FR3060664A1 - Ensemble de circulation de gaz d’echappement d’un moteur thermique - Google Patents
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Abstract
Un ensemble de circulation de gaz d'échappement d'un moteur thermique (1) comprend un circuit de recirculation (12) des gaz d'échappement configuré pour permettre le prélèvement d'au moins une partie des gaz d'échappement du moteur thermique pour les réinjecter dans le circuit d'admission (4) du moteur thermique. Le circuit de recirculation (12) comporte une turbine de récupération d'énergie (20) et le circuit de recirculation (12) débouche sur le circuit d'admission dans une portion d'étranglement (100) de celui-ci.
Description
© N° de publication : 3 060 664 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national : 16 63021 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE
COURBEVOIE
©) IntCI8 : F 02 M 26/10 (2017.01), F 02 M 26/19
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
| ©) Date de dépôt : 21.12.16. | ©) Demandeur(s) : VALEO SYSTEMES DE CONTROLE |
| (30) Priorité : | MOTEUR Société par actions simplifiée — FR. |
| ©) Inventeur(s) : COPPIN THOMAS. | |
| @) Date de mise à la disposition du public de la | |
| demande : 22.06.18 Bulletin 18/25. | |
| (56) Liste des documents cités dans le rapport de | |
| recherche préliminaire : Se reporter à la fin du | |
| présent fascicule | |
| (© Références à d’autres documents nationaux | ©) Titulaire(s) : VALEO SYSTEMES DE CONTROLE |
| apparentés : | MOTEUR Société par actions simplifiée. |
| ©) Demande(s) d’extension : | ©) Mandataire(s) : VALEO SYSTEMES DE CONTROLE |
| MOTEUR Société par actions simplifiée. |
(04) ENSEMBLE DE CIRCULATION DE GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR THERMIQUE.
FR 3 060 664 - A1 _ Un ensemble de circulation de gaz d'échappement d'un moteur thermique (1 ) comprend un circuit de recirculation (12) des gaz d'échappement configuré pour permettre le prélèvement d'au moins une partie des gaz d'échappement du moteur thermique pour les réinjecter dans le circuit d'admission (4) du moteur thermique.
Le circuit de recirculation (12) comporte une turbine de récupération d'énergie (20) et le circuit de recirculation (12) débouche sur le circuit d'admission dans une portion d'étranglement (100) de celui-ci.
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ENSEMBLE DE CIRCULATION DE GAZ D’ECHAPPEMENT D’UN MOTEUR
THERMIQUE
L’invention a trait au domaine des moteurs thermiques de véhicule automobile, et elle concerne plus particulièrement les moteurs équipés d’un circuit de recirculation des gaz d’échappement.
Un moteur thermique peut consister en un moteur atmosphérique dans lequel le mélange gazeux amené dans les cylindres du moteur est à la pression atmosphérique, ou en un moteur turbocompressé, dans lequel le mélange gazeux est comprimé pour augmenter la quantité de gaz admis dans les cylindres. Dans chacun de ces cas, le moteur est alimenté par un circuit d’admission d’air et rejette les gaz issus de la combustion dans un circuit d’échappement en sortie du moteur.
Les moteurs turbocompressés comportent un compresseur et une turbine, reliés par un arbre commun. La turbine, disposée en travers du circuit d’échappement de gaz d'échappement, est mise en rotation sous l’effet des gaz d’échappement la traversant, et ce mouvement est transmis au compresseur qui permet l’alimentation du moteur en gaz frais à une pression supérieure à la pression atmosphérique à laquelle est prélevé l’air dans un circuit d’admission.
Dans le cas d'un moteur thermique, des oxydes d'azote et des particules peuvent être rejetés dans les gaz d'échappement. Afin de réduire ces émissions, on sait mettre en place un circuit de recirculation des gaz d’échappement, connu également sous l’acronyme anglais EGR pour « Exhaust Gas Recirculation ». Le circuit EGR est piqué sur le circuit d’échappement pour diriger les gaz d'échappement vers l’admission du bloc moteur. Une vanne EGR est prévue pour moduler la quantité de gaz d'échappement recyclés dans le répartiteur d'admission.
Une telle recirculation des gaz d’échappement a pour effet d’une part de baisser la teneur en oxygène dans les gaz admis dans le moteur thermique, et d’autre part de diminuer la température des gaz lors de la combustion. Le fait de brûler à nouveau ces gaz recirculés a ainsi pour effet de les refroidir, étant entendu qu’à une température moins élevée, les gaz d'échappement émettent moins d'oxydes d'azote.
Par ailleurs, on connaît des circuits de recirculation des gaz d’échappement équipés d’une turbine, additionnelle en ce qu’elle est distincte de la turbine du turbocompresseur lorsque les circuits de recirculation sont appliqués sur des moteurs turbocompressés, configurée pour être mise en œuvre sous l’effet du passage de ces gaz d’échappement et pour permettre une production d’énergie utile pour assister le fonctionnement du véhicule, par exemple en soulageant l’alternateur dans la production d’électricité et/ou en apportant une assistance mécanique au moteur ou à des éléments de l’arcbitecture moteur tels que le turbocompresseur par exemple. Cette turbine additionnelle de récupération d’énergie peut à titre d’exemple être couplée mécaniquement à une machine électrique, apte à générer de l’énergie électrique. L’énergie électrique ainsi produite peut être redistribuée par ailleurs ou stockée dans un système de stockage d’énergie.
