FR3053405B1 - Ensemble de circulation de gaz d’echappement d’un moteur thermique - Google Patents
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Abstract
Un ensemble de circulation de gaz d'échappement d'un moteur thermique comprend un circuit de recirculation des gaz d'échappement (12). Selon l'invention, le circuit de recirculation comporte une turbine de récupération d'énergie (18) et une vanne de régulation à volet mobile (22) pour la régulation du flux des gaz d'échappement.
Description
ENSEMBLE DE CIRCULATION DE GAZ D’ECHAPPEMENT D’UN MOTEUR THERMIQUE L’invention a trait au domaine des moteurs thermiques de véhicule automobile, et elle concerne plus particulièrement les moteurs équipés d’un circuit de recirculation des gaz d’échappement.
Un moteur peut classiquement être équipé d’un turbocompresseur de suralimentation comprenant un compresseur et une turbine, reliés par un arbre commun. La turbine, disposée en travers d’un circuit d’échappement de gaz d'échappement issus du moteur après combustion, est mise en rotation sous l’effet des gaz d’échappement la traversant, et ce mouvement est transmis au compresseur qui permet l’alimentation du moteur en air frais à une pression supérieure à la pression atmosphérique à laquelle est prélevé l’air dans un circuit d’admission. Le turbocompresseur a notamment pour but d'augmenter la quantité d'air admise dans les cylindres du moteur.
Un échangeur de chaleur peut être placé entre le compresseur et un collecteur d'admission du moteur afin de refroidir l'air comprimé en sortie du compresseur. En effet, on comprend que lorsque l'air d'admission du moteur est comprimé, sa température s'élève. L'air chaud occupant un plus grand volume que l'air froid, on vise, afin de ne pas réduire l’effet souhaité du turbocompresseur, à refroidir la température de l’air amené à pénétrer le bloc moteur.
Dans le cas d'un moteur à combustion, en particulier un moteur diesel, des oxydes d'azote et des particules sont rejetés dans les gaz d'échappement. Les normes de dépollution étant de plus en plus strictes, des dispositifs de traitement des gaz d’échappement sont placés dans la ligne d'échappement et peuvent comprendre un filtre à particules, un catalyseur et d’autres appareils permettant notamment d’oxyder les réducteurs présents à la sortie du moteur, tels les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone.
Pour réduire encore les émissions d'oxyde d'azote, on sait mettre en place un circuit de recirculation des gaz d’échappement en sortie du bloc moteur, connu également sous l’acronyme anglais EGR pour « Exhaust Gas Recirculation ». Le circuit de recirculation des gaz d’échappement est piqué sur le circuit d’échappement du moteur thermique et une vanne de régulation associée à ce circuit de recirculation des gaz d’échappement est configurée pour diriger les gaz d'échappement en sens inverse, depuis la sortie du bloc moteur vers l’admission de celui-ci.
Une telle recirculation des gaz d’échappement a pour effet d’une part de baisser la teneur en oxygène dans les gaz admis dans le moteur thermique, ce qui a pour effet de diminuer la vitesse de combustion, et d’autre part de diminuer la température des gaz lors de la combustion. Cela permet notamment de réduire les émissions d'oxydes d'azote.
De façon similaire à ce qui a été décrit précédemment pour le refroidissement de l’air frais dans le circuit d’admission, et toujours en ayant pour but d'augmenter le rendement du moteur, on peut prévoir que les gaz d'échappement recirculés soient refroidis avant leur mélange avec l'air frais dans le circuit d’admission. Le circuit de recirculation peut alors comprendre un échangeur de chaleur dénommé couramment sous l’acronyme anglais EGRC pour « Exhaust Gaz Recirculation Cooler ».
La vanne de régulation permet de moduler la quantité de gaz d'échappement recyclés dans le répartiteur d'admission. Classiquement les vannes de régulation, notamment lorsqu’elles sont associées à un circuit de recirculation des gaz d’échappement à haute pression, c’est-à-dire les vannes de régulation utilisées pour des circuits de recirculation raccordés sur le circuit d'échappement en amont de la turbine du turbocompresseur, sont des vannes à soupapes, qui impliquent de fortes pertes de charges.
