EP3274573A1 - Engine system with energy recovery system - Google Patents

Engine system with energy recovery system

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Publication number
EP3274573A1
EP3274573A1 EP16721858.5A EP16721858A EP3274573A1 EP 3274573 A1 EP3274573 A1 EP 3274573A1 EP 16721858 A EP16721858 A EP 16721858A EP 3274573 A1 EP3274573 A1 EP 3274573A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
engine
turbine
turbocharger
energy recovery
circuit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16721858.5A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Pierre-Julian ANGELOT
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Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Original Assignee
Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Systemes de Controle Moteur SAS filed Critical Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Publication of EP3274573A1 publication Critical patent/EP3274573A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02—Engines with prolonged expansion
    • F02B41/10—Engines with prolonged expansion in exhaust turbines
    • 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
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/004—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust drives arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • 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
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/05—High pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust system upstream of the turbine and reintroduced into the intake system downstream of the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • 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
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/08—EGR systems specially adapted for supercharged engines for engines having two or more intake charge compressors or exhaust gas turbines, e.g. a turbocharger combined with an additional compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • 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
    • F02M26/22—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
    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • 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 present invention relates to thermal machines and more particularly to internal combustion engines comprising a system for energy recovery.
  • turbochargers to increase the density of the admitted gases.
  • These turbochargers comprise an air compressor driven by a turbine driven by the enthalpy power of the exhaust gas.
  • the present invention proposes an engine system comprising a heat engine equipped with a turbocharger and an exhaust circuit disposed at the output of the heat engine, in which an energy recovery turbine receiving the exhaust gases is disposed on the engine. exhaust system upstream of the turbocharger.
  • the engine system comprises a flue gas recirculation circuit.
  • the energy recovery turbine is disposed upstream of the turbocharger and downstream of the flue gas recirculation circuit.
  • the energy recovery turbine is disposed upstream of the turbocharger and upstream of the flue gas recirculation circuit.
  • An advantage of the power recovery before 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.
  • the recirculation circuit comprises a cooler downstream of the turbine.
  • the motor system comprises a valve downstream of the turbine, this valve being preferably of the on / off type.
  • the energy recovery turbine can be mechanically coupled to elements of the motor system to restore mechanical energy or be coupled to an electric generator.
  • the turbine is coupled to an electric generator.
  • the energy delivered by this generator can be used, for example at least in part, to power an electric motor assisting the turbocharger.
  • the energy delivered by the generator is used at least in part to supply an electric motor for assisting the crankshaft of the heat engine.
  • the energy recovery turbine may alternatively be coupled to a compressor of the air intake circuit, other than that of the turbocharger.
  • the energy delivered by the generator is used at least in part to supply an electric motor for assisting the crankshaft of the heat engine.
  • the energy recovery turbine is mechanically coupled to the crankshaft of the heat engine.
  • the heat engine is a diesel engine.
  • the invention also relates to a vehicle equipped with a motor system as defined according to the invention.
  • FIG. 1 represents a motor architecture with an energy recovery turbine according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 represents an engine architecture with an energy recovery turbine, according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 represents an engine architecture with an energy recovery turbine, according to a third embodiment of the invention
  • FIGS. 4 to 6 are various examples of engine systems according to the invention, making it possible to exploit the energy recovered by the turbine
  • FIG. 7 illustrates the results obtained for a simulation comparing two embodiments of the invention with an architecture of the prior art.
  • the architecture shown in FIG. 1, also called the engine system, comprises an internal combustion heat engine 17 connected to an air intake circuit 11 in the engine, comprising an inlet air filter 12, a compressor 13 of turbocharger for compressing the air for the engine and a cooler 14 downstream of the compressor 13, for cooling the charge air.
  • the engine 17 is connected to an exhaust circuit 18 which comprises a turbocharger turbine 19, driven by the exhaust gas, coupled to the supercharger compressor 13 to drive it in rotation.
  • the architecture comprises a flow control device 16, such as for example a butterfly valve, which makes it possible to control the flow rate of air admitted into the internal combustion engine 17.
  • a turbine 30 of energy recovery is placed at the outlet of the exhaust manifold 170 upstream of the turbine 19 of the turbocharger, and on the exhaust duct 18.
