FR3103516A1 - Systeme de refroidissement par air d’un collecteur d’echappement - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un système de refroidissement par air d’un collecteur des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne d’un véhicule automobile, ledit système comprenant un collecteur d’échappement (CE). Le système selon l’invention se caractérise en ce que ledit collecteur d’échappement (CE) est contenu, de manière sensiblement étanche, dans un volume délimité par des écrans thermiques (ETH-CE, ETH-TC) et comprenant, d’une part, au moins une entrée (E) d’air de refroidissement et, d’autre part, au moins une sortie (S) d’air réchauffé au contact du collecteur d’échappement (CE), et en ce que le collecteur d’échappement (CE) est muni de nervures, d’ailettes et/ou de générateurs de turbulences (AD), lesdites nervures, ailettes et/ou générateurs de turbulences (AD) étant agencés pour canaliser et/ou provoquer des turbulences dans l’air de refroidissement admis dans ledit volume. Figure 4

Description

SYSTEME DE REFROIDISSEMENT PAR AIR D’UN COLLECTEUR D’ECHAPPEMENT
La présente invention concerne un système de refroidissement par air d’un collecteur d’échappement d’un moteur à combustion interne d’un véhicule automobile comprenant un collecteur des gaz d’échappement produits par ledit moteur, ledit collecteur étant contenu de manière sensiblement étanche dans un volume délimité par des écrans thermiques. Il concerne en outre un véhicule automobile comportant un tel collecteur d’échappement.
Le développement de solutions d’électro-mobilité progresse à grands pas. Toutefois, le moteur à combustion interne domine toujours le périmètre des chaînes de traction actuelles. En vue d’augmenter l’efficacité du moteur à combustion interne, la réduction de sa cylindrée (« downsizing » en langue anglaise) constitue l’état de l’art actuel. Ce concept consiste à doter le moteur à combustion interne d’une puissante suralimentation qui autorise la réduction de la cylindrée du moteur, notamment à l’aide d’un compresseur additionnel électrique afin d’accroître la puissance maximale du moteur à combustion interne sans perdre en couple à bas régimes et en transitoire de charge. Les points de fonctionnement se déplacent vers les zones de plus fortes charges et de meilleur rendement, permettant ainsi d’accroître l’efficacité et de réduire la consommation.
Cependant, ce principe conduit à de plus fortes températures en fin de compression et de plus fortes pressions en pleine charge, favorisant le cliquetis et le pré-allumage (« rumble » en langue anglaise) typiques des motorisations essence. Pour s’en prémunir, il est souvent requis de retarder, dans le cycle thermodynamique, par rapport à la position optimale de meilleure efficacité, le point pour lequel est brûlée une fraction prédéterminée de la masse de carburant injectée. En complément, le mélange air-carburant est enrichi en carburant autant que nécessaire afin que l’évaporation du carburant excédentaire prodigue le refroidissement permettant de protéger thermiquement l’ensemble des composants du système d’échappement soumis à de hautes températures, à savoir le collecteur d’échappement et sa bride de fixation à la culasse, la turbine du turbocompresseur (T/C) à géométrie fixe ou variable, et son carter, le catalyseur trois voies (TWC).
Pour protéger les composants du moteur à combustion interne et de la ligne d’échappement de ces contraintes thermiques accrues, la chaleur des gaz d’échappement à la sortie de la chambre de combustion est extraite à travers le CE, afin de réduire et même annuler l’enrichissement en carburant du mélange air-carburant. Cela contribue ainsi à améliorer l’efficacité du moteur à combustion interne et à réduire les émissions polluantes. L’état de l’art en la matière consiste principalement à refroidir le CE par le liquide (LR) du circuit de refroidissement du moteur à combustion interne, en intégrant le collecteur d’échappement à la culasse.
Cet état de l’art sévérise les contraintes thermomécaniques subies par la culasse et génère des difficultés de fonderie, en complexifiant les moules de culasse par l’intégration à la culasse du collecteur d’échappement et par l’adaptation notamment du noyau d’eau, en particulier dans le cas de conduits à double entrée (« twin-scroll » en langue anglaise) de gaz d’échappement, par exemple en configuration quatre cylindres. Cet état de l’art augmente fortement le flux thermique dissipé au LR, typiquement de 10% à 40% supplémentaires selon les points de fonctionnement en pleine charge, y compris en coup de chaud, lors de la coupure du moteur à combustion interne après de fortes sollicitations de type roulages autoroute, remorquage, montagne, avec le risque d’ébullition du LR dans le circuit de refroidissement et en particulier au sein des noyaux d’eau culasse, CE et carter turbine.
En conséquence, le dimensionnement du système de refroidissement du véhicule est surenchéri, en particulier les performances du radiateur de refroidissement du moteur à combustion interne et du groupe moto-ventilateur et la surface, la localisation et/ou l’habillage des entrées d’air pour l’arrosage en air extérieur de ce radiateur et du refroidisseur d’air de suralimentation (RAS) si le RAS est un RAS direct de type air/air ou, sinon, du radiateur basse température, si le RAS est un RAS indirect de type LR basse température/air extérieur. Par ailleurs, cet état de l’art refroidit les gaz d’échappement également en phase de montée en température des organes de dépollution n’ayant alors pas encore atteint leur seuil d’amorçage, alors que ce refroidissement n’est pas souhaitable : le raccourcissement des conduits d’échappement (distance entre les soupapes et l’entrée dans le TWC via la soupape de décharge (« wastegate » en langue anglaise) du turbocompresseur (T/C) ne compense pas toujours le refroidissement des gaz d’échappement par l’intégration du collecteur d’échappement CE à la culasse CL via son noyau d’eau, et il s’ensuit une pénalité en émissions polluantes (augmentation du délai d’amorçage du TWC) et en consommation de carburant (application plus longue de réglages propices à augmenter temporairement la température des gaz d’échappement afin de raccourcir ce délai). Enfin, dans cet état de l’art, la chaleur extraite des gaz d’échappement est directement diffusée dans le circuit de refroidissement du moteur à combustion interne et donc majoritairement perdue sans opportunité de récupération, puisqu’alors ramenée à une faible exergie de par la régulation en température du circuit de refroidissement du moteur à combustion interne (90 à 120°C), puis diffusée à l’air extérieur à travers le radiateur et à l’environnement sous capot et sous caisse.
L’opportunité de trouver d’autres usages à même une portion de l’exergie contenue dans les gaz d’échappement permet d’envisager des gains supplémentaires d’efficacité et de consommation de carburant. Toutefois, en opération sous faibles charges du moteur à combustion interne, certaines situations requièrent de ne pas prélever d’énergie thermique aux gaz d’échappement, d’une part afin de préserver l’enthalpie disponible en entrée de la turbine du T/C en vue de la suralimentation, et aussi afin d’améliorer l’amorçage des organes de dépollution. Dans de telles conditions de fonctionnement, il faudrait rendre adiabatique la partie chaude du système d’échappement (CE, turbine du T/C et son carter) et ainsi l’isoler de tout transfert de chaleur.
L’invention a pour but de pallier aux inconvénients précités de l’état de l’art.