Par ailleurs, on connaît des circuits de recirculation des gaz d’échappement équipés d’une turbine, additionnelle en ce qu’elle est distincte de la turbine du turbocompresseur, configurée pour être mise en œuvre sous l’effet du passage de ces gaz d’échappement et pour permettre une production d’énergie utile pour assister le fonctionnement du véhicule, par exemple en soulageant l’alternateur dans la production d’électricité et/ou en apportant une assistance mécanique au moteur ou à des éléments de l’architecture moteur tels que le turbocompresseur par exemple. Cette turbine additionnelle de récupération d’énergie peut à titre d’exemple être couplée mécaniquement à une machine électrique, apte à générer de l’énergie électrique. L’énergie électrique ainsi produite peut être redistribuée par ailleurs ou stockée dans un système de stockage d’énergie.
Dans ce contexte, la présente invention vise à proposer une amélioration aux moteurs existants comprenant un circuit de recirculation des gaz d’échappement, dont les éléments constitutifs sont agencés pour permettre un fonctionnement efficace et impliquant notamment des pertes de charge limitées.
Un ensemble de circulation de gaz d’échappement d’un moteur thermique selon l’invention comprend un circuit de recirculation des gaz d’échappement qui comporte une turbine de récupération d’énergie et une vanne de régulation à volet mobile pour la régulation du flux des gaz d’échappement dans le circuit de recirculation.
Un tel ensemble de circulation peut notamment être implanté dans un moteur thermique, le cas échéant à turbocompresseur, comprenant un circuit d’admission et un circuit d’échappement, le circuit de recirculation des gaz d’échappement s’étendant depuis le circuit d’échappement vers le circuit d’admission.
Selon une caractéristique de l’invention, la vanne de régulation à volet mobile est disposée en aval de la turbine de récupération d’énergie.
Selon d’autres caractéristiques, prises seules ou en combinaison, on pourra prévoir que : - la vanne de régulation à volet mobile est pilotée par un module de commande configuré pour piloter le déplacement du volet entre deux positions extrêmes ; - la vanne de régulation comprend un volet monté sur un axe agencé transversalement dans une conduite formant le circuit de recirculation ; - la vanne de régulation à volet mobile est disposée sans composant intermédiaire dans le circuit autre que la conduite acheminant les gas en amont du point de raccordement du circuit de recirculation avec un circuit d’admission du moteur thermique ; - le circuit de recirculation comporte un dispositif de dérivation agencé autour de la turbine de récupération d’énergie, et un élément de commande associé configuré pour piloter la part de gaz d’échappement court-circuitant la turbine de récupération d’énergie par le dispositif de dérivation ; - la turbine de récupération d’énergie est accouplée à une machine électrique. L’invention concerne également un moteur thermique comprenant un ensemble de circulation des gaz d’échappement tel qu’il vient d’être présenté, ce moteur pouvant notamment être un moteur diesel et elle concerne en outre un véhicule automobile équipé d’un moteur thermique conforme à ce qui précède. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à l’aide de la description et des figures 1 à 3, parmi lesquelles : - la figure 1 est une illustration d’une architecture moteur comprenant un ensemble de circulation de gaz d’échappement selon un mode de réalisation de l’invention ; et - les figures 2 et 3 sont des représentations schématiques des positions extrêmes du volet mobile d’une vanne de régulation selon un aspect de l’invention.
Dans la description qui va suivre, on utilisera les termes amont et aval, notamment pour qualifier la position de tel ou tel élément du circuit de recirculation. Ces termes seront compris en fonction du sens de circulation des gaz dans le circuit correspondant. Ainsi, lorsqu’il sera précisé qu’un premier élément du circuit de recirculation est en amont d’un deuxième élément du circuit de recirculation, il s’agira de comprendre que les gaz circulant dans ce circuit de recirculation traversent le premier élément avant de traverser le deuxième élément.