La présente invention s’inscrit dans ce contexte et elle vise à améliorer la récupération d’énergie au sein du circuit EGR en améliorant le fonctionnement de cette turbine additionnelle montée sur un circuit de recirculation des gaz d’échappement.
Un ensemble de circulation de gaz d’échappement d’un moteur thermique selon l’invention comporte un circuit de recirculation des gaz d’échappement configuré pour permettre le prélèvement d’au moins une partie des gaz d’échappement du moteur thermique pour les réinjecter dans le circuit d’admission du moteur thermique, et ce circuit de recirculation d’une part comporte une turbine de récupération d’énergie et d’autre part débouche sur le circuit d’admission dans une portion d’étranglement de celui-ci.
Ainsi, on introduit les gaz recirculés dans le circuit d’admission au niveau d’une zone de basse pression, ce qui permet d’augmenter la différence de pression entre la sortie et l’entrée du conduit de recirculation de ces gaz et ainsi d’augmenter le taux de détente aux bornes de la turbine additionnelle agencée sur ce conduit de recirculation et d’augmenter la puissance récupérée de la turbine additionnelle.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, prises seules ou en combinaison, on pourra prévoir que :
- le circuit de recirculation débouche dans la portion d’étranglement en définissant une première partie amont dont la section évolue en se réduisant depuis le circuit d’admission et une deuxième partie aval dont la section évolue en augmentant vers la partie du circuit d’admission reliée au répartiteur d’admission ; par une évolution de la section respective de la première partie amont et de la deuxième partie aval, on vise à protéger le fait que les variations de section sont progressives et sans paliers droits, afin d’éviter ou tout au moins limiter les pertes de charge ;
- une première section de passage du circuit d’admission en amont de la portion d’étranglement est égale ou sensiblement égale à une deuxième section de passage du circuit d’admission en aval de la portion d’étranglement ; on estime que les sections de passage sont égales ou sensiblement égales lorsqu’elles présentent un écart inférieur à 20% de la dimension de la plus grande des sections de passage ;
- le circuit de recirculation débouche dans le circuit d’admission au centre de la portion d’étranglement par rapport au sens de circulation des gaz d’admission dans le circuit d’admission ;
- la première portion amont présente une section de passage minimale au voisinage de la jonction avec le circuit de recirculation qui est inférieure à la section de passage minimale de la deuxième portion aval au voisinage de ladite jonction ;
- l’ensemble de circulation de gaz d’échappement comporte des moyens de réglage de la section de passage minimale d’au moins une partie parmi la première partie amont et la deuxième partie aval ;
- un circuit de dérivation est disposé en parallèle de la portion d’étranglement ;
- le circuit de dérivation est équipé d’une vanne de pilotage du flux passant à travers ce circuit de dérivation ;
- la turbine de récupération d’énergie est accouplée à une machine électrique.
L’invention concerne également un moteur thermique comportant un ensemble de circulation de gaz d’échappement tel que décrit précédemment, et notamment un moteur turbocompressé, le circuit de recirculation des gaz d’échappement étant un circuit haute pression, configuré pour permettre le prélèvement de gaz d’échappement en sortie du moteur thermique, en amont d’un turbocompresseur.
L’invention peut également concerner un moteur thermique comportant un ensemble de circulation de gaz d’échappement tel que décrit précédemment, et notamment un moteur turbocompressé, le circuit de recirculation des gaz d’échappement étant un circuit basse pression, configuré pour permettre le prélèvement de gaz d’échappement en sortie du moteur thermique, en aval d’un turbocompresseur.
L’invention peut également concerne un moteur thermique comportant un ensemble de circulation de gaz d’échappement tel que décrit précédemment, et notamment un moteur atmosphérique.
L’invention concerne en outre un véhicule automobile équipé d’un moteur thermique conforme à ce qui vient d’être décrit.
Par ailleurs, l’invention vise à protéger un procédé de mise en œuvre d’un ensemble de circulation de gaz d’échappement d’un moteur thermique, au cours duquel on fait passer au moins une partie des gaz d’échappement dans un circuit de recirculation, à travers une turbine de récupération d’énergie.
Selon une caractéristique du procédé, on commande la dimension d’au moins une partie de la portion d’étranglement dans laquelle débouche le circuit de recirculation en fonction de la quantité de gaz recirculés et/ou de gaz d’admission arrivant sur cette portion d’étranglement.
