FR2958325A1 - Moteur thermique suralimente et procede de regulation dudit moteur - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un moteur thermique suralimenté ainsi qu'un procédé de régulation dudit moteur, ledit moteur comportant une chambre de combustion (2), un circuit d'admission de gaz (3) comportant un compresseur (5) permettant l'introduction d'un mélange gazeux comprimé dans la chambre de combustion (2) et un circuit d'échappement (4) comportant une turbine d'échappement (6) permettant la détente des gaz d'échappement et tel que, selon l'invention, le moteur comprend : - un circuit additionnel (8), relié au compresseur (5) et recevant une partie variable du flux de gaz sortant du compresseur (5), - un échangeur de chaleur (11), disposé sur le circuit d'échappement (4), permettant le transfert de chaleur des gaz d'échappement vers le flux de gaz circulant dans le circuit additionnel (8), - des moyens de production d'énergie électrique (12) à partir des gaz chauffés, du circuit additionnel (8).
Description
1 La presente invention concerne un moteur thermique suralimenté ainsi qu'un procédé de régulation dudit moteur. L'invention trouvera avantageusement application dans le domaine du transport automobile pour la réalisation de moteurs essences ou diesels. Toutefois la présente invention pourra être également utilisée pour la réalisation de moteurs suralimentés dans d'autres domaines d'applications.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Dans un moteur thermique suralimenté on utilise un compresseur pour augmenter la pression des gaz dans la chambre de combustion afin d'assurer un meilleur remplissage des cylindres en gaz et par conséquent d'accroître le rendement du moteur. Le compresseur est entraîné par une turbine d'échappement qui en détendant les gaz d'échappement récupère leur énergie cinétique et la transmet via un arbre au compresseur.
Cette technique permet de récupérer une partie de l'énergie des gaz d'échappement, toutefois après leur détente dans la turbine, les gaz conservent une énergie thermique importante puisque la température de ces gaz détendus peut atteindre encore des valeurs élevées de l'ordre de 500 à 800 degrés dans les moteurs suralimentés à essence. Ces gaz d'échappement ne sont pas exploités sur le plan énergétique même si par ailleurs, de manière notamment à réduire la pollution en oxydes d'azote, le moteur peut comprendre un circuit de recirculation permettant de réintroduire une partie de ces gaz d'échappement dans le compresseur avec de l'air frais. Ainsi l'énergie thermique de ces gaz n'est pas exploitée, les gaz d'échappement chauds étant directement rejetés dans l'environnement.
Par ailleurs il faut noter que l'utilisation classique d'un turbocompresseur fait alterner des phases de charges variables du variations de grandes augmentant l'usure des réduisant l'efficacité compresseur et de la turbine. Ces amplitudes génèrent des à coups composants du turbocompresseur et du compresseur et de la turbine. De plus sur les moteurs suralimentés, le passage d'une faible charge à une forte charge du compresseur s'effectue avec un retard et donc limite la réactivité du moteur aux sollicitations en accélération. OBJET DE L'INVENTION La présente invention a pour objet de proposer un moteur dont la structure permet d'améliorer l'utilisation de l'énergie contenue dans les gaz d'échappements. Un second objectif de l'invention est de proposer un moteur dont la structure permet une meilleure utilisation du compresseur et de la turbine d'échappement. RESUME DE L'INVENTION A cet effet l'invention concerne un moteur thermique suralimenté comportant une chambre de combustion, un circuit d'admission de gaz comportant un compresseur permettant l'introduction d'un mélange gazeux comprimé dans la chambre et un circuit d'échappement comportant une turbine d'échappement permettant la détente des gaz d'échappement et tel que, selon l'invention le moteur comprend : - un circuit additionnel, relié au compresseur et recevant une partie variable du flux de gaz sortant du 30 compresseur, - un échangeur de chaleur, disposé sur le circuit d'échappement, permettant le transfert de chaleur des gaz d'échappement vers le flux de gaz circulant dans le circuit additionnel, 35 - des moyens de production d'énergie électrique à partir des gaz chauffés, du circuit additionnel. L'invention vise également un procédé de régulation d'un moteur thermique tel que précité dans lequel on fait varier la proportion de flux dans le circuit additionnel en fonction du régime du moteur. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de deux exemples de réalisation en référence aux dessins annexés, fournis à titre d'exemple non limitatif, parmi lesquels : la figure 1 représente un exemple schématique de réalisation du moteur conforme à l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En se reportant à la figure 1 on voit représenté un moteur thermique 1 avec une chambre de combustion 2, un circuit d'admission 3 et un circuit d'échappement 4 des gaz issus de la chambre de combustion 2. Classiquement on retrouve également un compresseur 5 sur le circuit d'admission 3 et une turbine d'échappement 6 sur le circuit d'échappement 4. Selon un mode de réalisation avantageux on retrouve également sur le circuit d'admission 3 entre le compresseur 5 et la chambre de combustion 2 un refroidisseur 7 à air ou à eau permettant de refroidir le mélange de gaz en sortie de compresseur 5 de manière à améliorer le rendement du moteur 1. Dans les exemples, le gaz introduit dans le compresseur 5 est uniquement de l'air, toutefois dans d'autres modes de réalisation on introduira également dans le compresseur 5 un mélange de gaz comportant de l'air et une d'échappement l'échangeur partie des gaz d'échappement. Ces gaz seront préalablement passés dans de chaleur et par conséquent seront introduits dans le compresseur 5 avec des températures inférieures à celles des dispositifs antérieurs ce qui permet de favoriser la encore l'efficacité de la combustion dans les cylindres.
