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WO2013171393A1 - Systeme de recuperation d'energie dans un circuit de gaz d'echappement - Google Patents

Systeme de recuperation d'energie dans un circuit de gaz d'echappement Download PDF

Info

Publication number
WO2013171393A1
WO2013171393A1 PCT/FR2013/050936 FR2013050936W WO2013171393A1 WO 2013171393 A1 WO2013171393 A1 WO 2013171393A1 FR 2013050936 W FR2013050936 W FR 2013050936W WO 2013171393 A1 WO2013171393 A1 WO 2013171393A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
valve
circuit
exhaust
gases
exhaust gas
Prior art date
Application number
PCT/FR2013/050936
Other languages
English (en)
Inventor
Grégory HODEBOURG
Samuel Leroux
Original Assignee
Valeo Systemes De Controle Moteur
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Systemes De Controle Moteur filed Critical Valeo Systemes De Controle Moteur
Priority to CN201380033122.4A priority Critical patent/CN104379919B/zh
Priority to EP13723885.3A priority patent/EP2859214A1/fr
Priority to US14/401,142 priority patent/US20150121846A1/en
Priority to KR20147035156A priority patent/KR20150014969A/ko
Priority to JP2015512094A priority patent/JP2015516543A/ja
Publication of WO2013171393A1 publication Critical patent/WO2013171393A1/fr

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B47/00—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines
    • F02B47/04—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being other than water or steam only
    • F02B47/08—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being other than water or steam only the substances including exhaust gas
    • F02B47/10—Circulation of exhaust gas in closed or semi-closed circuits, e.g. with simultaneous addition of oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
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    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/17—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the intake system
    • F02M26/21—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the intake system with EGR valves located at or near the connection to the intake system
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    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
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    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/021—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a system for recovering energy in an exhaust gas circuit.
  • the invention relates to motor vehicle heat engines, which generally need incident gases to ensure in each combustion chamber, in connection with the fuel injected, a satisfactory combustion, the exhaust gases from this combustion being then released to the atmosphere after being cleared.
  • these exhaust gases which are brought to a certain temperature, rather than being removed from the vehicle without a particular function, can be reused within the same vehicle, for example to participate in the heating of the vehicle or to be redirected to the incident gases, to improve the combustion conditions in each of said chambers.
  • the invention relates to an optimized energy recovery system, based on the use of these exhaust gases.
  • patent FR2933746 which relates to a bypass duct implanted at the level of the exhaust circuit, downstream of a recycling system, said bypass duct making it possible either to convey the gases of exhaust in the air intake circuit, or to recover energy by heating a heat transfer fluid flowing in the heat exchanger.
  • the exhaust gases are hot and can be re-routed as such in the intake circuit, or be previously cooled by the exchanger before reaching said intake circuit.
  • These different configurations of use of this bypass duct are controlled by a first valve located in the exhaust circuit, downstream of the recycling system and upstream of the heat exchanger of said bypass duct, and by a second valve located downstream of said heat exchanger.
  • This second valve comprises a shutter pivotable between an open position, for which it allows the exhaust gases from the heat exchanger to pass, to join the intake circuit, and a closing position for which the exhaust gas is condemned to circulate in the heat exchanger, before being released into the atmosphere by an exhaust system outlet.
  • the bypass duct comprises two inlet pipes located in parallel on the exhaust circuit, a first pipe joining a first passage compartment of the exchanger, and a second pipe joining a second compartment of the exchanger, in which circulates a fluid, for example being the cooling water of the engine, said compartments being in communication with each other.
  • the first valve comprises a flap pivotally mounted and adapted to occupy three distinct positions to reconstitute, in combination with the position of the flap of the second valve, the three main configurations of use of this bypass duct.
  • a first position of the flap of the first valve corresponds to a closure of the first manifold. A part of the exhaust gas then rushes into the second pipe to reach the second compartment of the heat exchanger where they are cooled. By opening the shutter of the second valve, the cooled exhaust gases from the heat exchanger will be routed to the intake circuit to mix with the incident gases.
  • a second position of the shutter of the first valve corresponds to a closure of the exhaust circuit between the two pipes, this second position being deduced from the first position by a 90 ° rotation of said flap.
  • the hot exhaust gases all pass through the first manifold to end up in the first compartment of the exchanger. By closing the flap of the second valve, the hot exhaust gases will then transit to the second compartment and heat the fluid present in said second compartment, before passing through the second manifold and then being discharged from the vehicle through an outlet of the second compartment. exhaust system.
  • a third position of the shutter of the first valve corresponds to a closure of the second manifold, this third position is deriving from the second position by a 90 ° rotation of said flap, and deduced from the first position by a rotation of 180 °.
  • Part of the exhaust passes through the first manifold and invades the first compartment of the exchanger.
  • the flap of the second valve When the flap of the second valve is in a closed position, the exhaust gases are circulated in a loop in the exchanger, entering through a pipe, then through the two compartments, before being evacuated by the other manifold to the exhaust system. If the flap of the first valve closes one of the two pipes, the flap of the second valve must be open, otherwise there is a build-up of gas in the heat exchanger, without the possibility of leakage.
  • the energy recovery system described in this patent involving in particular the two valves and the bypass duct equipped with a heat exchanger, makes it possible to use the bypass duct, or to make the recirculation of hot exhaust gases. or cold, either to do energy recovery.
  • the functions of energy recovery and gas recirculation are completely decoupled here, and can only be provided as an alternative. However, it may happen that for certain phases of use of the engine, especially for cold starts, it is necessary to quickly raise the engine temperature, while ensuring a good cleanup of gases.
