En conditions de roulage du véhicule, il doit y régner des températures suffisamment élevées pour permettre la liquéfaction et l'évaporation de l'eau. Ainsi ce réservoir chaud permet de vidanger l'eau accumulée dans le réservoir froid en fin de roulage de manière à éviter le problème de la gestion du gel dans le réservoir froid. Cette vidange du réservoir froid, en fin de mission, permet de rendre le système opérationnel rapidement avec de l'eau produite en début de mission (pas besoin d'attendre le dégel d'eau produite au cours des roulages précédents).
  • La vidange du réservoir primaire en fin de mission ne doit pas s'effectuer dans l'environnement immédiat du véhicule, pour ne pas risquer de former une plaque de givre sur la chaussée. C'est pourquoi, le volume d'eau stocké dans le réservoir primaire sera reversé en amont de la chambre de condensation 30, dans le « réservoir chaud », le silencieux selon l'exemple, où l'eau ainsi déversée pourra geler sans risque.
  • En outre ce transvasement de l'eau du réservoir primaire vers le réservoir secondaire chaud évite le croupissement de l'eau extraite, car l'eau sera ensuite vaporisée du fait des températures qui y règnent lorsque le moteur fonctionne, et passera dans les gaz d'échappement chaud pour être condensée et/ou expulsée.
  • La pompe à eau 33 permet d'alimenter en eau récupérée le circuit d'alimentation du moteur par l'eau ainsi produite, depuis le réservoir primaire vers son lieu d'introduction dans le moteur, et aussi de vidanger cette eau accumulée en fin de roulage, éventuellement en cours de roulage, du réservoir primaire vers le réservoir secondaire.
  • En outre cette pompe est de préférence auto-amorçable pour être apte à agir en refoulement/pompage afin de pouvoir aussi vidanger le circuit d'alimentation du moteur pour se prémunir du gel si nécessaire, et permettre le transit de l'eau dans les deux sens entre le réservoir secondaire et le réservoir primaire.
  • La figure 4 représente un schéma synoptique d'une stratégie de mise en œuvre et de contrôle d'une configuration similaire à celle selon la configuration selon la figure 2.
  • En phase initiale (ligne 50) relative aux événements précédant le démarrage du moteur ou peu de temps après celui-ci, un contrôle du volume d'eau nécessaire est présent dans le réservoir primaire (bloc 501), si non le système vérifie si de l'eau est récupérable dans le réservoir secondaire (bloc 502). Si oui, le système en phase de roulage (ligne 51) vérifie l'état de la pompe 33 du système (blocs 512, 513, 516), et si c'est correct, le superviseur de production demande la quantité d'eau nécessaire pour le maintien de réserve d'eau pour le réservoir primaire (bloc 518) et le modèle de production d'eau s'active (bloc 520), et quand le niveau d'eau requis est atteint (bloc 522) l'injection d'eau dans le moteur est possible (bloc 524). Si le niveau d'eau requis n'est pas atteint, le système est temporairement indisponible (bloc 515), et les performances du moteur sont limitées (bloc 519).
    De même quand le volume d'eau récupérable dans le réservoir secondaire (bloc 502) n'est pas disponible au départ, si la réserve d'eau se constitue en roulage (bloc 511) de manière suffisante, le système rejoint le cycle de contrôle normal (bloc 512), sinon il passe en attente de conformité à la prédiction du modèle de production d'eau (bloc 513), et si c'est positif il retourne au bloc 511, alors que si c'est négatif un diagnostic de défaillance est activé (bloc 517) et les performances du moteur sont limitées jusqu'à réparation (bloc 521).
    En fin de roulage ou au cours d'arrêt du véhicule (ligne 53), le système vérifie si un risque de gel est détecté ou si l'eau est stockée depuis plus longtemps que requis dans le réservoir primaire (bloc 530), et si oui, le système ordonne la vidange du réservoir primaire vers le secondaire et la vidange de la pompe et des tuyaux des circuits (bloc 531), si non l'extinction du calculateur est autorisée (bloc 532).
