Brevet FR3056639A1 — publié le 20180330

PROCEDE DE RECUPERATION D'ENERGIE AVEC UN COMPRESSEUR ELECTRIQUE ET COMPRESSEUR ELECTRIQUE ASSOCIE La présente invention concerne le domaine des compresseurs électriques, et plus particulièrement un procédé de récupération d'énergie avec un compresseur électrique et le compresseur électrique associé. Dans le cadre de l'invention, un compresseur électrique est un dispositif, utilisé pour suralimenter un moteur à combustion essence, Diesel, gaz, éthanol, ou à pile à combustible, fonctionnant avec un moteur électrique. Plus précisément, le compresseur comporte une roue de compresseur entrainée par un moteur électrique. Le compresseur électrique est placé sur la ligne d'admission d'air d'un moteur à combustion. Le compresseur électrique joue le même rôle qu'un turbocompresseur, à savoir augmenter la pression d'admission des gaz dans le moteur. L'utilisation du compresseur électrique est envisagée pour différents besoins, allant de l'amélioration du temps de réponse global de la boucle d'air moteur à l'augmentation du couple maximal moteur voire de la puissance spécifique d'un moteur thermique, en passant par l'amélioration de la dépollution ou encore le réchauffement des gaz admis dans des conditions froides. Actuellement le compresseur électrique n'est pas utilisé pendant les phases de décélération du véhicule, dites phases de levé de pied, car ces phases ne nécessitent pas de suralimentation. Lors de la phase de levé de pied, la quantité de carburant injectée dans les cylindres (pour les moteurs Diesel et essence) et la position du boitier papillon (pour les moteurs essence) sont modifiées pour assurer la décélération du véhicule. Cependant, un des inconvénients dû à l'inertie du turbocompresseur, fait qu'il continue à comprimer l'air pendant un certain temps alors que cela n'est plus nécessaire. L'énergie prélevée dans les gaz d'échappement par la turbine pour comprimer l'air à l'admission est ainsi perdue. 3056639 2 La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé de récupération d'énergie des gaz d'admission avec un compresseur électrique et le compresseur électrique associé. Pour cela la présente invention propose un ensemble moteur comprenant au 5 moins - un conduit d'admission s'étendant entre une entrée d'air et un moteur thermique, - un moteur thermique, - un compresseur électrique disposé sur le conduit d'admission, 10 - un circuit de contournement du compresseur électrique, - une vanne de contournement du compresseur électrique disposée sur le circuit de contournement, le compresseur électrique comportant un dispositif de commande configuré pour récupérer de l'énergie pendant les phases de décélération du véhicule. 15 Ce dispositif de commande de récupération d'énergie permet de récupérer l'énergie de la compression des gaz d'admission sous forme d'énergie électrique pour alimenter le réseau de bord véhicule lors de la décélération du véhicule. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de commande est configuré pour réaliser une commande permettant la mise en place d'un couple négatif 20 par le moteur électrique du compresseur électrique. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de commande de récupération d'énergie par le compresseur électrique est configuré pour réaliser une commande permettant d'imposer une rotation en sens inverse d'une roue du compresseur électrique. 25 Selon un mode de réalisation de l'invention, la vanne de contournement est une vanne papillon, une vanne à volet, une vanne à soupape ou une vanne pneumatique pilotée par des moyens de pilotage intégrés à l'électronique du compresseur électrique 3056639 3 Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble moteur comporte un circuit de recirculation des gaz d'échappements. L'invention concerne également, l'utilisation de l'ensemble selon l'invention, dans un moteur à combustion interne pour véhicule automobile. 5 L'invention concerne également, un procédé de récupération d'énergie avec un compresseur électrique selon l'invention comportant les étapes de : - mise en fonctionnement du compresseur électrique, - décélération du véhicule et récupération en parallèle des gaz d'échappement. Selon un mode de réalisation de l'invention, la récupération est réalisée en 10 mettant en oeuvre le dispositif de récupération selon l'invention Selon un mode de réalisation de l'invention, l'étape de récupération d'énergie est faite par la mise en oeuvre du dispositif de récupération et comporte une commande permettant la mise en place d'un couple négatif par le moteur électrique du compresseur électrique 15 Selon un mode de réalisation de l'invention, l'étape de récupération d'énergie est par la mise en oeuvre du dispositif de récupération et comporte une commande permettant d'imposer une rotation en sens inverse d'une roue du compresseur électrique. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et 20 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 est une représentation schématique d'une architecture moteur avec un compresseur électrique selon l'invention, - la figure 2 est une représentation graphique des résultats montrant l'évolution 25 de la pression admission durant les phases de décélération avec et sans utilisation du compresseur pour récupérer l'énergie des gaz d'admission (courbe A : sans compresseur électrique, courbe B : avec compresseur électrique, courbe C : position de la pédale d'accélération), 3056639 4 - la figure 3 est une représentation graphique des résultats montrant l'énergie électrique cumulée récupérée par le compresseur électrique lors d'une phase de décélération. - la figure 4 est une représentation schématique d'un procédé selon l'invention. 5 La présente invention concerne un procédé permettant de récupérer de l'énergie, pendant les phases de décélération du véhicule, avec un compresseur électrique, et le compresseur associé. Dans le cadre de l'invention, on entend par compresseur électrique, un compresseur d'air, volumétrique ou non et par exemple centrifuge ou radial, entraîné par 10 un moteur électrique, dans le but de suralimenter un moteur thermique. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur asynchrone à courant continu ou alternatif. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur à reluctance variable (également appelée machine SRM pour Switched Reluctance Motor 15 selon la terminologie anglaise). Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur à aimant permanent. Dans le cadre de l'invention, on entend par vanne de contournement (également appelée vanne by-pass selon la terminologie anglaise), une vanne permettant de 20 contourner ou de ne pas contourner le compresseur électrique. Plus précisément, la vanne est disposée sur un conduit de contournement du compresseur électrique. Lorsque la vanne est ouverte, le fluide circule dans le conduit de contournement, et lorsque la vanne est fermée, le fluide circule via le compresseur électrique. La figure 1 illustre une architecture moteur intégrant un compresseur électrique 25 selon l'invention. Sur cette figure 1 est illustré un ensemble 1 moteur avec un conduit d'admission 4 du circuit d'admission, un moteur 2 thermique à combustion interne de véhicule automobile et un compresseur électrique 5. 3056639 5 Ce moteur 2 comporte, selon un mode de réalisation de l'invention, une chambre de combustion 3 comportant une pluralité de cylindres, au nombre par exemple de quatre sur les figures, destinée à recevoir un mélange de comburant et de carburant, et par exemple l'essence ou le Diesel comme carburant et de l'air pur ou un mélange air/gaz 5 de recirculation comme comburant. La combustion dans les cylindres génère le travail du moteur 2. Le fonctionnement du moteur 2 est classique : les gaz sont admis dans la chambre de combustion 3, y sont comprimés, brûlés puis expulsés sous forme de gaz d'échappement. Ce moteur 2 a une entrée 11 reliée au conduit d'admission 4 et une sortie 12 10 reliée à un circuit d'échappement de gaz 10. L'entrée 11 du conduit d'admission 4 définit l'entrée par laquelle l'air frais pénètre dans l'ensemble 1 tandis que la sortie 12 du circuit d'échappement 10 définit la sortie par laquelle les gaz d'échappement sont évacués de l'ensemble 1. Le conduit d'admission 4 débouche dans un collecteur d'admission 7 qui forme 15 ainsi une boîte d'entrée des gaz dans la chambre de combustion 3 du moteur 2. On entend par conduit d'admission 4 la canalisation d'admission pour les gaz d'admission, cette canalisation étant située entre l'entrée 11 d'air et le moteur 2. Selon un mode de réalisation de l'invention le conduit d'admission 4 comporte un compresseur mécanique 111 des gaz d'admission, qui est par exemple un 20 turbocompresseur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le conduit d'admission 4 comporte un échangeur de chaleur 6, permettant le refroidissement des gaz d'admission, et par exemple les gaz issus du compresseur mécanique 111. Cet échangeur de chaleur 6 également appelé "RAS" par l'homme du métier, qui signifie "refroidisseur d'air de 25 suralimentation", a pour fonction de refroidir les gaz d'admission. L'échangeur de chaleur 6 assure un échange thermique entre les gaz d'admission et le fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur 6. En sortie de l'échangeur de chaleur 6, les gaz sont à une température proche de celle du fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur 6. 