  • An energy recovery system makes it possible to meet these two requirements by coupling the functions of energy recovery and recirculation of hot exhaust gases.
  • a recirculation phase of the hot exhaust gases in the intake circuit can be interspersed with several energy recovery phases over relatively short times, so as to achieve almost simultaneously the gas recirculation and energy recovery.
  • a gas flow of an engine comprises an upstream portion constituting the intake circuit, and a downstream portion constituting the exhaust circuit, the concepts of upstream and downstream to be considered in relation to to the engine.
  • the subject of the invention is a system for recovering energy in a gas exhaust circuit of a heat engine, comprising an exhaust gas bypass duct provided with a heat exchanger comprising a first passage compartment and a second compartment adapted to cool the gases, said compartments being in communication, said duct having two inlet pipes implanted in parallel on the exhaust circuit, a first pipe opening into the first compartment and a second pipe opening into the second compartment , the first pipe being located on the exhaust circuit upstream of the second pipe, said system comprising a first valve implanted in the exhaust circuit and able to control the passage of gases in each of said pipes, and a second valve adapted to controlling the passage of gases at the outlet of the heat exchanger, characterized in that e the first valve has only two positions, a first position for which it closes the first pipe and allows the passage of the exhaust gas in the second pipe and to the output of said circuit, and a second position for which it closes the circuit exhaust between the connection points of the two pipes on said circuit and allows the passage of the exhaust gas in the first pipe
  • This first valve operates in a simplified manner with respect to a valve of the state of the art located at the same place on the exhaust circuit and surrounded by the same elements. Indeed, it has only two operational configurations, while a valve of the state of the art proposes a third configuration of closing the second pipe.
  • this first valve makes it possible to obtain all the configurations of use of an existing energy recovery method involving a first three-position valve, and which are: recirculation of hot exhaust gas to the intake circuit, recirculation of exhaust gas cooled to the intake circuit, and energy recovery through heating by the hot exhaust gases of a coolant circulating in the heat exchanger and being able to example, be the engine cooling water. By passing through the exchanger only through the first compartment, the exhaust gases undergo no modification.
  • the engine can be equipped with a compressor placed in the intake circuit, and a turbine placed in the exhaust system. It is assumed that the first and second valves are driven independently of each other.
  • the first valve has a flap movable in rotation, said flap performing a rotation of a value between 70 ° and 90 ° to move from the first position to the second position.
  • This is a well-controlled and accurate operating mechanism.
  • the angles of 70 ° and 90 ° should be considered from a theoretical point of view. In reality, there is a margin of uncertainty about the value of the angle of plus or minus 5 °.
  • the exhaust system has a gas recycling system comprising a particulate filter, the first valve being located in the exhaust circuit downstream of said recycling system.
  • the bypass duct is located at one end of the exhaust circuit, slightly withdrawn with respect to the output of said circuit in the open air.
  • the exhaust gas passed through the heat exchanger will be clean, and therefore will not risk fouling the heat exchanger, the second valve and if necessary the intake circuit.
  • the recycling system may comprise a catalyst and a NOx trap.
  • the second valve is connected to the intake circuit, and is capable of conveying the exhaust gases from the heat exchanger into said intake circuit.
  • this second valve has a connection point with the intake circuit.
  • this valve when this valve is open, it helps to ensure recirculation of the exhaust gas to the intake duct.
  • the second valve comprises a movable shutter rotatable and pivotable between a closed position for which it blocks the gas in the exchanger, and an open position for which it allows the passage of gases to the circuit of admission.
  • the piloting of this valve is fundamental because it will condition the mode of use of a system of energy recovery according to the invention, either to ensure recirculation or to perform energy recovery.
  • the flap rotates between 70 ° and 90 ° to move from its open position to its closed position, said flap being able to be fixed in at least one intermediate position situated between these two positions.
  • the opening of the second valve is variable and makes it possible to precisely control the flow of exhaust gas that it It would be desirable to inject into the intake circuit, depending in particular on the use phase of the engine.
  • the second valve comprises a second flap controlling the flow rate of the gases in the intake circuit, upstream of the connection point of said second valve on the intake circuit.
  • this second valve is comparable to a doser.
  • this second valve also manages the intake gas flow rate, very upstream in said circuit, just after the air inlet of this circuit . This second valve thus ensures complete management of the flow and the quality of the incident gases, which will be injected into the combustion chambers of the engine.
  • the subject of the invention is a first preferred embodiment of a method for using an energy recovery system according to the invention, the main technical characteristic of which is that it comprises the following steps:
  • the third object of the invention is a second preferred embodiment of a method of using an energy recovery system according to the invention, the main technical feature of which is that it comprises the following steps:
  • this second preferred embodiment of a method of use according to the invention comprises at least one step of opening the second valve in order to be able to convey hot exhaust gases from the heat exchanger. in the intake circuit.
  • the energy recovery step can be interspersed with at least one recirculation phase of the hot exhaust gas to convey them into the intake circuit.
  • the second preferred embodiment of a method of use according to the invention can alternatively integrate energy recovery phases and hot exhaust gas recirculation phases. To switch from one category of phases to another, simply rotate the flap of the second valve, between a closed position and an open position.
  • the energy recovery systems according to the invention have the advantage of being able to be used according to three configurations, which are the recirculation of hot exhaust gases, the recirculation of cooled exhaust gases and the recovery of energy, in simplifying the operating mechanism of one of the two valves involved. They also have the advantage of improving the cold start conditions of an engine, which is a phase that is always difficult to manage, due to a rather slow rise in temperature of the engine.
  • a particularly advantageous application of the invention consists in combining the recirculation configurations of the hot exhaust gases and the energy recovery.
