Brevet FR3053406A1 — publié le 20180105

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. lin moteur peut être équipé d'un turbocompresseur de suralimentation comprenant un compresseur et une turbine, reliés par un arbre commun. La turbine, disposée en travers d'un circuit d'échappement de gaz d'échappement issus du moteur après combustion, 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 air frais à une pression supérieure à la pression atmosphérique à laquelle est prélevé l'air dans un circuit d'admission. Le turbocompresseur a notamment pour but d'augmenter la quantité d'air admise dans les cylindres du moteur. lin échangeur de chaleur peut être placé entre le compresseur et un collecteur d'admission du moteur afin de refroidir l'air comprimé en sortie du compresseur. En effet, on comprend que lorsque l'air d'admission du moteur est comprimé, sa température s'élève. L'air chaud occupant un plus grand volume que l'air froid, on vise, afin de ne pas réduire l'effet souhaité du turbocompresseur, à refroidir la température de l'air amené à pénétrer le bloc moteur. Dans le cas d'un moteur à combustion, en particulier un moteur diesel, des oxydes d'azote et des particules sont rejetés dans les gaz d'échappement. Les normes de dépollution étant de plus en plus strictes, des dispositifs de traitement des gaz d'échappement sont placés dans la ligne d'échappement et peuvent comprendre un filtre à particules, un catalyseur et d'autres appareils permettant notamment d'oxyder les réducteurs présents à la sortie du moteur, tels les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone. Pour réduire encore les émissions d'oxyde d'azote, on sait mettre en place un circuit de recirculation des gaz d'échappement en sortie du bloc moteur, connu également sous l'acronyme anglais EGR pour « Exhaust Gas Recirculation Le circuit recircubtion des gaz d'échappement est piqué sur le circuit d'échappement et une vanne de régulation associée à ce circuit recirculation des gaz d'échappement est configurée pour diriger les gaz 3053406 2 d'échappement en sens inverse, depuis la sortie du bloc moteur vers l'admission de celui-ci. La vanne de régulation agencée sur le circuit de recirculation des gaz d'échappement permet de moduler la quantité de gaz d'échappement recyclés dans le collecteur d'admission. Une telle recirculation des gaz d'échappement a pour effet d'une part de baisser la 5 teneur en oxygène dans les gaz admis dans le moteur thermique, ce qui a pour effet de diminuer la vitesse de combustion, et d'autre part de diminuer la température des gaz lors de la combustion. Cela permet notamment de réduire les émissions d'oxydes d'azote. De façon similaire à ce qui a été décrit précédemment pour le refroidissement de l'air frais dans le circuit d'admission, et toujours en ayant pour but d'augmenter le rendement du 10 moteur, on peut prévoir que les gaz d'échappement recirculés soient refroidis avant leur mélange avec l'air frais dans le circuit d'admission. Le circuit de recirculation peut alors comprendre un échangeur de chaleur dénommé couramment sous l'acronyme anglais EGRC pour « Exhaust Gaz Recirculation Cooler ». Par ailleurs, on connaît des circuits de recirculation des gaz d'échappement équipés 15 d'une turbine, additionnelle en ce qu'elle est distincte de la turbine du turbocompresseur, configurée pour être mise en oeuvre 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'architecture moteur tels que le 20 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 proposer une 25 amélioration aux moteurs existants comprenant un circuit de recirculation des gaz d'échappement et une turbine de récupération d'énergie disposée sur ce circuit de recirculation, afin notamment de réaliser un compromis optimal entre la récupération d'énergie et la recirculation des gaz d'échappement. Un ensemble de circulation de gaz d'échappement d'un moteur thermique selon 30 l'invention comprend un circuit de recirculation des gaz d'échappement recevant les gaz d'échappement du moteur thermique, dans lequel le circuit de recirculation comporte une turbine de récupération d'énergie, couplée mécaniquement à une machine électrique. 3053406 3 La machine électrique est interposée mécaniquement entre la turbine de récupération d'énergie et un compresseur d'admission de manière à former un turbocompresseur à assistance électrique. tin tel ensemble de circulation peut notamment être implanté dans un moteur 5 thermique, le cas échéant à turbocompresseur, comprenant un circuit d'admission et un circuit d'échappement, le circuit de recirculation des gaz d'échappement s'étendant depuis le circuit d'échappement vers le circuit d'admission. Selon une caractéristique de l'invention, le compresseur d'admission est disposé sur un circuit d'admission du moteur thermique. 