Selon l'invention, le moteur 1 comporte en outre un circuit additionnel 8. Ce circuit additionnel 8 est relié à la sortie du compresseur 5. Il permet de faire circuler une partie variable du flux de gaz sortant du compresseur 5. Cette partie variable correspond à une quantité additionnelle de mélange d'air introduit dans le compresseur 5 par rapport à la quantité nécessaire à la suralimentation du moteur 1. Cette partie variable du flux sortant du compresseur 5 est contrôlée par des moyens de régulation 9 disposés dans le circuit additionnel 8. A cette fin ces moyens de régulation 9 seront avantageusement réalisés à partir d'une vanne 10 pilotée par un microprocesseur, non représenté dans le dessin annexé, ou encore par un volet doseur également piloté par un microprocesseur. Le moteur 1 comporte en outre selon l'invention un échangeur de chaleur 11. Cet échangeur de chaleur 11 est disposé entre le circuit d'échappement 4 et le circuit additionnel 8 de manière à permettre le transfert de chaleur des gaz d'échappement vers le flux d'air additionnel circulant dans le circuit additionnel 8. On pourra utiliser un échangeur de chaleur 11 à ailettes pour réaliser le transfert de chaleur, toutefois d'autres types d'échangeurs gaz/gaz, connus de l'homme du métier peuvent également être envisagés. Avantageusement l'échangeur de chaleur 11 est disposé de manière à récupérer la chaleur des gaz d'échappement sur la portion du circuit d'échappement 4 située en aval de la turbine d'échappement 6.
Cela étant, dans une variante de réalisation l'échangeur de chaleur 11 sera disposé de manière à utiliser les gaz d'échappement sur la portion du circuit d'échappement 4 située entre la chambre de combustion 2 et la turbine d'échappement 6, et par conséquent 5 d'utiliser les gaz d'échappement à leur température la plus haute. Le moteur 1 comporte également, selon l'invention, des moyens de production d'énergie électrique 12.
Ces moyens de production d'énergie 12 permettent de récupérer l'énergie emmagasinée par l'air additionnel après compression dans le compresseur 5 et chauffage à travers l'échangeur de chaleur 11. A cet effet les moyens de production d'énergie 12 comportent une turbine 13 couplée à un générateur électrique 14. La demanderesse a établie que la puissance électrique récupérable pour un moteur 2L essence était de l'ordre de 600 à 1kW permettant de couvrir une grande partie voir la totalité des besoins de fonctionnement du réseau de bord du véhicule et peut également être utilisé pour la climatisation à l'arrêt du véhicule. Avantageusement le générateur électrique 14 sera constitué par un alternateur.
De manière à stocker l'énergie produite par les moyens de production d'énergie 12 on prévoit des moyens de stockage 16 de l'énergie électrique avantageusement dans une ou plusieurs batteries 17. Dans l'exemple de la figure 1, la turbine 13 des moyens de production 12 est une turbine spécifiquement dédiée au circuit additionnel 8. Dans l'autre exemple, les moyens de production d'énergie 12 utilisent la turbine d'échappement 6 pour réaliser la détente de l'air additionnel. Cette structure permet par conséquent de faire l'économie d'une turbine. Dans ce mode de réalisation on prévoit des moyens de débrayage permettant le couplage/découplage de la turbine avec le générateur électrique 14.
