WO2018002561A1 - Systeme moteur avec circuit de recirculation des gaz brules - Google Patents

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WO2018002561A1
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engine
engine system
turbine
recirculation circuit
flue gas
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PCT/FR2017/051781
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Inventor
Pierre-Julian ANGELOT
Sébastien Potteau
Original Assignee
Valeo Systemes De Controle Moteur
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a motor system and more particularly to an atmospheric engine system with a flue gas recirculation circuit.
  • the invention is more particularly concerned with atmospheric exhaust gas recirculation engine systems, in which a fraction of the exhaust gas removed is mixed with the admitted gases, after passing through an EGR valve creating a pressure drop.
  • Such recirculation notably makes it possible to reduce the nitrogen oxide (NOx) content of the engine exhaust gases.
  • NOx nitrogen oxide
  • the aforementioned pressure drop results in a loss of energy that is not recovered in the current engines.
  • the invention aims to further improve the performance of atmospheric engines and the recirculation of flue gases.
  • the present invention proposes a burnt gas recirculation circuit engine system originating from an atmospheric engine, in which the recirculation circuit comprises an energy recovery turbine receiving the exhaust gases.
  • the recirculation circuit comprises a burnt gas treatment device upstream of the turbine.
  • a portion of the flue gas is captured upstream or downstream of the flue gas treatment device for reinjection into the engine.
  • the system comprises an exhaust against pressure flap to facilitate the recirculation of gases.
  • the flap is disposed downstream of the flue gas treatment device.
  • the turbine is coupled to an electric generator.
  • the energy delivered by the generator is used at least in part to supply an electric motor for assisting the crankshaft of the atmospheric engine.
  • the energy recovery turbine is mechanically coupled to the crankshaft of the atmospheric engine.
  • the invention also relates to a vehicle, in particular an automobile, equipped with a motor system as defined according to the invention.
  • FIG. 1 given by way of example and illustrating a turbine. energy recovery in the recirculation circuit according to the invention, in this figure the dashed lines indicate options.
  • the architecture shown in FIG. 1, on which the dotted lines signal options, also called the engine system, comprises an atmospheric engine 17 connected to an air intake circuit 11 in the engine and an air filter. 12 at the entrance.
  • a flow control device 16 such as for example a butterfly valve, makes it possible to control the flow of air admitted into the internal combustion engine 17.
  • the latter is connected to an exhaust circuit 18.
  • the exhaust circuit 18 also comprises a device 20 for treating the flue gases.
  • the reinjection of the flue gas is done upstream of the engine and downstream of the throttle body 16.
  • an energy recovery turbine 30 is placed in the flue gas recirculation circuit 21, this turbine producing substantially the same expansion ratio as the EGR valve 23, thereby creating a pressure drop to bring the gases to reinject at a pressure compatible with this reinjection.
  • the valve 23 EGR can be replaced by a valve 31 introducing a lower pressure drop, and which is for example operating in all or nothing.
  • the rotation of the turbine 30 is used to assist the operation of the vehicle, for example by relieving the alternator in the production of electricity and / or by providing mechanical assistance to the engine or to elements of the engine architecture such as as the turbocharger for example.
  • the turbine 30 is coupled to an electric generator 33.
  • An electric motor 34 is coupled to the crankshaft 40 of the engine 17, to provide mechanical assistance. This motor 34 is powered at least in part by the electricity produced by the generator 33.
  • the turbine 30 is mechanically coupled to the crankshaft 40 to assist in its rotation.
  • This coupling can be performed by a transmission 35 which can be of any type, for example belt (s) and / or gears.
  • An advantage of the power recovery in the flue gas recirculation circuit is the absence of impact against pressure on the engine, and this energy recovery can be done without increasing fuel consumption or pollutants.
  • a simulation shows that the maximum energy recovery zone is located on engine operating points where the vehicle is operating at a relatively high speed stabilized, greater than 80 km / h, this which allows for permanent energy recovery where hybrid systems are inoperative.
  • the extraction of the enthalpy of the recirculation gases makes it possible to undersize the components of the recirculation circuit downstream, being subjected to a lower temperature. If necessary, according to the engine calibration, the valve 31 can be removed.
  • valve 31 is removed.
  • the system comprises a flap 38 against exhaust pressure to facilitate the recirculation of gases. This flap is disposed downstream of the flue gas treatment device 20.
  • the energy recovery turbine comprises a bypass valve 36. This valve is used according to the operating points of the motor.
  • the invention applies to a land vehicle, naval or air motor, and the stationary engine.
  • the expression "comprising a” should be understood as being synonymous with “comprising at least one”.

