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FR2884555A1 - Dispositif de recuperation d'energie d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Dispositif de recuperation d'energie d'un moteur a combustion interne Download PDF

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FR2884555A1
FR2884555A1 FR0550945A FR0550945A FR2884555A1 FR 2884555 A1 FR2884555 A1 FR 2884555A1 FR 0550945 A FR0550945 A FR 0550945A FR 0550945 A FR0550945 A FR 0550945A FR 2884555 A1 FR2884555 A1 FR 2884555A1
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Jean Francois Robin
Lievre Armel Le
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PSA Automobiles SA
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Peugeot Citroen Automobiles SA
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Abstract

L'invention concerne un dispositif de récupération d'énergie d'un moteur à combustion interne au moyen d'un système à cycle thermodynamique de Rankine couplé à la ligne d'échappement (2) du moteur (1), caractérisé en ce que la ligne d'échappement (2) comprend un piège (3) à Nox, le système à cycle de Rankine comprenant une boucle (4) de fluide comprenant des moyens (13) de compression, des moyens (5, 7) évaporateurs situés en amont et/ou au niveau du piège (3) à Nox et aptes à être couplés thermiquement avec les gaz d'échappement, des moyens (6) de détente/récupération d'énergie et en ce qu'il comporte des moyens (12, 9) de régulation aptes à contrôler l'échange thermique entre les moyens (5, 7) évaporateurs et les gaz d'échappement.

Description

de Rankine comprenant une boucle de fluide comprenant des moyens de
compression, des moyens évaporateurs situés en amont et/ou au niveau du piège à Nox et aptes à être couplés thermiquement avec les gaz d'échappement, des moyens de
détente/récupération d'énergie et en ce qu'il comporte des moyens de régulation aptes à contrôler l'échange thermique entre les moyens évaporateurs et les gaz d'échappement.
Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: io - la ligne d'échappement comporte des moyens de dérivation sélectifs d'au moins une partie des gaz d'échappement, aptes à réguler la quantité de gaz d'échappements en échange thermique avec la boucle de fluide à cycle de Rankine, - le dispositif comporte des moyens de régulation du débit de fluide de la boucle destiné circuler dans les moyens évaporateurs, - la boucle comporte des moyens évaporateurs situés en aval du piège à Nox, - la ligne d'échappement comporte un ou plusieurs moyens de dépollution supplémentaires choisis parmi les moyens suivants: des moyens de catalyse, des moyens de précatalyse, des moyens formant filtre à particule, la boucle comporte des premiers et seconds moyens 25 évaporateurs situés en amont de moyens de dépollution supplémentaires, - les premiers et seconds moyens évaporateurs sont intégrés dans un unique échangeur de chaleur, la ligne d'échappement comprend des moyens de pré-30 catalyse disposés en amont d'une part du piège à Nox et, d'autre part des moyens évaporateurs, - le dispositif comprend des moyens de catalyse intégrés dans des moyens évaporateurs, - les moyens évaporateurs comportent un échangeur thermique apte à coupler thermiquement le fluide de la boucle et les gaz d'échappement, et en ce que les moyens de catalyse sont disposés sur des surfaces des moyens évaporateurs aptes d'une part à être en contact avec le flux des gaz d'échappement et d'autre part, à être couplée thermiquement directement ou indirectement avec le fluide de la boucle, le dispositif comprend des moyens formant piège à Nox intégrés dans des moyens évaporateurs, - les moyens évaporateurs comportent un échangeur thermique apte à coupler thermiquement le fluide de la boucle et les gaz d'échappement, et en ce que les moyens formant piège à Nox sont disposés sur des surfaces des moyens évaporateurs aptes d'une part à être en contact avec le flux des gaz d'échappement et d'autre part, à être couplée thermiquement directement ou indirectement avec le fluide de la boucle.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles: -la figure 1 représente une vue schématique d'un premier 25 exemple de réalisation du dispositif de récupération d'énergie d'un moteur à combustion interne selon l'invention, - les figures 2, 3, 5 et 6 représentent respectivement des vues schématiques et simplifiées de quatre autres modes de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 4 représente une vue schématique et en coupe d'un détail des figures 3, 5 et 6, illustrant la structure d'un échangeur évaporateur assurant une fonction de piège à Nox et/ou de catalyse selon l'invention.
L'invention va à présent être décrite en référence à l'exemple de réalisation de la figure 1. Une ligne d'échappement 2 comprenant un organe 3 de dépollution est raccordée au moteur 1 thermique. L'organe 3, 33 de dépollution comprend piège 3 à Nox et, éventuellement, un ou plusieurs organes 33, 133 de dépollution supplémentaires tels qu'un catalyseur ou un filtre à particule ou tout autre moyen équivalent ou combinaison de ces moyens.