  • the exhaust duct 18 comprises the energy recovery turbine 30, illustrated in FIG.
  • upstream turbo ⁇ downstream turbo ⁇ downstream recovery upstream recovery X j 1 Vturbine recovery XI 1 ER recU py I? ⁇
  • turbocharger This expression makes it possible to define the increase of the rate of relaxation of the turbocharger.
  • the exhaustion rate of the exhaust line makes it possible to directly quantify the losses by total pumping of the engine, it is a parameter to minimize to the maximum to reduce fuel consumption.
  • this rate of expansion depends on the efficiency of the recovery turbine, the expansion rate of the recovery turbine and the initial expansion rate of the turbocharger.
  • the exhaust circuit 18 comprises, downstream of the turbine 19, a device for treating the burnt gases.
  • the flue gas recirculation circuit 210 is formed by a duct coming directly from the exhaust manifold 170.
  • the flue gas recirculation circuit 211 is formed by a duct coming from the exhaust duct 18.
  • the energy recovery turbine 30 is disposed upstream of the turbocharger turbine 19 and downstream of the flue gas recirculation circuit 210. More specifically, according to this mode of embodiment of the invention illustrated in FIG. 2, the energy recovery turbine 30 is disposed after the separation between the exhaust and the circuit 210 EGR.
  • the energy recovery turbine 30 is disposed upstream of the turbocharger turbine 19 and upstream of the flue gas recirculation circuit 211.
  • This type of architecture has the advantage of avoiding the loss of power due to the division of the exhaust gases between the EGR circuit and the exhaust circuit going to the turbine. Thus all available power flows through the turbine.
  • the energy recovery turbine 30 is disposed before the separation between the exhaust and the RGE circuit 211.
  • exhaust circuit 18 the circuit disposed at the outlet of the exhaust manifold 170 and on which is disposed or not a conduit 210, 211 recirculation of flue gas. More precisely, the exhaust duct 18 is the duct through which the exhaust gases leaving the engine will be exhausted. These gases then continue to circulate in this exhaust duct, and according to embodiments of the invention, a part of them is diverted into the duct 210, 211 of recirculation. Thus, when one speaks of "disposed on the exhaust duct 18", it is only on the exhaust duct 18, regardless of whether the portion of the duct 18 concerned is upstream or downstream of a duct 18. recirculation duct.
  • 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 elements of the engine architecture such as the turbocharger for example.
  • the turbine 30 is thus coupled to an electric generator 33.
  • This generator 33 can then be used in different cases.
  • the turbine 30 is thus coupled to this electric generator 33.
  • An electric motor 34 is coupled to the crankshaft 40 of the engine 17, for give him 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 upstream of the flue gas recirculation circuit is the minimal impact against the engine.
  • this energy recovery allows a reduction of fuel consumption and pollution according to the reuse of energy.
  • FIG. 7 In an application to a motor vehicle, in operation stabilized at a speed equal to 130km / h, a simulation shows very significant consumption gains shown in Figure 7.
  • the lines a, b and c respectively represent the results for an architecture of the prior art with the energy recovery turbine downstream of the turbocharger, for architectures according to two embodiments of the invention illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • the arrows illustrate the gain on the fuel consumption for each of the embodiments, e for the first mode of FIG. 2 and f for the second embodiment of FIG. 3.
  • These results correspond to a comparison of fuel consumption related to the production of electrical power (on-board network, hybridization ...) according to the two configurations with respect to a reference architecture comprising an energy recovery turbine disposed in al turbocharger turbine.
  • the values of these gains depend mainly on the manner of reuse of the mechanical power recovered on the shaft of the recovery turbine.
  • the invention applies to a land vehicle engine, for example automobile or truck, naval or air, as well as to the engines of generators and all other applications using a turbocharged heat engine and high pressure recirculation of flue gas.

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Abstract

The present invention relates to an engine system (10) comprising a heat engine (17) provided with a turbocharger (13, 19) and an exhaust system (18) arranged at the outlet of the heat engine (17), wherein an energy recovery turbine (30) receiving the exhaust gases is arranged on the exhaust system (18) upstream of the turbocharger (13, 19).