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Abstract

La présente invention concerne un système moteur à circuit (21) de recirculation des gaz brulés provenant d'un moteur atmosphérique, dans lequel le circuit de recirculation (21) comporte une turbine (30) de récupération d'énergie recevant les gaz d'échappement.

Description

SYSTEME MOTEUR AVEC CIRCUIT DE RECIRCULATION DES GAZ BRULES
La présente invention concerne un système moteur et plus particulièrement un système moteur atmosphérique à circuit de recirculation des gaz brûlés.
L'invention s'intéresse plus particulièrement aux systèmes moteurs atmosphériques à recirculation des gaz d'échappement, dans lesquels une fraction des gaz d'échappement prélevée est mélangée aux gaz admis, après traversée d'une vanne EGR créant une chute de pression. Une telle recirculation permet notamment de réduire la teneur en oxydes d'azote (NOx) des gaz d'échappement des moteurs. La chute de pression précitée entraîne une déperdition d'énergie qui n'est pas récupérée dans les moteurs actuels.
L'invention vise à améliorer encore la performance des moteurs atmosphériques et la recirculation des gaz brûlés.
Pour cela la présente invention propose, un système moteur à circuit de recirculation des gaz brûlés provenant d'un moteur atmosphérique, dans lequel le circuit de recirculation comporte une turbine de récupération d'énergie recevant les gaz d'échappement.
La présence d'une telle turbine permet la récupération de l'énergie des gaz d'échappement.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit de recirculation comporte un dispositif de traitement des gaz brûlés en amont de la turbine.
Selon un mode de réalisation de l'invention, une partie des gaz brûlés est captée en amont ou en aval du dispositif de traitement des gaz brûlés pour les réinjecter dans le moteur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le système comporte un volet de contre pression échappement pour faciliter la recirculation des gaz.
Selon un mode de réalisation de l'invention, lequel le volet est disposé en aval du dispositif de traitement des gaz brûlés.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la turbine est accouplée à un générateur électrique. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'énergie délivrée par le générateur est utilisée au moins en partie pour alimenter un moteur électrique d'assistance au vilebrequin du moteur atmosphérique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la turbine de récupération d'énergie est accouplée mécaniquement au vilebrequin du moteur atmosphérique.
L'invention concerne également un véhicule, notamment automobile, équipé d'un système moteur tel que défini selon l'invention.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant à la figure 1 annexée, donnée à titre d'exemple et illustrant une turbine de récupération d'énergie dans le circuit de recirculation, conformément à l'invention, sur cette figure les traits en pointillés signalent des options.
L'architecture représentée à la figure 1, sur laquelle les traits en pointillés signalent des options, encore appelée système moteur, comporte de façon un moteur atmosphérique 17 relié à un circuit 11 d'admission d'air dans le moteur et un filtre à air 12 en entrée. Un dispositif de réglage de débit 16, tel que par exemple une vanne papillon, permet de contrôler le débit d'air admis dans le moteur à combustion interne 17. Ce dernier est relié à un circuit d'échappement 18.
Le circuit d'échappement 18 comporte également, un dispositif 20 de traitement des gaz brûlés.
Un circuit 21 de recirculation, muni d'un refroidisseur 22, capte une partie des gaz brûlés, en amont M ou en aval V du dispositif 20 de traitement des gaz brûlés, pour les réinjecter avec un débit contrôlé dans le moteur 17, par l'intermédiaire d'une vanne 23 dite vanne EGR qui crée une perte de charge suffisante. La réinjection des gaz brûlés se fait en amont du moteur et en aval du boîtier 16 papillon.
Conformément à l'invention, une turbine 30 de récupération d'énergie est placée dans le circuit 21 de recirculation des gaz brûlés, cette turbine réalisant sensiblement le même taux de détente que la vanne 23 EGR, créant ainsi une chute de pression permettant d'amener les gaz à réinjecter à une pression compatible avec cette réinjection. Ainsi, la vanne 23 EGR peut être remplacée par une vanne 31 introduisant une perte de charge plus faible, et qui est par exemple de fonctionnement en tout ou rien.
La rotation de la turbine 30 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 un exemple illustré figure 1, la turbine 30 est accouplée à un générateur électrique 33. Un moteur électrique 34 est accouplé au vilebrequin 40 du moteur 17, pour lui apporter une assistance mécanique. Ce moteur 34 est alimenté au moins en partie par l'électricité produite par le générateur 33.
Dans un exemple illustré figure 1, la turbine 30 est accouplée mécaniquement au vilebrequin 40 pour l'assister dans sa rotation. Cet accouplement peut s'effectuer par une transmission 35 qui peut être de tout type, par exemple à courroie(s) et /ou engrenages.
Un avantage de la récupération de puissance dans le circuit de recirculation des gaz brûlés est l'absence d'impact en contrepression sur le moteur, et cette récupération d'énergie peut ainsi se faire sans augmentation de consommation de carburant ni de polluants.
Dans une application à un véhicule automobile, une simulation fait apparaître que la zone de récupération maximale d'énergie se situe sur des points de fonctionnement moteur où le véhicule est en fonctionnement stabilisé à une vitesse relativement grande, supérieure à 80 km/h, ce qui permet de récupérer de façon permanente l'énergie là où les systèmes hybrides sont inopérants. De plus, l'extraction de l'enthalpie des gaz de recirculation permet de sous-dimensionner les composants du circuit de recirculation en aval, étant soumis à une température plus faible. Le cas échéant, selon la calibration du moteur, la vanne 31 peut être supprimée.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés.
Ainsi selon un mode de réalisation de l'invention, la vanne 31 est supprimée. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le système comporte un volet 38 de contre pression échappement pour faciliter la recirculation des gaz. Ce volet est disposé en aval du dispositif 20 de traitement des gaz brûlés.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la turbine de récupération d'énergie comporte une vanne 36 de contournement. Cette vanne est utilisée suivant les points de fonctionnement du moteur.
L'invention s'applique à un moteur de véhicule terrestre, naval ou aérien, et au moteur stationnaire. L'expression "comportant un" doit se comprendre comme étant synonyme de "comprenant au moins un".