Elle a pour premier objet un système de refroidissement par air d’un collecteur des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne d’un véhicule automobile, ledit système comprenant un collecteur d’échappement, caractérisé en ce que ledit collecteur d’échappement est contenu, de manière étanche, dans un volume délimité par des écrans thermiques et comprenant, d’une part, au moins une entrée d’air de refroidissement et, d’autre part, au moins une sortie d’air réchauffé au contact du collecteur d’échappement, et en ce que le collecteur d’échappement est muni de nervures, d’ailettes et/ou de générateurs de turbulences, lesdites nervures, ailettes et/ou générateurs de turbulences étant agencés pour canaliser et/ou provoquer des turbulences dans l’air de refroidissement admis dans ledit volume.
De manière avantageuse, diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons :
Selon une réalisation, le système comprend en outre un turbocompresseur, ledit turbocompresseur étant fixé au collecteur d’échappement par une bride, le carter de la turbine dudit turbocompresseur étant contenu dans le volume délimité par les écrans thermiques contenant le collecteur d’échappement ;
Selon une réalisation, en sortie du volume délimité par les écrans thermiques contenant le collecteur d’échappement, l’air de refroidissement réchauffé est canalisé à l’entrée d’un échangeur thermique formant une source chaude d’un cycle de Rankine dont un organe de détente d’un fluide contenu dans un réservoir de fluide est couplé à une génératrice de courant stocké dans une batterie ;
Selon une réalisation, le système comprend en outre un système de compresseur additionnel électrique, ledit système de compresseur additionnel électrique comprenant un compresseur additionnel, ce compresseur additionnel étant disposé entre deux vannes, de sorte à placer ledit compresseur additionnel dans une branche d’un circuit de suralimentation du moteur à combustion interne ou de dissocier ladite branche dudit circuit de suralimentation ou d’isoler thermiquement le carter turbine et le collecteur d’échappement ;
Selon une réalisation, le système comporte en outre un clapet anti-retour et les vannes isolent le compresseur additionnel électrique du circuit de suralimentation et le clapet anti-retour laisse un passage libre à un air de suralimentation vers un boîtier papillon, un échangeur thermique et/ou le carter turbine du turbocompresseur ;
Selon une réalisation, les vannes isoler le compresseur additionnel électrique du circuit de suralimentation et le connectent à un conduit de refroidissement du collecteur d’échappement et du carter turbine du turbocompresseur ;
Selon une réalisation, les vannes connectent le compresseur additionnel électrique au circuit de suralimentation, de sorte que le compresseur du turbocompresseur et le compresseur du compresseur additionnel électrique sont disposés en série, le compresseur additionnel électrique étant en aval du compresseur du turbocompresseur ;
Selon une réalisation, les vannes connectent le compresseur additionnel électrique au circuit de suralimentation, de sorte que le compresseur du turbocompresseur et le compresseur additionnel sont disposés en parallèle, en ce que les deux compresseurs aspirent l’air extérieur à travers deux prises d’air distinctes, comprenant chacune un filtre et disposées elles-mêmes en parallèle l’une de l’autre, et en ce que le compresseur additionnel électrique soit connecté à la fois au circuit de suralimentation du moteur à combustion interne et au conduit de refroidissement du collecteur d’échappement et du carter turbine du turbocompresseur ;
Selon une réalisation, le système comporte un catalyseur trois voies et/ou un filtre à particules, et en ce que ledit catalyseur trois voies et/ou ledit filtre à particules sont inclus dans ledit volume ;
Selon une réalisation, le système comporte en outre un système d’arrêt et de démarrage et, lorsque le système d’arrêt et de démarrage commande un arrêt du moteur à combustion interne, une récupération d’énergie dans l’air de refroidissement se poursuit.
L’invention a pour second objet un véhicule électrique hybride rechargeable ou électrique hybride léger comprenant un système tel que ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description non limitative qui suit, rédigée au regard des dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 présente le système selon l’invention ;
- la figure 2 illustre un premier mode de fonctionnement du système selon l’invention ;
- la figure 3 illustre un deuxième mode de fonctionnement du système selon l’invention ;
- la figure 4 montre un collecteur d’échappement d’un système selon l’invention ;
- la figure 5 illustre un troisième mode de fonctionnement du système selon l’invention ;
- la figure 6 illustre un quatrième mode de fonctionnement du système selon l’invention ; et
- la figure 7 illustre un cinquième mode de fonctionnement du système selon l’invention.
L’invention concerne un système de refroidissement par air d’un collecteur d’échappement. Ce collecteur est référencé CE dans les figures. Il s’agit d’un collecteur des gaz d’échappement produits par les chambres de combustion d’un moteur à combustion interne d’un véhicule automobile.
Le collecteur d’échappement CE comprend des passages PASS de gaz d’échappement en provenance de la chambre de combustion du moteur du véhicule, ces passages étant formés de tubes ou tuyaux par exemple sensiblement parallèles. Il est de type refroidi par air. Ainsi que cela est plus spécifiquement montré à la figure 4, l’air circule autour du collecteur CE dans un volume délimité par le collecteur lui-même, équipé, selon l’invention, d’ailettes extérieures, et d’écrans thermiques ETH-CE disposés de façon étanche autour du collecteur. Un carter turbine CT du turbocompresseur T/C fait également partie de ce volume. Dans le volume précité, il est refroidi en série ou en parallèle du collecteur CE.
Ainsi que cela est montré à la figure 1, un système de compresseur additionnel électrique C+ est avantageusement disposé entre deux vannes V1, V2 et permet de souffler un air frais sur le collecteur d’échappement CE. Ces deux vannes V1, V2 permettent de disposer le compresseur additionnel C+ au sein du circuit de suralimentation du moteur à combustion interne, ou bien de le dissocier du circuit de suralimentation du moteur, et/ou d’isoler thermiquement le carter turbine CT et le collecteur d’échappement CE.
Les calories récupérées dans l’air par convection forcée autour du collecteur CE et du carter turbine CT du turbocompresseur T/C constituent la source chaude d’un cycle de Rankine dont l’organe de détente est couplé à une génératrice de courant stocké dans une batterie BAT qui restitue cette énergie au moteur électrique du système de compresseur additionnel électrique, à une pompe à fluide de Rankine et surtout à l’ensemble du réseau électrique du véhicule.
Ce système permet en outre d’effectuer un post-refroidissement, alors que le moteur ne tourne plus, lors d’un arrêt définitif ou temporaire (phase « arrêt » d’un fonctionnement arrêt & marche (« stop & start »), du collecteur d’échappement CE et du carter turbine CT du turbocompresseur, ceux-ci étant encore chauds. Ce faisant, la récupération d’énergie à l’échappement se poursuit pendant une durée non négligeable alors que, le moteur étant coupé, le débit des gaz d’échappement est nul. Ainsi, la batterie de traction d’un véhicule électrique hybride rechargeable (« Plug-in Hybrid Electric Vehicle » en langue anglaise ou PHEV) ou la batterie 48 V d’un véhicule électrique hybride léger (« Mild Hybrid Electric Vehicle » en langue anglaise ou MHEV) peuvent être rechargées pendant un certain temps alors que le moteur thermique (MTH) est coupé, le véhicule à l’arrêt et non raccordé à un réseau électrique externe.