Un moteur thermique 1 comprend un bloc-moteur 2 définissant des chambres de combustion 3 pourvues de pistons qui entraînent en rotation un arbre de sortie. Les chambres de combustion du bloc-moteur 2 sont raccordées à un circuit d'admission 4 d'air frais, prélevé à l’extérieur du véhicule, et à un circuit d'échappement 6 des gaz brûlés lors de la combustion, ou gaz d’échappement.
Le moteur 1 comprend par exemple un turbocompresseur formé par la coopération d’un compresseur 8, disposé sur le circuit d'admission 4, et d’une turbine 10, placée sur le circuit d'échappement 6 de manière à récupérer une partie de l'énergie des gaz d'échappement et entraîner en rotation le compresseur 8. Notamment, le compresseur 8 et la turbine 10 peuvent être montés sur un arbre commun, non représenté ici.
Le circuit d'admission 4 peut comprendre, outre le compresseur 8, un filtre à air et/ou un échangeur thermique, ici non représentés, destinés à refroidir l'air d'alimentation des chambres de combustion du bloc moteur 2. On comprend que sans sortir du contexte de l’invention, on pourrait prévoir d’équiper le circuit d’admission de tout type de filtre et de tout type d’échangeur. Par ailleurs, le circuit d’admission 4 peut présenter, en aval du compresseur 8, un dispositif de régulation piloté pour contrôler l’apport d’air frais vers les chambres de combustion du bloc moteur 2.
Le circuit d'échappement 6 peut comprendre en aval de la turbine 10 un dispositif de traitement des polluants des gaz d'échappement, non représenté ici et qui peut notamment consister, à titre d’exemple, en un catalyseur ou un filtre à particules. Le circuit d’échappement peut comprendre également un dispositif de contre pression d’échappement formé de deux éléments de régulation du flux des gaz d’échappement disposés de part et d’autre du dispositif de traitement.
Le moteur selon l’invention comprend en outre un circuit de recirculation 12 des gaz d'échappement, qui permet de réinjecter une partie des gaz d'échappement dans l’admission, en particulier vers les chambres de combustion. Ceci participe au refroidissement de la combustion dans les cylindres et la réduction du taux d'oxygène, ce qui permet de réduire la quantité d'oxydes d'azote (NOx) dans les gaz d’échappement par la combustion dans le bloc moteur, l’oxyde d’azote nocif étant principalement développé à hautes températures et à fortes pressions.
Le circuit de recirculation 12 est ici un circuit haute pression en ce qu’il est connecté, à une première extrémité 14, sur le circuit d'échappement 6 en amont de la turbine 10 et, à l’extrémité opposée 16, ou deuxième extrémité, au circuit d'admission 4 en aval du compresseur 8.
On va maintenant décrire plus en détails le circuit de recirculation 12 et les différents éléments qui le composent, et tout particulièrement leur agencement spécifique selon l’invention.
De la première extrémité 14 à la deuxième extrémité 16, les gaz recirculés depuis le circuit d’échappement 6 vers le circuit d’admission 4 rencontrent successivement une turbine de récupération d’énergie 18 de récupération d’énergie des gaz recirculés, un dispositif de gestion thermique 20 et une vanne de régulation 22. Dans ce qui suit, on parlera de sens de recirculation des gaz d’échappement le sens allant de la première extrémité 14 reliant le circuit de recirculation au circuit d’échappement vers la deuxième extrémité 16 reliant le circuit de recirculation au circuit d’admission.
La turbine de récupération d’énergie 18 est entraînée en rotation par le passage des gaz d’échappement circulant dans le circuit de recirculation 12, et cette rotation est mise à profit pour assister le fonctionnement du véhicule, par exemple en soulageant l’alternateur dans la production d’électricité et/ou en apportant une assistance mécanique au moteur ou à des éléments de l’architecture moteur tels que le turbocompresseur par exemple. Dans l’exemple illustré, la turbine de récupération d’énergie est couplée mécaniquement à une machine électrique 24, apte à générer et/ou stocker l’énergie électrique ainsi produite pour la redistribuer par ailleurs. C’est notamment selon les exemples détaillés ci-dessus que la turbine est qualifiée de récupératrice d’énergie des gaz d’échappement.