  • Une stratégie d'adaptation du système en pilotant les leviers d'action (actionneurs) est établie, selon les cas d'usage, dans le but :
    • de maximiser la production d'eau selon les conditions externes subies (Température des gaz échappement, débit des gaz d'échappement, hygrométrie, vitesse véhicule, température d'air frais),
    • de minimiser l'impact du système sur la traînée (Cx) lorsque la récupération d'eau dans l'échappement n'est plus souhaitable (réserve d'eau pleine). En effet la présence d'une écope supplémentaire dans le flux d'air d'écoulement autour du véhicule peut pénaliser la traînée aérodynamique du véhicule,
    • de minimiser la consommation électrique du véhicule si l'acheminement d'air est assuré par une pompe électrique ,
    • de minimiser la perte de rendement liée à l'augmentation de la contre-pression échappement lorsque la production d'eau n'est pas nécessaire,
    • de refroidir la chambre de condensation ainsi que ses éléments constitutifs en ouvrant l'écope et en déviant les gaz d'échappement pour qu'ils ne passent pas dans la chambre de condensation, ceci permettant ponctuellement de refroidir la chambre de condensation afin de favoriser la condensation ultérieurement.
  • Dans une configuration particulière, une mesure directe du vent relatif ; par anémomètre, sonde Pitot, ou indirecte par analyse de l'effort de traînée à vitesse constante etc... permet d'affiner la consigne d'ouverture pour obtenir un débit d'air frais cible.
  • Dans une configuration particulière, la mesure directe du débit d'air permet d'asservir l'ouverture de la vanne d'écope à un débit d'air frais cible. Cette mesure de débit peut être faite au moyen d'un débitmètre physique ou par une corrélation du débit à la contrepression mesurée aux bornes de la vanne de pilotage par exemple.
  • Un superviseur de la réserve en eau émet les besoins de production d'eau , en mg/s par exemple, cette demande est établie en prenant en compte la quantité consommée, le stock et éventuellement une quantité prévisionnelle basée sur les informations du trajet, les habitudes du conducteur etc...
  • La quantité d'eau à extraire est déduite notamment à partir des informations suivantes, température et débit des gaz d'échappement à mélanger (ou consigne si pilotage via une vanne), richesse du carburant, formulation du carburant, température et débit d'air extérieur (ou consigne si pilotage via une écope relevable), hygrométrie.
  • Le niveau d'eau réellement produit peut être mesuré directement par une jauge électronique, ou par vidange périodique forcée avec mesure de la quantité injectée par les injecteurs. La connaissance de l'écart éventuel entre la prédiction d'eau produite et l'eau réellement produite permet d'apprendre et de recaler l'état réel du système par :
    • la formulation du carburant utilisé (Rapport C/H/O),
    • la fonction de transfert entre la surface efficace de l'écope et la production d'eau
    • la fonction de transfert entre l'ouverture de la vanne des gaz d'échappement et la production d'eau,
    • le recalage de la fonction de transfert Hygrométrie de l'air / quantité d'eau produite.
  • Ces recalages permettent de rendre le système robuste à la dispersion de production d'eau, des changements d'environnement, de changement de carburant etc...
  • Afin de rendre le recalage plus précis, celui-ci peut venir modifier l'impact d'un paramètre particulier suite à un événement précis :
    • recaler le paramètre lié à la formulation carburant juste après un remplissage du réservoir d'essence,
    • recaler les autres paramètres lorsque l'hygrométrie est à 0 (dans le cas de températures extérieures très froides par exemple),
    • fermer le bypass des gaz échappement pour recaler la fonction de transfert Débit de gaz frais = f(Ouverture de vanne écope ; vent relatif).
  • Si l'écart entre la production de l'eau et l'état réel du système est au-delà d'un seuil, un défaut de fonctionnement peut être suspecté.
  • En conditions normales, le superviseur de réserve d'eau fonctionne comme expliqué ci-après.
  • En début de mission, le moteur est froid, le réservoir « froid » est vide. De l'eau se forme rapidement dès le démarrage moteur, se condensant au contact de la ligne d'échappement, froide à cet instant
    L'eau ainsi accumulée forme un premier volume de réserve. Celle-ci est estimée en fonction des conditions de démarrage et en fonction du temps (Température extérieure, Température d'eau moteur (« coolant »), Température dans la ligne échappement, Température des gaz d'échappement, Débit massique des gaz d'échappement (Qech)), Richesse dans le cadre du moteur diesel (pour le moteur essence, elle est constante, oscillant légèrement autour de 1).