On notera que, grâce à la non-intégration du collecteur d’échappement CE à la culasse CL - tout en se gardant d’enrichir en carburant le mélange air-carburant - le système selon l’invention s’affranchit :
- de contraintes thermomécaniques sévérisées dans la culasse et des difficultés de fonderie ;
- d’une forte augmentation du flux thermique dissipé au liquide de refroidissement et du risque d’ébullition dans le circuit de refroidissement ;
- du surenchérissement associé du système de refroidissement (radiateur, groupes moto-ventilateur (GMV), entrées d’air, refroidisseur d’air de suralimentation (RAS)) ;
- du refroidissement des gaz d’échappement préjudiciable, en phase de montée en température, à l’amorçage des organes de dépollution, et de la pénalité en émissions polluantes et en consommation de carburant.
D’autre part, la chaleur extraite des gaz d’échappement n’est plus perdue dans le circuit de refroidissement du MTH sans opportunité de récupération. L’efficacité d’une boucle de Rankine adaptée à un véhicule automobile de type véhicule particulier (VP) ou véhicule utilitaire léger (VUL) est limitée, a contrario d’un usage de type stationnaire ou poids lourds, par le fonctionnement alors très transitoire et avec beaucoup de phases en faibles charges du moteur à combustion interne (notamment en usage urbain) malgré son downsizing qui permet d’augmenter sensiblement la charge et la température des gaz échappement. Enfin, la batterie 48V d’un MHEV ne peut être rechargée que MTH tournant ; la batterie de traction d’un PHEV ne peut en supplément être rechargée que véhicule raccordé à une source d’énergie extérieure, par exemple à un réseau électrique domestique ou collectif.
Ainsi que cela est montré à la figure 1, le moteur à combustion interne est préférentiellement de type suralimenté à deux étages : la turbine T, disposée au plus près de la sortie du collecteur d’échappement CE, entraîne en rotation, lorsque l’enthalpie cédée à travers par les gaz d’échappement est suffisante, un premier compresseur C disposé sur le circuit d’admission d’air du moteur à combustion interne, en aval d’un filtre à air FA. L’air admis ainsi comprimé subit ou non une deuxième compression, selon les positions prises par deux vannes V1, V2 et par un clapet anti-retour CLAR judicieusement disposés sur le circuit d’air d’admission, à travers le deuxième compresseur C+ d’un compresseur additionnel électrique disposé en parallèle ou en série du premier compresseur C du turbocompresseur (dans ce cas, en amont ou en aval de celui-ci). Avant son entrée dans le répartiteur d’admission REP via le boîtier papillon BP ou doseur, l’air comprimé est refroidi à travers un ou plusieurs échangeurs thermiques CAC afin d’augmenter en densité et d’ainsi favoriser le remplissage en air des chambres de combustion. Ce ou ces échangeurs thermiques CAC peuvent être de type direct - refroidissement à travers le CAC de l’air de suralimentation directement par l’air extérieur - ou de type indirect - le CAC refroidit l’air de suralimentation via un fluide intermédiaire, par exemple le liquide de refroidissement d’un circuit basse température ou le fluide frigorigène d’une dérivation du circuit réfrigérant de climatisation du véhicule. Une soupape de décharge (« dump valve » en langue anglais, DV), disposée en parallèle du premier compresseur C du turbocompresseur, permet par son ouverture (elle est prioritairement fermée) de protéger le premier compresseur C de tout régime de rotation excessif et de tout pompage lors de lâcher de la pédale d’accélération ou lors de changements de rapport de transmission. Une soupape de décharge WG, disposée en parallèle de la turbine T du turbocompresseur, par son ouverture (elle est prioritairement fermée) et via le contournement de la turbine T par les gaz d’échappement qu’elle autorise alors, permet de protéger la turbine T et le premier compresseur C de tout régime de rotation excessif et favorise l’amorçage rapide des organes de dépollution en conservant leur enthalpie, alors non prélevée à travers la turbine T, aux gaz d’échappement. Ceux-ci, en sortie du turbocompresseur via la turbine T et/ou la WG, sont ensuite dirigés à travers les organes de dépollution de la ligne d’échappement, comprenant au moins un catalyseur d’oxydo-réduction trois voies TWC (pour le traitement des émissions d’hydrocarbures imbrûlés HC, de monoxyde de carbone CO et d’oxydes d’azote NOx) et, en option, un filtre à particules GPF.
Le deuxième compresseur C+ du compresseur additionnel électrique est actionné par un moteur électrique e-M alimenté préférentiellement par la batterie 48V du MHEV ou la batterie de traction du PHEV via un convertisseur de courant et/ou de tension, ou encore par la batterie très basse tension (12V) du réseau électrique du véhicule. Judicieusement disposé entre les vannes V1, V2, la première orientant la source d’air aspiré et la deuxième son refoulement d’air, le compresseur additionnel électrique permet selon les configurations de participer à la suralimentation du moteur à combustion interne et/ou au refroidissement du collecteur d’échappement CE et, en option, du carter turbine CT du turbocompresseur T/C. Ainsi, si l’enthalpie des gaz d’échappement disponible en sortie du collecteur d’échappement CE est insuffisante pour entraîner à un régime suffisamment élevé la turbine T du turbocompresseur, les vannes V1, V2 ouvrent un conduit additionnel de suralimentation et ferment le conduit de refroidissement du collecteur d’échappement CE et du carter turbine du turbocompresseur, permettant alors au compresseur additionnel électrique d’entraîner l’air de suralimentation, par exemple en sortie du compresseur C du turbocompresseur, jusqu’aux échangeurs thermiques CAC et au répartiteur d’admission REP du moteur à combustion interne. Le clapet anti-retour CLAR empêche le reflux d’air de suralimentation à travers le deuxième compresseur C+ (du compresseur additionnel électrique) ou le premier compresseur C (du turbocompresseur T/C). Additionnellement, les vannes V1, V2 permettent, dans certaines configurations, de séparer du circuit de suralimentation du moteur à combustion interne le conduit de refroidissement du CE et du carter turbine du T/C, et la désactivation du compresseur additionnel électrique permet d’isoler thermiquement, via la couche d’air disposée entre ces composants et les écrans thermiques formant un circuit d’air autour d’eux, le CE et le carter turbine du T/C de tout échange thermique avec l’environnement sous capot ou sous caisse du véhicule, afin d’y préserver la chaleur des gaz d’échappement et de s’affranchir de toute convection et de tout rayonnement de chaleur à l’environnement. Les vannes V1, V2 participent ainsi à trois fonctions : suralimentation, refroidissement et isolation thermique.