Description

SYSTEME MOTEUR AVEC SYSTEME DE RECUPERATION D'ENERGIE  ENGINE SYSTEM WITH ENERGY RECOVERY SYSTEM
La présente invention concerne les machines thermiques et plus particulièrement les moteurs à combustion interne comportant un système de récupération d'énergie. The present invention relates to thermal machines and more particularly to internal combustion engines comprising a system for energy recovery.
De nombreux moteurs, notamment diesel ou essence, équipant les véhicules automobiles sont équipés de turbocompresseurs pour augmenter la densité des gaz admis. Ces turbocompresseurs comportent un compresseur d'air entraîné par une turbine animée par la puissance enthalpique des gaz d'échappement.  Many engines, especially diesel or gasoline, equipping motor vehicles are equipped with turbochargers to increase the density of the admitted gases. These turbochargers comprise an air compressor driven by a turbine driven by the enthalpy power of the exhaust gas.
Un des inconvénients de ce type d'architecture provient du fait qu'une partie de l'énergie, du flux de gaz d'échappement en sortie du turbocompresseur, est perdue. Afin d'éviter ce problème, aujourd'hui certaines architectures, telles que celles décrites dans les demandes de brevet WO2006/098866 et WO2006/081265, propose l'intégration d'une turbine de récupération d'énergie en aval du turbocompresseur.  One of the drawbacks of this type of architecture comes from the fact that part of the energy, of the exhaust gas stream at the outlet of the turbocharger, is lost. To avoid this problem, today some architectures, such as those described in patent applications WO2006 / 098866 and WO2006 / 081265, proposes the integration of an energy recovery turbine downstream of the turbocharger.
Un des inconvénients de cette position de la turbine de récupération d'énergie en aval du turbocompresseur est qu'elle est soumise aux effets du turbocompresseur, et notamment la chute de température des gaz d'échappement. Cela implique suivant les cas une forte contre-pression pénalisant en conséquence le rendement du moteur thermique.  One of the disadvantages of this position of the energy recovery turbine downstream of the turbocharger is that it is subject to the effects of the turbocharger, and in particular the temperature drop of the exhaust gas. This implies, depending on the case, a strong counterpressure penalizing consequently the efficiency of the engine.
Pour cela la présente invention propose un système moteur comportant un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur et un circuit d'échappement disposé en sortie du moteur thermique, dans lequel une turbine de récupération d'énergie recevant les gaz d'échappement est disposée sur le circuit d'échappement en amont du turbocompresseur.  For this purpose, the present invention proposes an engine system comprising a heat engine equipped with a turbocharger and an exhaust circuit disposed at the output of the heat engine, in which an energy recovery turbine receiving the exhaust gases is disposed on the engine. exhaust system upstream of the turbocharger.
Grâce à l'invention, une partie de l'énergie perdue dans les moteurs actuels peut être récupérée afin de réduire la consommation de carburant.  Thanks to the invention, part of the energy lost in the current engines can be recovered to reduce fuel consumption.
Un autre avantage provient du fait que la turbine disposée en amont du turbocompresseur ne subit pas la chute de température provoquée par le turbocompresseur. Selon une variante de l'invention, le système moteur comporte un circuit de recirculation des gaz brûlés. Another advantage comes from the fact that the turbine disposed upstream of the turbocharger does not undergo the temperature drop caused by the turbocharger. According to a variant of the invention, the engine system comprises a flue gas recirculation circuit.
Selon une variante de l'invention, la turbine de récupération d'énergie est disposée en amont du turbocompresseur et en aval du circuit de recirculation des gaz brûlés.  According to a variant of the invention, the energy recovery turbine is disposed upstream of the turbocharger and downstream of the flue gas recirculation circuit.
Selon une variante de l'invention, la turbine de récupération d'énergie est disposée en amont du turbocompresseur et en amont du circuit de recirculation des gaz brûlés.  According to a variant of the invention, the energy recovery turbine is disposed upstream of the turbocharger and upstream of the flue gas recirculation circuit.
