Brevet FR3028561A1 — publié le 20160520

ARCHITECTURE DE MOTEUR THERMIQUE SURALIMENTE MUNIE D'UN DISPOSITIF DE STOCKAGE D'ENERGIE THERMIQUE [0001] La présente invention porte sur une architecture de moteur thermique munie d'un dispositif de stockage d'énergie thermique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les moteurs thermiques de véhicule automobile équipés d'un turbocompresseur pour leur suralimentation. [0002] Pour favoriser les économies d'énergie et minimiser les émissions de dioxyde de carbone et de particules polluantes, dans une perspective tant réglementaire que consumériste, on tend à réduire la cylindrée des moteurs tout en cherchant à conserver une puissance au moins identique à celle des moteurs de cylindrée plus élevée (principe dit de "downsizing" en anglais). [0003] Afin de compenser la perte de cylindrée, les moteurs à cylindrée réduite sont généralement suralimentés au moyen d'un turbocompresseur. En effet, dans une architecture classique 1 de moteur suralimenté illustrée par la figure 1, un turbocompresseur 2 comprend un compresseur 3 et une turbine 4. Le compresseur 3 permet de comprimer l'air d'admission afin d'optimiser le remplissage des cylindres du moteur 5. A cet effet, le compresseur 3 est disposé sur le conduit d'admission 8 en amont du moteur 5. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine 4 disposée sur le conduit d'échappement 9, laquelle entraîne alors en rotation le compresseur 3 par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement. [0004] Afin de maintenir la densité de l'air acquise en sortie du compresseur 3, on utilise un échangeur de chaleur 10 apte à refroidir l'air circulant dans le conduit d'admission 8. L'échangeur 10 est monté en aval du compresseur 3 et en amont du papillon d'arrivée des gaz 17 et d'une vanne d'admission 18. Cet échangeur de chaleur 10 est habituellement appelé Refroidisseur d'Air de Suralimentation (RAS), même s'il est possible qu'il n'y ait pas que de l'air qui y circule. En effet, dans certains cas, il peut y circuler un mélange air et de gaz d'échappement issus d'un système de recirculation des gaz d'échappement 11 (dit système "EGR" pour "Exhaust Gaz Recirculation" en anglais). Ce système EGR 11 comprend en l'occurrence un conduit 12 établissant une mise en communication du collecteur d'échappement 13 avec le conduit d'admission 8, ainsi qu'un refroidisseur 14 des gaz d'échappement monté sur le conduit 12. 3028561 2 [0005] Dans un fonctionnement normal du turbocompresseur 2, lorsque l'énergie transmise à la turbine 4 est suffisante, on régule le débit des gaz d'échappement G passant par la turbine 4 via une vanne de décharge 15. Cette vanne de décharge 15 permet de dévier une partie G' des gaz d'échappement dans un conduit de décharge 16 5 qui court-circuite la turbine 4. Ainsi, la turbine 4 est régulée en puissance (et donc en régime), mais l'énergie des gaz d'échappement G' passant par la vanne de décharge 15 est perdue. [0006] Par ailleurs, l'inconvénient de tels moteurs est qu'ils présentent un retard sur le temps de réponse en couple au cours d'une phase transitoire d'accélération. Ce retard est 10 dû à l'inertie du système de suralimentation. En effet, lorsque le conducteur souhaite obtenir du couple, il appuie sur la pédale d'accélérateur, ce qui a pour effet d'augmenter la quantité d'air entrant dans les cylindres, et par suite la quantité de gaz d'échappement. Ce débit de gaz d'échappement va, petit à petit, entraîner l'accélération de la turbine 4 afin d'augmenter le taux de compression du compresseur 3 et permettre d'obtenir plus d'air 15 entrant dans les cylindres, c'est-à-dire plus de couple. Il existe donc un décalage entre le moment où le conducteur appuie sur la pédale d'accélérateur et le moment où le turbocompresseur 2 se met en fonctionnement. [0007] Le document FR2906309 enseigne l'utilisation d'un accumulateur de gaz sous pression permettant d'augmenter l'admission d'air dans les phases où il n'y aurait pas 20 assez de gaz d'échappement pour entraîner la turbine. Toutefois, un tel accumulateur et son circuit dédié rebouclant avec la conduite d'admission sont relativement complexes à mettre en oeuvre. [0008] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant une architecture de moteur thermique suralimenté comportant: 25 - un turbocompresseur comprenant une turbine disposée sur un conduit d'échappement dudit moteur thermique, caractérisée en ce que ladite architecture comporte en outre un dispositif de stockage d'énergie thermique installé sur une boucle de stockage située en parallèle dudit conduit d'échappement, ledit dispositif de stockage d'énergie thermique étant adapté à fonctionner 30 de manière réversible pour emmagasiner une chaleur présente dans les gaz d'échappement lorsqu'une vitesse de rotation de ladite turbine approche d'une valeur de survitesse, et pour restituer cette chaleur au cours d'une phase d'accélération ultérieure. 