Le collecteur d’échappement CE est de type refroidi par air. Il s’agit d’un refroidissement par air en convection forcée lorsque l’air est refoulé par le compresseur additionnel électrique, ou en convection naturelle. L’air circule autour du collecteur d’échappement CE dans un volume délimité d’une part par le collecteur d’échappement CE lui-même, équipé d’ailettes extérieures - côté air - conçues afin d’augmenter la surface d’échange et de favoriser l’échange thermique en convections forcée (génération de turbulences) et naturelle avec l’air, et les écrans thermiques disposés autour du collecteur d’échappement CE et qui doivent être étanches afin de guider l’air à l’intérieur de ce volume sans aucune fuite à l’extérieur du circuit d’air ainsi constitué. En variante, le carter turbine CT du turbocompresseur T/C fait également partie de ce volume et l’air le refroidit également, ainsi que le collecteur d’échappement CE, en série (dans ce cas, d’abord le carter turbine puis le CE) ou en parallèle l’un de l’autre. A ce titre, les figures 2 à 4 ci-après illustrent cette première configuration (refroidissement du carter turbine et du collecteur d’échappement CE en série et dans cet ordre) ; la deuxième configuration entre également dans le cadre de la présente invention. Le concept de type refroidi(s) par air du collecteur d’échappement CE et optionnellement du carter turbine CT du turbocompresseur T/C, garantit que les gaz d’échappement circulant d’un côté et l’air circulant de l’autre et assurant selon les cas le refroidissement, la suralimentation ou l’isolation thermique, cheminent toujours séparément sans jamais se mélanger ni échanger de matière entre eux à travers les différents composants du système.
En sortie du volume délimité par le collecteur d’échappement et, optionnellement, le carter turbine CT du turbocompresseur T/C, et par leurs écrans thermiques étanches, l’air réchauffé au contact du collecteur d’échappement CE et du carter turbine CT est canalisé en entrée d’un échangeur thermique, à savoir un évaporateur (« boiler » en langue anglaise, BOIL) constituant la source chaude d’un cycle de Rankine réalisé par un fluide (eau, alcool – par ex : éthanol, réfrigérant – par ex : fluides référencés R245fa ou R1234yf) qui s’y vaporise. Ce fluide subit à l’issue de cette vaporisation, judicieusement accompagnée d’une surchauffe du fluide afin de garantir sa complète vaporisation pour augmenter le rendement du cycle et protéger l’expanseur Exp, un cycle thermodynamique par exemple de type de Rankine constitué d’une détente à travers l’expanseur qui transforme en travail mécanique l’énergie alors cédée par le fluide dit de Rankine, gazeux, puis d’une condensation afin de ramener le fluide de Rankine dans son état liquide, judicieusement accompagnée d’un sous-refroidissement suffisant du fluide afin de garantir sa complète liquéfaction pour augmenter le rendement du cycle et protéger la pompe P de toute cavitation, et enfin d’une compression à travers la pompe P, alimentée par le réseau 48V du MHEV via la batterie associée ou par le réseau très basse tension (12V) du véhicule, qui fait circuler le fluide de Rankine à l’état liquide. Un réservoir de fluide en phase liquide, non représenté sur la figure 1 et sur les suivantes, est disposé en amont de la pompe P. Selon le dimensionnement du cycle de Rankine et la nature du fluide qui y est mis en œuvre, un conduit de contournement (« by-pass » en langue anglaise) est disposé en parallèle du boiler côté air et une vanne de by-pass est implantée à leur sortie afin d’en assurer le contournement partiel ou total par l’air chaud. Enfin, selon la nature du fluide de Rankine, le condenseur COND cède à la chaleur du fluide au liquide de refroidissement du circuit de refroidissement du moteur à combustion interne ou d’un circuit basse température (par exemple le même circuit de liquide de refroidissement assurant le refroidissement de l’air de suralimentation, des composants électriques de la chaîne de traction : électronique de puissance, machines électriques, de la batterie de traction du véhicule hybride et/ou du moteur électrique e-M du compresseur additionnel électrique C+, ou directement à l’air extérieur. L’expanseur, Exp, est ici lié mécaniquement à un alternateur ou génératrice G de courant, de sorte que le travail récupéré à travers l’expanseur par la détente du fluide de Rankine entraîne la rotation de G qui convertit ce travail mécanique en courant électrique distribué sur le réseau électrique du circuit 48V du MHEV ou du circuit haute tension du PHEV, ou sur le réseau électrique très basse tension (12V) du véhicule, afin notamment d’en recharger si nécessaire et possible la batterie de traction. D’autres variantes sont possibles : l’énergie mécanique récupérée par l’expanseur Exp peut en variante ou en complément être introduite directement au vilebrequin (type « turbocompound » en langue anglaise), au volant d’inertie ou à l’arbre primaire de la transmission.
La figure 2 illustre la configuration prise par le système dans un premier mode de fonctionnement tel que la suralimentation du moteur à combustion interne est assurée par le seul premier compresseur C du turbocompresseur T/C (mono-suralimentation) et qu’il soit nécessaire d’isoler thermiquement le collecteur d’échappement CE et le carter turbine CT du turbocompresseur, par exemple en phase de montée en température du moteur à combustion interne pendant la phase d’amorçage des organes de dépollution TWC. La suralimentation du moteur à combustion interne s’accomplit selon un fonctionnement connu de l’état de l’art : en particulier, les vannes V1, V2 isolent le compresseur additionnel électrique du circuit de suralimentation et le clapet anti-retour CLAR, soulevé de son siège par la pression de l’air au refoulement du compresseur C, laisse le libre passage à l’air de suralimentation vers le boîtier papillon BP, l’échangeur thermique CAC et le répartiteur d’admission REP. Afin de garantir l’isolation thermique du CE et du carter turbine CT du turbocompresseur T/C, le compresseur additionnel électrique est désactivé et les vannes V1, V2 condamnent tout écoulement d’air à travers le conduit de refroidissement du collecteur d’échappement CE et du carter turbine CT du turbocompresseur. Sa source chaude étant alors indisponible, puisque l’évaporateur BOIL n’est traversée par aucun courant d’air chaud, la boucle de Rankine est alors désactivée : en particulier, la pompe P n’est pas alimentée, la génératrice G n’est pas entraînée par l’expanseur Exp alors inactif et le fluide n’est pas mis en mouvement dans la boucle de Rankine. Cette configuration décrite en figure 2, alors adoptée par le système, est dans ce cadre doublement avantageuse, puisque non seulement l’isolation thermique du CE et du carter turbine du T/C est alors nécessaire, mais de plus, il y aurait sinon, si le refroidissement du CE et du carter turbine du T/C était activé, peu d’énergie thermique transférable à travers l’évaporateur BOIL de l’air au fluide de Rankine, si bien que l’évaporation du fluide et sa surchauffe ne seraient pas complètes et le rendement du cycle serait alors fortement réduit.
La figure 3 illustre la configuration prise par le système dans un deuxième mode de fonctionnement tel que, le système occupant jusqu’alors la configuration décrite précédemment, il devient nécessaire de refroidir le collecteur d’échappement CE et le carter turbine du turbocompresseur T/C et/ou, il devient possible d’activer la boucle de Rankine afin de récupérer de l’énergie thermique à l’échappement. Dans ce mode de fonctionnement, la suralimentation du moteur à combustion interne s’accomplit selon l’état de l’art et les vannes V1, V2 isolent le compresseur additionnel électrique du circuit de suralimentation et le connectent au conduit de refroidissement du collecteur d’échappement CE et du carter turbine du T/C. Plus particulièrement, le compresseur additionnel électrique est ici activé, la vanne V1 connecte l’aspiration en air du deuxième compresseur C+ du compresseur additionnel électrique à une deuxième admission d’air disposée en parallèle de la première disposée en entrée du premier compresseur C du turbocompresseur T/C, elle aussi dotée d’un filtre à air, et la vanne V2 connecte le refoulement en air du second compresseur C+ du compresseur additionnel électrique au conduit de refroidissement du CE et du carter turbine du turbocompresseur T/C. L’air extérieur refoulé par le compresseur additionnel électrique traverse l’échangeur thermique constitué par la paroi externe du carter turbine du turbocompresseur T/C et du collecteur d’échappement CE, les ailettes et turbulateurs les équipant afin d’augmenter les surfaces d’échange thermique et les coefficients d’échanges convectifs, et la paroi interne des écrans thermiques les entourant, et en extrayant les calories du carter turbine du turbocompresseur T/C et du collecteur d’échappement CE leur prodigue le refroidissement requis.