Selon d’autres caractéristiques, on peut également piloter la dimension de la portion d’étranglement en fonction d’informations sur l’état du système de récupération associé à la turbine présente sur le circuit de recirculation de gaz d’échappement, et on peut piloter un circuit de dérivation monté en parallèle de la portion d’étranglement pour autoriser un débit moteur maximal malgré la présence de la portion d’étranglement.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à l’aide de la description et des figures parmi lesquelles :
- la figure 1 est une représentation schématique d’une architecture d’un moteur turbocompressé équipé d’un ensemble de circulation des gaz selon un premier mode de réalisation, agencé dans un mode haute pression ;
- la figure 2 est une représentation d’un détail de l’ensemble de circulation de gaz de la figure 1, dans laquelle on a rendu visible une portion d’étranglement dans laquelle débouche le circuit de recirculation des gaz ;
- la figure 3 est une représentation, similaire à celle de la figure 2, d’un ensemble de circulation de gaz selon un deuxième mode de réalisation ;
- la figure 4 est une représentation, similaire à celle de la figure 2, d’un ensemble de circulation de gaz selon un troisième mode de réalisation ;
- la figure 5 est une représentation, similaire à celle de la figure 2, d’un ensemble de circulation de gaz selon un quatrième mode de réalisation ;
- la figure 6 est une représentation, similaire à celle de la figure 2, d’un ensemble de circulation de gaz selon un cinquième mode de réalisation ;
- la figure 7 est une représentation schématique d’une architecture d’un moteur 10 turbocompressé équipé d’un ensemble de circulation de gaz selon l’invention, agencé dans un mode basse pression ; et
- la figure 8 est une représentation schématique d’une architecture d’un moteur atmosphérique équipé d’un ensemble de circulation de gaz selon l’invention.
Dans la description qui va suivre, on utilisera les termes amont et aval, notamment 15 pour qualifier la position de tel ou tel élément du circuit de recirculation. Ces termes seront compris en fonction du sens de circulation des gaz dans le circuit correspondant. Ainsi, lorsqu’il sera précisé qu’un premier élément du circuit de recirculation est en amont d’un deuxième élément du circuit de recirculation, il s’agira de comprendre que les gaz circulant dans ce circuit de recirculation traversent le premier élément avant de traverser le deuxième élément.
Un moteur thermique 1 comprend un bloc-moteur 2 définissant des chambres de combustion pourvues de pistons qui entraînent en rotation un arbre de sortie. Les chambres de combustion du bloc-moteur 2 sont raccordées via un répartiteur d’admission 3 à un circuit d'admission 4 d'air frais, prélevé à l’extérieur du véhicule, et via un collecteur d’échappement
5 à un circuit d'échappement 6 des gaz brûlés lors de la combustion, ou gaz d’échappement.
Dans l’exemple illustré sur la figure 1, le moteur thermique 1 est un moteur turbocompressé dans lequel un turbocompresseur 110 est formé par la coopération d’un compresseur 8, disposé sur le circuit d'admission 4, et d’une turbine 10, placée sur le circuit d'échappement 6 de manière à récupérer une partie de l'énergie des gaz d'échappement et entraîner en rotation le compresseur 8. Notamment, le compresseur 8 et la turbine 10 peuvent être montés sur un arbre commun 810.
Le circuit d'admission 4 comprend ici, outre le compresseur 8, un filtre à air 7 placé en amont du compresseur 8 et un échangeur thermique 9 placé en aval de celui-ci et destiné à refroidir l'air d'alimentation des chambres de combustion du bloc moteur 2. On comprend que sans sortir du contexte de l’invention, on pourrait prévoir d’équiper le circuit d’admission de tout type de filtre et de tout type d’échangeur. Par ailleurs, le circuit d’admission 4 peut présenter, en aval du compresseur 8, un dispositif de régulation piloté pour contrôler l’apport d’air frais vers les chambres de combustion du bloc moteur 2.
Le circuit d'échappement 6 peut comprendre en aval de la turbine 10 un dispositif de traitement des polluants des gaz d'échappement 11 et qui peut notamment consister, à titre d’exemple, en un catalyseur ou un filtre à particules. Le circuit d’échappement peut comprendre également un dispositif de contre pression d’échappement ici non représenté.
Le moteur selon l’invention comprend en outre un circuit de recirculation 12 des gaz d'échappement, qui permet de réinjecter une partie des gaz d'échappement dans l’admission, en particulier vers le collecteur d’admission. Ceci participe au refroidissement de la combustion dans les cylindres et la réduction du taux d'oxygène, ce qui permet de réduire la quantité d'oxydes d'azote (NOx) dans les gaz d’échappement issus de la combustion dans le bloc moteur, les oxydes d’azote nocifs étant principalement développés à hautes températures et à fortes concentrations en oxygène. Le circuit de circulation est ainsi configuré pour permettre le prélèvement d’au moins une partie des gaz d’échappement du moteur thermique pour les réinjecter dans le circuit d’admission.
Le circuit de recirculation 12 est ici un circuit haute pression en ce qu’il est connecté, à une première extrémité 14, sur le circuit d'échappement 6 en amont de la turbine 10 et, à l’extrémité opposée 16, ou deuxième extrémité, au circuit d'admission 4 en aval du compresseur 8.
On va maintenant décrire plus en détails le circuit de recirculation 12 et les différents éléments qui le composent, et tout particulièrement leur agencement spécifique selon l’invention.