Un avantage de la récupération de puissance avant 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.  An advantage of the power recovery before 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.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit de recirculation comporte un refroidisseur en aval de la turbine.  According to one embodiment of the invention, the recirculation circuit comprises a cooler downstream of the turbine.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le système moteur comporte une vanne en aval de la turbine, cette vanne étant de préférence de type marche/arrêt.  According to one embodiment of the invention, the motor system comprises a valve downstream of the turbine, this valve being preferably of the on / off type.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la turbine de récupération d'énergie peut être accouplée mécaniquement à des éléments du système moteur pour restituer une énergie mécanique ou être accouplée à un générateur électrique. De préférence, la turbine est accouplée à un générateur électrique.  According to one embodiment of the invention, the energy recovery turbine can be mechanically coupled to elements of the motor system to restore mechanical energy or be coupled to an electric generator. Preferably, the turbine is coupled to an electric generator.
L'énergie délivrée par ce générateur peut être utilisée par exemple au moins en partie pour alimenter un moteur électrique d'assistance au turbocompresseur.  The energy delivered by this generator can be used, for example at least in part, to power an electric motor assisting the turbocharger.
En variante, l'énergie délivrée par le générateur est utilisée au moins en partie pour alimenter un moteur électrique d'assistance au vilebrequin du moteur thermique.  As a variant, the energy delivered by the generator is used at least in part to supply an electric motor for assisting the crankshaft of the heat engine.
La turbine de récupération d'énergie peut encore, en variante, être couplée à un compresseur du circuit d'admission d'air, autre que celui du turbocompresseur.  The energy recovery turbine may alternatively be coupled to a compressor of the air intake circuit, other than that of the turbocharger.
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 thermique. Selon un mode de réalisation de l'invention, la turbine de récupération d'énergie est accouplée mécaniquement au vilebrequin du moteur thermique. According to one embodiment of the invention, the energy delivered by the generator is used at least in part to supply an electric motor for assisting the crankshaft of the heat engine. According to one embodiment of the invention, the energy recovery turbine is mechanically coupled to the crankshaft of the heat engine.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur thermique est un moteur diesel.  According to one embodiment of the invention, the heat engine is a diesel engine.
L'invention concerne également un véhicule équipé d'un système moteur tel que défini selon l'invention.  The invention also relates to a vehicle equipped with a motor system as defined according to the invention.
Grâce à l'invention, une partie de l'énergie perdue dans les moteurs actuels peut être récupérée afin de réduire la consommation de carburant.  Thanks to the invention, part of the energy lost in the current engines can be recovered to reduce fuel consumption.
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 aux figures annexées, données à titre d'exemple et dans lesquelles: Other objects, features and advantages of the invention will be better understood and will appear more clearly on reading the description given hereinafter with reference to the appended figures given by way of example and in which:
- la figure 1 représente une architecture moteur avec une turbine de récupération d'énergie selon un premier mode de réalisation de l'invention,  FIG. 1 represents a motor architecture with an energy recovery turbine according to a first embodiment of the invention,
- la figure 2 représente une architecture moteur avec une turbine de récupération d'énergie, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,  FIG. 2 represents an engine architecture with an energy recovery turbine, according to a second embodiment of the invention,
- la figure 3 représente une architecture moteur avec une turbine de récupération d'énergie, selon un troisième mode de réalisation de l'invention,  FIG. 3 represents an engine architecture with an energy recovery turbine, according to a third embodiment of the invention,
- les figures 4 à 6 sont différents exemples de systèmes de moteurs selon l'invention, permettant d'exploiter l'énergie récupérée par la turbine  FIGS. 4 to 6 are various examples of engine systems according to the invention, making it possible to exploit the energy recovered by the turbine
- la figure 7 illustre les résultats obtenus pour une simulation comparant deux modes de réalisation de l'invention avec une architecture de l'art antérieur.  FIG. 7 illustrates the results obtained for a simulation comparing two embodiments of the invention with an architecture of the prior art.