A la sortie de cet échangeur thermique, si l’air n’est pas suffisamment chaud pour activer la boucle de Rankine afin par ce biais de convertir efficacement l’énergie thermique récupérée des gaz d’échappement en énergie électrique (thermique/mécanique à travers l’expanseur Exp et mécanique/électrique à travers la génératrice G), l’air contourne l’évaporateur via le conduit de by-pass CBP et la vanne de by-pass VBP afin de ne pas dégrader le fluide de Rankine alors statique, et le cycle thermodynamique de Rankine est désactivé (pompe P non alimentée et donc inactive, génératrice G non entraînée par l’expanseur Exp alors inactif, fluide de Rankine non mû dans le circuit associé). Si l’air est suffisamment chaud, comme illustré en figure 3, la vanne de by-pass VBP autorise sa traversée l’évaporateur BOIL et la boucle de Rankine est activée afin de convertir l’énergie thermique récupérée des gaz d’échappement en énergie électrique.
La figure 4 présente une illustration de l’échangeur thermique constitué par la paroi externe du carter turbine du turbocompresseur T/C et du collecteur d’échappement CE, les ailettes et turbulateurs les équipant afin d’augmenter les surfaces d’échange thermique et les coefficients d’échanges convectifs, et la paroi interne des écrans thermiques les entourant.
Est pris ici comme exemple un moteur à combustion interne à une culasse, quatre cylindres en ligne et deux soupapes d’échappement par cylindre, avec une architecture de collecteur d’échappement CE de type twin-scroll : il ne s’agit que d’un exemple illustratif et le dispositif mis en œuvre selon la présente invention s’applique indifféremment de l’architecture du moteur à combustion interne (cylindres disposés en ligne, en V, en W, nombre de cylindres, nombre de soupapes d’admission ou d’échappement par cylindre, etc.). Les gaz d’échappement issus des chambres de combustion via les soupapes associées traversent le collecteur d’échappement CE jusqu’à, via la bride de fixation du turbocompresseur T/C au collecteur d’échappement CE, l’entrée de la turbine du turbocompresseur où ils se détendent en cédant une partie de leur enthalpie à la turbine T ; leur parcours n’est pas représenté en figure 4 afin d’en faciliter la lecture et la compréhension. Toutefois, le carter de la turbine T du turbocompresseur T/C est disposé sensiblement en-dessous du CE de sorte que, en disposant l’arrivée d’air frais, issu du compresseur additionnel électrique, en partie basse sous le carter turbine et en disposant la ou les sortie(s) d’air chaud en partie haute, sensiblement au-dessus du CE, l’air peut s’écouler librement au sein du volume d’échange thermique ainsi délimité, même par convection naturelle uniquement par différentiel de densité des différentes couches d’air à cause de leur température. De plus, cela établit un écoulement de l’air de refroidissement à contre-courant de celui des gaz d’échappement à travers le CE puis le carter turbine du turbocompresseur T/C, ce qui permet la plus grande différence de température logarithmique moyenne.
Le volume de l’échangeur thermique est délimité par les écrans thermiques de type coques, recouverts en partie externe d’une matière et d’une couleur réfléchissant le rayonnement thermique, disposés tout autour du carter de la turbine T du turbocompresseur T/C et du collecteur d’échappement CE et mis en œuvre de manière étanche à l’air entre eux, judicieusement à l’aide de bordures dotées de cannelures ou de glissières permettant de loger et de comprimer entre leurs interfaces des joints garantissant cette étanchéité à l’air chaud, tout en permettant le désassemblage en après-vente des écrans thermiques pour accéder par exemple au T/C en cas de problème sur celui-ci ou les vannes (DV, WG, actionneur de géométrie variable) qui l’équipent.
En vue d’annuler l’enrichissement en carburant du mélange air-essence requis afin de protéger thermiquement les différents composants de la partie chaude de la ligne d’échappement (CE, turbine T du T/C et son carter, bride de fixation du T/C au CE, TWC), on extrait du carter de la turbine T du T/C et du CE autant de calories que possible. Ainsi, en plus de l’écoulement à contre-courant de l’air de refroidissement et des gaz d’échappement, toutes les surfaces aptes à transférer par conduction puis convection la chaleur sont dotées de nervures et d’ailettes afin d’augmenter les surfaces d’échange thermique. Ces surfaces des parois externes, ces nervures et ces ailettes sont également dotées de générateurs de turbulence afin d’influencer positivement la couche limite d’air (flux et température d’air) à proximité des parois, sans toutefois impacter le dimensionnement du compresseur additionnel électrique à cause de la perte de charge aéraulique totale ainsi générée dans le circuit d’air de refroidissement par cet échangeur thermique, les conduits de refroidissement et l’évaporateur BOIL, en compromis entre un transfert thermique aussi élevé et une perte de charge totale aussi faible que possible.
Les différentes flèches représentées en figure 4 illustrent l’écoulement de l’air de refroidissement au sein de l’échangeur thermique ainsi constitué, autour des surfaces externes du carter turbine et des conduits de gaz du CE, dotées de nervures, d’ailettes et de générateurs de turbulence. Le volume interne de cet échangeur thermique est agencé de sorte à disposer les différentes couches d’air interne en parallèle les unes des autres et à homogénéiser le refroidissement (température, débit d’air) autour du carter de la turbine T du T/C et plus particulièrement tout autour des conduits de gaz du CE.
En alternative non préférentielle, le CE refroidi par air et l’échangeur thermique à air évoqué ci-dessus constitue une seule et même pièce issue de fonderie (aluminium, fonte, acier) de sorte que les conduites de gaz d’échappement et les veines d’air de refroidissement sont internes à cette même pièce, analogue à ce que connaît l’état de l’art en matière de culasse de moteur à combustion interne intégrant le CE de type twin-scroll et refroidi par le liquide de refroidissement LR du moteur à combustion interne. De même, cette pièce peut également intégrer le carter de la turbine T du turbocompresseur.