10 Selon d'autres caractéristiques de l'invention, prises seules ou en combinaison, on pourra prévoir que : - la machine électrique est couplée mécaniquement à la turbine de récupération d'énergie par l'intermédiaire d'un premier organe de transmission ; - le premier organe de transmission est mobile entre un état bloquant, dans lequel le 15 couplage mécanique de la machine électrique avec la turbine de récupération d'énergie est interrompu, et un état passant, dans lequel la machine électrique est couplée avec la turbine de récupération d'énergie ; - la machine électrique est couplée mécaniquement au compresseur d'admission par l'intermédiaire d'un deuxième organe de transmission ; 20 - le deuxième organe de transmission est mobile entre un état bloquant, dans lequel le couplage mécanique de la machine électrique avec le compresseur d'admission est interrompu, et un état passant, dans lequel la machine électrique est couplée avec le compresseur d'admission ; - la machine électrique est couplée à un système de stockage d'énergie ; 25 - le turbocompresseur à assistance électrique est piloté dans une configuration déterminée par l'intermédiaire d'un module de commande ; - le module de commande est configuré pour donner des instructions de commande aux premier et deuxième organes de transmission ; 3053406 4 - le circuit de recirculation comporte une vanne de régulation du passage des gaz d'échappement recirculés en aval de la turbine de récupération d'énergie. L'invention concerne également un moteur thermique comprenant un ensemble de circulation des gaz d'échappement tel qu'il vient d'être présenté, ce moteur pouvant 5 notamment être un moteur diesel et elle concerne en outre un véhicule automobile équipé d'un moteur thermique conforme à ce qui précède. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront plus clairement à l'aide de la description et des figures 1 à 3, parmi lesquelles : - la figure 1 est une illustration d'une architecture moteur selon un premier mode de 10 réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une illustration d'une architecture moteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 est une illustration d'une architecture moteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention. 15 Dans la description qui va suivre, on utilisera les termes amont et aval, notamment 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 20 dans ce circuit de recirculation traversent le premier élément avant de traverser le deuxième élément. On va maintenant décrire l'ensemble de circulation de gaz d'échappement selon un premier mode de réalisation, en se référant notamment à l'illustration de la figure 1. tin moteur thermique 1 comprend un bloc-moteur 2 définissant des chambres de 25 combustion 3 pourvues de pistons qui entraînent en rotation un arbre de sortie. Les chambres de combustion du bloc-moteur 2 sont raccordées à un circuit d'admission 4 d'air frais, prélevé à l'extérieur du véhicule, et à un circuit d'échappement 6 des gaz brulés lors de la combustion, ou gaz d'échappement. 3053406 5 Le moteur 1 comprend par exemple un turbocompresseur 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 du turbocompresseur. Notamment, 5 le compresseur 8 et la turbine 10 du turbocompresseur peuvent être montés sur un arbre commun, non représenté ici. Le circuit d'admission 4 peut comprendre, outre le compresseur 8 du turbocompresseur, un filtre à air et/ou un échangeur thermique, non représentés ici, destinés à refroidir l'air d'alimentation des chambres de combustion du bloc moteur 2. On comprend 10 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. Selon l'invention, le circuit d'admission 4 est équipé d'un compresseur d'admission 9, dont le fonctionnement sera décrit plus en détail ci-après. Dans l'exemple illustré, le compresseur d'admission 9 est disposé entre le compresseur 8 du turbocompresseur et 15 l'admission du bloc-moteur 2. Dans d'autres variantes de réalisation, le compresseur 8 du turbocompresseur peut être positionné en aval du compresseur d'admission 9. On comprend que dans des variantes de réalisation le compresseur d'admission 9, ici compresseur additionnel en ce qu'il complète l'action du compresseur 8 du turbocompresseur, pourrait être mis en oeuvre sans que l'air soit suralimenté par un turbocompresseur. 20 Le circuit d'échappement 6 peut comprendre en aval de la turbine 10 un dispositif de traitement des polluants des gaz d'échappement, non représenté ici 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 formé de deux éléments de régulation du flux des gaz d'échappement disposés de part et 25 d'autre du dispositif de traitement. 