FR2957382A1 - Dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'echappement - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif (10) pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement dans des moteurs à combustion interne de véhicules automobiles, comportant une ligne d'échappement (12) qui présente par tronçon un premier canal d'écoulement de gaz d'échappement (14) et un deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement (16), un clapet de soupape (18) mobile entre une position de fermeture et une position d'ouverture, lequel peut sélectivement fermer ou libérer au moins partiellement une section transversale d'écoulement du premier ou du deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement (14, 16), au moins un module de générateur (20) thermoélectrique qui est thermiquement couplé d'une part au deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement (16) et d'autre part à un circuit de refroidissement (22), ainsi qu'un actionneur en matière expansible pour actionner le clapet de soupape (18) en fonction de la température.
Description
Dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement L'invention concerne un dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement dans des moteurs à combustion interne de véhicules automobiles. Pour améliorer le comportement au démarrage à froid de moteurs à combustion interne, on connaît depuis longtemps de l'état de la technique une utilisation possible de la chaleur des gaz d'échappement. Pendant la phase de démarrage à froid, la chaleur des gaz d'échappement est ici transmise au moyen d'un échangeur de chaleur au fluide de refroidissement d'un circuit de refroidissement pour atteindre via le circuit de refroidissement un réchauffement si possible rapide et constant des composants individuels du moteur. Une telle mesure permet d'atteindre plus rapidement la température de fonctionnement souhaitée et, par ailleurs, de réduire nettement l'usure des composants, la consommation de carburant et les émissions polluantes jusqu'à ce que la température de fonctionnement soit atteinte. Après avoir atteint la température de fonctionnement, une poursuite du réchauffement du circuit de refroidissement par le flux de gaz d'échappement est toutefois indésirable pour éviter une surchauffe du circuit de refroidissement. Il existe en général donc dans la région de l'échangeur de chaleur un système de dérivation commutable comportant au moins deux canaux d'écoulement de gaz d'échappement montés en parallèles. L'investissement pour le réglage et la commande d'un tel système de dérivation ainsi que pour son actionnement généralement par électromoteur est énorme, en particulier si l'on considère, vu sur toute la durée de service, l'utilisation relativement courte pendant la phase de démarrage à froid. Dans le document EP 1 852 585 Al est décrit un système de dérivation pour moteurs à combustion interne, qui présente une commande et un actionnement considérablement simplifiés. Le flux de gaz d'échappement est ici régulé au moyen d'un clapet d'échappement qui, d'une part, est sollicité par un ressort et, d'autre part, peut être actionné par un actionneur fonctionnant selon la température avec un thermocouple. Dans le cadre de la discussion climatique globale, il faut s'attendre à l'avenir à des prescriptions toujours plus strictes concernant l'efficience énergétique et l'émission de 002 de moteurs à combustion interne. Pour y faire face, il y a depuis récemment des tendances à utiliser la chaleur de gaz d'échappement de moteurs à combustion interne si possible pendant tout le fonctionnement du moteur et de la transformer de préférence en énergie électrique avec laquelle on peut charger des batteries ou faire fonctionner des appareils électriques. On connaît déjà de l'état de la technique des modules de générateur dits thermoélectriques (appelés ci-après modules TEG) qui transforment l'énergie thermique en énergie électrique. Actuellement toutefois, la température de gaz d'échappement maximale est, dans quelques états de fonctionnement des moteurs à combustion interne, encore nettement supérieure à la température admissible au maximum avec laquelle les modules TEG peuvent être sollicités. Pour éviter une destruction des modules TEG par surchauffe, des mesures de protection complexes et onéreuses sont par conséquent nécessaires.
L'objectif de la présente invention est donc de créer un dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement au moyen de modules TEG, dans laquelle les modules utilisés sont protégés contre une surcharge thermique de manière fiable et avec un investissement minimal. Selon l'invention, cet objectif est résolu par un dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement dans des moteurs à combustion interne de véhicules automobiles, comportant une ligne d'échappement qui présente par tronçon un premier canal d'écoulement de gaz d'échappement et un deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement, un clapet de soupape mobile entre une position de fermeture et une position d'ouverture, lequel peut sélectivement fermer ou libérer au moins partiellement une section transversale d'écoulement du premier ou du deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement, au moins un module de générateur thermoélectrique qui est thermiquement couplé d'une part au deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement et d'autre part à un circuit de refroidissement, ainsi qu'un actionneur en matière expansible pour actionner le clapet de soupape en fonction de la température. Par l'utilisation d'un actionneur en matière expansible, une commande électronique coûteuse ainsi qu'un entraînement électrique peuvent être supprimés. Le dispositif de transformation d'énergie de gaz d'échappement thermique en énergie électrique devient moins coûteux de telle sorte qu'il s'amortit plus rapidement grâce à l'énergie électrique gagnée et qu'il devient ainsi économiquement plus attrayant pour l'utilisateur.