De la première extrémité 14 à la deuxième extrémité 16, les gaz recirculés depuis le circuit d’échappement 6 vers le circuit d’admission 4 rencontrent au moins une turbine de récupération d’énergie 20. Dans l’exemple illustré, les gaz recirculés sont amenés à passer à travers un dispositif d’échange thermique 22, sans que cela soit nécessaire à la mise en œuvre de l’invention.
La turbine de récupération d’énergie 20 est entraînée en rotation par le passage des gaz d’échappement circulant dans le circuit de recirculation 12, et cette rotation est mise à profit pour assister le fonctionnement du véhicule, par exemple en soulageant l’alternateur dans la production d’électricité et/ou en apportant une assistance mécanique au moteur ou à des éléments de l’architecture moteur tels que le turbocompresseur par exemple. La turbine de récupération d’énergie peut notamment être couplée mécaniquement à une machine électrique, apte à générer et/ou stocker l’énergie électrique ainsi produite pour la redistribuer par ailleurs. C’est selon les exemples détaillés ci-dessus que la turbine 20 est qualifiée de récupératrice d’énergie des gaz recirculés. On pourra également qualifier cette turbine 20 de turbine additionnelle en ce qu’elle est distincte de la turbine du turbocompresseur.
Le dispositif d’échange thermique 22 est disposé sur le circuit de recirculation 12, ici en aval, dans le sens de recirculation des gaz, de la turbine de récupération d’énergie 20, de manière à refroidir les gaz recirculés avant leur réinsertion dans le circuit d’admission 4.
Le dispositif d’échange thermique peut notamment consister en un échangeur de chaleur de type air-air ou de type air-eau, le choix étant fait notamment en fonction de contraintes d'encombrement, sans sortir du contexte de l’invention.
Une vanne de régulation 120, agencée sur le circuit de recirculation, permet de piloter le pourcentage de gaz d’échappement dans l’air admis dans la chambre de combustion du bloc moteur 2. Dans le contexte de l’invention, tout type de vanne peut être mis en œuvre. On comprend que la vanne de régulation est associée à un moyen de commande configuré pour piloter le passage de gaz recirculés en fonction des caractéristiques de fonctionnement du moteur souhaitées. Dans l’exemple illustré, et tel que cela est notamment visible sur la figure 2, on peut prévoir de disposer la vanne de régulation 120 directement en amont du point de raccordement, dénommé deuxième extrémité 16, du circuit de recirculation 12 avec le circuit d’admission 4, sans que cela soit toutefois restrictif.
Selon l’invention, le circuit de recirculation 12 débouche sur le circuit d’admission 4 dans une portion d’étranglement 100, c’est-à-dire une section du circuit d’admission réduite par rapport à des sections respectivement en amont et en aval de cette portion d’étranglement 100. Une telle portion d’étranglement est notamment visible sur la figure 2 et on comprend que dans cette zone de moindre section, le mélange gazeux présent dans le circuit d’admission accélère et il se produit une dépression ponctuelle, sur laquelle, avantageusement, le circuit de recirculation 12 débouche.
Tel que cela va être précisé ci-après, la dépression ainsi formée ponctuellement au point d’introduction du circuit de recirculation est supérieure à celle nécessaire pour créer un différentiel de pression pour la seule circulation des gaz d’échappement dans le circuit de recirculation. La dépression, c’est-à-dire la forme et les dimensions de la portion d’étranglement, est déterminée par le calcul afin d’augmenter de manière significative le rapport de pression entre les bornes de la turbine et de permettre l’augmentation du potentiel de récupération d’énergie.
On comprend que des vannes agencées sur le circuit d’admission et/ou sur le circuit d’échappement pourraient créer une dépression tout aussi importante, mais qui consisterait presque intégralement en des pertes de charge, ce qui générerait une augmentation du différentiel de pression entre l’échappement et l’admission du bloc moteur. Ce problème serait aussi présent si l’écoulement dans la portion d’étranglement devait être sonique ou supersonique, et la portion d’étranglement doit être définie à cet effet pour éviter de telles conditions d’écoulement.
On va donner dans les paragraphes suivants des éléments de calcul pour la détermination du dimensionnement approprié de la portion d’étranglement.
Le potentiel de récupération d’énergie de la turbine additionnelle peut être exprimée comme suit :
^îurb.ref P turb CP exh QeGR exh
1P exh . P adm , ι-y A 1 /
Avec
Pturb : Puissance mécanique récupérée à la turbine de récupération d’énergie Vturb : Rendement de la turbine de récupération d’énergie Cpexh : capacité calorifique à pression constante du gaz d’échappement Qegr · Débit massique des gaz recirculés
Γ A : Température des gaz d’échappement
Pexh : Pression des gaz d’échappement
Padm : Pression des gaz d’admission
Le rapport de pression échappement/admission est déterminé par les caractéristiques des lignes d’échappement et d’admission, du turbocompresseur et les choix de calibration.