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 les chambres de combustion. Ceci participe au refroidissement de la combustion dans les cylindres et la réduction du taux d'oxygène, ce qui permet de réduire la 30 quantité d'oxydes d'azote (NOx) dans les gaz d'échappement par la combustion dans le bloc moteur, l'oxyde d'azote nocif étant principalement développé à hautes températures et à fortes pressions. 3053406 6 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. 5 Une vanne de régulation 17 est disposée au voisinage du point de raccordement, dénommé deuxième extrémité 16, du circuit de régulation 12 avec le circuit d'admission 4 et elle permet de piloter le pourcentage de gaz d'échappement dans l'air admis dans la chambre de combustion du bloc moteur 2. Dans l'exemple illustré, la vanne de régulation est une vanne trois voies permettant de 10 réguler la quantité de gaz d'échappement réinjectés et l'apport d'air frais vers les chambres de combustion du bloc moteur 2. On comprend que la vanne de régulation 17 est associée à un moyen de commande configuré pour piloter le passage d'air ou de gaz en fonction des caractéristiques de fonctionnement du moteur souhaitées. 15 Le circuit de recirculation 12 comporte par ailleurs au moins une turbine de récupération d'énergie 18. On comprendra que d'autres éléments pourraient être disposés sur le circuit de recirculation, comme un dispositif de gestion thermique, non représenté ici, et qui permettrait de piloter la température des gaz d'échappement arrivant, selon la position sur le circuit de 20 recirculation d'un tel dispositif de gestion thermique, dans la turbine de récupération d'énergie ou dans le collecteur d'admission du bloc thermique. Dans ce qui suit, on parlera de sens de recirculation des gaz d'échappement le sens allant de la première extrémité 14 reliant le circuit de recirculation au circuit d'échappement vers la deuxième extrémité 16 reliant le circuit de recirculation au circuit d'admission. 25 La turbine de récupération d'énergie 18 est entraîné 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. Dans le premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, la turbine de récupération d'énergie 18 est couplée mécaniquement à une machine électrique 20, apte à générer l'énergie 30 électrique. L'énergie électrique ainsi produite peut être redistribuée par ailleurs ou stockée dans un système de stockage d'énergie. La machine électrique 20 est interposée 3053406 7 mécaniquement entre la turbine de récupération d'énergie 18 et le compresseur d'admission 9 agencé à cet effet sur le circuit d'admission 4. tin premier arbre de transmission mécanique 21 est disposé entre la machine électrique 20 et la turbine de récupération d'énergie, et un deuxième arbre de transmission 5 mécanique 22 est disposé entre la machine électrique 20 et le compresseur d'admission 9. On comprend que le premier arbre 21 et le deuxième arbre 22 pourraient être considérés comme deux parties d'un même arbre traversant la machine électrique. La mise en rotation de la turbine de récupération d'énergie 18 génère l'entraînement en rotation direct du compresseur d'admission 9, cet entraînement en rotation pouvant soit générer de l'énergie électrique à 10 emmagasiner si la vitesse de rotation de la turbine de récupération d'énergie 18 est suffisante pour faire tourner correctement le compresseur d'admission, soit être assisté par la machine électrique si la vitesse de rotation à donner au compresseur d'admission 9 est trop importante. La machine électrique est par ailleurs reliée à un système de stockage d'énergie 24. 15 Dans ce contexte d'accouplement mécanique de la machine électrique 20 avec d'une part la turbine de récupération d'énergie 18 et d'autre part le compresseur d'admission 9, on peut notamment identifier un premier mode de fonctionnement, ou mode d'assistance à la compression de l'air frais admis, dans lequel la turbine de récupération d'énergie et la machine électrique sont mises à contribution pour faire tourner le compresseur d'admission à 20 la vitesse souhaitée. Si la turbine de récupération d'énergie ne tourne pas assez vite à cet effet, et notamment si le flux de gaz d'échappement dans le circuit de recirculation est insuffisant, la machine électrique 20 est actionnée, via l'énergie stockée dans le système de stockage 24, pour assister la turbine de récupération d'énergie et augmenter la vitesse de rotation des arbres. 25 tin module de commande 25 est configuré pour définir une instruction de commande de la machine électrique 20 en fonction d'information(s) d'entrée relative(s) au fonctionnement respectif du circuit de recirculation des gaz d'échappement, et de la turbine de récupération d'énergie associée, et du circuit d'admission, et du compresseur d'admission associé. 