L'architecture représentée sur la figure 1, encore appelée système moteur, comporte un moteur thermique à combustion interne 17 relié à un circuit 11 d'admission d'air dans le moteur, comportant un filtre à air 12 en entrée, un compresseur 13 de turbocompresseur pour comprimer l'air destiné au moteur et un refroidisseur 14 en aval du compresseur 13, pour refroidir l'air de suralimentation. Le moteur 17 est relié à un circuit d'échappement 18 qui comporte une turbine 19 de turbocompresseur, entraînée par les gaz d'échappement, accouplée au compresseur 13 de suralimentation pour l'entraîner en rotation. Selon un mode de réalisation, l'architecture comporte un dispositif de réglage de débit 16, tel que par exemple une vanne papillon, qui permet de contrôler le débit d'air admis dans le moteur à combustion interne 17. The architecture shown in FIG. 1, also called the engine system, comprises an internal combustion heat engine 17 connected to an air intake circuit 11 in the engine, comprising an inlet air filter 12, a compressor 13 of turbocharger for compressing the air for the engine and a cooler 14 downstream of the compressor 13, for cooling the charge air. The engine 17 is connected to an exhaust circuit 18 which comprises a turbocharger turbine 19, driven by the exhaust gas, coupled to the supercharger compressor 13 to drive it in rotation. According to one embodiment, the architecture comprises a flow control device 16, such as for example a butterfly valve, which makes it possible to control the flow rate of air admitted into the internal combustion engine 17.
Conformément à l'invention, une turbine 30 de récupération d'énergie est placée en sortie du collecteur d'échappement 170 en amont de la turbine 19 du turbocompresseur, et sur le conduit d'échappement 18. Ainsi le conduit 18 d'échappement comporte la turbine 30 de récupération d'énergie, illustré figure 1.  According to the invention, a turbine 30 of energy recovery is placed at the outlet of the exhaust manifold 170 upstream of the turbine 19 of the turbocharger, and on the exhaust duct 18. Thus the exhaust duct 18 comprises the energy recovery turbine 30, illustrated in FIG.
Le fait d'être disposée en amont du turbocompresseur permet à la turbine de ne pas subir la perte de température engendrée par le turbocompresseur, et ainsi la perte de puissance qui en résulte. La turbine elle-même limite la perte de chaleur vis-à-vis du turbocompresseur. Ainsi, la récupération d'énergie globale dans la ligne est maximisée sans nuire au rôle du turbocompresseur.  The fact of being disposed upstream of the turbocharger allows the turbine to not suffer the temperature loss generated by the turbocharger, and thus the resulting loss of power. The turbine itself limits the heat loss to the turbocharger. Thus, the overall energy recovery in the line is maximized without affecting the role of the turbocharger.
En effet, La puissance extraite d'une turbine s'écrit : Indeed, the power extracted from a turbine is written:
L'effet attendu de ces emplacements est de profiter d'une thermique élevée et d'un débit maximal pour très peu détendre les gaz. Récupérer une faible puissance permet de très peu baisser en température les gaz en sortie la turbine de récupération : le turbocompresseur voit ainsi une quantité énergie sensiblement identique en entrée. Il est possible d'écrire de manière analytique la température que voit la turbine du turbocompresseur dans l'invention :  The expected effect of these locations is to take advantage of a high thermal and a maximum flow to very slightly relax the gases. Recovering a low power makes it possible to very slightly lower the exhaust gases at the outlet of the recovery turbine: the turbocharger thus sees a substantially identical quantity of energy at the inlet. It is possible to write analytically the temperature seen by the turbine of the turbocharger in the invention:
Ί amont turbo ^ aval récup ^ amont récup X j 1 Vturbine récup X I 1 ERrecUp y I ?■ Ί upstream turbo ^ downstream recovery upstream recovery X j 1 Vturbine recovery XI 1 ER recU py I? ■
Cette expression permet de définir l'augmentation du taux de détente du turbocompresseur. Le taux de détente de la ligne d'échappement permet de quantifier directement les pertes par pompage total du moteur, c'est un paramètre à minimiser au maximum pour réduire la consommation de carburant. turbo This expression makes it possible to define the increase of the rate of relaxation of the turbocharger. The exhaustion rate of the exhaust line makes it possible to directly quantify the losses by total pumping of the engine, it is a parameter to minimize to the maximum to reduce fuel consumption. turbo
turbine récup recup γ  turbine recovery recup γ
Ainsi au premier ordre, ce taux de détente dépend du rendement de la turbine de récupération, du taux de détente de la turbine de récupération et du taux de détente initial du turbocompresseur. Thus at the first order, this rate of expansion depends on the efficiency of the recovery turbine, the expansion rate of the recovery turbine and the initial expansion rate of the turbocharger.