La figure 5 illustre la configuration prise par le système dans un troisième mode de fonctionnement tel qu’il soit nécessaire d’augmenter, par la mise en œuvre du deuxième compresseur C+ du compresseur additionnel électrique, la suralimentation du moteur à combustion interne prodiguée par le premier compresseur C du turbocompresseur T/C : ces deux compresseurs C, C+ assurent alors une double suralimentation en série, ne permettant alors pas de refroidir le collecteur d’échappement CE et le carter turbine du turbocompresseur T/C qui sont alors isolés thermiquement. Ce mode de fonctionnement peut être mis en œuvre pendant une durée limitée, par exemple lors d’un transitoire de charge avec une demande importante mais temporaire de couple. L’interruption du refroidissement du collecteur d’échappement CE et du carter turbine T du turbocompresseur T/C ne pose pas problème tant qu’elle reste temporaire, de par la capacité calorifique des matériaux mis en œuvre et la possible instauration d’un refroidissement limité par convection naturelle.
Dans ce mode de fonctionnement, les vannes V1, V2 connectent le compresseur additionnel électrique au circuit de suralimentation du moteur à combustion interne de sorte que les deux compresseurs soient disposés en série l’un de l’autre, le deuxième compresseur C+ du compresseur additionnel électrique en aval du premier compresseur C du turbocompresseur T/C. Cette disposition impose alors une température d’air de suralimentation élevée en entrée du deuxième compresseur C+ du compresseur additionnel électrique. Les alternatives ci-après entrent dans le cadre de la présente invention :
- disposition de l’échangeur thermique CAC entre les deux compresseurs, à savoir en aval du premier compresseur C du turbocompresseur T/C et en amont du deuxième compresseur C+ du compresseur additionnel électrique, malgré une température d’air de suralimentation encore élevée en entrée du répartiteur d’admission, puisque l’air issu de l’échangeur thermique se trouve à nouveau comprimé par le deuxième compresseur et voit par ce fait sa température augmenter ;
- disposition du deuxième compresseur C+ du compresseur additionnel électrique en amont du premier compresseur C du turbocompresseur T/C ;
- disposition d’un deuxième échangeur thermique CAC entre les deux compresseurs, à savoir en aval du premier compresseur C du T/C et en amont du deuxième compresseur C+ du compresseur additionnel électrique, le premier échangeur restant disposé à l’entrée du répartiteur d’admission REP.
La vanne V1 adopte une position telle que l’aspiration du deuxième compresseur C+ prodiguée par l’activation du compresseur additionnel électrique est communiquée au refoulement du premier compresseur C du turbocompresseur T/C en condamnant la deuxième admission d’air extérieur. Le clapet anti-retour, soumis à une pression amont supérieure à la pression aval par l’aspiration et le saut de pression prodigués par le compresseur additionnel électrique, est plaqué sur son siège et force la mise en série des deux compresseurs. La vanne V2 isole le conduit de refroidissement du CE et du carter turbine du T/C du compresseur additionnel électrique et communique l’air refoulé par le deuxième compresseur à l’entrée du CAC via le boîtier papillon. De même que pour la configuration décrite en figure 2, la boucle de Rankine est ici également désactivée, sa source chaude étant indisponible puisque l’évaporateur n’est traversé par aucun courant d’air chaud.
La configuration prise par le système dans un quatrième mode de fonctionnement dans les mêmes conditions, telles que l’augmentation de la suralimentation du moteur à combustion interne prodiguée par le premier compresseur C du turbocompresseur T/C, par la mise en œuvre du second compresseur C+ du compresseur additionnel électrique, soit nécessaire, constitue une alternative préférentielle à la configuration illustrée en figure 5, ou bien constitue le mode de fonctionnement adopté par le système à la suite du mode de fonctionnement décrit ci-avant et en figure 5, alors que le système est dans ce mode de fonctionnement depuis un temps supérieur à une durée déterminée telle que le refroidissement du collecteur d’échappement CE du carter turbine CT du turbocompresseur T/C est requis. La figure 6 illustre la configuration alors prise par le système dans ce quatrième mode de fonctionnement.
Dans ce mode de fonctionnement, les vannes V1, V2 connectent le compresseur additionnel électrique au circuit de suralimentation du moteur à combustion interne de sorte que les deux compresseurs C, C+ soient disposés en parallèle l’un de l’autre, à partir préférentiellement de deux admissions d’air extérieur distinctes ou alternativement à partir d’une admission d’air extérieur commune. Le premier compresseur C du T/C, animé par la turbine T mise en œuvre par les gaz d’échappement, aspire l’air extérieur à travers une première prise d’air dotée d’un filtre et le clapet anti-retour CLAR, soulevé de son siège par la pression de l’air au refoulement du premier compresseur C du turbocompresseur T/C, laisse le libre passage à l’air de suralimentation vers le boîtier papillon. Par ailleurs, le compresseur additionnel électrique est ici activé, la vanne V1 connecte l’aspiration en air du deuxième compresseur C+ du compresseur additionnel électrique à la deuxième admission d’air disposée en parallèle de la première disposée en entrée du premier compresseur C du turbocompresseur T/C, et la vanne V2 connecte le refoulement en air du deuxième compresseur C+ du compresseur additionnel électrique à la fois au conduit de refroidissement du collecteur d’échappement CE et du carter turbine CT du turbocompresseur T/C, et en même temps au circuit de suralimentation du moteur à combustion interne. Ainsi, une partie de l’air extérieur est refoulé par le compresseur additionnel électrique dans le circuit de suralimentation du moteur à combustion interne et rejoint l’air de suralimentation refoulé par le premier compresseur C du T/C en aval du clapet anti-retour CLAR et en amont du boîtier papillon BP, du CAC et du répartiteur d’admission REP, si bien qu’alors le second compresseur C+ du compresseur additionnel électrique est disposé en parallèle du premier compresseur C du T/C. L’autre partie de l’air extérieur refoulé par le compresseur additionnel électrique traverse l’échangeur thermique constitué par la paroi externe du carter turbine CT du turbocompresseur T/C et du CE, les ailettes et turbulateurs les équipant et la paroi interne des écrans thermiques les entourant, et en extrayant les calories du carter turbine CT du turbocompresseur T/C et du collecteur d’échappement CE leur prodigue le refroidissement requis. De même que pour la configuration prise dans le deuxième mode de fonctionnement illustré figure 3, si l’air à la sortie de cet échangeur thermique n’est pas suffisamment chaud pour activer la boucle de Rankine et convertir efficacement en énergie électrique l’énergie thermique récupérée des gaz d’échappement, l’air contourne l’évaporateur BOIL via le conduit et la vanne de by-pass et le cycle thermodynamique de Rankine est désactivé. Sinon, la vanne de by-pass autorise la traversée de l’évaporateur par l’air chaud issu de l’échangeur thermique et la boucle de Rankine est activée afin de convertir l’énergie thermique récupérée des gaz d’échappement en énergie électrique.
La figure 7 illustre la configuration prise par le système en un cinquième mode de fonctionnement dans lequel le moteur à combustion interne, alors qu’il vient de fonctionner, est mis hors fonctionnement, de façon temporaire dans le cas d’un arrêt partiel prodigué par la fonction arrêt & départ (« stop & start » en langue anglaise) du véhicule ou lors du fonctionnement en mode zéro émission (« Zero Emission Vehicule » en langue anglaise, ZEV) du véhicule hybride (MHEV ou PHEV), ou de façon prolongée dans le cas d’un arrêt définitif lors d’une coupure du moteur à combustion interne à la clef ou par pression d’un bouton d’arrêt.