Une boucle 4 de fluide à cycle thermodynamique de io Rankine est couplée thermiquement à la ligne 2 d'échappement. Le fluide de la boucle 4 est par exemple de l'eau. Dans la suite, on appelle couplage thermique ou échange de chaleur tout transfert de calories ou de frigories entre deux éléments, soit directement soit indirectement par l'intermédiaire d'un vecteur tel qu'un fluide.
La boucle 4 comprend classiquement une pompe 13 destinée à comprimer l'eau. L'eau se réchauffe et se vaporise ensuite dans un préchauffeur 5 lors d'un échange thermique avec les gaz d'échappement. Le préchauffeur 5 est constitué, par exemple, d'un premier échangeur de chaleur eau/gaz d'échappement. L'eau est également réchauffée et vaporisée dans un second échangeur 7 eau/gaz d'échappement encore appelé récupérateur ou surchauffeur. Dans ces deux échangeurs 5, 7, les gaz d'échappement cèdent des calories à l'eau. La vapeur d'eau obtenue subit ensuite une détente dans une turbine 6 fournissant ainsi un travail récupérable sur un arbre 16 rotatif. Cette énergie peut être utilisée directement pour entraîner mécaniquement un organe, ou être convertie en électricité dans un convertisseur 26 électrique.
La vapeur d'eau est ensuite ramenée à son état liquide initial dans un condenseur 8 qui la refroidit. Le condenseur 8 peut être constitué d'un échangeur de chaleur apte à coupler thermiquement l'eau de la boucle 4 avec de l'air ou tout autre fluide de refroidissement. La puissance thermique à dissiper dans le condenseur 8 peut le cas échéant être utilisée pour chauffer un habitacle ou un organe par exemple.
Le préchauffeur 5 et le récupérateur 7 sont disposés respectivement en aval et en amont de l'organe 3 de dépollution, les qualificatifs amont et aval faisant référence au sens d'écoulement des gaz d'échappement.
Avantageusement, des moyens 9 de régulation sont prévus pour contrôler l'échange thermique entre d'une part les préchauffeur 5 et récupérateur 7 et d'autre part les gaz d'échappement.
Par exemple, la ligne d'échappement 2 comprend deux io conduits distincts et une vanne 9 permettant de répartir le flux de gaz d'échappement entre les deux conduits 2. De préférence, les deux conduits 2 traversent l'organe 3 de dépollution. Un des deux conduits 2 est en échange thermique avec les échangeurs préchauffeur 5 et récupérateur 7, tandis que l'autre conduit 2 n'est pas en échange thermique avec ces derniers. Ainsi, le pilotage de la vanne 9 permet de doser la quantité de gaz d'échappement couplés thermiquement à la boucle 4 de Rankine.
Les moyens de régulation 9, 2 permettent ainsi de contrôler la température des gaz d'échappement qui entrent dans le piège 3 à Nox sans trop affecter le rendement thermodynamique de la boucle 4 de Rankine. Le surchauffeur 7 du cycle de Rankine est ainsi utilisé comme refroidisseur de piège 3 à NOx.
Cette architecture présente l'avantage supplémentaire de ne pas nécessiter un calibrage spécifique du contrôle moteur pour maintenir la température des gaz d'échappement inférieure à une température seuil (800 C par exemple). En effet, pour un moteur essence notamment, il peut être fréquent d'atteindre des températures supérieures à ce seuil, en particulier sur des points de fonctionnement à forte charge. Un tel calibrage selon l'art antérieur est pénalisant en terme de rendement et consommation (surconsommation) du moteur.
Par ailleurs, dans le cas où l'organe 3 de dépollution comprend un catalyseur 33, les moyens 9, 2 de régulation permettent de ne pas compromettre l'amorçage du catalyseur lorsque sa température est relativement basse. Le système de dérivation des gaz permet en effet de bypasser le surchauffeur 7 notamment pour ne pas dégrader la montée en température du catalyseur 133.
Cette architecture rend par ailleurs possible l'implantation d'un surchauffeur 7 au plus près du collecteur d'échappement io du moteur 1. Ceci permet de prévoir un échange thermique surchauffeur/gaz d'échappement à un endroit où les températures de gaz sont très élevées, ce qui confère un rendement élevé au cycle de Rankine.