30 La machine électrique 20 interposée mécaniquement entre la turbine de récupération d'énergie 18 et le compresseur d'admission 9 forme ainsi un turbocompresseur à assistance électrique 26, pilotable par le module de commande 25. 3053406 8 D'autres modes de fonctionnement, qui permettent notamment de séparer le besoin en suralimentation, c'est-à-dire la rotation du compresseur d'admission sur le circuit d'admission, du besoin en recirculation de gaz, c'est-à-dire la quantité de gaz passant dans le circuit de recirculation et donc la vitesse de rotation de la turbine de récupération d'énergie 5 qui y est implantée. On pourra notamment mettre en oeuvre l'ensemble de circulation selon un deuxième mode de réalisation, illustré sur la figure 2, sur laquelle on a porté des références équivalentes à celles portées sur la figure 1 pour les éléments équivalents. L'ensemble de circulation de gaz d'échappement selon le deuxième mode de réalisation diffère de l'ensemble de circulation de gaz d'échappement selon le premier mode de 10 réalisation en ce que le turbocompresseur à assistance électrique comprend des organes de transmission de couple entre la machine électrique d'une part et la turbine de récupération d'énergie et/ou le compresseur d'admission d'autre part. Dans l'exemple illustré, le turbocompresseur à assistance électrique 26 comprend un premier organe de transmission 28 agencé sur le premier arbre de transmission mécanique 21 15 et un deuxième organe de transmission 30 agencé sur le deuxième arbre de transmission mécanique. Lorsque le premier organe de transmission est piloté pour être dans un état passant, c'est à dire un état de transmission de la puissance mécanique, la turbine est susceptible d'entraîner en rotation la machine électrique et de générer une production d'énergie. Lorsque le deuxième organe de transmission est piloté pour être dans un état 20 passant, c'est à dire un état de transmission de la puissance mécanique, la machine électrique est susceptible d'entraîner en rotation le compresseur d'admission pour comprimer l'air frais dans le circuit d'admission. On comprend que lorsque les organes de transmission sont pilotés pour être dans un état bloquant, aucune transmission mécanique n'est réalisée. Le module de commande 25 est dans ce deuxième mode de réalisation configuré pour 25 donner en outre instruction à chacun des organes de transmission associé aux arbres de transmission mécanique quant à leur état passant ou bloquant. On peut distinguer plusieurs modes de fonctionnement en fonction des états de chaque organe de transmission. Lorsque le premier organe de transmission 28 et le deuxième organe de transmission 30 30 sont tous deux dans un état passant, on peut retrouver le premier mode de fonctionnement, ou mode d'assistance à la compression de l'air frais admis, du premier mode de réalisation. Selon les vitesses de rotation mesurées et souhaitées, la turbine de récupération 3053406 9 d'énergie 18 peut entraîner le compresseur d'admission 9 et la machine électrique 20, ou bien cette machine électrique peut générer une assistance électrique au couple fourni par la turbine de récupération d'énergie pour entraîner à la vitesse souhaitée le compresseur d'admission. 5 Lorsque le premier organe de transmission 28 est dans un état passant tandis que le deuxième organe de transmission 30 est dans un état bloquant, la turbine de récupération d'énergie entraîne la machine électrique qui peut stocker l'énergie produite dans le système de stockage 24, sans qu'aucun mouvement ne soit transmis au compresseur d'admission. L'ensemble de circulation de gaz d'échappement est alors configuré dans un mode de 10 récupération d'énergie. Lorsque le premier organe de transmission 28 est dans un état bloquant tandis que le deuxième organe de transmission 30 est dans un état passant, la turbine de récupération d'énergie est traversée par les gaz d'échappement sans qu'il n'y ait un effet de récupération d'énergie, et de façon indépendante, la machine électrique peut puiser dans les réserves 15 d'énergie du système de stockage pour entraîner le compresseur d'admission 9. lin troisième mode de réalisation est illustré sur la figure 3, qui diffère des modes de réalisation précédents en ce que le turbocompresseur à assistance électrique comprend, en guide de machine électrique, un générateur 32 et un moteur électrique 34, découplés mécaniquement. Le générateur 32 est couplé mécaniquement à la turbine de récupération 20 d'énergie 18, le moteur 34 est couplé mécaniquement au compresseur d'admission 9, et le générateur et le moteur sont reliés seulement par une connexion électrique, notamment pour transmettre l'énergie stockée par le