L’introduction des gaz recirculés sur le circuit d’admission au niveau d’une portion d’étranglement 100 permet l’abaissement de pression en sortie du circuit de recirculation. En effet, le débit au col du venturi peut s’exprimer de la façon suivante (en négligeant l’énergie cinétique du fluide dans la section Al, supposée suffisamment grande) :
Où
Qcoi ~ CdScoi
HT f
max PRcr,^l P Al.
I) f(x)
2γ /-I λ z-i
1-x
PR r
\/-l /+lz
Avec :
Qcol
CdS col pcol pAl : Débit massique des gaz à ia zone de jonction dans la portion d’étranglement Section effective à la zone de jonction dans la portion d’étranglement : Pression à la zone de jonction dans la portion d’étranglement : Pression au niveau de la première section de passage Al
PRcr : Rapport de pression critique
7741 : Température des gaz au niveau de la première section de passage Al
P : Constante spécifique du gaz considéré
Et / : Indice adiabatique du gaz considéré
Il en résulte que la puissance récupérée par la turbine sur le circuit de recirculation des gaz d’échappement est alors accrue du fait de l’augmentation du rapport de pression, selon l’équation suivante :
^îurb dîurb exh QeGR exh
1P exh P adm . P adm P col ι-y A ) /
On saura définir les sections de passage dans la portion d’étranglement pour récupérer un maximum de puissance par la turbine.
En se référant de nouveau à la figure 2, il est notable que le circuit de recirculation 12 débouche dans la portion d’étranglement 100 en définissant une première partie amont 101 formant goulet d’étranglement et une deuxième partie aval 102 s’évasant en s’éloignant de cette portion d’étranglement. En d’autres termes, la première partie amont 101 présente une section qui évolue en se réduisant depuis le circuit d’admission 4 vers la portion d’étranglement et la deuxième partie aval 102 présente une section qui évolue inversement, en augmentant depuis la portion d’étranglement 100 vers le circuit d’admission 4.
On peut définir une première section de passage Al du circuit d’admission 4 avant que la dimension de ce circuit ne diminue en se rapprochant de la portion d’étranglement 100 et la zone de jonction avec le circuit de recirculation 12, ainsi qu’une deuxième section de passage A4 de ce même circuit d’admission 4 en aval de la portion d’étranglement, dans une zone où la dimension du circuit d’admission est redevenue constante. Il est notable que selon l’invention, la première section de passage Al est sensiblement égale à la deuxième section de passage A4. On évite ainsi des pertes de charge significatives à l’admission qui pourraient pénaliser le fonctionnement du moteur thermique.
La zone de jonction du circuit d’admission 4 et du circuit de recirculation 12 est telle que le circuit de recirculation débouche dans le circuit d’admission 4 au centre de la portion d’étranglement 100, c’est-à-dire de manière à former une partie aval et une partie amont entre la première section de passage Al et la deuxième section de passage A4 du circuit d’admission 4 qui soient de longueurs, dans le sens d’écoulement de l’air dans le circuit d’admission, sensiblement égales.
Par ailleurs, dans l’exemple illustré, le circuit de recirculation 12 débouche dans la portion d’étranglement 100 du circuit d’admission 4, à la périphérie de celui-ci, par un piquage sur la paroi délimitant le conduit du circuit d’admission. On pourra prévoir, dans une variante ici non représentée, que le circuit de recirculation traverse la paroi délimitant le conduit de circuit d’admission et se prolonge à l’intérieur du circuit d’admission pour déboucher sensiblement au niveau de l’axe définissant le conduit du circuit d’admission.
D’autres variantes pourraient être mises en œuvre, notamment en inclinant le circuit de recirculation dans la zone de jonction, afin d’injecter les gaz recirculés avec un angle OL, avantageusement compris entre 0 et 90°, par rapport à l’écoulement principal dans le circuit d’admission, et/ou en prévoyant plusieurs zones de jonction en périphérie du circuit d’admission.
Dans chacun de ces cas, il est notable que l’on injecte les gaz recirculés dans une zone de dépression, générée par la conformation de la portion d’étranglement 100 sur le circuit d’admission 4. La pression au niveau de la deuxième extrémité 16 du circuit de recirculation 12 est dès lors diminuée fortement par rapport à la pression au niveau de la première extrémité 14, et le différentiel de pression ainsi créé est favorable au fonctionnement de la turbine de récupération d’énergie 20 ménagée sur le circuit de recirculation.
Selon l’invention, on positionne ainsi une turbine de récupération d’énergie sur un circuit de recirculation aux bornes duquel on génère un différentiel de pression pour le fonctionnement optimal de cette turbine, le différentiel de pression étant mis en œuvre autrement que par une vanne de régulation qui générerait une perte de charge élevée.
Du fait de la configuration de la portion d’étranglement, on assure la création de ce différentiel de pression en conservant une pression équivalente entre la première section de passage Al et la deuxième section de passage A4 du circuit d’admission, ce qui permet de ne pas modifier le ratio de différence de pression entre l’admission et l’échappement moteur. On s’assure ainsi du fonctionnement optimal de la turbine de récupération d’énergie sans pénaliser le fonctionnement du moteur thermique. Selon l’invention, on ne vise pas à modifier le débit du mélange gazeux admis dans le bloc moteur et le débit des gaz recirculés, mais plutôt à augmenter le rapport de pression entre le piquage du circuit de recirculation sur le circuit d’admission et le piquage du circuit de recirculation à l’autre extrémité sur le circuit d’échappement.
