FR2785947A1 - Exhaust system with heat recovery, for automobiles, has heat recovery device mounted in exhaust line, with by-pass to divert exhaust gas from heat recovery system and with flow control valve in by-pass. - Google Patents

Exhaust system with heat recovery, for automobiles, has heat recovery device mounted in exhaust line, with by-pass to divert exhaust gas from heat recovery system and with flow control valve in by-pass. Download PDF

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Abstract

The vehicle exhaust system is fitted with a heat recovery device (5) and a by-pass line (2), which is fitted with a regulating valve (3), which selectively directs the exhaust gas through the by-pass or through the heat recovery device.

Description

Ligne d'échappement des gaz pour moteur de véhicule automobile
La présente invention concerne une ligne d'échappement des gaz pour moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, et plus particulièrement une telle ligne d'échappement comprenant des moyens de récupération de chaleur sur les gaz d'échappement, des moyens de dérivation desdits moyens de récupération de chaleur, et des moyens de sélection pour sélectivement diriger les gaz d'échappement vers lesdits moyens de récupération de chaleur ou vers lesdits moyens de dérivation.
Gas exhaust line for motor vehicle engine
The present invention relates to a gas exhaust line for an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, and more particularly to such an exhaust line comprising means for recovering heat from the exhaust gases, means for deriving said gases. heat recovery means, and selection means for selectively directing the exhaust gases to said heat recovery means or to said bypass means.

On connaît des systèmes de récupération de chaleur sur les gaz d'échappement, encore appelés EHRS, abréviation de l'expression anglaise"Exhaust Heat Recovery System".Exhaust heat recovery systems are also known, also called EHRS, short for the English expression "Exhaust Heat Recovery System".

Le principe de fonctionnement de ces systèmes consiste, en phase de démarrage à froid, à dériver les gaz d'échappement vers un échangeur de chaleur où il perdent des calories au profit de l'eau de refroidissement du moteur, puis sur une vanne qui provoque une contre-pression à l'échappement. La contre-pression provoque une élévation de la température d'échappement et permet donc de récupérer davantage de chaleur dans l'échangeur.The operating principle of these systems consists, in the cold start phase, in diverting the exhaust gases to a heat exchanger where they lose calories to the benefit of the engine cooling water, then to a valve which causes exhaust back pressure. The back pressure causes the exhaust temperature to rise and therefore allows more heat to be recovered in the exchanger.

Un tel système est particulièrement utile dans les moteurs suralimentés à injection directe, dans les moteurs à essence à injection directe, ou encore dans les moteurs à essence à mélange pauvre. On constate en effet, dans tous les cas précités, que la chaleur récupérée sur le moteur est insuffisante pour assurer un chauffage convenable de l'habitacle.Such a system is particularly useful in supercharged direct injection engines, in direct injection petrol engines, or in lean-mix petrol engines. It is indeed found, in all the aforementioned cases, that the heat recovered from the engine is insufficient to ensure adequate heating of the passenger compartment.

Ce système nécessite deux moyens d'obturation des conduits d'échappement, généralement constitués par des vannes. Une première vanne sert à la dérivation des gaz d'échappement, tandis qu'une deuxième vanne possède deux fonctions. This system requires two means of closing the exhaust conduits, generally constituted by valves. A first valve is used to divert the exhaust gases, while a second valve has two functions.

Une première fonction est de générer la contre-pression précitée qui permet, lors d'un démarrage à froid, d'augmenter artificiellement la charge du moteur et donc de réduire la durée de sa phase de montée en température. Une deuxième fonction de cette deuxième vanne est d'empcher un passage des gaz d'échappement dans l'échangeur lors de conditions de fonctionnement critiques, car la charge thermique supplémen- taire délivrée sur le circuit d'eau de refroidissement dans de telles conditions nécessiterait un surdimensionnement du radiateur de refroidissement.A first function is to generate the aforementioned back pressure which makes it possible, during a cold start, to artificially increase the load of the engine and therefore to reduce the duration of its temperature rise phase. A second function of this second valve is to prevent the passage of exhaust gases through the exchanger during critical operating conditions, since the additional thermal load delivered to the cooling water circuit under such conditions would require oversizing of the cooling radiator.