générateur vers le moteur électrique d'entraînement du compresseur d'admission 9. On aura compris à la lecture de ce qui précède que le couplage de la turbine de 25 récupération d'énergie de l'ensemble de recirculation des gaz d'échappement avec un compresseur d'admission agencé sur le circuit d'admission du moteur thermique permet d'utiliser l'énergie des gaz d'échappement recirculés pour comprimer l'air frais injecté vers l'admission du bloc moteur, et que l'interposition d'une machine électrique entre ces deux éléments participe à former un turbocompresseur à assistance électrique, qui permet par 30 exemple de faire tourner le compresseur d'admission à la vitesse souhaitée quelle que soit l'énergie récupérée des gaz d'échappement. Ceci peut notamment être appliqué aussi bien dans un moteur à suralimentation d'air, c'est-à-dire ayant déjà son propre turbocompresseur, 3053406 10 le compresseur d'admission venant en complément de l'action du compresseur du turbocompresseur, pour surdimensionner l'action de suralimentation, que dans un moteur thermique sans turbocompresseur. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier 5 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 aux modes de réalisation spécifiquement décrits 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'une machine électrique est interposée mécaniquement entre une turbine de récupération d'énergie disposée sur le circuit 10 de recirculation des gaz d'échappement et un compresseur d'admission disposé sur le circuit d'admission du moteur. REVENDICATIONS1. Ensemble de circulation de gaz d'échappement d'un moteur thermique comprenant un circuit de recirculation des gaz d'échappement (12) recevant les gaz d'échappement du moteur thermique, dans lequel le circuit de recirculation comporte une turbine de récupération d'énergie (18), couplée mécaniquement à une machine électrique (20), caractérisé en ce que la machine électrique est interposée mécaniquement entre la turbine de récupération d'énergie (18) et un compresseur d'admission (9) de manière à former un turbocompresseur à assistance électrique (26). 2. Ensemble de circulation de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur d'admission (9) est disposé sur un circuit d'admission (4) du moteur thermique. 3. Ensemble de circulation de gaz d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la machine électrique (20) est couplée mécaniquement à la turbine de récupération d'énergie (18) par l'intermédiaire d'un premier organe de transmission (28). 4. Ensemble de circulation de gaz d'échappement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier organe de transmission (28) est mobile entre un état bloquant, dans lequel le couplage mécanique de la machine électrique (20) avec la turbine de récupération d'énergie (18) est interrompu, et un état passant, dans lequel la machine électrique (20) est couplée avec la turbine de récupération d'énergie (18). 5. Ensemble de circulation de gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la machine électrique (20) est couplée mécaniquement au compresseur d'admission (9) par l'intermédiaire d'un deuxième organe de transmission (30). 6. Ensemble de circulation de gaz d'échappement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le deuxième organe de transmission (30) est mobile entre un état bloquant, dans lequel le couplage mécanique de la machine électrique (20) avec le compresseur d'admission (9) est interrompu, et un état passant, dans lequel la machine électrique (20) est couplée avec le compresseur d'admission (9). 3053406 12 7. Ensemble de circulation de gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la machine électrique (20) est couplée à un système de stockage d'énergie (24). 8. Ensemble de circulation de gaz d'échappement selon l'une des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que le turbocompresseur à assistance électrique (26) est piloté dans une configuration déterminée par l'intermédiaire d'un module de commande (25). 9. Ensemble de circulation de gaz d'échappement selon la revendication précédente, en combinaison avec les revendications 4 et 6, caractérisé en ce que le module de 10 commande (25) est configuré pour donner des instructions de commande aux premier et deuxième organes de transmission. 10. Ensemble de circulation de gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de recirculation (12) comporte une vanne de régulation (17) du passage des gaz d'échappement recirculés en aval de la turbine 15 de récupération d'énergie (18). 11. Moteur thermique comprenant un ensemble de circulation des gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes. 12. Véhicule automobile équipé d'un moteur thermique conforme à la revendication précédente. 20