3028561 3 [0009] L'invention permet ainsi d'utiliser l'énergie thermique des gaz chauds jusqu'alors perdue lors de l'ouverture de la vanne de décharge pour assurer une régulation thermique de la turbine. Lors de la restitution de la chaleur emmagasinée, l'invention permet d'améliorer les transitoires en augmentant la puissance transmise à la turbine alors que 5 les gaz d'échappement n'ont pas encore atteint leur température maximale. [0010] Selon une réalisation, ladite architecture comporte en outre une vanne de pilotage de ladite boucle de stockage. [0011] Selon une réalisation, ladite architecture comporte en outre une vanne de décharge permettant de dévier une partie des gaz d'échappement dans un conduit de 10 décharge court-circuitant ladite turbine. [0012] Selon une réalisation, une unité de contrôle est apte à commander ladite vanne de pilotage de ladite boucle de stockage ainsi que ladite vanne de décharge. [0013] Selon une réalisation, ladite unité de contrôle est configurée pour maintenir fermée ladite vanne de décharge et pour ouvrir ladite vanne de pilotage de ladite boucle 15 de stockage dès que la survitesse de ladite turbine est proche de manière que le flux de gaz d'échappement passe dans ledit dispositif de stockage d'énergie thermique. [0014] Selon une réalisation, ladite unité de contrôle est configurée pour ouvrir également ladite vanne de décharge lorsqu'une chute de température des gaz d'échappement en sortie dudit dispositif de stockage d'énergie thermique n'est plus 20 suffisante pour réguler une puissance transmise à ladite turbine. [0015] Selon une réalisation, ladite unité de contrôle est configurée pour ouvrir ladite vanne de pilotage de ladite boucle de stockage lorsque les gaz d'échappement n'ont pas encore atteint leur température maximale, de manière à autoriser les gaz d'échappement à capter l'énergie disponible dans ledit dispositif de stockage d'énergie thermique 25 pour augmenter une température de ces gaz d'échappement. [0016] Selon une réalisation, ladite architecture est dépourvue de vanne de décharge permettant de dévier une partie des gaz d'échappement dans un conduit de décharge court-circuitant ladite turbine. Dans ce cas, la régulation de puissance de la turbine est effectuée uniquement par le dispositif de stockage, ce qui permet d'optimiser le rendement 30 thermodynamique du cycle moteur. 3028561 4 [0017] Selon une réalisation, un système de réchauffage est intégré dans ledit dispositif de stockage d'énergie thermique. Un tel système permet, lors de conditions extérieures de températures basses, de réchauffer les gaz d'échappement afin d'optimiser la puissance transmise au compresseur, et donc les phases transitoires 5 d'accélération pour un moteur froid. [0018] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0019] La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'une architecture 10 de moteur thermique suralimenté selon l'état de la technique; [0020] La figure 2 est une représentation schématique d'une architecture de moteur thermique suralimenté selon la présente invention; [0021] La figure 3 est une représentation schématique illustrant le fonctionnement de l'architecture de la figure 2 lors d'un stockage de la chaleur par le dispositif de stockage 15 d'énergie thermique; [0022] La figure 4 est une représentation schématique illustrant le fonctionnement de l'architecture de la figure 2 lors de l'utilisation de la chaleur stockée pour le réchauffement des gaz d'échappement au cours d'une phase d'accélération. [0023] Sur les figures 2 à 4, les éléments identiques, similaires, ou analogues 20 conservent la même référence d'une figure à l'autre. Dans la description qui suit les termes relatifs de type "amont" et "aval" sont entendus par rapport au sens d'écoulement des gaz dans les conduits du moteur. [0024] La figure 2 montre une architecture 20 selon la présente invention comportant un moteur thermique 21 suralimenté par un turbocompresseur 22 comprenant un 25 compresseur 23 ainsi qu'une turbine 25. Le compresseur 23 est disposé en amont du moteur 21 sur le conduit d'admission 26 en relation avec un répartiteur d'admission 29 du moteur 21. La turbine 25 est disposée sur le conduit d'échappement 30 en relation avec le collecteur d'échappement 31. 