  • Après cette phase initiale, vient la phase de gestion, où l'eau est produite en fonction de la demande afin de garder un stock d'eau défini de manière à éviter une rupture d'alimentation du moteur en eau durant le roulage :
    • si la demande d'injection d'eau est nulle, et que le réservoir d'eau injectable a atteint son niveau de consigne, l'écope est fermée ou masquée par une pièce constitutive du véhicule (silencieux, traverse, ou toute autre pièce pouvant faire office de masque ...) afin de ne pas pénaliser le coefficient de traînée du véhicule couramment appelé Cx. Si le by-pass des gaz d'échappement est présent, il sera mis dans sa configuration qui minimise la contre pression échappement.
    • si la demande de production d'eau est nécessaire, le superviseur émet la quantité d'eau à produire, les leviers pour atteindre cette consigne sont alors, et/ou :
      • de faire varier la surface efficace de l'écope (celle-ci étant à moduler en fonction de la vitesse du véhicule, de l'hygrométrie de l'air et de la température extérieure),
      • de prélever une partie plus ou moins importante des gaz d'échappement (à moduler en fonction du débit massique des gaz, de leur température),
        Ces leviers sont actionnés par le modèle de production d'eau. Comme évoqué ci-dessus, pour affiner la prédiction du modèle, un bouclage permet de confronter la prévision de production à la production réelle. Le modèle de production est donc recalé par itération corrective. Cette adaptation permet de recaler les paramètres décrits ci-dessus.
  • Le superviseur de réserve d'eau vise à maintenir un niveau d'eau tampon permettant de faire face à l'imprévu. C'est le niveau de réserve à atteindre, jugé optimal.
    Une fois ce stock d'eau préalable constitué, le superviseur a pour but de maintenir ce niveau en émettant au modèle de production d'eau une consigne permettant de compenser exactement la consommation en eau du moteur. Cependant, le superviseur peut aussi prendre en compte un aspect prévision d'utilisation couplé à la connaissance du profil de roulage (données géographique par GPS) et du profil d'usage client. Il s'agit ici de répondre à des cas d'usages difficiles tels que la production d'eau à faible vitesse d'un véhicule sous forte charge (par exemple dans le cas d'une montée de col), ou à minimiser la production temporairement si des conditions plus favorables pour la production d'eau sont imminentes (par exemple dans le cas de la descente de col). Cette prévision permet donc de sécuriser l'approvisionnement en eau et de produire de l'eau à moindre coût environnemental, notamment en dioxyde de carbone (CO2) si les conditions de roulage à venir le permettent.
  • Dans le cas d'une configuration ayant deux bras de levier (air extérieur, gaz d'échappement), on peut choisir le meilleur couple consigne de débit de gaz échappement/ consigne d'air frais permettant de produire la quantité d'eau souhaitée en utilisant une fonction permettant de minimiser le coût CO2.
  • Une fois le roulage effectué, l'eau maintenue sous forme liquide est gardée dans le réservoir froid. Ceci afin que le système soit prêt si le conducteur reprend son véhicule peu de temps après.
    Passé un temps suffisamment long, ou si le risque de gel se fait sentir, le réservoir froid est vidangé dans le réservoir chaud.
    Dans un mode de réalisation particulier, si les conditions le permettent (températures extérieures chaudes (Text >> 0°C) par exemple ou pas de risque de givre), il sera possible de réaspirer l'eau stockée dans le réservoir chaud pour la remettre dans le réservoir froid utilisé pour le circuit d'injection.
    Une stratégie de surveillance de la qualité de l'eau permet de prévenir les cas pour lesquels un usager ne rencontre que très rarement les conditions qui requièrent l'injection d'eau dans le moteur. En effet si la consommation d'eau est très faible, cette dernière pourrait ne jamais être renouvelée avec le risque de s'altérer, de s'acidifier, ou de se charger en particules métalliques, en suies ou autres matières carbonées, ce qui pourrait avoir des conséquences néfastes pour le moteur ou le système d'injection d'eau.