  • the following is a detailed description of a preferred embodiment of an energy recovery system according to the invention, with reference to the single figure.
  • the single figure is a schematic view of the architecture of a heat engine involving a turbojet engine and a bypass duct of an energy recovery system according to the invention.
  • a gas circuit of a thermal engine 1 includes an intake circuit 2 located upstream of said engine 1, and an exhaust circuit 3 located downstream thereof.
  • the intake circuit 2 schematically comprises an air inlet 4, supplying air to a compressor 5 via an inlet pipe 6, the supercharged air coming from said compressor 5 being conveyed to the combustion chambers 7 of said engine 1, by via a conduit 8 supply. More specifically, this feed duct 8 opens into an intake manifold for distributing the air in each of the combustion chambers 7 of the engine. This air is essential to ensure good combustion conditions in said chambers 7.
  • the exhaust gases, which have been burned in the chambers 7, are evacuated by means of an exhaust manifold and will feed a turbine 9, which is coupled to the compressor 5.
  • the turbine outlet gases 9 will first pass into an exhaust gas recycling system 10 comprising a catalyst, a NOx trap and a particulate filter, before being routed, either directly to an outlet 11 of the exhaust circuit 3, or to a bypass duct 12 comprising a heat exchanger 13.
  • the exhaust circuit 3 comprises all the elements and connecting ducts located between the exhaust distributor and the outlet 11.
  • the bypass duct 12 has two input manifolds 14, 15, implanted in parallel on the exhaust circuit 3, a first manifold 14 opening into a first compartment 16 for the passage of water. exchanger 13, and a second manifold 15 opening into a second compartment 17 of the exchanger 13 in which a fluid circulates, said compartments 16, 17 being in communication with each other; with the other.
  • the first compartment 16 is a mere passage of the exhaust gas, while the second compartment 17 is used to cool the exhaust gas.
  • a fluid for example, may be cooling water of the engine 1, circulates in the second compartment 17 and the hot exhaust gas arriving in said compartment 17 will be brought into contact with said fluid. This results in a heat exchange, which will tend to lower the initial temperature of the gases, and to increase the initial temperature of the fluid.
  • the first pipe 14 is located on the exhaust circuit 3 upstream of the second pipe 15.
  • a first valve 18, provided with a movable flap 19, is located in the exhaust circuit 3 to control the passage of the pipes. exhaust gas in the two pipes 14,15 input of the bypass duct 12, and to the outlet 11 of said circuit 3.
  • This first valve can occupy only two positions: a first position for which the flap 19 closes the first tubing 14 but allows the passage of the exhaust gas to the second pipe 15 or to the outlet 11 of the exhaust circuit 3, and a second position, shown in dashed lines, for which the flap 19 closes the exhaust circuit 3 between the two locations of the two pipes 14,15 on said circuit 3.
  • the flap 19 forces all the exhaust gas to pass through the first pipe 14.
  • the second position of the flap 19 is deduced from the first position, by a theoretical rotation of a value between 70 ° and 90 °. In this example, the value is 90 °. In reality, this theoretical rotation must be considered with a tolerance of about 5 °.
  • the flap 19 of this first valve 18 is capable of being controlled to occupy at least one intermediate position located between the first and the second position.
  • a second valve 20 is implanted in the bypass duct 12, at the outlet of the heat exchanger 13, to create a possible passage, so that the exhaust gases from said heat exchanger 13 can reach the intake circuit 2 and be mixed with the incident gases.
  • This second valve 20, which has an implantation point on the intake circuit 2, comprises a flap 21 rotatable between a fully open position, for which it allows the passage of exhaust gas from the heat exchanger 13, for routing in the intake circuit 2, and a closed position for which it maintains the exhaust gas in the heat exchanger 13.
  • the flap 21 of the second valve 20 is capable of being driven to occupy at least one intermediate position between the fully open position and the closed position.
  • This second valve 20 may optionally comprise a second flap 22 movable in rotation, and adapted to control the flow of the incident gases in the intake circuit 2, upstream of the connection point of said second valve 20 on the intake circuit 2 allowing the exhaust gases leaving the heat exchanger 13 to enter said intake circuit 2.
  • This second flap 22 is also able to occupy any intermediate position between a fully open position and a closed position.
  • the second valve 20 provided with its two flaps 21,22 is comparable to a metering device.
  • An energy recovery system according to the invention typically comprises the first valve 18, the second valve 20 and the bypass duct 12 having its two inlet pipes 14 and 15 and its heat exchanger 13.
  • An energy recovery system according to the invention can be used according to three methods.
  • a first method comprises the following steps:
  • This first method corresponds to the implementation of a recirculation of cooled exhaust gas.
  • a second method comprises the following steps:
  • a third method includes the two steps of the second method, and comprises at least one step of opening the second valve 20 in order to be able to convey hot exhaust gases from the heat exchanger 13 into the intake circuit. 2.
  • the flap 21 of the second valve 20 alternately undergoes, at least one opening phase and at least one closing phase, to allow the coupling of a recirculation of hot exhaust gas with a recovery of energy, for which the hot exhaust gases will heat a fluid.

Landscapes

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Abstract

L'invention se rapporte à unsystème de récupération d'énergie dans un circuit d'échappement (3) de gaz d'un moteur thermique (1), comprenant un conduit (12) de dérivation des gaz d'échappement incluant un échangeur thermique avec deux compartiments, et possédant une première tubulure (14) débouchantdans un compartiment (16) et une deuxième tubulure (15) débouchant dans l'autrecompartiment (17), ledit système comportant une première vanne (18) implantée dans le circuit d'échappement (3) et apte à contrôler le passage des gaz dans chacune desdites tubulures (14,15), et une deuxième vanne (20) destinéeà contrôler le passage des gaz à la sortie de l'échangeur thermique (13). La principale caractéristique technique d'un système de récupération d'énergie selon l'invention est que la première vanne (18) ne peut être utilisée que dans deux positions, une première position pour laquelle elle obture la première tubulure (14), et une deuxième positionpour laquelle elle obture le circuit d'échappement (3) et ne permet le passage des gaz d'échappement que dans la première tubulure (14).