3056639 6 Selon un mode de réalisation de l'invention, en amont du collecteur d'admission 7 des gaz dans le moteur 2, le conduit d'admission 4 comporte une vanne 8 comportant un obturateur de type papillon dont la fonction est par exemple de régler le débit de gaz pour la régulation du régime moteur. Cette vanne 8 est commandée par une unité de 5 commande moteur (également appelé ECU qui signifie Engine Control Unit selon la terminologie anglaise), bien connue de l'homme du métier, et permet de réguler la quantité d'air introduite dans le moteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, la vanne 8 papillon est en amont du compresseur électrique 5. 10 Selon un mode de réalisation de l'invention, la vanne 8 papillon est en aval du compresseur électrique 5. La sortie du moteur 2 est formée par un collecteur 9 des gaz d'échappement. Ce dernier est relié à une voie ou canalisation d'échappement des gaz faisant partie du circuit d'échappement de gaz. 15 Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit d'échappement 10 comporte une turbine 121, solidaire en rotation du compresseur mécanique 111 des gaz d'admission et formant avec lui un turbocompresseur. La turbine 121 est entraînée par les gaz d'échappement de la voie d'échappement. Selon un mode de réalisation, le flux traverse un système de dépollution et par exemple un catalyseur 122. 20 Comme illustré sur la figure 1, l'ensemble 1 moteur comporte un compresseur électrique 5. Ce compresseur 5 est entraîné par un moteur électrique 51. Le compresseur électrique 5 est disposé dans la boucle du conduit d'admission 4. Le compresseur 5 électrique comporte une roue entrainée en rotation par son moteur électrique via un arbre et des roulements. 25 Dans le cadre de l'invention le compresseur 5 électrique comporte un dispositif 15 de commande configuré pour récupérer de l'énergie pendant les phases de décélération du véhicule. 3056639 7 Ce dispositif 15 de commande de récupération d'énergie permet de récupérer l'énergie de la compression des gaz d'admission sous forme d'énergie électrique pour alimenter le réseau de bord véhicule lors de la décélération du véhicule. Plus précisément, durant les phases de décélération du véhicule, l'inertie du 5 turbocompresseur implique que les gaz d'admission sont toujours comprimés pendant un certain temps alors que ceci n'est pas nécessaire pour les besoins moteur. Pendant ce temps de décélération, l'utilisation du compresseur électrique pour la récupération d'énergie permet à la fois : de réduire la pression aval du compresseur électrique pour se rapprocher des 10 besoins réels moteur en terme de pression d'admission durant les phases de décélération, de récupérer une partie de l'énergie de compression des gaz fournie par le turbocompresseur sous forme d'énergie électrique pour alimenter le réseau de bord véhicule. 15 Selon un mode de réalisation, le dispositif 15 de commande est configuré pour réaliser une commande permettant la mise en place d'un couple négatif par le moteur électrique du compresseur. Plus précisément, via par exemple, le calculateur, une consigne de vitesse nulle est envoyée, consigne que l'électronique par exemple embarquée dans le compresseur 20 électrique retranscrit en consigne de couple négatif. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif 15 de commande de récupération d'énergie par le compresseur électrique est configuré pour réaliser une commande permettant d'imposer une rotation en sens inverse de la roue du compresseur électrique. On entend par rotation en sens inverse, une rotation dans le sens opposé à celui défini 25 pour comprimer les gaz. Plus précisément, via par exemple, le calculateur, une consigne de rotation en sens inverse est envoyée au compresseur, consigne que l'électronique par exemple embarquée dans le compresseur électrique retranscrit en consigne de rotation en sens inverse. 