Selon un mode de réalisation, le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement présente une section transversale annulaire qui entoure le premier canal d'écoulement de gaz d'échappement. Il en résulte une construction particulièrement compacte et robuste du dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement.
Plusieurs modules de générateur thermoélectriques peuvent ici être agencés sur une paroi extérieure radiale du deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement. Dans ce cas, l'énergie thermique du gaz d'échappement dans le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement peut être transmise de manière simple à un côté à chauffer des modules TEG, alors que l'énergie thermique du gaz d'échappement dans le premier canal d'écoulement de gaz d'échappement n'a aucune influence ou a seulement une influence négligeable sur les modules TEG. Concrètement, les modules TEG sont montés soit sur une face intérieure radiale de la paroi extérieure, de sorte qu'ils font saillie dans le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement, soit sur une face extérieure radiale de la paroi extérieure, de sorte qu'ils font saillie radialement vers l'extérieur et par exemple jusque dans le circuit de refroidissement. Par ailleurs, on peut aussi concevoir une variante de réalisation dans laquelle les modules TEG sont enfichés dans des orifices de la paroi extérieure et font saillie tant dans le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement que dans le circuit de refroidissement.
Le circuit de refroidissement présente dans la région du ou des modules de générateur thermoélectriques une section transversale annulaire qui entoure les modules de générateur thermoélectriques sur la face extérieure. Grâce à cette structure concentrique en forme de coque des canaux d'écoulement de gaz d'échappement ainsi que du circuit de refroidissement, on obtient une construction particulièrement compacte dans laquelle les modules TEG sont protégés à l'intérieur du dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement. En outre, les modules TEG peuvent, dans cette construction, être montés avec peu de travail de telle sorte qu'ils sont adjacents d'une part à un canal d'écoulement de gaz d'échappement chaud et d'autre part au circuit de refroidissement froid, de telle sorte qu'une transformation d'énergie particulièrement efficace est possible. De préférence, l'actionneur en matière expansible est un actionneur à fonctionnement purement mécanique. Ceci signifie qu'aucun capteur électrique ni moyen d'entraînement électrique (par exemple un électromoteur) n'est nécessaire pour la commande ou l'actionnement de l'actionneur, ce qui entraîne des avantages de coût considérables.
Selon un autre mode de réalisation du dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement est prévu un élément ressort qui sollicite le clapet de soupape dans une position de fermeture. Cet élément ressort détermine à peu de frais la position de fermeture en tant que position de base définie du clapet de soupape.
L'élément ressort peut être conçu ici en particulier de telle sorte que lorsqu'une pression de gaz prédéterminée agissant sur le clapet de soupape est atteinte, il se comprime pour permettre un mouvement du clapet de soupape. Etant donné que dans les moteurs à combustion interne classiques, il y a une bonne corrélation entre la pression de gaz d'échappement et la température de gaz d'échappement, c'est-à-dire qu'une pression de gaz croissante est accompagnée d'une montée de la température de gaz d'échappement, on peut déjà réaliser par un ajustage approprié de la raideur de l'élément ressort, dans la plupart des cas de charge, une protection contre une surcharge thermique pour les modules TEG. Les cas de charge critiques restants, dans lesquels la température de gaz d'échappement dépasse une température limite malgré une pression de gaz relativement faible, sont pris en considération par l'actionneur à matériau expansible. En cas de dépassement d'une température limite prédéterminable appliquée à un actionneur en matière expansible, l'actionneur en matière expansible sollicite de préférence le clapet de soupape dans sa position d'ouverture. Cette sollicitation et, éventuellement, le déplacement du clapet de soupape dans sa position d'ouverture a lieu, en présence d'un l'élément ressort, de préférence à l'encontre de la force élastique. Dans ce cas, si la température de gaz d'échappement baisse, l'élément ressort ramène en effet avantageusement tant l'actionneur en matière expansible que le clapet de soupape dans la position de base respective. Selon un mode de réalisation du dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement, l'actionneur en matière expansible est thermiquement couplé au flux de gaz d'échappement et il est par conséquent sollicité par une température de gaz d'échappement. La température d'activation de l'actionneur en matière expansible peut ici être assez simplement mise au même niveau que la température limite prédéterminable des modules TEG, et le cas échéant, il faut encore tenir compte d'un facteur de sécurité souhaité. Dans ce cas, un matériau de l'actionneur en matière expansible, qui est sensible à la température, peut être contourné par le flux de gaz d'échappement, le matériau sensible à la température se dilatant de plus en plus avec la montée en température du flux de gaz d'échappement. Le matériau sensible à la température est ainsi sensiblement sollicité par la même température que les modules TEG. De manière idéale, cette température d'activation correspondrait pratiquement à la température maximale par laquelle les modules TEG peuvent être sollicités. Celle-ci est de l'ordre de grandeur d'environ 300°C.