La présente invention vise à fournir une ligne d'échappement du type ci-dessus, mais ne comportant qu'une seule vanne ou, plus généralement, que les moyens de sélection précités, et non pas les moyens de génération de contre-pression de l'art antérieur.The present invention aims to provide an exhaust line of the above type, but comprising only a single valve or, more generally, that the aforementioned selection means, and not the means for generating back pressure of the prior art.

A cet effet, 1'invention a pour objet une ligne d'échappement des gaz pour moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, comprenant des moyens de récupération de chaleur sur les gaz d'échappement, des moyens de dérivation desdits moyens de récupération de chaleur, et des moyens de sélection pour sélectivement diriger les gaz d'échappement vers lesdits moyens de récupération de chaleur ou vers lesdits moyens de dérivation, ladite ligne d'échappement comprenant en outre des moyens d'équilibrage de pressions agencés pour équilibrer les pressions en amont et en aval des moyens de récupération de chaleur.To this end, the subject of the invention is a gas exhaust line for an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, comprising means for recovering heat from the exhaust gases, means for deriving said recovery means. heat, and selection means for selectively directing the exhaust gases to said heat recovery means or to said bypass means, said exhaust line further comprising pressure balancing means arranged to balance the pressures upstream and downstream of the heat recovery means.

Ainsi, dans un mode de démarrage à froid, les moyens de sélection ferment la dérivation. Les gaz d'échappement passent alors par les moyens de récupération de chaleur et transfèrent leur chaleur à l'eau de refroidissement, ce qui améliore la montée en température du moteur et de l'habita- cle.Thus, in a cold start mode, the selection means close the bypass. The exhaust gases then pass through the heat recovery means and transfer their heat to the cooling water, which improves the temperature rise of the engine and of the passenger compartment.

En fonctionnement normal, les moyens de sélection ouvrent la dérivation et les moyens d'équilibrage de pressions, en équilibrant les pressions, assurent que le débit de gaz qui traverse les moyens de récupération de chaleur est négligeable. Dans ces conditions, aucune quantité de chaleur n'est donc transférée de l'échappement vers le circuit d'eau de refroidissement.In normal operation, the selection means open the bypass and the pressure balancing means, by balancing the pressures, ensure that the flow of gas passing through the heat recovery means is negligible. Under these conditions, no amount of heat is therefore transferred from the exhaust to the cooling water circuit.

Dans une première forme de réalisation de l'invention, les moyens d'équilibrage de pressions comprennent des moyens déflecteurs situés au moins au voisinage de l'extrémité amont desdits moyens de dérivation.In a first embodiment of the invention, the pressure balancing means comprise deflector means located at least in the vicinity of the upstream end of said bypass means.

Selon un mode de réalisation particulier, la ligne d'échap- pement comprend en outre des moyens déflecteurs situés au voisinage de l'extrémité aval desdits moyens de dérivation.According to a particular embodiment, the exhaust line further comprises deflector means located in the vicinity of the downstream end of said bypass means.

Dans une deuxième forme de réalisation de l'invention, les moyens d'équilibrage de pressions comprennent une chambre située à l'extrémité aval des moyens de dérivation.In a second embodiment of the invention, the pressure balancing means comprise a chamber located at the downstream end of the bypass means.

On décrira maintenant, à titre d'exemples non limitatifs, deux modes de réalisation particuliers de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels : -la figure 1 représente une ligne d'échappement des gaz selon une première forme de réalisation de l'invention, en mode de démarrage à froid ; -la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 en mode de fonctionnement normal ; -la figure 3 est une vue à plus grande échelle du détail III de la figure 2, dans laquelle on a représenté les lignes de courant des gaz d'échappement ; et -la figure 4 représente une ligne d'échappement des gaz selon une deuxième forme de réalisation de l'invention, en mode de démarrage à froid.There will now be described, by way of nonlimiting examples, two particular embodiments of the invention, with reference to the appended schematic drawings in which: FIG. 1 represents a gas exhaust line according to a first embodiment of the invention, in cold start mode; FIG. 2 is a view similar to FIG. 1 in normal operating mode; FIG. 3 is a view on a larger scale of detail III of FIG. 2, in which the streamlines of the exhaust gases are shown; and FIG. 4 represents a gas exhaust line according to a second embodiment of the invention, in cold start mode.

On voit sur les figures 1 et 2 un moteur thermique 1 à combustion interne, par exemple un moteur diesel ou essence à injection directe. Une canalisation 2 relie le collecteur d'échappement du moteur 1 à l'entrée d'un pot d'échappement, non représenté.FIGS. 1 and 2 show an internal combustion engine 1, for example a diesel or petrol engine with direct injection. A pipe 2 connects the exhaust manifold of the engine 1 to the inlet of an exhaust pipe, not shown.