De plus, les moyens de régulation 9, 2 permettent de dériver tout ou partie des gaz d'échappement lorsque le moteur 1 fonctionne en pleine charge et que la puissance thermique des gaz d'échappement est trop importante par rapport au dimensionnement du reste du système.
La position du surchauffeur 7 en amont du piège 3 à Nox est particulièrement avantageuse. En effet, le surchauffeur 7 peut assurer un refroidissement sélectif des gaz d'échappement avant leur entrée dans le piège 3 à Nox lorsque ces derniers présentent une température est trop importante. De cette façon, l'invention permet de garantir le respect de la fenêtre de températures de fonctionnement et d'efficacité du piège 3 à NOx, notamment lorsque le moteur 1 est du type à injection directe essence.
Ainsi, le dispositif selon l'invention présent une grande compacité, un rendement élevée tout en ayant une structure relativement simple qui s'adapte aux contraintes de fonctionnement des lignes d'échappement ayant des organes de dépollution complexes.
En variante, les moyens de régulation de l'échange thermique entre les moyens 5, 7 évaporateurs et les gaz d'échappement peuvent comporter (ou être constitués uniquement) de moyens de variation du débit de fluide de la boucle 4 admis à circuler dans les évaporateurs 5, 7. Par exemple, la pompe 13 de la boucle 4 ou une vanne peut assurer cette régulation en fonction notamment de la température des gaz d'échappement.
Les figures 2 à 6 illustrent d'autres variantes de réalisation de l'invention. Par soucis de simplification et de concision, dans ces figures, les éléments identiques à ceux io décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont pas décrits en détail une seconde fois. De plus, la boucle 4 à cycle de Rankine y est représentée de façon partielle et schématique. C'est-à-dire que seuls les échangeurs de chaleur couplés thermiquement aux gaz d'échappement (évaporateur 5 et/ou préchauffeur 7) sont représentés.
Le mode de réalisation de la figure 2 se distingue de celui de la figure 1 uniquement en ce que la ligne d'échappement 2 comporte un unique conduit qui est couplé thermiquement avec l'évaporateur 5 et le surchauffeur 7.
La régulation de l'échange thermique entre les moyens 5, 7 évaporateurs et les gaz d'échappement peut être réalisée par le contrôle du débit de fluide de la boucle 4 admis à circuler dans les évaporateurs 5, 7 (au moyen par exemple de la pompe 13 et/ou d'une vanne non représentée).
Dans le mode de réalisation de la figure 3, la boucle 4 comprend un seul échangeur de chaleur 5, 7 assurant les fonctions d'évaporateur 5 et de surchauffeur 7. L'échangeur de chaleur 5, 7 est disposé en aval d'un organe 11 de précatalyse facultatif et en amont d'un module 3 de dépollution comprenant un filtre 33 à particule et un piège 3 à Nox. Par ailleurs, la boucle 4 à cycle de Rankine comprend des moyens 12 de régulation du débit de fluide destiné à venir en échange thermique avec les gaz d'échappement dans l'échangeur 5, 7.
Par exemple, une vanne 12 pilotée permet de contrôler le débit d'eau qui circule dans l'évaporateur/surchauffeur 5, 7.
Par ailleurs, et de préférence, l'échangeur 5, 7 évaporateur/surchauffeur assure également une fonction de catalyse. Par exemple, et comme représenté à la figure 4, des moyens 133 de catalyse classiques sont disposés sur une des surfaces de l'échangeur 5, 7 aptes à être en contact avec le flux des gaz d'échappement. Par exemple, des composés catalytiques 133 sont déposés sur des surfaces d'ailettes 34 io de l'échangeur 5, 7. Les ailettes 34 sont quant à elles couplées thermiquement directement ou indirectement avec le fluide de la boucle 4 qui circule dans l'échangeur 5, 7. Par exemple, le fluide de la boucle de Rankine circule dans des passages 35 contigus aux ailettes 34.
Cette architecture, qui a une grande efficacité en terme d'échange thermique et de catalyse, a un encombrement particulièrement faible.
Le mode de réalisation de la figure 5 se distingue de celui des figures 3 et 4 uniquement en ce que les fonctions d'évaporation 5 et de surchauffe 7 sont assurées par deux échangeurs 5, 7 de chaleur distincts disposés respectivement en aval et en amont du module de dépollution comprenant le piège 3 à Nox et le filtre 33 à particule. Le surchauffeur 7 est quant à lui placé en aval des moyens 11 de précatalyse.
Comme précédemment, une vanne 12 pilotée peut être prévue pour contrôler le débit d'eau de la boucle 4 qui circule dans l'évaporateur 5 et/ou le surchauffeur 7. Comme précédemment, l'échangeur constituant le surchauffeur 7 peut également intégrer en son sein les moyens 133 de catalyse.