Pour mieux exploiter le rendement des modules TEG avec les actionneurs en matière expansible actuellement sur le marché, l'actionneur en matière expansible est, selon un mode de réalisation, couplé thermiquement au circuit de refroidissement et il est par conséquent sollicité par une température de fluide de refroidissement.
Dans ce cas, un matériau de l'actionneur en matière expansible, qui est sensible à la température, est contourné par un fluide de refroidissement, le matériau sensible à la température se dilatant de plus en plus avec la montée en température du fluide de refroidissement. La température de fluide de refroidissement se situe en général dans la plage entre 80°C et 120°C, en tout cas considérablement en-dessous de la température de gaz d'échappement. De manière correspondante, la température d'activation de l'actionneur en matière expansible baisse également dans la plage d'environ 80°C à 120°C. Des actionneurs en matière expansible qui ont une température d'activation dans cette plage se trouvent dès aujourd'hui sans problème sur le marché des pièces de fournisseurs. Dans ce mode de réalisation, la température de gaz d'échappement présente, par laquelle sont sollicités les modules TEG, doit toutefois être évaluée par l'intermédiaire de la température de fluide de refroidissement ou de sa modification pour déterminer ensuite une température d'activation de l'actionneur en matière expansible avec laquelle on peut empêcher de manière fiable une surchauffe des modules TEG. L'actionneur en matière expansible présente un élément d'entraînement avec une chambre remplie de matériau sensible à la température, le matériau sensible à la température se dilatant de plus en plus avec la montée en température du fluide de refroidissement et déplaçant une paroi qui est couplée au clapet de soupape pour mouvoir celle-ci. On peut par ailleurs prévoir un élément ressort qui sollicite le clapet de soupape dans une position de fermeture, l'élément ressort et l'élément d'entraînement étant montés en série. Le montage en série signifie que l'élément d'entraînement de l'actionneur en matière expansible ouvre le clapet de soupape à l'encontre de la force élastique de l'élément ressort. On assure ainsi qu'après une baisse de la température de gaz d'échappement, le clapet de soupape soit de nouveau ramené par l'élément ressort dans sa position de fermeture et que l'actionneur en matière expansible soit de nouveau ramené dans sa position de base non déviée, sans que d'autres éléments de rappel soient nécessaires à cet effet.
Le circuit de refroidissement présente de préférence un fluide de refroidissement liquide (par exemple de l'huile ou de l'eau) ou, en alternative, un fluide de refroidissement gazeux (par exemple de l'air). L'actionneur en matière expansible utilisé peut être en particulier un actionneur à cire.