3028561 5 [0025] L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine 25. La turbine 25 entraîne alors en rotation le compresseur 23 par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement, ce qui permet de comprimer l'air dans les cylindres du moteur 21. [0026] Un échangeur de chaleur 34 apte à refroidir l'air circulant dans le conduit 5 d'admission 26 est monté en aval du compresseur 23 et en amont d'un papillon d'arrivée des gaz 27 ainsi que d'une vanne d'admission 28. Ces éléments 27 et 28 permettent de réguler le flux d'air alimentant le moteur 21. [0027] L'échangeur de chaleur 34 est habituellement appelé Refroidisseur d'Air de Suralimentation (RAS), même s'il est possible qu'il n'y ait pas que de l'air qui y circule. En 10 effet, dans certains cas, il peut y circuler un mélange air et de gaz d'échappement issus d'un système de recirculation des gaz d'échappement 37 (dit système "EGR" pour "Exhaust Gaz Recirculation" en anglais). Ce système EGR 37 comprend en l'occurrence un conduit 38 établissant une mise en communication du collecteur d'échappement 31 avec le conduit d'admission 26 ainsi qu'un refroidisseur 39 des gaz 15 d'échappement monté sur le conduit 38. [0028] Par ailleurs, une vanne 41 dite de décharge permet de dévier une partie des gaz d'échappement dans un conduit de décharge 42 qui court-circuite la turbine 25. En outre, un dispositif de stockage d'énergie thermique 45 est installé sur une boucle 46, dite boucle de stockage, située en parallèle du conduit d'échappement 30 et en amont de la vanne de 20 décharge 41. A cet effet, la boucle de stockage 46 comporte deux piquages 47, 48 consécutifs sur le conduit d'échappement 30. Une vanne 49, dite de vanne de pilotage, est montée au niveau du piquage 47 situé le plus en amont de la boucle de stockage 46. [0029] Le dispositif de stockage d'énergie thermique 45 est adapté à fonctionner de manière réversible pour emmagasiner de la chaleur présente dans les gaz d'échappement 25 lorsque la vitesse de rotation de la turbine 25 approche d'une valeur de survitesse. Cette énergie thermique pourra être utilisée au cours d'une phase d'accélération ultérieure, comme cela est expliqué plus en détails ci-après. On précise ici que la survitesse de la turbine correspond à la vitesse de rotation de la turbine à partir de laquelle une pression cible des gaz à l'admission compressés par le compresseur est dépassée. 30 [0030] Par ailleurs, un bloc de dépollution 51 comportant par exemple un système de réduction catalytique sélective ainsi qu'un filtre à particules pourra être installé sur le conduit d'échappement 30. 3028561 6 [0031] Une unité de contrôle 53 assure une commande des différents éléments de l'architecture 20, et en particulier de la vanne de décharge 41 et de la vanne de pilotage 49 de la boucle de stockage 46. L'unité de contrôle 53 reçoit également notamment des signaux S1, S2 relatifs respectivement à la vitesse de rotation de la turbine 25 et à la 5 température des gaz d'échappement en amont et en aval du dispositif de stockage 45. [0032] On décrit ci-après en référence avec la figure 3, le fonctionnement de l'architecture 20 lors d'une phase de stockage de chaleur par le dispositif de stockage d'énergie thermique 45. Cette phase se produit par exemple sur un point de fonctionnement du moteur 21 à pleine charge correspondant à un régime de l'ordre de 10 4000 tours par minute. [0033] Dès que la survitesse de la turbine 25 est proche, l'unité de contrôle 53 maintient fermée la vanne de décharge 41 et commande l'ouverture de la vanne de pilotage 49 de la boucle de stockage 46, de manière que le flux des gaz d'échappement passe dans le dispositif de stockage énergétique 45. Ceci a pour effet de réguler la puissance transmise 15 à la turbine 25. En l'occurrence, le dispositif de stockage 45 emmagasine une partie de la chaleur des gaz d'échappement, en sorte que la température des gaz Gf en aval du dispositif de stockage 45 est inférieure à celle des gaz Gch en amont du dispositif de stockage 45. On diminue ainsi la puissance transmise dans la mesure où cette puissance est proportionnelle à la température des gaz traversant la turbine 25. L'énergie thermique 20 des gaz d'échappement pourra être utilisée dans la limite de la capacité du dispositif de stockage 45. [0034] Dès que l'unité de contrôle 53 détecte que la chute de température n'est plus suffisante pour réguler la puissance turbine 25, l'unité de contrôle 53 commence à réguler la puissance transmise à la turbine 25 en ouvrant la vanne de décharge 41 si nécessaire. 