    Afin d'éviter que cela n'arrive, une surveillance du taux de renouvellement est mise en place.
    Si ce taux est jugé trop faible, et bien avant que les conditions d'altération ne surviennent, l'action suivante est entreprise :
    • lors des prochains roulages, l'eau du réservoir froid sera acheminée vers le réservoir chaud de manière à ce qu'elle se vaporise de nouveau et qu'elle soit évacuée à l'atmosphère ou recondensée. Cette action a donc pour effet de forcer le taux de renouvellement de l'eau, de manière transparente pour l'usager.
  • Cette gestion dynamique de la qualité de l'eau, possible grâce au dispositif de vidange du réservoir froid, est un des grands avantages de cette invention ; alors que dans le cas de la recharge externe en eau des systèmes de purification de l'eau doivent être prévus.
  • Cette invention présente, l'avantage d'être autonome (sans intervention humaine) et de présenter la meilleure disponibilité de la fonction d'injecter de l'eau dans le moteur en éliminant par exemple le risque de non disponibilité du système en cas de non rechargement du réservoir en eau.
  • Par rapport aux solutions antérieures avec échangeur thermique, le système selon l'invention présente l'avantage d'être économique (pas de coût d'un échangeur, avec des besoins de refroidissement importants) et d'avoir une mise en œuvre facile, notamment car il ne nécessite pas de besoin de refroidissement supplémentaire en face avant du véhicule.
  • La réactivité du système selon l'invention et sa capacité à réguler la quantité d'eau produite permet de faciliter le stockage d'eau. La stratégie de pilotage de la production et de la gestion de l'eau permet de ne récupérer que le volume d'eau strictement nécessaire dans la ligne d'échappement. Elle limite ainsi la trainée induite par l'écope, ou la contre-pression échappement nécessaire au prélèvement du flux adéquat.
  • La gestion de l'eau et notamment le système de vidange en amont de la chambre de condensation en fin de roulage permet de prémunir d'un nonfonctionnement dans le cas d'usage du démarrage en conditions très froides (Text << 0°C).

Claims (10)

  1. Véhicule automobile (V, V') comprenant un groupe motopropulseur comportant au moins un moteur à combustion interne (1), une ligne d'échappement (20) avec une partie comportant des moyens de post-traitement (203, 204, 201) des gaz d'échappement produits par le moteur, un système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement incluant un circuit d'alimentation du moteur en eau récupérée (32, 35, 350), se caractérisant en ce que ledit système de récupération d'eau dans les gaz d'échappement comprend :
    - une chambre de condensation (30) d'un mélange enthalpique air extérieur/gaz d'échappement pour en extraire l'eau , disposée dans la ligne d'échappement en aval de la partie de post-traitement des gaz d'échappement,
    - un système de captation et d'acheminement d'air extérieur (40, 40', 40", 43, 44), ayant une connexion fluidique avec la ligne d'échappement en aval de la partie de post-traitement des gaz d'échappement et en amont de ladite chambre de condensation, et
    - au moins deux réservoirs (301, 302) distincts pour le stockage de l'eau récupérée, l'un constituant un réservoir primaire (301) situé dans ou en aval de ladite chambre de condensation et qui fournit l'eau qui alimentera le moteur, et l'autre constituant un réservoir secondaire (302) situé en amont de la chambre de condensation, et
    - des moyens de circulation (33) de l'eau récupérée permettant au moins une circulation de l'eau dudit réservoir primaire vers ledit réservoir secondaire et dudit réservoir primaire vers le circuit d'alimentation du moteur en eau récupérée.
  2. Véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit réservoir secondaire (302) a une contenance supérieure à celle du réservoir primaire (301).
  3. Véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de circulation (33) de l'eau récupérée permettant au moins une circulation de l'eau récupérée à double sens entre ledit réservoir primaire (301) et ledit réservoir secondaire (302), et de préférence il comprend aussi des moyens de circulation de l'eau récupérée à double sens entre ledit réservoir primaire (301) et le circuit d'alimentation du moteur en eau récupérée (32, 35, 350).