La désignation actionneur à cire est utilisée lorsque le matériau sensible à la température est une cire comme par exemple une paraffine dure. En alternative, selon la température d'activation souhaitée de l'actionneur en matière expansible, on peut aussi utiliser des métaux ou des huiles en tant que matériau sensible à la température. De manière particulièrement préférée, une résistance à l'écoulement du premier canal d'écoulement de gaz d'échappement est inférieure à une résistance à l'écoulement du deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement, le clapet de soupape pouvant sélectivement fermer ou libérer au moins partiellement une section transversale d'écoulement du premier canal d'écoulement de gaz d'échappement. En raison de cette construction du dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement, on assure que lorsque le premier canal d'écoulement de gaz d'échappement est ouvert, le gaz d'échappement s'écoule sensiblement à travers le premier canal d'écoulement de gaz d'échappement et qu'un écoulement de gaz d'échappement dans le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement se réduise à un flux résiduel, sans fermer explicitement ce canal.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, en faisant référence aux dessins. Ceux-ci montrent : figure 1 une coupe longitudinale à travers un dispositif selon l'invention pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement avec un clapet de soupape en position de fermeture ; figure 2 une coupe longitudinale à travers un dispositif selon l'invention pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement avec un clapet de soupape en position d'ouverture ; figure 3 une vue frontale du dispositif selon l'invention pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement de la figure 1, vu en aval de l'écoulement ; figure 4 une vue de dessus sur le dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement de la figure 1 dans la région d'un actionneur en matière expansible ; et figure 5 une vue latérale du dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement de la figure 1 dans la région d'un actionneur en matière expansible. Les figures 1 et 2 montrent un dispositif 10 pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement dans des moteurs à combustion interne de véhicules automobiles, comportant une ligne d'échappement 12 qui présente par tronçon un premier canal d'écoulement de gaz d'échappement 14 et un deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16, un clapet de soupape 18 mobile qui peut fermer ou libérer au moins partiellement une section transversale d'écoulement du premier ou du deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 14, 16, et au moins un module TEG 20 qui est thermiquement couplé d'une part au deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16 et d'autre part à un circuit de refroidissement 22. Selon la figure 1, le clapet de soupape 18 prend une position de fermeture dans laquelle il ferme le premier canal d'écoulement de gaz d'échappement 14, de telle sorte qu'un flux de gaz d'échappement 24 dans la ligne d'échappement 12, dans la région des canaux d'écoulement de gaz d'échappement 14, 16 montés en parallèle, peut s'écouler tant à travers le premier canal d'écoulement de gaz d'échappement 14 qu'à travers le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16. Selon la figure 1, le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16 présente une section transversale annulaire qui entoure la section transversale du premier canal d'écoulement de gaz d'échappement 14. Les canaux d'écoulement de gaz d'échappement 14, 16 sont ici réalisés sous forme de tronçons tubulaires 28, 30 concentriques qui sont fixés l'un par rapport à l'autre au moyen des entretoises 26. A une extrémité 32 amont et à une extrémité 34 aval du dispositif 10, la ligne d'échappement 12 se transforme en tronçon tubulaire 30.
En amont et en aval du tronçon tubulaire 28 (intérieur), le flux de gaz d'échappement 24 est guidé dans une seule section transversale, alors que dans la zone du tronçon tubulaire 28 (intérieur) se forment les deux canaux d'écoulement de gaz d'échappement 14, 16 montés en parallèle dans lesquels le flux de gaz d'échappement 24 de la ligne d'échappement 12 peut se répartir. A l'extrémité 34 aval du dispositif 10 est prévu le clapet de soupape 18 qui peut fermer le premier canal d'écoulement de gaz d'échappement 14, plus précisément une extrémité aval du tronçon tubulaire 28 intérieur. Vue en direction d'écoulement, la ligne d'échappement 12 présente donc uniquement entre une extrémité amont du tronçon tubulaire 28 et le clapet de soupape 18 deux sections d'écoulement séparées l'une de l'autre, à savoir le premier canal d'écoulement de gaz d'échappement 14 et le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16, le flux de gaz d'échappement 24 se répartissant sur le premier et le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 14, 16 en fonction de la position du clapet de soupape. Selon la figure 1, les modules TEG 20 déjà mentionnés sont agencés dans la région des canaux d'écoulement de gaz d'échappement 14, 16 sur une paroi extérieure 36 radiale du deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16, donc sur le tronçon tubulaire 30.