Description

SYSTEME DE RECUPERATION D'ENERGIE DANS UN CIRCUIT DE GAZ
D'ECHAPPEMENT.
L'invention se rapporte à un système de récupération d'énergie dans un circuit de gaz d'échappement. L'invention a pour cadre les moteurs thermiques de véhicule automobile, qui ont généralement besoin de gaz incidents pour assurer dans chaque chambre de combustion, en liaison avec le carburant injecté, une combustion satisfaisante, les gaz d'échappement issus de cette combustion étant ensuite rejetés dans l'atmosphère après avoir été dépollués. Or, il s'avère que ces gaz d'échappement qui sont portés à une certaine température, plutôt que d'être évacués du véhicule sans fonction particulière, peuvent être réutilisés au sein même dudit véhicule, pour par exemple participer au chauffage du véhicule ou pour être réacheminés vers les gaz incidents, afin d'améliorer les conditions de combustion dans chacune desdites chambres. L'invention se rapporte à un système de récupération d'énergie optimisé, fondé sur l'utilisation de ces gaz d'échappement.
Les systèmes de récupération d'énergie existent et ont déjà fait l'objet de brevets. On peut, par exemple, citer le brevet FR2933746, qui se rapporte à un conduit de dérivation implanté au niveau du circuit d'échappement, en aval d'un système de recyclage, ledit conduit de dérivation permettant, soit d'acheminer les gaz d'échappement dans le circuit d'admission d'air, soit de récupérer de l'énergie en chauffant un fluide caloporteur circulant dans l'échangeur thermique. Les gaz d'échappement sont chauds et peuvent être réacheminés tels quels dans le circuit d'admission, ou bien être préalablement refroidis par l'échangeur avant d'atteindre ledit circuit d'admission . Ces différentes configurations d'utilisation de ce conduit de dérivation sont pilotées par une première vanne implantée dans le circuit d'échappement, en aval du système de recyclage et en amont de l'échangeur thermique dudit conduit de dérivation, et par une deuxième vanne située en aval dudit échangeur thermique. Cette deuxième vanne comprend un volet apte à pivoter entre une position d'ouverture, pour laquelle il permet aux gaz d'échappement issus de l'échangeur thermique de passer, pour rejoindre le circuit d'admission, et une position de fermeture pour laquelle les gaz d'échappement sont condamnés à circuler dans l'échangeur thermique, avant d'être rejetés dans l'atmosphère par une sortie du circuit d'échappement. Le conduit de dérivation comprend deux tubulures d'entrée implantées en parallèle sur le circuit d'échappement, une première tubulure joignant un premier compartiment de passage de l'échangeur, et une deuxième tubulure joignant un deuxième compartiment de l'échangeur, dans lequel circule un fluide, pouvant par exemple être l'eau de refroidissement du moteur, lesdits compartiments étant en communication l'un avec l'autre. La première vanne comprend un volet monté pivotant et apte à occuper trois positions distinctes pour reconstituer, en combinaison avec la position du volet de la deuxième vanne, les trois principales configurations d'utilisation de ce conduit de dérivation.
- Une première position du volet de la première vanne correspond à une obturation de la première tubulure. Une partie des gaz d'échappement s'engouffre alors dans la deuxième tubulure pour atteindre le deuxième compartiment de l'échangeur thermique où ils sont refroidis. En ouvrant le volet de la deuxième vanne, les gaz d'échappement refroidis, issus de l'échangeur thermique, vont être acheminés vers le circuit d'admission pour se mélanger aux gaz incidents.
- Une deuxième position du volet de la première vanne correspond à une obturation du circuit d'échappement, entre les deux tubulures, cette deuxième position se déduisant de la première position par une rotation de 90° dudit volet. Les gaz d'échappement chauds passent tous par la première tubulure pour se retrouver dans le premier compartiment de l'échangeur. En fermant le volet de la deuxième vanne, les gaz d'échappement chauds vont alors transiter vers le deuxième compartiment et chauffer le fluide présent dans ledit deuxième compartiment, avant de passer par la deuxième tubulure puis d'être évacués du véhicule par une sortie du circuit d'échappement.
- Une troisième position du volet de la première vanne correspond à une obturation de la deuxième tubulure, cette troisième position se déduisant de la deuxième position par une rotation de 90° dudit volet, et se déduisant de la première position par une rotation de 180°. Une partie des gaz d'échappement passe par la première tubulure et envahit le premier compartiment de l'échangeur. En ouvrant le volet de la deuxième vanne, les gaz d'échappement, qui n'ont pas été refroidis par l'échangeur, vont être acheminés vers le circuit d'admission en étant chauds, pour se mélanger aux gaz incidents.
Lorsque le volet de la deuxième vanne est dans une position de fermeture, les gaz d'échappement sont amenés à circuler en boucle dans l'échangeur, en entrant par une tubulure, puis en passant par les deux compartiments, avant d'être évacués par l'autre tubulure vers le circuit d'échappement. Si le volet de la première vanne obture l'une des deux tubulures, le volet de la deuxième vanne doit impérativement être ouvert, sous peine de créer une accumulation de gaz dans l'échangeur thermique, sans possibilité de fuite.