Le mode de réalisation de la figure 6 se distingue de celui des figures 3 et 4 uniquement en ce que le module 3 de dépollution comprend uniquement un filtre 33 à particule, les moyens 3 formant piège à Nox étant également intégrés dans l'échangeur 5, 7 évaporateur/surchauffeur. En effet, de la même façon que pour les moyens de catalyse, les moyens 3 formant piège à Nox peuvent être intégrés au sein de l'échangeur 5, 7.
Dans ce mode de réalisation, de préférence, les moyens 133 de catalyse sont disposés dans l'échangeur 7 en amont des moyens 3 formant piège à Nox. C'est-à-dire que les gaz d'échappement brûlés qui entrent dans l'échangeur 5, 7 sont d'abord en contact avec les moyens 133 de catalyse avant d'être en contact avec le piège 3 à Nox.
Par ailleurs, dans un autre mode de réalisation io envisageable, seuls les moyens 3 formant piège à Nox sont être intégrés au sein de l'échangeur 5, 7. C'est-à-dire que les moyens 133 de catalyse peuvent être situés dans un organe distinct de celui assurant à la fois l'échange de chaleur et le piège 3 à Nox.

Claims (13)

lo REVENDICATIONS
1. Dispositif de récupération d'énergie d'un moteur à combustion interne au moyen d'un système à cycle thermodynamique de Rankine couplé à la ligne d'échappement (2) du moteur (1), caractérisé en ce que la ligne d'échappement (2) comprend un piège (3) à Nox, le système à cycle de Rankine comprenant une boucle (4) de fluide comprenant des moyens (13) de compression, des moyens (5, 7) évaporateurs situés en amont et/ou au niveau du piège (3) à lo Nox et aptes à être couplés thermiquement avec les gaz d'échappement, des moyens (6) de détente/récupération d'énergie et en ce qu'il comporte des moyens (12, 9) de régulation aptes à contrôler l'échange thermique entre les moyens (5, 7) évaporateurs et les gaz d'échappement.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne (2) d'échappement comporte des moyens (9) de dérivation sélectifs d'au moins une partie des gaz d'échappement, aptes à réguler la quantité de gaz d'échappements en échange thermique avec la boucle (4) de fluide à cycle de Rankine.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (12, 13) de régulation du débit de fluide de la boucle (4) destiné circuler dans les moyens (5, 7) évaporateurs.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boucle (4) comporte des moyens (5) évaporateurs situés en aval du piège (3) à Nox.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne d'échappement comporte un ou plusieurs moyens (33, 133) de dépollution supplémentaires choisis parmi les moyens suivants: des moyens de catalyse, des moyens de précatalyse, des moyens formant filtre à particule. Il
6. Dispositif selon l'une la revendication 5, caractérisé en ce que la boucle (4) comporte des premiers (5) et seconds (7) moyens (5) évaporateurs situés en amont de moyens (33, 133) de dépollution supplémentaires.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les premiers (5) et seconds (7) moyens évaporateurs sont intégrés dans un unique échangeur de chaleur.
8. Dispositif l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne d'échappement (2) comprend to des moyens (11) de pré-catalyse disposés en amont d'une part du piège à Nox (3) et, d'autre part des moyens (5, 7) évaporateurs.
9. Dispositif l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (133) de catalyse intégrés dans des moyens (5, 7) évaporateurs.
10. Dispositif la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens (5, 7) évaporateurs comportent un échangeur thermique apte à coupler thermiquement le fluide de la boucle (4) et les gaz d'échappement, et en ce que les moyens (33) de catalyse sont disposés sur des surfaces des moyens (5, 7) évaporateurs aptes d'une part à être en contact avec le flux des gaz d'échappement et d'autre part, à être couplée thermiquement directement ou indirectement avec le fluide de la boucle (4).
11. Dispositif l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (3) formant piège à Nox intégrés dans des moyens (5, 7) évaporateurs.
12. Dispositif la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens (5, 7) évaporateurs comportent un échangeur thermique apte à coupler thermiquement le fluide de la boucle (4) et les gaz d'échappement, et en ce que les moyens (3) formant piège à Nox sont disposés sur des surfaces des moyens (5, 7) évaporateurs aptes d'une part à être en contact avec le flux des gaz d'échappement et d'autre part, à être couplée thermiquement directement ou indirectement avec le fluide de la boucle (4).
13. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de récupération d'énergie conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.
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