Une vanne 3, ici une vanne papillon, est interposée sur la canalisation 2. Un conduit 4 est connecté à la canalisation 2 de part et d'autre de la vanne 3.A valve 3, here a butterfly valve, is interposed on the pipe 2. A conduit 4 is connected to the pipe 2 on either side of the valve 3.

Un échangeur de chaleur 5 est disposé sur le conduit 4.A heat exchanger 5 is placed on the duct 4.

L'échangeur de chaleur 5 est ici un échangeur gaz/eau, le fluide de refroidissement étant le liquide de refroidissement du moteur utilisé par ailleurs dans un autre échangeur de chaleur eau/air, en vue du chauffage de l'habitacle du véhicule. On voit sur les figures 1 et 2 les conduits 6 et 7 d'entrée et de sortie du liquide de refroidissement dans l'échangeur 5.The heat exchanger 5 is here a gas / water exchanger, the coolant being the engine coolant also used in another water / air heat exchanger, for heating the passenger compartment of the vehicle. FIGS. 1 and 2 show the conduits 6 and 7 for entering and leaving the coolant in the exchanger 5.

Selon l'invention, deux déflecteurs 8 et 9 sont disposés aux extrémités respectivement amont et aval du conduit 4, à ses embranchements avec la canalisation 2. Le déflecteur 8 est agencé pour forcer le courant de gaz d'échappement en provenance du collecteur d'échappement du moteur vers la dérivation de l'échangeur 5 contenant la vanne 3, lorsque cette dernière est ouverte.According to the invention, two deflectors 8 and 9 are disposed at the respectively upstream and downstream ends of the duct 4, at its branches with the pipe 2. The deflector 8 is arranged to force the flow of exhaust gas coming from the manifold engine exhaust to the bypass of the exchanger 5 containing the valve 3, when the latter is open.

Ce faisant, le déflecteur 8 crée une dépression 10 à l'entrée du conduit 4. De mme, le déflecteur 9 est agencé de manière à créer une dépression 11 à la sortie du conduit 4. Les déflecteurs sont calibrés de manière que les pressions en amont et en aval de l'échangeur 5 soient équilibrées.In doing so, the deflector 8 creates a depression 10 at the inlet of the duct 4. Likewise, the deflector 9 is arranged so as to create a depression 11 at the outlet of the duct 4. The deflectors are calibrated so that the pressures in upstream and downstream of the exchanger 5 are balanced.

Enfin, une électronique de commande 12 recevant de façon connue des informations d'un certain nombre de capteurs assure le pilotage de la vanne 3 en fonction du mode de fonctionnement du moteur 1.Finally, control electronics 12 receiving information in a known manner from a certain number of sensors controls the valve 3 as a function of the operating mode of the engine 1.

La figure 1 représente la configuration du dispositif en mode de démarrage à froid. Figure 1 shows the configuration of the device in cold start mode.

Dans ce mode, la vanne 3 de dérivation des gaz d'échappement est fermée, de sorte que ces gaz empruntent le conduit 4 et traversent donc l'échangeur 5. La température de 1'eau de refroidissement augmente donc plus vite, ce qui a pour effet d'accélérer la montée en température du moteur et de fournir plus rapidement de l'air chaud pour le chauffage de l'habitacle du véhicule.In this mode, the exhaust gas bypass valve 3 is closed, so that these gases pass through the duct 4 and therefore pass through the exchanger 5. The temperature of the cooling water therefore increases faster, which has the effect of accelerating the rise in temperature of the engine and providing hot air more quickly for heating the passenger compartment of the vehicle.

La figure 2 représente le mode de fonctionnement normal du moteur.Figure 2 shows the normal operating mode of the engine.

Dans ce mode, la vanne 3 de dérivation des gaz d'échappement est ouverte, permettant ainsi un transfert direct de ces gaz vers le pot d'échappement.In this mode, the exhaust gas bypass valve 3 is open, thus allowing direct transfer of these gases to the exhaust.