Le système de récupération d'énergie décrit dans ce brevet, impliquant notamment les deux vannes et le conduit de dérivation doté d'un échangeur thermique, permet d'utiliser le conduit de dérivation, soit pour faire de la recirculation de gaz d'échappement chauds ou froids, soit pour faire de la récupération d'énergie. Les fonctions de récupération d'énergie et de recirculation des gaz sont ici complètement découplées, et ne peuvent être assurées qu'en alternative. Or, il peut arriver que pour certaines phases d'utilisation du moteur, notamment pour les démarrages à froid, il faille faire monter rapidement le moteur en température, tout en assurant une bonne dépollution des gaz.
Un système de récupération d'énergie selon l'invention permet de répondre à ces deux exigences, en couplant les fonctions de récupération d'énergie et de recirculation des gaz d'échappement chauds. Ainsi, à titre d'exemple, une phase de recirculation des gaz d'échappement chauds dans le circuit d'admission peut être entrecoupée de plusieurs phases de récupération d'énergie sur des temps assez courts, afin de réaliser de façon quasi simultanée de la recirculation des gaz et de la récupération d'énergie. Il est supposé connu qu'une circulation de gaz d'un moteur comprend une partie amont constituant le circuit d'admission, et une partie aval constituant le circuit d'échappement, les notions d'amont et d'aval devant être considérées par rapport au moteur.
L'invention a pour objet un système de récupération d'énergie dans un circuit d'échappement de gaz d'un moteur thermique, comprenant un conduit de dérivation des gaz d'échappement doté d'un échangeur thermique comportant un premier compartiment de passage et un deuxième compartiment apte à refroidir les gaz, lesdits compartiments étant en communication, ledit conduit possédant deux tubulures d'entrée implantées en parallèle sur le circuit d'échappement, une première tubulure débouchant dans le premier compartiment et une deuxième tubulure débouchant dans le deuxième compartiment, la première tubulure étant implantée sur le circuit d'échappement en amont de la deuxième tubulure, ledit système comportant une première vanne implantée dans le circuit d'échappement et apte à contrôler le passage des gaz dans chacune desdites tubulures, et une deuxième vanne apte à contrôler le passage des gaz à la sortie de l'échangeur thermique, caractérisée en ce que la première vanne ne possède que deux positions, une première position pour laquelle elle obture la première tubulure et permet le passage des gaz d'échappement dans la deuxième tubulure et vers la sortie dudit circuit, et une deuxième position pour laquelle elle obture le circuit d'échappement entre les points de raccordement des deux tubulures sur ledit circuit et ne permet le passage des gaz d'échappement que dans la première tubulure. Cette première vanne fonctionne de façon simplifiée par rapport à une vanne de l'état de la technique implantée au même endroit sur le circuit d'échappement et entourée des mêmes éléments. En effet, elle ne présente que deux configurations opérationnelles, tandis qu'une vanne de l'état de la technique propose une troisième configuration consistant à obturer la deuxième tubulure. En combinaison avec la deuxième vanne, cette première vanne permet d'obtenir toutes les configurations d'utilisation d'un procédé de récupération d'énergie existant impliquant une première vanne à trois positions, et qui sont : recirculation de gaz d'échappement chaud vers le circuit d'admission, recirculation de gaz d'échappement refroidis vers le circuit d'admission, et récupération d'énergie à travers le chauffage par les gaz d'échappement chauds d'un fluide caloporteur circulant dans l'échangeur thermique et pouvant, par exemple, être l'eau de refroidissement du moteur. En traversant l'échangeur uniquement par le premier compartiment, les gaz d'échappement ne subissent aucune modification. S'ils sont amenés à traverser le deuxième compartiment, ils seront alors mis au contact d'un fluide froid, lesdits gaz auront alors tendance à se refroidir pour chauffer ledit fluide. Le moteur peut être équipé d'un compresseur placé dans le circuit d'admission, et d'une turbine placée dans le circuit d'échappement. Il est supposé que la première et la deuxième vanne sont pilotées indépendamment l'une de l'autre.
Avantageusement, la première vanne possède un volet mobile en rotation, ledit volet effectuant une rotation d'une valeur comprise entre 70° et 90° pour passer de la première position à la deuxième position. Il s'agit d'un mécanisme de fonctionnement bien maîtrisé et précis. Les angles de 70° et 90° doivent ici être considérés d'un point de vue théorique. En réalité, il existe une marge d'incertitude sur la valeur de l'angle de plus ou moins 5° environ.
De façon préférentielle, le circuit d'échappement possède un système de recyclage des gaz comprenant un filtre à particules, la première vanne étant implantée dans le circuit d'échappement en aval dudit système de recyclage. Autrement dit, le conduit de dérivation est implanté à une extrémité du circuit d'échappement, en léger retrait par rapport à la sortie dudit circuit à l'air libre. Les gaz d'échappement amenés à transiter par l'échangeur thermique seront propres, et ne risqueront donc pas d'encrasser l'échangeur thermique, la deuxième vanne et le cas échéant le circuit d'admission . Préférentiellement, le système de recyclage peut comprendre un catalyseur et un piège à NOx.
De façon avantageuse, la deuxième vanne est raccordée au circuit d'admission, et est apte à acheminer les gaz d'échappement issus de l'échangeur thermique dans ledit circuit d'admission. Autrement dit, cette deuxième vanne comporte un point de raccordement avec le circuit d'admission. Ainsi, lorsque cette vanne est ouverte, elle contribue à assurer une recirculation des gaz d'échappement vers le conduit d'admission.