Dans ce premier mode de réalisation, il convient de noter que la section de passage immédiatement en aval A3 de l’arrivée de gaz recirculés, c’est-à-dire la section de passage minimale au voisinage de la jonction avec le circuit de recirculation, est identique à la section de passage immédiatement en amont A2 de cette arrivée de gaz recirculés, c’est-à-dire la section de passage minimale au voisinage de cette jonction.
La dimension de ces sections de passage minimales doit être déterminée précisément par le calcul de manière à pouvoir s’adapter aux apports en gaz recirculés. Après l’injection de ces gaz, l’écoulement est dans ce cas accéléré et, en cas de section de passage immédiatement en aval A3 trop faible ou en cas de débit trop important de gaz recirculés, ce mode de réalisation présente le risque de générer des conditions d’écoulement soniques ou supersoniques.
Afin de s’assurer de ne pas entrer dans de telles caractéristiques de fonctionnement, on peut mettre en œuvre un deuxième mode de réalisation qui illustré sur la figure 3 et qui différé du mode de réalisation précédemment présenté en ce que la première portion amont 101 présente une section de passage minimale A2 au voisinage de la jonction avec le circuit de recirculation 12 qui est inférieure à la section de passage minimale A3 de la deuxième portion aval 102 au voisinage de ladite jonction. En d’autres termes, la section de passage immédiatement en aval de l’arrivée de gaz recirculés est plus grande que la section de passage immédiatement en amont de cette arrivée de gaz. L’augmentation de la section de passage en aval du raccordement est définie en fonction d’un taux moyen d’injection de gaz recirculés, de manière à ce que la pression en sortie de la portion d’étranglement soit très proche de celle qu’il y aurait dans le circuit d’admission en l’absence de portion d’étranglement.
Dans ce cas, on vise à ne pas proposer une section de passage immédiatement en aval A3 qui soit trop grande, ce qui pourrait entraîner, dans les cas où l’apport en gaz recirculés est minime, une perte de charge sur le circuit d’admission. Ce deuxième mode de réalisation permet notamment de tenir compte d’un haut débit moteur alors que le circuit de recirculation fonctionne à faible débit.
Un troisième mode de réalisation, illustré sur la figure 4, se distingue du deuxième mode de réalisation précédemment décrit en ce qu’il comporte en outre un circuit de dérivation 103 disposé en parallèle de la portion d’étranglement 100. De la sorte, on s’affranchit de l’amoindrissement de section de passage pour au moins une partie du mélange gazeux arrivant dans le circuit d’admission 4 en amont de la zone de jonction avec le circuit de recirculation 12.
Ce circuit de dérivation 103 est équipé d’une vanne régulatrice de débit 104, qui permet de piloter la quantité de mélange gazeux en provenance de l’admission autorisé à contourner la portion d’étranglement, afin de permettre un débit moteur maximum.
Dans ce troisième mode de réalisation, il est dès lors possible de dimensionner les sections de passage immédiatement en amont et en aval plus petites que dans le deuxième mode de réalisation et d’autoriser via la portion d’étranglement des débits maximaux plus faibles, puisqu’au-delà du débit maximal autorisé par la portion d’étranglement, la vanne associée au circuit de dérivation peut être partiellement ou complètement ouverte et permettre le passage du mélange gazeux. Un tel mode de réalisation présente l’avantage de dimensionner la portion d’étranglement sur des débits faibles et donc d’accroître le différentiel de pression entre l’entrée du circuit de recirculation des gaz et sa sortie au niveau de la portion d’étranglement sur le circuit d’admission. On comprend qu’il convient d’associer à la vanne régulatrice 104 un module de commande configuré pour piloter cette vanne en fonction du débit de gaz recirculés réinjectés dans le circuit d’admission et en fonction du besoin moteur en mélange gazeux frais.
Ce type de réalisation avec une portion d’étranglement à section variable est notamment intéressant dans le cas d’application à des circuits de recirculation à basse pression, tel qu’il va être décrit ci-après en référence à la figure 7. On peut en effet réduire la section de passage pour obtenir le différentiel de pression souhaité pour le fonctionnement de la turbine de récupération d’énergie et augmenter cette section pour passer le débit moteur maximum.
