Brevet FR2298686A1 — publié le 19760820

La présente invention se rapporte aux moteurs à combustion interne et, notamment, aux moteurs à explosion. Elle a pour but essentiel de permettre la récupération de la chaleur perdue dans ces moteurs et, en particulier, ae la chaleur à faible potentiel thermique des gaz de combustion d'échappement pour la convertir en force motrice. les moteurs à combustion interne ayant un faible rendement thermodynamique, environ 43 % de énergie du com oustible consommé sont rejetés dans l'atmosphère par les gaz d'échappement. De~plus, 14 % de cette énergie est également perdue par le radiateur chargé du refroidissement interne des cylindres du moteur. En comptant aussi les pertes par les im brillés, soit 3 à 4 %, on arrive au total à 60 % de chaleur perdue qui peut & re en partie récupérée et convertie en force motrice La présente invention a donc pour objectif principal la conversion en force motrice de cette énergie thermique perdue. Â cet effet, selon l'invention, on ajoute au cycle thermodynamique du moteur à explosion un deuxième cycle binaire, dont le fluide primaire est condensable. Le fluide primaire du cycle travaille dans l'isotherme supérieur, et, de préférence, en vapeur swrchauffée à son point critique ou meme hypercritiaue, suivant le cycle de BENSSN. Sous l'action de la chaleur des gaz d'échappement du moteur à explosion, ce fluide peut donc se transformer en vapeur surchauffée à haute pression (30 à 40 Bars) et,par sa détente dans un moteur auxiliaire à vapeur, il peut produire de la force motrice. Le deuxième fluide du cycle binaire est avantageusement de l'air qui travaille dans l'isotherme inférieur pour reprendre la chaleur de condensation du fluide primaire et réinfecter une partie de cette chaleur dans le cycle. Grâce à ce nouveau cycle complexe, il est possible de récupérer plus de 50 % de l'énergie thermique perdue dans le moteur à combustion interne et de la transformer en force motrice. La finalité-de cette opération est de diminuer la consomnation spécifique du moteur et d'obtenir ainsi une importante économie de combustible. la description qui va suivre, en regard du dessin annexé, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien com prendre comblent l'invention peut etre réalisée, le. particularités qui ressortent tant du Qe- La figure est un schéma d'une installation motrice comportant un dispositil conforme à l'invention. Pour décrire plus en détail l'invention, on choisi son application à un moteur a explosion à pistons rotatifs du type WANKEL ou COMOTOR-CITROEN, mais l'invention peut être appliquée à tous types de moteurs à combustion interne. Dans exemple représenté sur le dessin, le moteur à explosion, à piston rotatif, à deux rotors 1 et 2, travaille en même temps dans les deux cycles thermodynamiques, à savoir : - le rotor 1 du moteur travaille normalement dans le cycle à explosion à quatre temps. I1 transforme donc l'énergie du combustible (essence) en force motrice. Les gaz d'échappement de ce rotor, à la température de 8000 C par exemple, sont admis alors dans un échangeur, dit surchauffeur 3, dans lequel se trouve une chambre de combustion 4, où ils finissent de briller. La surface d'échange du surchauffeur est constituée de préférence par une série de tubes à ailettes 5 de faible diamètre et les gaz de combustion circulent à travers ces a lettes.L'échangeur est placé dans une gaine métallique 6 à double paroi 7, entre lesquelles circule un courant d'air 8 qui fournit l'air secondaire nécessaire à la combustion des gaz dans la chambre 4. À la sortie du surchauffeur 3, se trouve un silencieux 9 servant à diluer les gaz avec nne partie de l'air de circulation, de manière à diminuer le niveau sonore produit par leur échappement dans l'atmosphère. - Le rotor 2 du moteur travaille dans le deuxième cycle à fluide primaire condensable. I1 reçoit la