25 [0035] Au cours d'une phase de décélération, la vanne de pilotage 49 est fermée par l'unité de contrôle 53 afin de laisser passer les gaz d'échappement directement vers la turbine 25. [0036] Comme cela est représenté sur la figure 4, l'énergie emmagasinée dans la situation de vie précédente est utilisée pour améliorer les phases transitoires 30 d'accélération lorsque les gaz d'échappement n'ont pas encore atteint leur température maximale qui est par exemple de l'ordre de 950°C pour un moteur thermique 21 de type essence. 3028561 7 [0037] A cet effet, l'unité de contrôle 53 commande l'ouverture de la vanne de pilotage 49, de manière à autoriser les gaz d'échappement à capter l'énergie disponible dans le dispositif de stockage 45 pour augmenter leur température. La température des gaz Gch en aval du dispositif de stockage 45 est ainsi supérieure à celle des gaz Gf en amont du 5 dispositif de stockage 45. On augmente ainsi la puissance transmise à la turbine 25. [0038] Dans le cas où le dispositif de stockage de l'énergie thermique 45 présente une capacité calorifique suffisante, il est possible de supprimer la vanne de décharge 41 ainsi que le conduit de décharge 42 correspondant. La régulation de puissance de la turbine est alors effectuée uniquement par le dispositif de stockage, ce qui permet d'optimiser le 10 rendement thermodynamique du cycle moteur. [0039] Dans une variante de réalisation, un système de réchauffage additionnel 56 de type électrique est intégré dans le dispositif de stockage d'énergie thermique 45 (cf. figure 4). Un tel système permet, lors de conditions extérieures de températures basses, de réchauffer les gaz d'échappement lorsque leur température optimale n'est pas encore 15 atteinte. On optimise ainsi la puissance transmise au compresseur 23, et donc les phases transitoires d'accélération alors que le moteur est encore froid. REVENDICATIONS: 1. Architecture (20) de moteur thermique (21) suralimenté comportant: - un turbocompresseur (22) comprenant une turbine (25) disposée sur un conduit d'échappement (30) dudit moteur thermique (21), caractérisée en ce que ladite architecture (20) comporte en outre un dispositif de stockage d'énergie thermique (45) installé sur une boucle de stockage (46) située en parallèle dudit conduit d'échappement (30), ledit dispositif de stockage d'énergie thermique (45) étant adapté à fonctionner de manière réversible pour emmagasiner une chaleur présente dans les gaz d'échappement lorsqu'une vitesse de rotation de ladite turbine (25) approche d'une valeur de survitesse, et pour restituer cette chaleur au cours d'une phase d'accélération ultérieure. 2. Architecture selon la revendication 1, caractérisée en qu'elle comporte en outre une vanne de pilotage (49) de ladite boucle de stockage (46). 3. Architecture selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une vanne de décharge (41) permettant de dévier une partie des gaz d'échappement dans un conduit de décharge (42) court-circuitant ladite turbine (25). 4. Architecture selon les revendications 2 et 3, caractérisée en ce qu'une unité de contrôle (53) est apte à commander ladite vanne de pilotage (49) de ladite boucle de stockage (46) ainsi que ladite vanne de décharge (41). 5. Architecture selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite unité de contrôle (53) est configurée pour maintenir fermée ladite vanne de décharge (41) et pour ouvrir ladite vanne de pilotage (49) de ladite boucle de stockage (46) dès que la survitesse de ladite turbine (25) est proche de manière que le flux de gaz d'échappement passe dans ledit dispositif de stockage d'énergie thermique (45). 6. Architecture selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite unité de contrôle (53) est configurée pour ouvrir également ladite vanne de décharge (41) lorsqu'une chute de température des gaz d'échappement en sortie dudit dispositif de stockage d'énergie thermique (45) n'est plus suffisante pour réguler une puissance transmise à ladite turbine (25). 3028561 9 7. Architecture selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que ladite unité de contrôle (53) est configurée pour ouvrir ladite vanne de pilotage (49) de ladite boucle de stockage (46) lorsque les gaz d'échappement n'ont pas encore atteint leur température maximale, de manière à autoriser les gaz d'échappement à 5 capter l'énergie disponible dans ledit dispositif de stockage d'énergie thermique (45) pour augmenter une température de ces gaz d'échappement. 8. Architecture selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est dépourvue de vanne de décharge (41) permettant de dévier une partie des gaz d'échappement dans un conduit de décharge (42) court-circuitant ladite turbine (25). 10 9. Architecture selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'un système de réchauffage (56) est intégré dans ledit dispositif de stockage d'énergie thermique (45).