En alternative du mode de réalisation montré aux figures 1 à 4, le clapet de soupape 18 pourrait aussi sélectivement fermer ou libérer au moins partiellement une section d'écoulement du deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16. Exprimé du point de vue fonctionnel, le clapet de soupape 18 permet simplement de déterminer la répartition du flux de gaz d'échappement 24 sur le premier canal d'écoulement de gaz d'échappement 14 et sur le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16. Dans l'exemple de réalisation représenté, une résistance à l'écoulement du premier canal d'écoulement de gaz d'échappement 14 est inférieure à la résistance à l'écoulement du deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16 (lorsque le clapet de soupape 18 est ouvert), le clapet de soupape 18 pouvant sélectivement fermer ou libérer au moins partiellement la section d'écoulement du premier canal d'écoulement de gaz d'échappement 14. De manière correspondant, il en résulte la situation que lorsque le clapet de soupape 18 est ouvert, le gaz d'échappement s'écoule à travers le dispositif 10 pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement en grande partie via le premier canal d'écoulement de gaz d'échappement 14. Etant donné que le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16 n'est cependant pas fermé de manière étanche au gaz, il se produit un écoulement résiduel 24' dans le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16. Cet écoulement résiduel 24' peut être réglé via les résistances à l'écoulement des canaux d'écoulement de gaz d'échappement 14, 16. La résistance à l'écoulement peut ici être influencée à faibles coûts par des chicanes, des obturateurs ou similaires. Selon les figures 1 et 2, il est prévu des entretoises 26 réalisées à titre d'exemple sous forme d'obturateurs dans le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16 pour augmenter la résistance à l'écoulement dans le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16. Lorsque le clapet de soupape 18 est ouvert, l'écoulement résiduel 24' peut être en tout cas réglé de telle sorte qu'en cas de température de gaz d'échappement maximale, il n'entraîne pas non plus une surchauffe des modules TEG 20. Dans la position de fermeture du clapet de soupape 18, aucun écoulement de gaz d'échappement dans le premier canal d'écoulement de gaz d'échappement 14 n'est possible, de sorte que le gaz d'échappement, malgré une résistance à l'écoulement plus élevée, doit s'écouler totalement via le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16. Le circuit de refroidissement 22 représenté seulement par extraits dans les figures 1 et 2 présente dans la région des modules TEG 20 une section transversale annulaire qui entoure les modules 20 sur la face extérieure. Les modules TEG 20 sont en grande partie montés sur une face extérieure radiale de la paroi extérieure 36, de telle sorte qu'ils font saillie radialement dans le circuit de refroidissement 22, plus précisément dans un espace annulaire 38 du circuit de refroidissement 22. En alternative, les modules TEG 20 peuvent aussi être fixés sur une face intérieure radiale de la paroi extérieure 36 et faire ainsi saillie dans le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16, plus précisément dans la section transversale annulaire du deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16. Ceci est esquissé à titre d'exemple à la figure 1 par deux modules TEG 20 qui sont pourvus du numéro de référence 20'. Par ailleurs, on peut aussi concevoir un mode de réalisation dans lequel les modules TEG 20 sont enfichés dans des orifices de la paroi extérieure 36 et font saillie tant dans le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16 que dans le circuit de refroidissement 22, ce qui est esquissé à titre d'exemple à la figure 1 par deux modules TEG 20" . Indépendamment de la configuration constructive, il importe qu'une « face chaude » des modules TEG 20 présente un bon couplage thermique, assuré en particulier par conduction de chaleur, avec le flux de gaz d'échappement 24 dans le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16, et qu'une « face froide » des modules TEG 20 présente un bon couplage thermique, assuré en particulier par conduction de chaleur, avec un fluide de refroidissement 40 du circuit de refroidissement 22. En raison du câblage nécessaire des modules TEG 20 pour dissiper l'énergie électrique gagnée, les deux variantes, dans lesquelles les modules TEG 20' et 20 " font saillie dans le circuit de refroidissement 22, semblent particulièrement avantageuses puisque le câblage est soumis dans ces cas à une charge thermique plus faible. En alternative, le circuit de refroidissement 22 peut être rempli d'un fluide de refroidissement 40 liquide (par exemple de l'huile ou de l'eau) ou d'un fluide de refroidissement 40 gazeux (par exemple de l'air). En particulier lorsqu'on utilise des fluides de refroidissement 40 liquides, il faut veiller à une bonne isolation pour le câblage des modules TEG 20. Dans les figures 1 