A partir des taux de détente, il est possible de remonter aux puissances récupérées : • Architecture figure 2 d'écrite plus loin: From the relaxation rates, it is possible to go back to the recovered powers: • Architecture figure 2 written further:
• Architecture figure 3 décrite plus loin: • Architecture figure 3 described later:
P-meca- recup ~ turbine recup * Q échappement * Tamont ■ amont) X j l— ERrecUp ï P-meca- recup ~ turbine recup * Q exhaust * Tamont ■ upstream) X jl - ER recU p ï
Selon un mode de réalisation de l'invention illustré figures 2 et 3, le circuit d'échappement 18 comporte, en aval de la turbine 19, un dispositif de traitement des gaz brûlés. Un circuit 210, 211 de recirculation, muni d'un refroidisseur 22, capte une partie des gaz brûlés, en amont de la turbine 19 du turbocompresseur, pour les réinjecter avec un débit contrôlé dans le moteur 17, par exemple par l'intermédiaire d'une vanne 31 dite vanne RGE According to one embodiment of the invention illustrated in FIGS. 2 and 3, the exhaust circuit 18 comprises, downstream of the turbine 19, a device for treating the burnt gases. A recirculation circuit 210, 211, equipped with a cooler 22, captures a portion of the flue gases, upstream of the turbine 19 of the turbocharger, for reinjecting them with a controlled flow into the engine 17, for example via a valve 31 called valve RGE
Selon un mode de réalisation de l'invention illustrée figure 2, le circuit 210 de recirculation des gaz brûlés est formé par un conduit issu directement du collecteur d'échappement 170.  According to one embodiment of the invention illustrated in FIG. 2, the flue gas recirculation circuit 210 is formed by a duct coming directly from the exhaust manifold 170.
Selon une autre mode de réalisation de l'invention illustrée figure 3, le circuit 211 de recirculation des gaz brûlés est formé par un conduit issu du conduit 18 d'échappement.  According to another embodiment of the invention illustrated in FIG. 3, the flue gas recirculation circuit 211 is formed by a duct coming from the exhaust duct 18.
Selon un mode de réalisation de l'invention illustrée figure 2, la turbine 30 de récupération d'énergie est disposée en amont de la turbine 19 du turbocompresseur et en aval du circuit 210 de recirculation des gaz brûlés. Plus précisément, selon ce mode de réalisation de l'invention illustré figure 2, la turbine 30 de récupération d'énergie est disposée après la séparation entre l'échappement et le circuit 210 RGE. According to an embodiment of the invention illustrated in FIG. 2, the energy recovery turbine 30 is disposed upstream of the turbocharger turbine 19 and downstream of the flue gas recirculation circuit 210. More specifically, according to this mode of embodiment of the invention illustrated in FIG. 2, the energy recovery turbine 30 is disposed after the separation between the exhaust and the circuit 210 EGR.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention illustrée figure 3, la turbine 30 de récupération d'énergie est disposée en amont de la turbine 19 du turbocompresseur et en amont du circuit 211 de recirculation des gaz brûlés.  According to another embodiment of the invention illustrated in FIG. 3, the energy recovery turbine 30 is disposed upstream of the turbocharger turbine 19 and upstream of the flue gas recirculation circuit 211.
Ce type d'architecture, a pour avantage d'éviter la perte de puissance liée à la division des gaz d'échappement entre le circuit RGE et le circuit d'échappement allant vers la turbine. Ainsi toute la puissance disponible circule via la turbine.  This type of architecture has the advantage of avoiding the loss of power due to the division of the exhaust gases between the EGR circuit and the exhaust circuit going to the turbine. Thus all available power flows through the turbine.
Plus précisément, selon ce mode de réalisation de l'invention illustré figure 3, la turbine 30 de récupération d'énergie est disposée avant la séparation entre l'échappement et le circuit 211 RGE.  More precisely, according to this embodiment of the invention illustrated in FIG. 3, the energy recovery turbine 30 is disposed before the separation between the exhaust and the RGE circuit 211.