En se reportant à la figure 1, le fonctionnement du moteur 1 est le suivant, le compresseur 5 vient compresser l'air entrant dans le circuit d'admission 3 et en transfère une première partie dans la chambre de combustion 2 via le refroidisseur 7 et une seconde partie dans le circuit additionnel 8. Après combustion, les gaz d'échappements entrent dans la turbine d'échappement 6 où ils subissent une détente permettant le déplacement de l'arbre de la turbine d'échappement 6 auquel est couplé le compresseur 5 et assurant son fonctionnement. Les gaz d'échappement poursuivent ensuite leur parcours et traversent l'échangeur de chaleur 11 dans lequel ils transmettent une partie de leurs calories à l'air additionnel présent dans l'échangeur 11. Les gaz d'échappement sont ensuite évacués par les échappements du véhicule. L'air additionnel, chauffé par le transfert de chaleur opéré dans l'échangeur de chaleur 11, est ensuite détendu dans la turbine 13 des moyens de production d'énergie 12 puis évacué vers l'extérieur du véhicule par une conduite 18. Le générateur électrique 14, réalisé dans l'exemple de la figure 1 sous la forme d'un alternateur transforme l'énergie mécanique transmise par l'arbre de la turbine 13 en énergie électrique, cette dernière, en fonction des besoins pouvant être consommée directement ou stockée dans la batterie 17. Dans l'autre mode de réalisation du moteur 1, le fonctionnement du moteur 1 est similaire à celui du premier mode de réalisation sauf en ce que l'on utilise la turbine d'échappement 6 pour réaliser la détente de l'air additionnel chauffé. Dans cet exemple l'air additionnel est ainsi introduit dans la turbine d'échappement 6 qui est couplée au générateur électrique 14 via les moyens de débrayage permettant le couplage/découplage de la turbine 13 avec le générateur électrique 14. La structure du moteur 1 selon l'un ou l'autre des deux modes de réalisation permet par conséquent d'optimiser la récupération d'énergie des gaz d'échappement. Cette structure de moteur 1 permet en outre d'améliorer le fonctionnement des différents organes du moteur. En effet, dans un moteur suralimenté classique le fonctionnement de la turbine d'échappement et du compresseur varie fortement entre des phases de charges faibles à des phases de charge importante. Lors des charges faibles une partie importante des gaz d'échappement est évacuée via une soupape de décharge communément appelée « waste gate » limitant la puissance de la turbine d'échappement de manière à faire fonctionner le compresseur à faible charge. En cas de demande de suralimentation importante, les régimes du compresseur 5 et de la turbine d'échappement 6 augmentent avec toutefois un retard entre la demande d'accélération et le changement de régime du au temps de montée en régime de la turbine et du compresseur. Dans la présente invention, on fait varier la proportion de flux dans le circuit additionnel 8 en fonction du régime du moteur. De manière avantageuse, la régulation permet d'augmenter la proportion de flux dans le circuit additionnel 8 en cas de diminution de la charge du moteur et inversement de diminuer la proportion de flux d'air dans le circuit additionnel 8 en cas d'augmentation de la charge du moteur 1 de manière à limiter les variations de charge du compresseur.
Ainsi, dans le cas où la demande de charge du moteur est faible, la vanne 10 est ouverte de manière à augmenter le flux d'air additionnel, de cette manière, la demande en compression reste importante et par conséquent le régime du couple turbine compresseur reste élevé. Dans le cas où la demande de charge du moteur 1 est importante, la vanne 10 se ferme de manière à réduire ou supprimer le flux d'air additionnel permettant de passer la totalité du flux d'air issue du compresseur 5 dans la chambre de combustion 2. Ainsi, cette régulation avantageuse du flux d'air additionnel permet de ne pas avoir à surdimensionner la turbine d'échappement 6 par rapport aux turbines classiquement utilisées, la turbine d'échappement 6 ne travaillant pour la compression de l'air additionnel que lors des périodes de faibles et moyennes charges. De plus le couple turbine/compresseur fonctionne moins par à coups puisque le compresseur 5 fonctionne plus à faible charge pour compresser l'air additionnel.
Ce fonctionnement du compresseur 5 permet d'une part de réduire le retard du turbocompresseur en cas de demande de forte charge, puisque le passage se fait directement d'un régime moyen à un régime élevé, et donc d'augmenter la réactivité du moteur et d'autre part permet d'augmenter de manière générale le rendement du couple turbine/compresseur. Le régime de fonctionnement étant en outre moins sujet aux fortes variations, les organes du moteur sont également plus préservés que sur les moteurs suralimentés classiques.