Un dispositif de dérivation 26 peut être agencé sur le circuit de recirculation 12 pour, sous l’effet d’instruction de commande compilée par un élément de commande 27, court-circuiter le cas échéant la turbine de récupération d’énergie 18 et faire circuler les gaz d’échappement depuis le circuit d’échappement 6 jusqu’au circuit d’admission 4 sans passer par la turbine de récupération d’énergie 18.
Le dispositif de gestion thermique 20 est disposé sur le circuit de recirculation 12, et il comporte au moins un échangeur de chaleur 28 configuré pour refroidir les gaz d'échappement recirculés. L’échangeur de chaleur peut être de type air-air ou de type air-eau, notamment en fonction de contraintes d'encombrement. L’échangeur de chaleur 28 est agencé au voisinage de la turbine de récupération d’énergie 18. Dans l’exemple illustré, le dispositif de gestion thermique est disposé en aval, dans le sens de recirculation des gaz, de la turbine de récupération d’énergie, et l’échangeur de chaleur permet le refroidissement des gaz recirculés après leur passage dans cette turbine de récupération d’énergie. On comprendra que, sans sortir du contexte de l’invention, le dispositif de gestion thermique 20 pourrait être disposé en amont, dans le sens de recirculation des gaz brûlés, de la turbine de récupération d’énergie.
Le dispositif de gestion thermique 20 peut en outre comprendre un circuit de dérivation 30 et un module de commande 32 qui pilote le passage des gaz d’échappement à travers l’échangeur de chaleur 28, à travers le circuit de dérivation 30, ou bien en partie à travers l’échangeur de chaleur et en partie à travers le circuit de dérivation. Ces éléments, qui sont facultatif, pourront être mis en œuvre pour piloter la température des gaz d’échappement réinjectés dans la chambre d’admission du bloc moteur.
La vanne de régulation 22 est disposée directement en amont du point de raccordement, également dénommé deuxième extrémité 16, du circuit de recirculation 12 avec le circuit d’admission 4 et elle permet de piloter le pourcentage de gaz d’échappement dans l’air admis dans la chambre de combustion du bloc moteur 2.
La vanne de régulation 22 a pour fonction, par sa fermeture pilotée, d’arrêter l’extraction de gaz d’échappement hors du circuit d’échappement via le circuit de recirculation lorsque le moteur fonctionne dans des conditions ne nécessitant plus une telle recirculation de gaz d’échappement.
Selon l’invention, la vanne de régulation 22 est une vanne à volet, mobile au moins entre deux positions extrêmes. Dans l’exemple illustré, la vanne de régulation 22 comprend un volet 36 monté sur un axe 38 agencé transversalement à la conduite formant le circuit de recirculation. Dans une première position extrême de fermeture du conduit de recirculation, illustrée sur la figure 2, le volet 36 obstrue le passage des gaz d’échappement en direction de l’admission du bloc moteur, et dans une deuxième position extrême d’ouverture du conduit de recirculation, illustrée sur la figure 3, le volet laisse le passage aux gaz d’échappement en étant agencé parallèlement à la direction principale d’écoulement des gaz d’échappement et en laissant de la sorte une ouverture maximale 37 pour le passage des gaz d’échappement.
Un dispositif de commande 34 est configuré pour piloter la position du volet de la vanne de régulation 22. On comprend que le module de commande envoie des instructions de commande à un actionneur associé à l’axe 38 pour mouvoir en rotation celui-ci d’un angle déterminé. Une rotation de 90° permet de passer d’une position extrême à l’autre, tandis qu’un angle de rotation différent permet de jouer sur le degré d’ouverture de la vanne et la quantité de gaz d’échappement autorisés à passer vers l’admission du bloc moteur.