et 2 n'est représenté que l'espace annulaire 38 du circuit de refroidissement 22 ainsi qu'une tubulure d'admission 42 et une tubulure d'évacuation 44 qui débouchent toutes les deux dans l'espace annulaire 38. Le circuit de refroidissement 22 (fermé) présente en général additionnellement un radiateur de fluide de refroidissement (non montré) ainsi qu'éventuellement d'autres éléments de montage. Le circuit de refroidissement 22 peut être ici en particulier un circuit de refroidissement séparé servant exclusivement à refroidir les modules TEG 20 ou, en alternative, un circuit de refroidissement auquel sont encore branchés d'autres appareils à refroidir. Par exemple, les modules TEG 20 ainsi qu'un appareil de climatisation servant à tempérer l'habitacle du véhicule (non montré) peuvent être branchés au même circuit de refroidissement 22. En outre, il est concevable que les modules TEG 20 soient refroidis via un circuit de refroidissement de moteur du véhicule automobile. La figure 3 montre une vue frontale du dispositif 10 pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement, depuis l'extrémité 34 aval, c'est-à-dire depuis l'extrémité droite du dispositif 10 selon la figure 1. Dans cette représentation, on voit un actionneur en matière expansible 46 pour actionner le clapet de soupape 18 en fonction de la température, lequel est monté sur un boîtier 50 du dispositif 10 par l'intermédiaire d'un bras de support 48. Ce boîtier 50 comprend en particulier le tube 50 du circuit de refroidissement 22, formant l'espace annulaire 38 ainsi que des parties du tronçon tubulaire 30. L'actionneur en matière expansible 46 présente une conduite d'amenée 54 dérivant du boîtier 50 ainsi qu'une conduite d'évacuation 55 via laquelle l'actionneur en matière expansible 46 peut être thermiquement sollicité. En outre, on voit à la figure 3 un élément ressort 56 qui sollicite le clapet de soupape 18 dans sa position de fermeture. Dans le cas présent, l'élément ressort 56 est réalisé sous forme de ressort à boudin qui est sollicité en torsion et qui est en outre conçu de telle sorte que lorsqu'une pression de gaz PG prédéterminée agissant sur le clapet de soupape 18 est atteinte (voir figure 1), il se comprime pour permettre un mouvement du clapet de soupape 18. Etant donné que dans les moteurs à combustion interne classiques, il y a une bonne corrélation entre la pression de gaz d'échappement et la température de gaz d'échappement, c'est-à-dire qu'une pression de gaz croissante est accompagnée d'une montée de la température de gaz d'échappement, on peut déjà réaliser par un ajustage approprié de la raideur de l'élément ressort 56 dans la plupart des cas de charge une protection contre une surcharge thermique pour les modules TEG 20. Les cas de charge critiques restants, dans lesquels la température de gaz d'échappement dépasse une température limite malgré une pression de gaz (<pG) relativement faible, sont pris en considération par l'actionneur à matériau expansible 46. La figure 4 montre une vue de dessus du dispositif 10 pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement dans la région de l'actionneur en matière expansible 46. De tels actionneurs sont, d'une manière générale, déjà connus de l'état de la technique, et c'est pourquoi leur structure n'est ici qu'esquissée schématiquement. Il faut souligner que les actionneurs en matière expansible 46 mis en oeuvre sont des actionneurs à fonctionnement purement mécanique et ne nécessitent par conséquent ni capteur électronique ni élément d'actionnement électrique, comme par exemple un électromoteur. Habituellement, l'actionneur en matière expansible 46 présente un élément d'entraînement 58 avec une chambre 60 qui est remplie d'un matériau 62 sensible à la température, le matériau 62 se dilatant plus la température monte et déplaçant une paroi 64 qui est couplée au clapet de soupape 18 pour mouvoir celui-ci. Dans l'exemple de réalisation présent, la paroi 64 est une membrane qui peut être poussée par le matériau 62 sensible à la température dans une chambre de piston 65 remplie de gaz et étanchée pour déployer le piston 66 et pour finalement déplacer le clapet de soupape 18 et en particulier pour l'ouvrir via une roue à cliquet 68 (voir figure 5) et l'arbre 70. En fonction de la température d'activation souhaitée pour l'actionneur en matière expansible 46, on peut utiliser en tant que matériau 62 sensible à la température par exemple des huiles ou des métaux. En alternative, on peut aussi mettre en oeuvre différents types de cire tels que la paraffine dure en tant que matériau 62 sensible à la température, et c'est pourquoi, dans ces cas, on appelle aussi l'actionneur en matière expansible 46 actionneur à cire. En cas de dépassement d'une température limite prédéterminable appliquée sur l'actionneur en matière expansible 46, ou plus précisément sur le matériau 62 sensible à la température de l'actionneur en matière expansible 46, l'actionneur en matière expansible 46 sollicite le clapet de soupape 18 dans sa position d'ouverture selon la figure 2.