Préférentiellement, la deuxième vanne comporte un volet mobile en rotation et apte à pivoter entre une position de fermeture pour laquelle il bloque les gaz dans l'échangeur, et une position d'ouverture pour laquelle il permet le passage des gaz vers le circuit d'admission. Le pilotage de cette vanne est fondamental, car il va conditionner le mode d'utilisation d'un système de récupération d'énergie selon l'invention, soit assurer de la recirculation, soit réaliser de la récupération d'énergie.
Avantageusement, le volet effectue une rotation d'une valeur comprise entre 70° et 90° pour passer de sa position d'ouverture à sa position de fermeture, ledit volet étant apte à être figé dans au moins une position intermédiaire située entre ces deux positions. Afin d'ajouter une certaine souplesse à l'utilisation d'un procédé de récupération d'énergie selon l'invention, l'ouverture de la deuxième vanne est variable et permet de contrôler avec précision le débit de gaz d'échappement qu'il serait souhaitable d'injecter dans le circuit d'admission, en fonction notamment de la phase d'utilisation du moteur.
De façon préférentielle, la deuxième vanne comprend un deuxième volet contrôlant le débit des gaz dans le circuit d'admission, en amont du point de raccordement de ladite deuxième vanne sur le circuit d'admission. Pour cette configuration, cette deuxième vanne est assimilable à un doseur. Outre le contrôle du débit des gaz d'échappement à injecter dans le circuit d'admission, cette deuxième vanne gère également le débit des gaz d'admission, très en amont dans ledit circuit, juste après l'entrée d'air de ce circuit. Cette deuxième vanne assure ainsi une gestion complète du débit et de la qualité des gaz incidents, qui vont être injectés dans les chambres de combustion du moteur. L'invention a pour deuxième objet un premier mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système de récupération d'énergie selon l'invention, et dont la principale caractéristique technique est qu'il comprend les étapes suivantes :
- Obturation par la première vanne de la première tubulure, de manière à ce qu'au moins une partie des gaz d'échappement passe dans la deuxième tubulure pour être refroidis dans le deuxième compartiment,
- Ouverture de la deuxième vanne pour permettre aux gaz d'échappement refroidis d'être injectés dans le circuit d'admission du moteur.
Il s'agit d'une utilisation de type recirculation, pour laquelle des gaz d'échappement refroidis sont acheminés dans le circuit d'admission afin d'influer sur les conditions de combustion dans les chambres de combustion du moteur. Selon un mode de réalisation préféré d'un procédé selon l'invention, les deux étapes sont concomitantes.
L'invention a pour troisième objet un deuxième mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système de récupération d'énergie selon l'invention, et dont la principale caractéristique technique est qu'il comprend les étapes suivantes :
- Obturation par la première vanne du circuit d'échappement entre les points de raccordement des deux tubulures sur ledit circuit, obligeant tous les gaz d'échappement à passer dans la première tubulure,
- Fermeture de la deuxième vanne de manière à ce que les gaz transitent par le deuxième compartiment avant de ressortir de l'échangeur thermique par la deuxième tubulure puis d'être évacués hors du véhicule par une sortie du circuit d'échappement. Il s'agit d'une utilisation de type récupération d'énergie, pour laquelle les gaz d'échappement passent par une boucle de dérivation, comportant l'échangeur thermique, avant d'être évacués hors du véhicule. Les gaz d'échappement chauds sont alors utilisés pour réchauffer un fluide circulant dans ledit échangeur thermique, et qui peut, par exemple, être l'eau de refroidissement du moteur.
Avantageusement, ce deuxième mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation selon l'invention, comprend au moins une étape d'ouverture de la deuxième vanne afin de pouvoir acheminer des gaz d'échappement chauds, issus de l'échangeur thermique, dans le circuit d'admission. En effet, l'étape de récupération d'énergie peut être entrecoupée d'au moins une phase de recirculation des gaz d'échappement chauds consistant à les acheminer dans le circuit d'admission. Ainsi, le deuxième mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation selon l'invention peut alternativement intégrer des phases de récupération d'énergie et des phases de recirculation de gaz d'échappement chauds. Pour passer d'une catégorie de phases à l'autre, il suffit de faire pivoter le volet de la deuxième vanne, entre une position de fermeture et une position d'ouverture.
Les systèmes de récupération d'énergie selon l'invention présentent l'avantage de pouvoir être utilisés selon trois configurations, qui sont la recirculation de gaz d'échappement chauds, la recirculation de gaz d'échappement refroidis et la récupération d'énergie, en simplifiant le mécanisme de fonctionnement de l'une des deux vannes impliquées. Ils ont de plus l'avantage d'améliorer les conditions de démarrage à froid d'un moteur, qui est une phase toujours difficile à gérer, en raison d'une montée en température assez lente du moteur.
Une application particulièrement avantageuse de l'invention consiste à combiner les configurations de recirculation des gaz d'échappement chauds et la récupération d'énergie. On donne ci-après une description détaillée d'un mode de réalisation préféré d'un système de récupération d'énergie selon l'invention, en se référant à l'unique figure.
- L'unique figure est une vue schématique de l'architecture d'un moteur thermique impliquant un turboréacteur et un conduit de dérivation d'un système de récupération d'énergie selon l'invention.
