Brevet FR3034138A1 — publié le 20160930

SYSTEME MOTEUR AVEC SYSTEME DE RECUPERATION D'ENERGIE La présente invention concerne les machines thermiques et plus particulièrement les moteurs à combustion interne comportant un système de récupération d'énergie. 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. 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 W02006/098866 et W02006/081265, propose l'intégration d'une turbine de récupération d'énergie en aval du turbocompresseur. 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. 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. Grâce à l'invention, une partie de l'énergie perdue dans les moteurs actuels peut être récupérée afin de réduire la consommation de carburant. 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. 3034138 2 Selon une variante de l'invention, le système moteur comporte un circuit de recirculation des gaz brulés. 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 5 brulés. 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 brulés. Un avantage de la récupération de puissance avant le circuit de recirculation 10 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. Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit de recirculation comporte un refroidisseur en aval de la turbine. 15 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. 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 20 préférence, la turbine est accouplée à un générateur électrique. L'énergie délivrée par ce générateur peut être utilisée par exemple au moins en partie pour alimenter un moteur électrique d'assistance au turbocompresseur. 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. 25 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. 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. 3034138 3 Selon un mode de réalisation de l'invention, la turbine de récupération d'énergie est accouplée mécaniquement au vilebrequin du moteur thermique. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur thermique est un moteur diesel. 5 L'invention concerne également un véhicule équipé d'un système moteur tel que défini selon l'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. 10 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: la figure 1 représente une architecture moteur avec une turbine de récupération d'énergie selon un premier mode de réalisation de l'invention, 15 la figure 2 représente une architecture moteur avec une turbine de récupération d'énergie, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la figure 3 représente une architecture moteur avec une turbine de récupération d'énergie, selon un troisième mode de réalisation de l'invention, les figures 4 à 6 sont différents exemples de systèmes de moteurs selon 20 l'invention, permettant d'exploiter l'énergie récupérée par la 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. 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 25 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 30 l'entraîner en rotation. 3034138 4 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. Conformément à l'invention, une turbine 30 de récupération d'énergie est 5 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. 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 10 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. En effet, La puissance extraite d'une turbine s'écrit : 1-Yamont i (P amont) Yamont Pmeca- turbine = nturbine X Q turbine X (T amont amont - cl) amont) X -1- P aval L'effet attendu de ces emplacements est de profiter d'une thermique élevée 15 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 : T amont turbo = T aval récup = T amont récup X i - ri turbine récup X i - ERrecupl-31)} 20 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. 25 3034138 5 ERturbo - 1 1-y 1 - ERturbo Y 1-y)1 - 7Î turbine récup X 1 - ERrecup Y 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. 5 A partir des taux de détente, il est possible de remonter aux puissances récupérées : - Architecture figure 2 d'écrite plus loin: Pmeca- recup = llturbine recup X [Qechappement - (1 - T XEGR)} X (Tamont - Cpamont) X1 1-y 1 - ERrecup Y } - Architecture figure 3 décrite plus loin: 10 1y} Pmeca- recup = 11 turbine recup X Q echappement X (l'amont - cPamont) X 1 - ERrecup Y 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 15 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 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 20 d'échappement 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. Selon un mode de réalisation de l'invention illustrée figure 2, la turbine 30 de 25 récupération d'énergie est disposée en amont de la turbine 19 du turbocompresseur et en aval du circuit 210 de recirculation des gaz brulés. Plus précisément, selon ce mode de 3034138 6 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. 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 5 turbocompresseur et en amont du circuit 211 de recirculation des gaz brulés. 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. Plus précisément, selon ce mode de réalisation de l'invention illustré figure 3, 10 la turbine 30 de récupération d'énergie est disposée avant la séparation entre l'échappement et le circuit 211 RGE. 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 brulés. Plus précisément, le conduit 15 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'entres 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, 20 indépendamment du fait que la portion concernée du conduit 18 soit en amont ou en aval d'un conduit de recirculation. 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 25 éléments de l'architecture moteur tels que le turbocompresseur par exemple. 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. 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 3034138 7 lui apporter une assistance mécanique. Ce moteur 34 est alimenté au moins en partie par l'électricité produite par le générateur 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 5 transmission 35 qui peut être de tout type, par exemple à courroie(s) et /ou engrenages. 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. 10 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 15 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 20 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. L'invention s'applique à un moteur de véhicule terrestre, par exemple 25 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. L'expression "comportant un" doit se comprendre comme étant synonyme de "comprenant au moins un". 3034138 8 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 5 modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications. REVENDICATIONS1. 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). 2. Système moteur selon la revendication 1, comportant un circuit (210, 211) de recirculation des gaz brulés. 3. Système moteur selon la revendication 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 brulés. 4. Système moteur selon la revendication 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 brulés. 5. Système moteur selon une des revendications 2 à 4, dans lequel le circuit de recirculation (210, 211) comporte un refroidisseur (14) en aval de la turbine (30). 6. Système moteur selon une des revendications 1 à 5, dans lequel la turbine (30) est accouplée à un générateur électrique (33). 7. Système moteur selon la revendication 6, dans lequel l'énergie délivrée par le générateur (33) est utilisée au moins en partie pour alimenter un moteur électrique (34) d'assistance au vilebrequin (40) du moteur thermique. 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). 9. Système moteur selon une des revendications 1 à 8, dans lequel le moteur thermique (17) est un moteur diesel. 10. Véhicule équipé d'un système moteur tel que défini selon une des revendications 1 à 9.30