Dans une variante de réalisation, l'actionneur en matière expansible 46 est thermiquement couplé au flux de gaz d'échappement 24 et ainsi sollicité par une température de gaz d'échappement. Ceci signifie en général que le matériau 62 sensible à la température, de l'actionneur en matière expansible 46, est directement contourné par le flux de gaz d'échappement 24, le matériau 62 sensible à la température se dilatant de plus en plus avec la montée de température du flux de gaz d'échappement 24. En alternative, le matériau 62 sensible à la température peut aussi être indirectement couplé au flux de gaz d'échappement 24, par exemple par une cloison thermoconductrice. Dans une autre variante de réalisation, l'actionneur en matière expansible 46 est thermiquement couplé au circuit de refroidissement 22 et il est ainsi sollicité par une température de fluide de refroidissement. Ceci signifie en général que le matériau 62 sensible à la température, de l'actionneur en matière expansible 46, est contourné par le fluide de refroidissement 40, le matériau 62 sensible à la température se dilatant de plus en plus avec la montée de la température du fluide de refroidissement 40. En alternative, le matériau 62 sensible à la température peut aussi être couplé indirectement au flux de gaz d'échappement 24, par exemple par une cloison thermoconductrice. Du point de vue construction, ces variantes de réalisation ne se distinguent l'une de l'autre que par le fait que la conduite d'amenée 54 est branchée soit au deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement 16 soit au circuit de refroidissement 22. Ces variantes sont esquissées schématiquement à la figure 1 et pourvues des numéros de référence 54' et 54", respectivement. L'avantage du matériau 62 sensible à la température couplé au flux de gaz d'échappement 24 réside dans le fait que la température limite, c'est-à-dire la température d'activation de l'actionneur en matière expansible 46, peut s'orienter à la température maximale avec laquelle les modules TEG 20 peuvent être sollicités au maximum puisque tant le matériau 62 sensible à la température que les modules TEG 20 sont sollicités de la même manière par la température de gaz d'échappement. La température maximum avec laquelle les modules TEG 20 peuvent être sollicités, est généralement de l'ordre d'environ 300°C.
L'avantage d'un matériau 62 sensible à la température contourné par le fluide de refroidissement 40 réside dans le fait que les températures de fluide de refroidissement sont de l'ordre d'environ 70°C à 110°C au fonctionnement du véhicule, les actionneurs à matière expansible 46 avec températures de fluide de refroidissement pouvant être obtenus sans problèmes dans cette plage. Il se trouve cependant l'inconvénient que de la température de fluide de refroidissement ou de la modification de la température de fluide de refroidissement, on doit conclure la température de gaz d'échappement avec laquelle les modules TEG 20 sont sollicités. Ceci peut devenir alors assez coûteux en particulier si en plus des modules TEG 20, d'autres appareils à refroidir sont branchés au circuit de refroidissement 22. Dans ce cas, le spectre température du fluide de refroidissement ainsi que l'influence de la température de fluide de refroidissement par les modules TEG 20 et les autres appareils à refroidir doivent être exactement analysés, et la température d'activation de l'actionneur en matière expansible 46 doit être ajustée spécialement à ces conditions additionnelles pour assurer d'une part un gain efficace d'énergie par les modules TEG 20 et pour pouvoir d'autre part exclure amplement le risque d'une surchauffe des modules TEG 20. La température limite ou la température d'activation de l'actionneur en matière expansible 46 est en générale de l'ordre d'environ 80° et 100°C, respectivement. La figure 5 montre une vue latérale du dispositif 10 pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement dans la région de l'actionneur en matière expansible 46. Cette figure illustre qu'un piston 66 mobile de l'actionneur en matière expansible 46 attaque une roue à cliquet 68 qui est à son tour reliée à un arbre 70 du clapet de soupape 18. En liaison avec la figure 4, il est clair que l'élément ressort 56, qui sollicite le clapet de soupape 18 dans sa position de fermeture, est monté en série avec l'actionneur en matière expansible 46, plus précisément avec l'élément d'entraînement 58 de l'actionneur en matière expansible 46. Ceci signifie que lorsque la température limite est dépassée, l'actionneur en matière expansible 46 ouvre le clapet de soupape 18 à l'encontre de la force élastique de l'élément ressort 56. De manière correspondante, l'élément ressort 56 assure, après une baisse de la température au niveau de l'actionneur en matière expansible 46, un rappel du clapet de soupape 18 dans sa position de base fermée. En même temps, l'actionneur en matière expansible 46 est aussi ramené dans sa position de base par le force élastique, la position de base de l'actionneur en matière expansible 46 correspondant à une situation avec piston 66 rentré, selon les figures 4 et 5.