En se référant à l'unique figure, un circuit de gaz d'un moteur 1 thermique, inclut un circuit d'admission 2 situé en amont dudit moteur 1, et un circuit d'échappement 3 situé en aval de celui-ci. Le circuit d'admission 2 comprend schématiquement une entrée 4 d'air, alimentant en air un compresseur 5 via une tubulure 6 d'entrée, l'air suralimenté issu dudit compresseur 5 étant acheminé vers les chambres 7 de combustion dudit moteur 1, par l'intermédiaire d'un conduit 8 d'alimentation. Plus précisément, ce conduit d'alimentation 8 débouche dans un répartiteur d'admission permettant de distribuer l'air dans chacune des chambres de combustion 7 du moteur. Cet air est indispensable pour assurer de bonnes conditions de combustion dans lesdites chambres 7. Les gaz d'échappement, qui ont été brûlés dans les chambres 7, sont évacués au moyen d'un répartiteur d'échappement et vont alimenter une turbine 9, qui est couplée au compresseur 5. Les gaz en sortie de turbine 9 vont d'abord passer dans un système de recyclage 10 des gaz d'échappement, comprenant un catalyseur, un piège à NOx et un filtre à particules, avant d'être acheminés, soit directement vers une sortie 11 du circuit d'échappement 3, soit vers un conduit 12 de dérivation comportant un échangeur thermique 13. Le circuit d'échappement 3 comprend tous les éléments et conduits de liaison localisés entre le répartiteur d'échappement et la sortie 11. Le conduit de dérivation 12 possède deux tubulures 14,15 d'entrée, implantées en parallèle sur le circuit d'échappement 3, une première tubulure 14 débouchant dans un premier compartiment 16 de passage de l'échangeur 13, et une deuxième tubulure 15 débouchant dans un deuxième compartiment 17 de l'échangeur 13 dans lequel circule un fluide, lesdits compartiments 16,17 étant en communication l'un avec l'autre. Le premier compartiment 16 ne constitue qu'un simple passage des gaz d'échappement, alors que le deuxième compartiment 17 permet de refroidir les gaz d'échappement. En effet, un fluide, pouvant par exemple, être de l'eau de refroidissement du moteur 1, circule dans le deuxième compartiment 17 et les les gaz d'échappement chauds arrivant dans ledit compartiment 17 vont être mis au contact dudit fluide. Il en résulte un échange thermique, qui va avoir tendance à baisser la température initiale des gaz, et à augmenter la température initiale du fluide. La première tubulure 14 est implantée sur le circuit d'échappement 3 en amont de la deuxième tubulure 15. Une première vanne 18, dotée d'un volet 19 mobile en rotation, est implantée dans le circuit d'échappement 3 pour contrôler le passage des gaz d'échappement dans les deux tubulures 14,15 d'entrée du conduit 12 de dérivation, et vers la sortie 11 dudit circuit 3. Cette première vanne ne peut occuper que deux positions : une première position pour laquelle le volet 19 obture la première tubulure 14 mais permet le passage des gaz d'échappement vers la deuxième tubulure 15 ou vers la sortie l ldu circuit d'échappement 3, et une deuxième position, représentée en pointillés, pour laquelle le volet 19 obture le circuit d'échappement 3 entre les deux points d'implantation des deux tubulures 14,15 sur ledit circuit 3. Dans cette deuxième position, le volet 19 oblige tous les gaz d'échappement à passer par la première tubulure 14. La deuxième position du volet 19 se déduit de la première position, par une rotation théorique d'une valeur comprise entre 70° et 90°. Dans le présent exemple, la valeur est de 90°. Dans la réalité, cette rotation théorique doit être considérée avec une tolérance d'environ 5°. Le volet 19 de cette première vanne 18 est apte à être piloté pour occuper au moins une position intermédiaire située entre la première et la deuxième position. Une deuxième vanne 20 est implantée dans le conduit de dérivation 12, à la sortie de l'échangeur thermique 13, pour créer un éventuel passage, pour que les gaz d'échappement issus dudit échangeur thermique 13, puissent atteindre le circuit d'admission 2 et être mélangés aux gaz incidents. Cette deuxième vanne 20, qui possède un point d'implantation sur le circuit d'admission 2, comprend un volet 21 mobile en rotation entre une position de complète ouverture, pour laquelle il permet le passage des gaz d'échappement en provenance de l'échangeur thermique 13, afin de les acheminer dans le circuit d'admission 2, et une position de fermeture pour laquelle il maintient les gaz d'échappement dans l'échangeur thermique 13. Le volet 21 de cette deuxième vanne 20 est apte à être piloté pour occuper au moins une position intermédiaire située entre la position de complète ouverture et la position de fermeture. Cette deuxième vanne 20 peut optionnellement comprendre un deuxième volet 22 mobile en rotation, et apte à piloter le débit des gaz incidents dans le circuit d'admission 2, en amont du point de raccordement de ladite deuxième vanne 20 sur le circuit d'admission 2 permettant aux gaz d'échappement sortant de l'échangeur thermique 13 de pénétrer dans ledit circuit 2 d'admission. Ce deuxième volet 22 est également apte à occuper toute position intermédiaire entre une position de complète ouverture et une position de fermeture. La deuxième vanne 20 munie de ses deux volets 21,22 est alors assimilable à un doseur. Un système de récupération d'énergie selon l'invention comprend typiquement la première vanne 18, la deuxième vanne 20 et le conduit de dérivation 12 doté de ses deux tubulures 14,15 d'entrée et de son échangeur thermique 13.
Un système de récupération d'énergie selon l'invention peut être utilisé selon trois procédés.
Un premier procédé comprend les étapes suivantes :
- Obturation par la première vanne 18 de la première tubulure 14, de manière à ce qu'au moins une partie des gaz d'échappement passe dans la deuxième tubulure 15 pour être refroidis dans le deuxième compartiment 17,
Ouverture du volet 21 de la deuxième vanne 20 pour permettre aux gaz d'échappement refroidis d'être acheminés dans le circuit d'admission 2 du moteur. Ce premier procédé correspond à la mise en œuvre d'une recirculation de gaz d'échappement refroidis.