Le dispositif de commande 34 est configuré pour piloter la position du volet de la vanne de régulation en fonction d’informations reçues sur le fonctionnement de l’ensemble de circulation de gaz d’échappement, et par exemple la température des gaz circulant, la quantité de gaz circulant ou encore la perte de charge correspondant au passage dans la turbine. Ces informations sont compilées pour déterminer un niveau d’obstruction du conduit de recirculation par le volet mobile et donner une instruction de commande correspondante pour obtenir un angle de rotation de l’axe portant le volet mobile.
Le dispositif de commande pourra à titre d’exemple déterminer qu’il convient de placer le volet mobile dans la deuxième position extrême d’ouverture lorsque la turbine de récupération d’énergie fonctionne à plein régime et réalise une perte de charge importante sur les gaz la traversant, de telle sorte qu’on souhaite limiter la perte de charge réalisée par la vanne de régulation. Et ce dispositif de commande pourra déterminer qu’il convient de placer le volet mobile dans une position intermédiaire entre les deux positions extrêmes lorsque, pour soulager la turbine de récupération d’énergie, des gaz d’échappement sont passés par le circuit de dérivation 26 et que l’on souhaite que ces gaz subissent une perte de charge significative. A titre d’exemple, on prévoira que la perte de charge réalisée par la vanne de régulation 22 lorsque le volet mobile est dans la deuxième position extrême, ou position d’ouverture du conduit, est inférieure à lOmbar pour 300 kilogrammes/heure de gaz d’échappement recirculés.
On comprend de ce qui précède que la présente invention vise à protéger la mise en œuvre d’une vanne spécifique sur un circuit de recirculation de gaz d’échappement sur lequel est présente une turbine de récupération d’énergie.
La mise en œuvre de technologie de vanne à volet est ici particulièrement utile combinée à l’utilisation de turbine de récupération d’énergie, qui implique une perte de charge au passage des gaz d’échappement, la technologie de vanne à volet permettant de réaliser un pilotage des flux avec une très faible perte de charge, ce que ne permet notamment pas des technologies de vannes à soupapes couramment utilisées dans les circuits de recirculation.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l’homme du métier à l’ensemble de circulation de gaz d’échappement sans sortir du contexte de l’invention, étant entendu que l’invention ne saurait se limiter au mode de réalisation spécifiquement décrit dans ce document, et qu’elle s’étend en particulier à tous moyens équivalents et à toute combinaison techniquement opérante de ces moyens, dès lors que le circuit de régulation comprend une vanne de régulation à volet mobile et une turbine de récupération d’énergie.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Ensemble de circulation de gaz d’échappement d’un moteur thermique comprenant un circuit de recirculation des gaz d’échappement 02), caractérisé ce que le circuit de recirculation comporte une turbine de récupération d’énergie 08) et une vanne de régulation à volet mobile (22) pour 1a régulation du flux des gaz d’échappement, la vanne de régulation (22) comprenant un volet (36) monté sur un axe (38) agencé transversalement dans une conduite formant le circuit de recirculation.
- 2. Ensemble, de circulation de gaz d’échappement selon la revendication i, caractérisé en ce que la vanne de régulation à volet mobile (22) est disposée en aval de la turbine de récupération d’énergie 08).
- 3- Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon l’une des revendications ! ou 2, caractérisé en ce que la vanne de régulation à volet mobile (22) est pilotée par un module de commande (32) configuré pour piloter le déplacement du volet entre deux positions extrêmes.
- 4. Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vanne de régulation à vole.t mobile (22) est disposée directement en amont du point de raccordement du circuit de recirculation 02) avec un circuit d’admission (4) du moteur thermique.
- 5. Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de recirculation 02) comporte un dispositif de dérivation (26) agencé autour de la turbine de récupération d'énergie 08).
- 6. Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de dérivation (26) comporte en outre un élément de commande (27) associé configuré pour piloter la part de gaz d’échappement court-circuitant la turbine de récupération d’énergie 08) par le dispositif de dérivation.
- 7. Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la turbine de récupération d’énergie 08) est accouplée à une machine électrique (24)·
- 8. Moteur thermique comprenant iw ensemble de circulation des gaz d'échappement selon l’une des revendications précédentes.
- 9. Véhicule automobile équipé d’un moteur thermique conforme à la revendication précédente.
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