Dans le cadre de l'invention on entend par circuit d'échappement 18, le circuit disposé en sortie du collecteur 170 d'échappement et sur lequel est disposé ou pas un conduit 210, 211 de recirculation des gaz brûlés. Plus précisément, le conduit d'échappement 18 est le conduit par lequel vont s'évacuer les gaz d'échappement en sortie du moteur. Ces gaz continuent ensuite à circuler dans ce conduit d'échappement, et selon des modes de réalisation de l'invention, une partie d'entrés eux est déviée dans le conduit 210, 211 de recirculation. Ainsi, lorsque l'on parle de « disposé sur le conduit 18 d'échappement », c'est uniquement sur le conduit 18 d'échappement, indépendamment du fait que la portion concernée du conduit 18 soit en amont ou en aval d'un conduit de recirculation.  In the context of the invention is understood by exhaust circuit 18, the circuit disposed at the outlet of the exhaust manifold 170 and on which is disposed or not a conduit 210, 211 recirculation of flue gas. More precisely, the exhaust duct 18 is the duct through which the exhaust gases leaving the engine will be exhausted. These gases then continue to circulate in this exhaust duct, and according to embodiments of the invention, a part of them is diverted into the duct 210, 211 of recirculation. Thus, when one speaks of "disposed on the exhaust duct 18", it is only on the exhaust duct 18, regardless of whether the portion of the duct 18 concerned is upstream or downstream of a duct 18. recirculation duct.
Dans le cadre de l'invention, 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.  In the context of the invention, 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 elements of the engine architecture such as the turbocharger for example.
Dans l'exemple sur la figure 4, la turbine 30 est ainsi accouplée à un générateur électrique 33. Ce générateur 33 peut ensuite servir dans différents cas.  In the example in FIG. 4, the turbine 30 is thus coupled to an electric generator 33. This generator 33 can then be used in different cases.
Dans l'exemple de la figure 5, la turbine 30 est ainsi accouplée à ce 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. In the example of FIG. 5, the turbine 30 is thus coupled to this electric generator 33. An electric motor 34 is coupled to the crankshaft 40 of the engine 17, for give him mechanical assistance. This motor 34 is powered at least in part by the electricity produced by the generator 33.
Dans l'exemple de la figure 6, 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.  In the example of Figure 6, 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.
Un avantage de la récupération de puissance en amont du circuit de recirculation des gaz brûlés est l'impact minimal en contrepression sur le moteur. De plus cette récupération d'énergie permet une réduction de consommation de carburant et de pollution selon la réutilisation de l'énergie.  An advantage of the power recovery upstream of the flue gas recirculation circuit is the minimal impact against the engine. In addition, this energy recovery allows a reduction of fuel consumption and pollution according to the reuse of energy.
Dans une application à un véhicule automobile, en fonctionnement stabilisé à une vitesse égale à 130km/h, une simulation fait apparaître des gains de consommation très importants présentés sur la figure 7. Sur cette figure, les lignes a, b et c représentent respectivement les résultats pour une architecture de l'art antérieur avec la turbine de récupération d'énergie en aval du turbocompresseur, pour des architectures selon deux modes de réalisation de l'invention illustrés figure 2 et 3. Les flèches illustres le gain sur la consommation en carburant pour chacun des modes de réalisation, e pour le premier mode de la figure 2 et f pour le deuxième mode de la figure 3. Ces résultats correspondent à une comparaison de consommation de carburant liés à la production de puissance électrique (réseau de bord, hybridation...) selon les deux configurations par rapport à une architecture de référence comportant une turbine de récupération d'énergie disposée en aval de la turbine de turbocompresseur. Les valeurs de ces gains dépendent principalement de la manière de réutilisation de la puissance mécanique récupérée sur le l'arbre de la turbine de récupération.  In an application to a motor vehicle, in operation stabilized at a speed equal to 130km / h, a simulation shows very significant consumption gains shown in Figure 7. In this figure, the lines a, b and c respectively represent the results for an architecture of the prior art with the energy recovery turbine downstream of the turbocharger, for architectures according to two embodiments of the invention illustrated in FIGS. 2 and 3. The arrows illustrate the gain on the fuel consumption for each of the embodiments, e for the first mode of FIG. 2 and f for the second embodiment of FIG. 3. These results correspond to a comparison of fuel consumption related to the production of electrical power (on-board network, hybridization ...) according to the two configurations with respect to a reference architecture comprising an energy recovery turbine disposed in al turbocharger turbine. The values of these gains depend mainly on the manner of reuse of the mechanical power recovered on the shaft of the recovery turbine.