Claims

REVENDICATIONS
1. Système moteur à circuit (21) de recirculation des gaz brûlés provenant d'un moteur atmosphérique, dans lequel le circuit de recirculation (21) comporte une turbine (30) de récupération d'énergie recevant les gaz d'échappement.
2. Système moteur selon la revendication 1, dans lequel le circuit de recirculation (21) comporte un dispositif (20) de traitement des gaz brûlés en amont de la turbine (30).
3. Système moteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une partie des gaz brûlés est captée en amont ou en aval du dispositif (20) de traitement des gaz brûlés pour les réinjecter dans le moteur (17),
4. Système moteur selon une des revendications 1 à 3, comportant un volet (38) de contre pression échappement pour faciliter la recirculation des gaz.
5. Système moteur selon la revendication 4, dans lequel le volet (38) est disposé en aval du dispositif (20) de traitement des gaz brûlés.
6. Système moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la turbine (30) est accouplée à un générateur électrique (33).
7. Système moteur selon la revendication 6, dans lequel l'énergie délivrée par le générateur (33) est utilisée au moins en partie pour alimenter un moteur électrique (34) d'assistance au vilebrequin (40) du moteur atmosphérique.
8. Système moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la turbine (30) de récupération d'énergie est accouplée mécaniquement au vilebrequin (40) du moteur atmosphérique (17).
9. Véhicule, notamment automobile, équipé d'un système moteur tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 8.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7954478B1 (en) * 2009-07-27 2011-06-07 Michael Moses Schechter Airless engine
DE102011001219A1 (de) * 2011-03-11 2012-09-13 Bernd Holdt Verfahren und Vorrichtung zur Restenergiegewinnung aus Abgasen
WO2015197993A1 (fr) * 2014-06-26 2015-12-30 Valeo Systemes De Controle Moteur Système moteur avec circuit de recirculation des gaz brûlés

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