Un deuxième procédé comprend les étapes suivantes :
- Obturation par la première vanne 18 du circuit d'échappement 3 entre les points de raccordement des deux tubulures 14,15 sur ledit circuit 3, obligeant tous les gaz d'échappement à passer dans la première tubulure 14,
- Fermeture du volet 21 de la deuxième vanne 20 de manière à ce que les gaz transitent par le deuxième compartiment 17 après être passés par le premier compartiment 16, et avant de ressortir de l'échangeur thermique 13 par la deuxième tubulure 15, puis d'être évacués hors du véhicule par la sortie l ldu circuit d'échappement 3.
Un troisième procédé inclut les deux étapes du deuxième procédé, et comprend au moins une étape d'ouverture de la deuxième vanne 20 afin de pouvoir acheminer des gaz d'échappement chauds, issus de l'échangeur thermique 13, dans le circuit d'admission 2. Pour ce procédé, le volet 21 de la deuxième vanne 20 subit alternativement, au moins une phase d'ouverture et au moins une phase de fermeture, pour permettre le couplage d'une recirculation de gaz d'échappement chauds avec une récupération d'énergie, pour laquelle les gaz d'échappement chauds vont chauffer un fluide.

Claims

REVENDICATIONS
Système de récupération d'énergie dans un circuit d'échappement (3) de gaz d'un moteur thermique (1), comprenant un conduit (12) de dérivation des gaz d'échappement doté d'un échangeur thermique (13) comportant un premier compartiment (16) de passage et un deuxième compartiment (17) apte à refroidir les gaz, lesdits compartiments (16,17) étant en communication, ledit conduit (12) possédant deux tubulures (14,15) d'entrée implantées en parallèle sur le circuit d'échappement (3), une première tubulure (14) débouchant dans le premier compartiment (16) et une deuxième tubulure (15) débouchant dans le deuxième compartiment (17), la première tubulure (14) étant implantée sur le circuit d'échappement (3) en amont de la deuxième tubulure (15), ledit système comportant une première vanne (18) implantée dans le circuit d'échappement (3) et apte à contrôler le passage des gaz dans chacune desdites tubulures (14,15), et une deuxième vanne (20) apte à contrôler le passage des gaz à la sortie de l'échangeur thermique (13), caractérisée en ce que la première vanne (18) ne possède que deux positions, une première position pour laquelle elle obture la première tubulure (14) et permet le passage des gaz d'échappement dans la deuxième tubulure (15) et vers la sortie (11) dudit circuit (3), et une deuxième position pour laquelle elle obture le circuit d'échappement (3) entre les points de raccordement des deux tubulures (14,15) sur ledit circuit (3) et ne permet le passage des gaz d'échappement que dans la première tubulure (14).
Système de récupération d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première vanne (18) possède un volet (19) mobile en rotation, et en ce que le volet (19) effectue une rotation d'une valeur comprise entre 70° et 90° pour passer de la première position à la deuxième position.
Système de récupération d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit d'échappement (10) possède un système de recyclage (10) des gaz comprenant un filtre à particules, et en ce que la première vanne (18) est implantée dans le circuit d'échappement (3) en aval dudit système (10) de recyclage. 4. Système de récupération d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la deuxième vanne (20) est raccordée au circuit d'admission (2), et est apte à acheminer les gaz d'échappement issus de l'échangeur thermique (13) dans ledit circuit d'admission (2). 5. Système de récupération d'énergie selon la revendication 4, caractérisé en ce que la deuxième vanne (20) comporte un volet mobile (21) en rotation et apte à pivoter entre une position de fermeture pour laquelle il bloque les gaz dans l'échangeur (13), et une position d'ouverture pour laquelle il permet le passage des gaz vers le circuit d'admission (2). 6. Système de récupération d'énergie selon la revendication 5, caractérisé en ce que le volet (21) effectue une rotation d'une valeur comprise entre 70° et 90° pour passer de sa position d'ouverture à sa position de fermeture, et en ce que ledit volet (21) est apte à être figé dans au moins une position intermédiaire située ces deux positions. 7. Système de récupération d'énergie selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la deuxième vanne (20) comprend un deuxième volet (22) contrôlant le débit des gaz dans le circuit d'admission (2), en amont du point de raccordement de ladite deuxième vanne (20) sur le circuit d'admission (2). 8. Procédé d'utilisation d'un système de récupération d'énergie selon l'un quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- Obturation par la première vanne (18) de la première tubulure (14), de manière à ce qu'au moins une partie des gaz d'échappement passe dans la deuxième tubulure (15) pour être refroidis dans le deuxième compartiment (17),
- Ouverture de la deuxième vanne (20) pour permettre aux gaz d'échappement refroidis d'être acheminés dans le circuit d'admission (2) du moteur (1).
9. Procédé d'utilisation d'un système de récupération d'énergie selon l'un quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- Obturation par la première vanne (18) du circuit d'échappement (3) entre les points de raccordement des deux tubulures (14,15) sur ledit circuit (3), obligeant tous les gaz d'échappement à passer par la première tubulure (14),
- Fermeture de la deuxième vanne (20) de manière à ce que les gaz transitent par le deuxième compartiment (17) après être passés dans le premier compartiment (16) avant de ressortir de l'échangeur thermique (13) par la deuxième tubulure (15) puis d'être évacués hors du véhicule par une sortie (11) du circuit d'échappement (3).
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape d'ouverture de la deuxième vanne (20) afin de pouvoir acheminer des gaz d'échappement chauds, issus de l'échangeur thermique (13), dans le circuit d'admission (2).
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