L'invention s'applique à un moteur de véhicule terrestre, par exemple automobile ou camion, naval ou aérien, ainsi qu'aux moteurs de groupes électrogènes et à toutes autres applications utilisant un moteur thermique à turbocompresseur et recirculation haute pression des gaz brûlés.  The invention applies to a land vehicle engine, for example automobile or truck, naval or air, as well as to the engines of generators and all other applications using a turbocharged heat engine and high pressure recirculation of flue gas.
L'expression "comportant un" doit se comprendre comme étant synonyme de "comprenant au moins un". La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci- dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications. The expression "comprising a" should be understood as being synonymous with "comprising at least one". The scope of the present invention is not limited to the details given above and allows embodiments in many other specific forms without departing from the scope of the invention. Therefore, the present embodiments should be considered by way of illustration, and may be modified without departing from the scope defined by the claims.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système moteur comportant un moteur thermique (17) équipé d'un turbocompresseur (13,19) et un circuit (18) d'échappement disposé en sortie du moteur thermique (17), dans lequel une turbine (30) de récupération d'énergie recevant les gaz d'échappement est disposée sur le circuit (18) d'échappement en amont du turbocompresseur (13,19). 1. Engine system comprising a heat engine (17) equipped with a turbocharger (13,19) and an exhaust circuit (18) disposed at the output of the heat engine (17), wherein a turbine (30) for recovering energy receiving the exhaust gas is disposed on the exhaust circuit (18) upstream of the turbocharger (13,19).
2. Système moteur selon la revendication 1, comportant un circuit (210, 211) de recirculation des gaz brûlés.  2. Engine system according to claim 1, comprising a circuit (210, 211) recirculation of flue gas.
3. Système moteur selon une des revendications 1 ou 2, dans lequel la turbine (30) de récupération d'énergie est disposée en amont du turbocompresseur (13, 19) et en aval du circuit (210) de recirculation des gaz brûlés.  3. Engine system according to one of claims 1 or 2, wherein the turbine (30) of energy recovery is disposed upstream of the turbocharger (13, 19) and downstream of the circuit (210) recirculation of flue gas.
4. Système moteur selon une des revendications 1 ou 2, dans lequel la turbine (30) de récupération d'énergie est disposée en amont du turbocompresseur (13, 19) et en amont du circuit (211) de recirculation des gaz brûlés.  4. The engine system according to one of claims 1 or 2, wherein the turbine (30) of energy recovery is disposed upstream of the turbocharger (13, 19) and upstream of the circuit (211) recirculation of flue gas.
5. Système moteur selon une des revendications 1 à 4, dans lequel le circuit de recirculation (21) comporte un refroidisseur (14) en aval de la turbine (30).  5. Engine system according to one of claims 1 to 4, wherein the recirculation circuit (21) comprises a cooler (14) downstream of the turbine (30).
6. Système moteur selon une des revendications 1 à 5, dans lequel la turbine (30) est accouplée à un générateur électrique (33).  6. Engine system according to one of claims 1 to 5, wherein the turbine (30) is coupled to an electric generator (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 thermique.  7. Engine system according to claim 6, wherein the energy delivered by the generator (33) is used at least in part to supply an electric motor (34) for assisting the crankshaft (40) of the engine.
8. Système moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la turbine (30) de récupération d'énergie est accouplée mécaniquement au vilebrequin (40) du moteur thermique (17).  8. Engine system according to any one of claims 1 to 7, wherein the turbine (30) energy recovery is mechanically coupled to the crankshaft (40) of the engine (17).
9. Système moteur selon une des revendications 1 à 8, dans lequel le moteur thermique (17) est un moteur diesel.  9. Engine system according to one of claims 1 to 8, wherein the engine (17) is a diesel engine.
10. Véhicule équipé d'un système moteur tel que défini selon une des revendications 1 à 9.  10. Vehicle equipped with a motor system as defined in one of claims 1 to 9.
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