D'autres caractéristiques de l'invention auraient également pu être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après. Notamment, à titre d'exemples d'autres modes de régulation du moteur 1 sont également envisageables par exemple en fonction de la quantité d'énergie stockée dans
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Moteur thermique suralimenté comportant une chambre de combustion (2), un circuit d'admission de gaz(3) comportant un compresseur (5) permettant l'introduction d'un mélange gazeux comprimé dans la chambre de combustion (2) et un circuit d'échappement (4) comportant une turbine d'échappement (6) permettant la détente des gaz d'échappement caractérisé en ce que le moteur comprend - un circuit additionnel (8), relié au compresseur (5) et recevant une partie variable du flux de gaz sortant du compresseur (5), - un échangeur de chaleur (11), disposé sur le circuit d'échappement (4), permettant le transfert de chaleur des gaz d'échappement vers le flux de gaz circulant dans le circuit additionnel (8), - des moyens de production d'énergie électrique (12) à partir des gaz chauffés, du circuit additionnel (8).
- 2. Moteur thermique selon la revendication 1 dans lequel les moyens de production d'électricité (12) comportent une turbine (13) couplée à un générateur électrique (14).
- 3. Moteur thermique selon la revendication 2 dans lequel le générateur électrique (14) est un alternateur relié directement à l'arbre de la turbine (13).
- 4. Moteur thermique selon l'une ou l'autre des revendications 2 et 3 dans lequel on utilise la turbine d'échappement (6) pour la production d'énergie électrique, ladite turbine d'échappement (6) comportant des moyens de débrayage permettant le couplage/découplage de la turbine (6) avec le générateur électrique (14).
- 5. Moteur thermique selon l'une quelconque desREVENDICATIONS 1. Moteur thermique suralimenté comportant une chambre de combustion (2), un circuit d'admission de gaz(3) comportant un compresseur (5) permettant l'introduction d'un mélange gazeux comprimé dans la chambre de combustion (2) et un circuit d'échappement (4) comportant une turbine d'échappement (6) permettant la détente des gaz d'échappement caractérisé en ce que le moteur comprend - un circuit additionnel (8), relié au compresseur (5) et recevant une partie variable du flux de gaz sortant du compresseur (5), - un échangeur de chaleur (11), disposé sur le circuit d'échappement (4), permettant le transfert de chaleur des gaz d'échappement vers le flux de gaz circulant dans le circuit additionnel (8), - des moyens de production d'énergie électrique (12) à partir des gaz chauffés, du circuit additionnel (8). 2. Moteur thermique selon la revendication 1 dans lequel les moyens de production d'électricité (12) comportent une turbine (13) couplée à un générateur électrique (14). 3. Moteur thermique selon la revendication 2 dans lequel le générateur électrique (14) est un alternateur relié directement à l'arbre de la turbine (13). 4. Moteur thermique selon l'une ou l'autre des revendications 2 et 3 dans lequel on utilise la turbine d'échappement (6) pour la production d'énergie électrique, ladite turbine d'échappement (6) comportant des moyens de débrayage permettant le couplage/découplage de la turbine (6) avec le générateur électrique (14). 5. Moteur thermique selon l'une quelconque des 11 revendications précédentes dans lequel le circuit additionnel (8) comporte, en sortie de compresseur (5), des moyens de régulation (9) de la quantité de flux de gaz circulant dans le circuit additionnel (8).
- 6. Moteur thermique selon la revendication 5 dans lequel les moyens de régulation (9) sont réalisés par une vanne (10) pilotée par un microprocesseur.
- 7. Moteur thermique selon la revendication 6 dans lequel les moyens de régulation (9) sont réalisés par un volet doseur piloté par un microprocesseur.
- 8. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes dans l'échangeur de chaleur (11) est disposé de manière à utiliser les gaz d'échappement sur la portion du circuit d'échappement (4) située entre la chambre de combustion (2) et la turbine d'échappement (6).
- 9. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel l'échangeur de chaleur (11) est disposé de manière à récupérer la chaleur des gaz d'échappement sur la portion du circuit d'échappement (4) située en aval de la turbine d'échappement (6).
- 10. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les moyens de production d'énergie électrique (12) sont reliés à des moyens de stockage (16).
- 11. Procédé de régulation d'un moteur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel on fait varier la proportion de flux de gaz entrant dans le circuit additionnel (8) en fonction du régime du moteur.
- 12. Procédé de régulation selon la revendication 10 dans lequel la proportion de flux dans le circuit additionnel (8) augmente en cas de diminution de la charge du moteur et inversement de manière à limiter les variations de charge du compresseur (5).
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