3056639 8 Dans une première variante de l'invention, le compresseur électrique 5 est disposé en amont de l'échangeur de chaleur 6, et les gaz issus de l'échangeur de chaleur 6 débouchent en amont de la vanne 8 papillon puis dans le collecteur d'admission 7. Selon une autre variante de l'invention, le compresseur électrique 5 est disposé en 5 amont du compresseur mécanique 111. Selon un mode de réalisation de cette variante, le compresseur électrique 5 est disposé en amont de la vanne 8 papillon, entre l'échangeur de chaleur 6 et la vanne 8 papillon. Selon une autre variante de l'invention, le compresseur électrique 5 est disposé en 10 aval de la vanne 8 papillon. Dans le cadre de l'invention, le compresseur électrique 5 est intégré dans un circuit de contournement 510 (également appelé circuit by-pass selon la terminologie anglaise) comportant un moyen de contournement 52. Le compresseur électrique peut ainsi être court-circuité par ce système de contournement. 15 Dans le cadre de l'invention, ce moyen de contournement 52 est par exemple une vanne papillon, une vanne à volet, une vanne à soupape, une vanne pneumatique ou tout autre type de vanne équivalente et compatible avec l'invention. Le circuit de dérivation 510 en association avec le moyen de contournement 52 permet en général aux gaz d'admission arrivant via le circuit d'admission 4 de circuler à 20 travers le compresseur électrique ou bien de le contourner, par la fermeture ou l'ouverture du moyen de contournement 52. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen de contournement 52 de type vanne est disposé sur un circuit de contournement 510, différent de celui du compresseur électrique 5 de façon à ce que lorsque la vanne 52 de dérivation est fermée 25 les gaz d'admission soient dirigés vers le conduit 511 où est disposé le compresseur électrique 5. 3056639 9 Ainsi en dehors des phases transitoires, ou de manière générale des phases ne nécessitant pas l'utilisation du compresseur électrique 5, les gaz d'admission circulent dans le conduit 510 et ne traversent pas le compresseur électrique 5. Selon un mode de réalisation de l'invention, le pilotage de la vanne 52 de 5 contournement est intégré dans le compresseur électrique 5. Plus précisément, le compresseur électrique 5 comporte au moins une partie de l'électronique de contrôle de la vanne de contournement 52. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble moteur comporte un circuit de recirculation des gaz d'échappements. Ce circuit comporte un échangeur de 10 chaleur pour les gaz recirculés et une vanne de recirculation, dont le fonctionnement n'est pas décrit ici car connu de l'homme du métier. Selon un mode de réalisation, le circuit de recirculation est disposé au niveau du conduit d'échappement et débouche en amont du compresseur électrique. Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit de recirculation débouche 15 en aval du compresseur électrique. Le fonctionnement d'un tel système selon l'invention est le suivant. Lors de son activation, le compresseur envoi une requête de fermeture à la vanne de contournement du compresseur. Lors d'une demande de désactivation du compresseur, le compresseur 5 envoie une requête d'ouverture de la vanne de contournement. On entend par activation du compresseur électrique, le fait que la 20 consigne de vitesse est non nulle ou supérieure à la vitesse de ralenti, et par désactivation, le fait que la consigne de vitesse est nulle ou de l'ordre de la vitesse de ralenti. Le fonctionnement d'un tel compresseur électrique selon l'invention est le suivant. Lors de son fonctionnement, le compresseur 5 électrique est piloté par le 25 calculateur de contrôle moteur, qui lorsque la décélération du véhicule est demandée, envoie une consigne au compresseur électrique. Selon un mode de réalisation de l'invention, la consigne est une commande permettant la mise en place d'un couple négatif par le moteur électrique du compresseur. 3056639 10 Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la consigne est une commande permettant d'imposer une rotation en sens inverse de la roue du compresseur électrique. On entend par rotation en sens inverse, une rotation dans le sens opposé à celui défini pour comprimer les gaz. 5 La mise en oeuvre du système de récupération d'énergie est réalisée par une commande effectuée au niveau du calculateur moteur et envoyée au compresseur. Le procédé (100) de récupération d'énergie selon l'invention avec un compresseur (5) électrique comporte ainsi les étapes de : mise en fonctionnement (101) du compresseur électrique, 10 décélération (102) du véhicule et récupération (103) en parallèle des gaz d'échappement. Selon un mode de réalisation, la récupération est réalisée en mettant en oeuvre le dispositif (15) de récupération. L'étape de récupération d'énergie et comporte une commande permettant la mise en place d'un couple négatif par le moteur électrique du 15 compresseur (5) électrique ou