Dans ce mode de fonctionnement, le moteur à combustion interne étant hors fonctionnement, le turbocompresseur T/C est inactif, tant côté suralimentation via le premier compresseur C que côté échappement via la turbine T. En particulier, le moteur à combustion interne étant coupé, les débits d’air de suralimentation et des gaz d’échappement sont nuls et le clapet anti-retour est au retour sur son siège. Toutefois, le moteur à combustion interne venant de fonctionner est encore chaud et des calories, stockées dans la capacité calorifique des matériaux mis en œuvre, sont extraites du collecteur CE et du carter turbine du turbocompresseur T/C encore chauds dans un double objectif : d’une part refroidir, alors que le moteur à combustion interne est coupé, le carter turbine CT du turbocompresseur T/C et du collecteur d’échappement CE à des fins de fiabilité et de durabilité de ces composants (notion de post-refroidissement) et mettre d’autre part à profit ces calories pour les convertir via le cycle thermodynamique de Rankine en énergie électrique stockée dans la batterie de traction d’un PHEV ou d’un MHEV qui s’en trouve rechargée pendant une durée non négligeable, tant que les calories sont disponibles et que l’efficacité thermodynamique du cycle alors mis en œuvre est suffisante, afin de recouvrer de l’autonomie en mode ZEV et/ou de la disponibilité de prestations additionnelles en mode hybride.
A ces fins, dans ce mode de fonctionnement, les vannes V1, V2 isolent le compresseur additionnel électrique du circuit de suralimentation du moteur à combustion interne et le connectent au conduit de refroidissement du collecteur d’échappement CE et du carter turbine CT turbocompresseur du T/C. Plus particulièrement, le compresseur additionnel électrique est ici activé, la vanne V1 connecte l’aspiration en air du second compresseur C+ du compresseur additionnel électrique à la seconde admission d’air et la vanne V2 connecte le refoulement en air du second compresseur C+ du compresseur additionnel électrique au conduit de refroidissement du collecteur d’échappement CE et du carter turbine CT du turbocompresseur T/C. L’air extérieur refoulé par le compresseur additionnel C+ traverse l’échangeur thermique constitué par la paroi externe du carter turbine du turbocompresseur T/C et du collecteur CE, les ailettes et turbulateurs et la paroi interne des écrans thermiques les entourant, et en extrayant les calories du carter turbine du turbocompresseur T/C et du collecteur CE leur prodigue le refroidissement requis. En sortie de cet échangeur thermique, la vanne de by-pass autorise la traversée de l’évaporateur BOIL par l’air chaud et la boucle de Rankine est activée, via les activations de la pompe à fluide P, de l’expanseur Exp et de la génératrice de courant G, afin de convertir l’énergie thermique récupérée en énergie électrique.
Ainsi ce dispositif permet, tout en post-refroidissant, alors que le moteur à combustion interne ne tourne plus, lors d’un arrêt définitif ou temporaire, le collecteur d’échappement CE et le carter turbine du turbocompresseur T/C encore chauds, de récupérer l’énergie thermique à l’échappement pendant une durée non négligeable afin de recharger pendant un certain temps la batterie de traction d’un PHEV ou la batterie 48V d’un MHEV alors que le moteur à combustion interne est coupé, le véhicule à l’arrêt ou pas et non raccordé à une source d’énergie (réseau électrique) externe.
En alternative, en plus du collecteur d’échappement CE et du carter CT de la turbine T du turbocompresseur T/C, les autres composants de la partie chaude de la ligne d’échappement, à savoir le catalyseur trois voies TWC et, plus particulièrement dans le cadre d’une motorisation Diesel, le filtre à particules, pendant et en dehors d’une régénération de ce filtre, sont inclus dans le volume d’air délimité par les écrans thermiques et font donc partie de l’échangeur thermique évoqué plus haut, si bien qu’alors l’énergie thermique dégagée par les réactions catalytiques exothermiques d’oxydo-réduction des émissions polluantes est également récupérée et convertie en énergie électrique par le système selon la présente invention.
Ainsi, le dimensionnement du système de refroidissement du collecteur d’échappement CE et du carter turbine CT du turbocompresseur T/C, par convection d’air forcée ou naturelle, permet de ne pas enrichir en carburant le mélange air-carburant. A cette fin, le collecteur d’échappement CE et du carter turbine CT du turbocompresseur T/C sont équipés d’ailettes extérieures, côté air de refroidissement, conçues afin d’augmenter la surface d’échange et de favoriser l’échange thermique en convections naturelle et forcée (génération de turbulences) avec l’air de refroidissement, et les écrans thermiques disposés autour du collecteur d’échappement CE et du carter turbine CT du turbocompresseur T/C créent un volume étanche d’air guidé au sein d’un circuit de refroidissement par air, couplé ou le plus souvent dissocié du circuit de suralimentation du moteur à combustion interne, dont l’air de refroidissement est mû par le compresseur additionnel électrique disposé afin d’également participer à la suralimentation du moteur à combustion interne.
Le collecteur d’échappement CE n’étant pas intégré à la culasse CL, les contraintes thermomécaniques dans la culasse sont d’un niveau acceptable, la réalisation de la culasse par fonderie est simplifiée et le flux thermique des gaz d’échappement à travers le collecteur d’échappement CE et le carter turbine CT du turbocompresseur T/C est dissipé à l’air et non au liquide de refroidissement dans le circuit de refroidissement du moteur à combustion interne, sans impact sur le système de refroidissement du véhicule.
Afin de dégager des gains supplémentaires d’efficacité et de consommation de carburant, en opération sous faibles charges du moteur à combustion interne, la partie chaude du système d’échappement (compresseur C, turbine T du turbocompresseur T/C et le carter turbine CT) est isolée thermiquement, de sorte que tout prélèvement d’énergie thermique aux gaz d’échappement soit alors prohibé, afin de préserver l’enthalpie disponible en entrée de la turbine T du turbocompresseur T/C en vue de la suralimentation du moteur à combustion interne et de l’amorçage des organes de dépollution (TWC). Ainsi, le collecteur d’échappement CE et le carter turbine CT du turbocompresseur T/C peuvent, en phase de montée en température, être isolés thermiquement par la couche d’air les enveloppant dans le volume délimité par les écrans thermiques, si bien que les gaz d’échappement ne sont alors pas refroidis et assurent l’amorçage rapide des organes de dépollution (TWC), sans pénalité en émissions polluantes et en consommation de carburant.
L’énergie perdue dans les gaz d’échappement est en partie récupérée par un cycle thermodynamique de Rankine dont l’évaporateur (BOIL) est traversé non pas, comme dans l’état de l’art en la matière, par les gaz d’échappement, mais dans le cadre de la présente invention par de l’air réchauffé par convection forcée autour du collecteur d’échappement CE et du carter turbine CT du turbocompresseur T/C. Ainsi les gaz d’échappement constituent ici la source chaude indirecte du cycle thermodynamique de Rankine.
Ce dispositif permet en outre un double avantage par rapport à l’état de l’art : le post-refroidissement, alors que le moteur à combustion interne est coupé, du collecteur d’échappement CE et du carter turbine CT du turbocompresseur T/C, à des fins de fiabilité et de durabilité de ces composants, ainsi que la possibilité de recharger pendant une durée non négligeable, alors que le moteur à combustion interne est coupé, la batterie de traction d’un véhicule de type PHEV ou MHEV, afin de recouvrer de l’autonomie en mode ZEV et/ou de la disponibilité de prestations additionnelles en mode hybride.