Egalement dans ce mode de fonctionnement, du fait des déflecteurs 8 et 9, les pressions en amont et en aval de l'échangeur 5 sont, comme cela a été vu ci-dessus, équili brées, de sorte que la quantité de gaz d'échappement traversant l'échangeur 5 est alors négligeable, et qu'aucune quantité de chaleur n'est transférée vers le circuit d'eau.Also in this operating mode, due to the deflectors 8 and 9, the pressures upstream and downstream of the exchanger 5 are, as seen above, balanced, so that the quantity of gas exhaust passing through the exchanger 5 is then negligible, and that no amount of heat is transferred to the water circuit.

On observera que le conduit 4 sur lequel est disposé 1'6chan- geur de chaleur, a été représenté aux dessins branché sur la canalisation 2 qui est elle-mme rectiligne. La disposition contraire aurait pu tre adoptée, la branche portant l'échangeur appartenant au trajet direct sur lequel la vanne de sélection est connectée. La position des déflecteurs est alors inversée.It will be observed that the duct 4 on which the heat exchanger is disposed, has been shown in the drawings connected to the pipe 2 which is itself rectilinear. The opposite arrangement could have been adopted, the branch carrying the exchanger belonging to the direct path to which the selection valve is connected. The position of the deflectors is then reversed.

La ligne d'échappement des gaz selon la figure 4 s'apparente à celle des figures 1 et 2, si ce n'est que les déflecteurs 8 et 9 sont supprimés. Les moyens servant à l'équilibrage des pressions comprennent ici une chambre 13 formant plénum qui est située à l'extrémité aval de la canalisation de dérivation 2.The exhaust gas line according to Figure 4 is similar to that of Figures 1 and 2, except that the deflectors 8 and 9 are removed. The means used for balancing the pressures here comprise a chamber 13 forming a plenum which is located at the downstream end of the bypass pipe 2.

La chambre 13 se situe ainsi sur le retour de la canalisation de dérivation 2 en formant un élargissement local. L'augmen- tation de diamètre qui en découle diminue localement les vitesses et augmente donc la pression statique, d'après la loi de Bernoulli. On obtient donc l'effet recherché : pour un certain débit d'échappement, c'est-à-dire un certain régime du moteur, il existe un diamètre tel que les pressions statiques en amont et en aval de l'échangeur de chaleur sont égales, d'où il résulte un débit nul dans l'échangeur. The chamber 13 is thus located on the return of the bypass pipe 2, forming a local widening. The resulting increase in diameter locally decreases the velocities and therefore increases the static pressure, according to Bernoulli's law. The desired effect is therefore obtained: for a certain exhaust flow, that is to say a certain engine speed, there is a diameter such that the static pressures upstream and downstream of the heat exchanger are equal, resulting in zero flow in the exchanger.

Claims (4)

REVENDICATIONS 1-Ligne d'échappement des gaz pour moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, comprenant des moyens (5) de récupération de chaleur sur les gaz d'échap- pement, des moyens (2) de dérivation desdits moyens de récupération de chaleur, et des moyens (3) de sélection pour sélectivement diriger les gaz d'échappement vers lesdits moyens de récupération de chaleur ou vers lesdits moyens de dérivation, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens d'équilibrage de pressions (8 ; 13) agencés pour équilibrer les pressions en amont et en aval des moyens de récupération de chaleur.CLAIMS 1-Gas exhaust line for internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, comprising means (5) for recovering heat from the exhaust gases, means (2) for deriving said recovery means heat, and selection means (3) for selectively directing the exhaust gases to said heat recovery means or to said bypass means, characterized in that it further comprises pressure balancing means ( 8; 13) arranged to balance the pressures upstream and downstream of the heat recovery means. 2-Ligne d'échappement des gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'équilibrage de pressions comprennent des moyens déflecteurs (8) situés au moins au voisinage de l'extrémité amont desdits moyens de dérivation (2).2-gas exhaust line according to claim 1, characterized in that the pressure balancing means comprise deflector means (8) located at least in the vicinity of the upstream end of said bypass means (2). 3-Ligne d'échappement des gaz selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens déflecteurs (9) situés au voisinage de l'extrémité aval desdits moyens de dérivation (2).3-gas exhaust line according to claim 2, characterized in that it further comprises deflector means (9) located in the vicinity of the downstream end of said bypass means (2). 4-Ligne d'échappement des gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'équilibrage de pressions comprennent une chambre (13) située à l'extrémité aval des moyens de dérivation (2). 4-gas exhaust line according to claim 1, characterized in that the pressure balancing means comprise a chamber (13) located at the downstream end of the bypass means (2).
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