d'imposer une rotation en sens inverse d'une roue du compresseur électrique. Une étude de simulation effectuée sur moteur essence suralimenté à injection directe d'un cylindrée de 1.9L, dont les résultats sont illustrés figure 2, avec un compresseur électrique disposé en aval du turbocompresseur et muni d'une vanne active 20 de contournement du compresseur montre que durant une phase de décélération consécutive à une accélération (schéma d'utilisation courant d'un moteur thermique), le fait de récupérer l'énergie grâce au compresseur électrique durant cette phase permet de réduire plus rapidement la pression aval du compresseur électrique, que sans récupération d'énergie, pour se rapprocher des besoins de pression d'admission durant 25 les phases de décélération. En considérant un rendement moyen de 75% pour le moteur électrique du compresseur électrique en phase de récupération, sur chaque phase de décélération, entre 0.3kJ et 0.4kJ électrique sur le réseau de bord sont récupérés. 3056639 n En considérant 250W de consommateurs électriques présents sur le véhicule (ordre de grandeur des consommateurs sur cycle d'homologation), l'énergie électrique récupérée par le compresseur électrique durant les phases de décélération permet ainsi d'alimenter les consommateurs électriques en énergie récupérée, pour 5% à 20% du 5 temps de conduite. Le pourcentage varie selon le type de roulage. Ces résultats illustrent ainsi un meilleur ralentissement ou arrêt lors de l'utilisation de la décélération active. Ces résultats mettent également en évidence l'intérêt de l'intégration du pilotage de la vanne de contournement pour des aspects de protection du compresseur, par exemple vis-à-vis des zones de pompage et d'aspiration d'huile. 10 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 15 toutefois sortir de la portée définie par les revendications. REVENDICATIONS1. Ensemble (1) moteur comprenant au moins - un conduit d'admission (4) s'étendant entre une entrée (11) d'air et un moteur thermique (2), - un moteur thermique (2), sur le - un compresseur électrique (5) disposé sur le conduit d'admission, - un circuit de contournement (510) du compresseur électrique, - une vanne de contournement du compresseur électrique (5) disposée circuit de contournement (510), caractérisé en ce que le compresseur (5) électrique comporte un dispositif (15) de commande configuré pour récupérer de l'énergie pendant les phases de décélération du véhicule. 2. Ensemble (1) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif (15) de commande est configuré pour réaliser une commande permettant la mise en place d'un couple négatif par le moteur électrique du compresseur (5) électrique. 3. Ensemble (1) selon la revendication 2, dans lequel le dispositif (15) de commande de récupération d'énergie par le compresseur (5) électrique est configuré pour réaliser une commande permettant d'imposer une rotation en sens inverse d'une roue du compresseur électrique. 4. Ensemble (1) selon une des revendications 1 à 3, dans lequel la vanne de contournement (52) est une vanne papillon, une vanne à volet, une vanne à soupape ou une vanne pneumatique pilotée par des moyens de pilotage intégrés à l'électronique du compresseur électrique (5). 5. Ensemble (1) selon une des revendications 1 à 4, comportant un circuit de recirculation des gaz d'échappements. 3056639 13 6. Utilisation de l'ensemble (1) selon une des revendications 1 à 5, dans un moteur à combustion interne pour véhicule automobile. 7. Procédé (100) de récupération d'énergie avec un compresseur (5) électrique selon une des revendications 1 à 6 comportant les étapes de : 5 - mise en fonctionnement (101) du compresseur électrique, - décélération (102) du véhicule et récupération (103) en parallèle des gaz d'échappement. 8. Procédé (100) de récupération selon la revendication 7 dans lequel la récupération est réalisée en mettant en oeuvre le dispositif (15) de récupération selon les 10 revendications 1 à 6. 9. Procédé (100) de décélération active selon la revendication 7 dans lequel l'étape de récupération d'énergie est faite par la mise en oeuvre du dispositif (15) de récupération et comporte une commande permettant la mise en place d'un couple négatif par le moteur électrique du compresseur (5) électrique. 15 10. Procédé (100) de décélération active selon la revendication 7 dans lequel l'étape de récupération d'énergie est par la mise en oeuvre du dispositif (15) de récupération et comporte une commande permettant d'imposer une rotation en sens inverse d'une roue du compresseur électrique. 20