Claims (17)
- Revendications1 Dispositif pour l'utilisation de la chaleur de gaz d'échappement dans des moteurs à combustion interne de véhicules automobiles, comportant une ligne d'échappement (12) qui présente par tronçon un premier canal d'écoulement 5 de gaz d'échappement (14) et un deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement (16), un clapet de soupape (18) mobile entre une position de fermeture et une position d'ouverture, lequel peut sélectivement fermer ou libérer au moins partiellement une section transversale d'écoulement du premier ou du deuxième canal d'écoulement de gaz 10 d'échappement (14, 16), au moins un module de générateur (20) thermoélectrique qui est thermiquement couplé d'une part au deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement (16) et d'autre part à un circuit de refroidissement (22), ainsi qu'un actionneur en matière expansible (46) pour actionner le clapet de soupape (18) en 15 fonction de la température.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement (16) présente une section transversale annulaire qui entoure le premier canal d'écoulement de gaz d'échappement (14).
- 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que plusieurs modules de 20 générateur thermoélectriques sont agencés sur une paroi extérieure radiale du deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement.
- 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement (22) présente dans la zone dudit au moins un module de générateur (20) thermoélectrique une section transversale annulaire qui entoure le 25 module de générateur (20) thermoélectrique sur la face extérieure.
- 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'actionneur en matière expansible (46) est un actionneur fonctionnant purement mécaniquement.
- 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en 30 ce qu'il est prévu un élément ressort (56) qui sollicite le clapet de soupape (18) dans une position de fermeture.
- 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément ressort (56) est conçu de telle sorte que lorsqu'une pression de gaz (pG) prédéterminée agissant sur le clapet de soupape (18) est atteinte, il se comprime pour permettre un mouvement du clapet de soupape (18).
- 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en cas de dépassement d'une température limite prédéterminable appliquée à un actionneur en matière expansible (46), l'actionneur en matière expansible (46) sollicite le clapet de soupape (18) dans sa position d'ouverture.
- 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'actionneur en matière expansible (46) est thermiquement couplé au flux de gaz d'échappement (24) et est par conséquent sollicité par une température de gaz d'échappement.
- 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un matériau (62) de l'actionneur en matière expansible (46), qui est sensible à la température, est contourné par le flux de gaz d'échappement, le matériau (62) sensible à la température se dilatant de plus en plus avec la montée en température du flux de gaz d'échappement.
- 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'actionneur en matière expansible (46) est couplé thermiquement au circuit de refroidissement (22) et est par conséquent sollicité par une température de fluide de refroidissement.
- 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'un matériau (62) de l'actionneur en matière expansible (46), qui est sensible à la température, est contourné par un fluide de refroidissement (40), le matériau (62) sensible à la température se dilatant de plus en plus avec la montée en température du fluide de refroidissement (40).
- 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'actionneur en matière expansible (46) présente un élément d'entraînement (58) avec un espace (60) rempli de le matériau (62) sensible à la température, le matériau (62) sensible à la température se dilatant de plus en plus avec la montée en température du fluide de refroidissement (40) et déplaçant une paroi (64) qui est couplée au clapet de soupape (18) pour mouvoir celle-ci.
- 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il est prévu un élément ressort (56) qui sollicite le clapet de soupape (18) dans une position de fermeture, l'élément ressort (56) et l'élément d'entraînement (58) étant montés en série.
- 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement (22) présente un fluide de refroidissement (40) liquide ou gazeux.
- 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'actionneur en matière expansible (46) est un actionneur à cire.
- 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une résistance à l'écoulement du premier canal d'écoulement de gaz d'échappement (14) est inférieure à une résistance à l'écoulement du deuxième canal d'écoulement de gaz d'échappement (16), le clapet de soupape (18) pouvant sélectivement fermer ou libérer au moins partiellement une section transversale d'écoulement du premier canal d'écoulement de gaz d'échappement (14).
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