On va maintenant décrire, en se référant aux figures 5 et 6, deux modes de réalisation particuliers en ce qu’au moins une section de passage de la portion d’étranglement présente une dimension variable en fonction des conditions de fonctionnement de l’ensemble de circulation de gaz d’échappement. Dans ces deux modes de réalisation, on prévoit des moyens de réglage 50 de la section de passage minimale A2, A3 d’au moins une partie parmi la première partie amont 101 et la deuxième partie aval 102, c’est-à-dire d’au moins une partie immédiatement adjacente à la zone de jonction avec le circuit de recirculation 12. Plus particulièrement, les moyens de réglage 50 comportent un module de commande configuré pour définir une section de passage à viser en fonction de la section de passage initiale, de la quantité de gaz recirculés à réinjecter, de la quantité d’air frais à amener au répartiteur d’admission et du différentiel de pression maximum qui peut être généré pour faire fonctionner au mieux la turbine de récupération d’énergie. Il peut également être prévu de configurer les moyens de réglage afin qu’ils puissent recevoir des informations relatives au fonctionnement du système de récupération d’énergie, et notamment le fonctionnement de la turbine 20 et/ou l’état de la machine électrique associée et/ou l’état de charge du système de stockage associé.
Un quatrième mode de réalisation est ainsi illustré sur la figure 5 dans lequel les moyens de réglage 50 pilotent une variation simultanée de la section de passage minimale A2 de la première partie amont 101 et de la section de passage minimale A3 de la deuxième partie aval 102. Les moyens de réglage 50 permettent dans un premier cas de réduire la section de passage sur toute la portion d’étranglement lorsque les débits sont faibles, ce qui permet d’augmenter le rapport de pression aux bornes de la turbine de récupération d’énergie, et dans un deuxième cas d’augmenter cette section de passage lorsque les débits sont plus importants, afin d’éviter un écoulement sonique ou supersonique.
On a représenté schématiquement sur la figure 5 un moyen de réglage 50 équipé d’une tige de vérin 51 en appui sur une paroi périphérique du conduit délimitant la portion d’étranglement, et on comprend que dans ce cas d’exemple, le moyen de réglage est configuré pour générer un déplacement défini en avancée de la tige de vérin pour qu’elle pousse sur la paroi, afin de l’amener dans la position représentée en traits pointillés sur la figure, ou pour générer un déplacement défini en retrait de la tige de vérin pour qu’elle entraîne l’écartement de la paroi, afin de l’amener dans la position représentée en traits pleins sur la figure.
Le moyen de réglage 50 peut notamment être agencé au centre de la portion d’étranglement, au même titre que la deuxième extrémité 16 du circuit de recirculation 12, à l’opposé de celui-ci. De la sorte, une action sur la paroi définissant le conduit de la portion d’étranglement 100 impacte de façon symétrique la première partie amont 101 et la deuxième partie aval 102.
Comme ce qui a pu être présenté dans un précédent mode de réalisation, un circuit de dérivation 103 peut être mis en œuvre pour court-circuiter cette portion d’étranglement, afin de pallier d’éventuelles défaillances des moyens de réglage, ou de pallier les limitations dimensionnelles de la portion d’étranglement.
Un cinquième mode de réalisation est illustré sur la figure 6 dans lequel des moyens de réglage 50, 52 pilotent indépendamment une variation de la section de passage minimale A2 de la première partie amont 101 et une variation de la section de passage minimale A3 de la deuxième partie aval 102. Dans l’exemple illustré, on a prévu deux moyens de réglage parmi lesquels un moyen de réglage 50 est similaire à celui précédemment décrit dans le cadre de la description du quatrième mode de réalisation, et notamment positionné au centre de la portion d’étranglement 100, et un moyen de réglage additionnel 52 est disposé spécifiquement au voisinage de la deuxième extrémité du circuit de recirculation 16, en appui sur la deuxième partie aval 102.
De la sorte, la différence qui existait à l’origine entre les dimensions de ces deux sections de passage peut varier si le moyen de réglage additionnel 52 est activé. On peut ainsi adapter la zone de jonction à la quantité de gaz recirculés à réinjecter, en adaptant au mieux les différentes sections de passage de la portion d’étranglement 100 aux débits les traversant. On peut de la sorte maximiser l’accroissement du rapport de pression aux bornes de la turbine, tout en permettant une remontée en pression de l’écoulement entre la section de passage immédiatement en aval A3 de la deuxième portion 102 et la deuxième section de passage A4 du circuit d’admission, ce qui évite des pertes de charge pénalisantes pour le fonctionnement moteur.
Comme ce qui a pu être présenté dans un précédent mode de réalisation, un circuit de dérivation peut être mis en œuvre pour court-circuiter cette portion d’étranglement, afin de pallier d’éventuelles défaillances des moyens de réglage, ou de pallier les limitations dimensionnelles de la portion d’étranglement.
On aura compris à la lecture de ce qui précède que le raccordement d’un circuit de recirculation équipé d’une turbine de récupération est particulièrement avantageux lorsqu’il est réalisé dans une portion d’étranglement, afin de bénéficier d’une zone de dépression en sortie du circuit de recirculation pour optimiser les performances de la turbine de récupération d’énergie.