  4. Véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit système de captation et d'acheminement d'air extérieur comprend un moyen de contrôle (43, 44) du débit du flux d'air extérieur se mélangeant aux gaz d'échappement.
  5. Véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit système de récupération de l'eau comprend un moyen de contrôle (23) du débit du flux de gaz d'échappement se mélangeant à l'air extérieur pour former le mélange enthalpique.
  6. Véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un superviseur d'une quantité d'eau minimale constituant une réserve d'eau dans le réservoir primaire, en liaison avec un modèle de production d'eau, en particulier en fonction de paramètres relatifs aux conditions météorologiques, et/ou aux caractéristiques du carburant et/ou de l'air d'admission et/ou des gaz d'échappement et/ou de l'air extérieur formant le mélange enthalpique, et/ou du profil routier que parcourt le véhicule.
  7. Procédé de récupération d'eau dans les gaz d'échappement passant dans la ligne d'échappement (20) d'un moteur à combustion interne (1), incluant l'alimentation du moteur en eau récupérée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    - mélanger les gaz d'échappement émis par le moteur à de l'air extérieur pour former un mélange enthalpique, ledit air extérieur étant apporté par un système de captation et d'acheminement d'air extérieur (40, 40', 40", 43, 44) en connexion fluidique avec la ligne d'échappement en aval des éléments de post-traitement (203, 204, 201), et en amont d'une chambre de condensation (30), puis
    - acheminer et condenser ledit mélange enthalpique air extérieur /gaz d'échappement dans ladite chambre de condensation (30) pour en extraire l'eau par condensation sur des supports de condensation (300), ladite chambre étant disposée sur la ligne d'échappement en aval de la partie chaude de ladite ligne d'échappement, et
    - récupérer l'eau ainsi condensée dans un réservoir primaire (301), situé dans ou en aval de ladite chambre de condensation, reliée au circuit d'alimentation du moteur en eau récupérée (32, 35, 350) afin d'alimenter en eau récupérée ledit moteur,
    - vidanger, en particulier par pompage, en fonction d'une réserve d'eau donnée conservée dans le réservoir primaire (301), ou en totalité si nécessaire, dudit réservoir primaire (301) vers un réservoir secondaire (302) situé en amont de ladite chambre de condensation, et avant la connexion entre le système de captation et d'acheminement de l'air extérieur et la ligne d'échappement, selon des événements programmés ou détectés, notamment périodiquement lors d'arrêts du moteur ou en fin d'utilisation du moteur, ou lorsque l'eau est restée pendant un temps donné dans le réservoir primaire, ou en cas de risque de gel de l'eau dans le réservoir primaire.
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape : vérifier la quantité d'eau disponible dans le réservoir primaire précédemment au ou au cours du démarrage du moteur, et si la quantité est nulle ou insuffisante par rapport à une quantité estimée nécessaire, pomper l'eau du réservoir secondaire (302) vers le réservoir primaire (301).
  9. Procédé selon l'une des revendications 7 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend l' étape : surveiller le taux de renouvellement de l'eau dans le réservoir primaire (301), et si ce taux est inférieur à un taux donné, lors des prochaines utilisations du moteur, acheminer l'eau du réservoir froid vers le réservoir chaud de manière à ce que cette eau se vaporise de nouveau et soit évacuée à l'atmosphère et/ou recondensée.
  10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend l' étape : gérer la production d'eau récupérée en contrôlant le débit de l'air extérieur et/ou le débit des gaz d'échappement avant la connexion entre le système de captation et d'acheminement de l'air extérieur et la ligne d'échappement. ] ]
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017174254A1 (fr) * 2016-04-06 2017-10-12 Robert Bosch Gmbh Moteur à combustion interne avec récupération d'eau intégrée
DE102018219981A1 (de) * 2018-11-22 2020-01-23 Audi Ag Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs sowie entsprechendes Kraftfahrzeug
EP3640442A1 (fr) * 2018-10-18 2020-04-22 Volkswagen AG Système de récupération de l'eau d'un gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne

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