L’invention présente les avantages techniques ci-après par rapport aux solutions connues de l’état de l’art :
- les contraintes thermomécaniques dans la culasse CL du moteur à combustion interne sont ramenées à un niveau acceptable et sa réalisation par fonderie est simplifiée ;
- le flux thermique des gaz d’échappement à travers le collecteur d’échappement CE et le carter turbine CT du turbocompresseur T/C n’a aucun impact sur le système de refroidissement du véhicule ;
- l’isolation thermique de la partie chaude du système d’échappement (collecteur CE, turbine T du turbocompresseur T/C et son carter CT) préserve en phase de montée en température les calories des gaz d’échappement à des fins de suralimentation du moteur à combustion interne et d’amorçage des organes de dépollution ;
- l’énergie thermique d’ordinaire perdue dans les gaz d’échappement du moteur à combustion interne est en partie récupérée par un cycle thermodynamique de Rankine dont l’évaporateur (BOIL), traversé par de l’air chaud et non directement par les gaz d’échappement, voit son dimensionnement allégé puisque l’évaporateur est alors soumis à un environnement moins contraignant (composés des gaz d’échappement et condensats acides, débit d’air inférieur au débit de gaz d’échappement, pression et température inférieures de la source chaude, fonctionnement lissé peu soumis au fonctionnement transitoire du moteur à combustion interne en usages VP et VUL, pas d’encrassement, etc.), même si dans l’état de l’art l’évaporateur (BOIL) est d’ordinaire disposé sur la ligne d’échappement en aval des organes de dépollution.
- l’évaporateur (BOIL), traversé par de l’air chaud et non directement par les gaz d’échappement du moteur à combustion interne, ne génère pas de contre-pression à l’échappement provoquant une perte d’efficacité et de puissance du moteur à combustion interne.
- post-refroidissement du collecteur d’échappement CE et du turbocompresseur T/C permis alors que le moteur à combustion interne est coupé, à des fins de fiabilité et de durabilité de ces composants.
- Recharge de la batterie de traction d’un véhicule de type PHEV ou MHEV pendant une durée non négligeable, alors que le moteur à combustion interne est coupé, alors que le véhicule est ou non à l’arrêt et non raccordé à une source d’énergie (réseau électrique) externe, grâce à la capacité thermique de la partie chaude du système d’échappement (collecteur d’échappement CE, turbine T du turbocompresseur T/C et son carter CT).

Claims (10)

  1. Système de refroidissement par air d’un collecteur des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne d’un véhicule automobile, ledit système comprenant un collecteur d’échappement (CE), caractérisé en ce que ledit collecteur d’échappement (CE) est contenu, de manière étanche, dans un volume délimité par des écrans thermiques (ETH-CE, ETH-TC) et comprenant, d’une part, au moins une entrée (E) d’air de refroidissement et, d’autre part, au moins une sortie (S) d’air réchauffé au contact du collecteur d’échappement (CE), et en ce que le collecteur d’échappement (CE) est muni de nervures, d’ailettes et/ou de générateurs de turbulences (AD), lesdites nervures, ailettes et/ou générateurs de turbulences (AD) étant agencés pour canaliser et/ou provoquer des turbulences dans l’air de refroidissement admis dans ledit volume.
  2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un turbocompresseur (T/C), ledit turbocompresseur (T/C) étant fixé au collecteur d’échappement par une bride (BR), le carter (CT) de la turbine (T) dudit turbocompresseur (T/C) étant contenu dans le volume délimité par les écrans thermiques (ETH-CE, ETH-TC) contenant le collecteur d’échappement (CE).
  3. Système selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, en sortie (S) du volume délimité par les écrans thermiques (ETH-CE, ETH-TC) contenant le collecteur d’échappement (CE), l’air de refroidissement réchauffé est canalisé à l’entrée d’un échangeur thermique (BOIL) formant une source chaude d’un cycle de Rankine dont un organe de détente (Exp) d’un fluide contenu dans un réservoir de fluide est couplé à une génératrice de courant (G) stocké dans une batterie (BATT).
  4. Système selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un système de compresseur additionnel électrique, ledit système de compresseur additionnel électrique comprenant un compresseur additionnel (C+), ce compresseur additionnel (C+) étant disposé entre deux vannes (V1, V2), de sorte à placer ledit compresseur additionnel (C+) dans une branche d’un circuit de suralimentation du moteur à combustion interne ou de dissocier ladite branche dudit circuit de suralimentation ou d’isoler thermiquement le carter turbine (CT) et le collecteur d’échappement (CE).
  5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un clapet anti-retour (CLAR) et en ce que les vannes (V1, V2) isolent le compresseur additionnel électrique (C+) du circuit de suralimentation et le clapet anti-retour (CLAR) laisse un passage libre à un air de suralimentation vers un boîtier papillon (BP), un échangeur thermique (CAC) et/ou le carter turbine (CT) du turbocompresseur (T/C).
  6. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les vannes (V1, V2) isolent le compresseur additionnel électrique du circuit de suralimentation et le connectent à un conduit de refroidissement du collecteur d’échappement (CE) et du carter turbine (CT) du turbocompresseur (T/C).
  7. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les vannes (V1, V2) connectent le compresseur additionnel électrique au circuit de suralimentation de sorte que le compresseur (C) du turbocompresseur (T/C) et le compresseur (C+) du compresseur additionnel électrique sont disposés en série, le compresseur additionnel électrique étant en aval du compresseur (C) du turbocompresseur (T/C).
  8. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les vannes (V1, V2) connectent le compresseur additionnel électrique au circuit de suralimentation de sorte que le compresseur (C) du turbocompresseur (T/C) et le compresseur (C+) du compresseur additionnel électrique sont disposés en parallèle, en ce que les deux compresseurs (C, C+) aspirent l’air extérieur à travers deux prises d’air distinctes comprenant chacune un filtre et disposées elles-mêmes en parallèle l’une de l’autre, et en ce que le compresseur additionnel électrique soit connecté à la fois au circuit de suralimentation du moteur à combustion interne et au conduit de refroidissement du collecteur d’échappement et du carter turbine du turbocompresseur.
  9. Système selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un catalyseur trois voies (TWC) et/ou un filtre à particules et en ce que ledit catalyseur trois voies (TWC) et/ou ledit filtre à particules sont inclus dans ledit volume.
  10. Véhicule électrique hybride rechargeable ou électrique hybride léger comprenant un système selon l’une des revendications précédentes.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014209274A1 (de) * 2014-05-16 2015-11-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Abwärmesammelgehäuse, Verfahren zum Nutzen eines Teils der von einem Verbrennungsmotor abgegebenen Wärme sowie Stationäre Anordnung, insbesondere Blockheizkraftwerk
DE102017009270A1 (de) * 2017-10-06 2019-04-11 Daimler Ag Krümmer für eine Abgasvorrichtung eines Kraftfahrzeugs und eine Abgasvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs

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