Cet avantage est tout autant obtenu dans le cas d’application illustré sur la figure 7, dans lequel la turbine de récupération d’énergie 20 est montée sur un circuit de recirculation basse pression, alors qu’il était décrit précédemment un circuit de recirculation haute pression. Le circuit de recirculation est dit basse pression dès lors que l’entrée du circuit sur le circuit d’échappement est réalisée en aval de la turbine du turbocompresseur, et la sortie du circuit sur le circuit d’admission est réalisée en amont du compresseur du turbocompresseur. Comme précédemment, le circuit de recirculation équipé d’une turbine de récupération d’énergie débouche sur le circuit d’admission au niveau d’une portion d’étranglement 100. On évite ainsi la présence de volet ou de vanne à l’admission en amont du piquage du circuit de recirculation et la présence d’un volet ou de vanne de contre-pression en aval du piquage du circuit de recirculation sur le circuit d’échappement.
Tel qu’illustré sur la figure 8, un circuit de recirculation équipé d’une turbine de récupération d’énergie 20 peut également être mis en place dans un moteur atmosphérique et connecté au circuit d’admission selon le principe de l’invention, c’est-à-dire au niveau d’une portion d’étranglement qui facilite le différentiel de pression nécessaire au bon fonctionnement de la turbine de récupération d’énergie.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l’homme du métier à l’ensemble de circulation de gaz d’échappement sans sortir du contexte de l’invention, étant entendu que l’invention ne saurait se limiter au mode de réalisation spécifiquement décrit dans ce document, et qu’elle s’étend en particulier à tous moyens équivalents et à toute combinaison techniquement opérante de ces moyens, dès lors qu’un circuit de recirculation de gaz présente simultanément une turbine de récupération d’énergie et un extrémité raccordée au circuit d’admission au niveau d’une portion d’étranglement formant un différentiel de pression adapté au bon fonctionnement de la turbine.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Ensemble de circulation de gaz d’échappement d’un moteur thermique (l) comprenant un circuit de recirculation (12) des gaz d’échappement configuré pour permettre le prélèvement d’au moins une partie des gaz d’échappement du moteur thermique pour les réinjecter dans le circuit d’admission (4) du moteur thermique, dans lequel le circuit de recirculation (12) comporte une turbine de récupération d’énergie (20), caractérisé en ce que le circuit de recirculation (12) débouche sur le circuit d’admission dans une portion d’étranglement (lOO) de celui-ci.
- 2. Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de recirculation (12) débouche dans la portion d’étranglement (lOO) en définissant une première partie amont (lOl) dont la section évolue en se réduisant depuis le circuit d’admission (4) et une deuxième partie aval (102) dont la section évolue en augmentant vers le circuit d’admission.
- 3. Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’une première section de passage (Al) du circuit d’admission (4) en amont de la portion d’étranglement (lOO) est égale ou sensiblement égale à une deuxième section de passage (A4) du circuit d’admission (4) en aval de la portion d’étranglement.
- 4. Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le circuit de recirculation (12) débouche dans le circuit d’admission (4) au centre de la portion d’étranglement (lOO), par rapport au sens de circulation des gaz d’admission dans le circuit d’admission.
- 5. Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la première portion amont (lOl) présente une section de passage minimale (A2) au voisinage de la jonction avec le circuit de recirculation (12) qui est inférieure ou égale à la section de passage minimale (A3) de la deuxième portion aval (102) au voisinage de ladite jonction.
- 6. Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens de réglage (50) de la section de passage minimale (A2, A3) d’au moins une partie parmi la première partie amont (lOl) et la deuxième partie aval (102).
- 7. Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un circuit de dérivation (lO3) est disposé en parallèle de la portion d’étranglement (lOO).
- 8. Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit de dérivation (103) est équipé d’une vanne (104) de pilotage du flux passant à travers ce circuit de dérivation.
- 9- Ensemble de circulation de gaz d’échappement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la turbine de récupération d’énergie (20) est accouplée à une machine électrique.
- 10. Moteur thermique comportant un ensemble de circulation de gaz d’échappement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est du type moteur turbocompressé, et en ce que le circuit de recirculation (12) des gaz d’échappement est un circuit haute pression, configuré pour permettre le prélèvement de gaz d’échappement en sortie du moteur thermique (l), en amont d’un turbocompresseur (110).
- 11. Moteur thermique comportant un ensemble de circulation de gaz d’échappement selon l’une des revendications 1 à 9» caractérisé en ce qu’il est du type moteur turbocompressé, et en ce que le circuit de recirculation (12) des gaz d’échappement est un circuit basse pression, configuré pour permettre le prélèvement de gaz d’échappement en sortie du moteur thermique (l), en aval d’un turbocompresseur (no).
- 12. Moteur thermique comportant un ensemble de circulation de gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il est du type atmosphérique.
- 13. Véhicule automobile équipé d'un moteur thermique conforme à l’une des revendications 10 à 12.
- 14· Procédé de mise en œuvre d’un ensemble de circulation de gaz d’échappement d’un moteur thermique selon l’une des revendications 1 à 9, au cours duquel on fait passer au moins une partie des gaz d’échappement dans un circuit de recirculation (12), à travers une turbine de récupération d’énergie (20).
- 15- Procédé selon la revendication précédente au cours duquel on commande la dimension d’au moins une partie de la portion d’étranglement (lOO) dans laquelle débouche le5 circuit de recirculation (12) en fonction de la quantité de gaz recirculés et/ou de gaz d’admission arrivant sur cette portion d’étranglement.1/3
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