vapeur surchauffée à haute pression, de ce fluide, sortie des tubes 5 du surchauffeur 3. Cette vapeur, dont la température est par exemple de 350 à 4000 C et la pression de 34 Bars, se détend ensuite dans le rotor 2 et produit de la force motrice. Suivant la température des gaz d'échappement du moteur à explosion, le fluide primaire est de préférence un fluide organique stable aux températures envisagées. On peut utiliser soit des hydrocarbures saturés du type CnH2n + 2, tels que le propane, le butane ou le pentane, étant donné leur stabilité à haute surchauffe du fait de la saturation en hydrogène, soit -des fluides fluorocarbonés : 04F8, octofluorocyclobutane, tétrafluorodichloroéthane, C2B4C12, etc.. La vapeur détendue à basse pression, sortie du rotor 2 ,traverse un désurchauffeur 10 où elle cède une partie ae sa chaleur au circuit 11 dans lequel circule le meme fluide, mais à l'état liquide et à faible température. Ce désurchauffeu- une le -Sle d'un récupérateur de chaleur. La vapeur pénètre ensuite dans un condenseur 12 où sa chaleur de condensation est cédée au fluide secondaire, qui est ici ae l'air à basse pression circulant dans une conduite 13. À la sortie du condenseur, la vapeur est à l'état liquide, à faibles température et pression suivant la nature du fluide utilisé (t = 35 à 400 C et p = 1,5 Bars abs. par exemple). le fluide primaire liquide est admis ensuite dans un séparateur de condensats 14 d'où une pompe de circulation 15, entraînée par le moteur 1, 2, le reprend et le refoule à haute pression (p = 34 Bars) dans un éjecteur 16. En passant dans cet éjecteur, le liquide joue le rtle de fluide moteur et produit une certaine dépression dans le séparateur 14, auquel l'éjecteur est relié, et, par conséquent, dans le condenseur 12. Ensuite, le fluide sous pression traverse circuit ll du désurchauffeur où il récupère une partie de la chaleur de désurchauffe de la vapeur et pénètre finalement dans le sur chauffeur 3. Dans le surchauffeur, le fluide est préchauffé jusqu'à t = 3600 C, mais il reste à l'état liquide car sa pression est supérieure à la pression critique. Lorsqu'il se détend dans le rotor 2 du moteur, le liquide devient subitement vapeur surchauffée. le deuxième fluide du cycle binaire est de l'air fourni par un compresseur 17 à basse pression qui le refoule à la température ambiante dans le circuit 13 du condenseur. Ce compresseur, comme la pompe 15, est avantageusement entraSné par le moteur 1,2. La chaleur de condensation de la vapeur du premier fluide est transmise à cet air (en 13) pour élever sa température. L'air chaud est alors admis dans le surchauffeur 30 Une partie de cet air circule entre les deux parois du surchauffeur où il récupère encore une partie de la chaleur per due par les parois. Cet air est admis finalement dans la chambre de combustion 4 pour oxyder les imbrûlés des gaz d'échappement produits par le moteur à explosion.La chaleur totale ainsi récupérée dans le condenseur-surchauffeur, par combustion des imbrûlés, est donc réintroduite dans le cycle thermodynamique. Une autre partie de l'air chaud est admise dans le silencieux 9 pour etre mélangée avec les gaz de combustion. La chaleur de cet air est donc perdue définitivement par l'irréversibilité du cycle. Une troisième partie de cet air chaud peut & re utilisée par exemple pour le chauffage (conduite 18), par exemple quand le moteur est monté sur un véhicule. énéralement, le stator du moteur est refroidi par une circulation d'eau et les deux rotors sont refroidis également par une circulation d'huile qui, à son tour, est refroidie dans un échangeur par circulation d'eau, Cette chaleur de refroidissement interne du moteur peut également être en grande partie récupérée dans un échangeur 19, placé sur le circuit d'air 13 au passage dans le condenseur 12. Dans cet échangeur, une partie de la chaleur de refroidissement est récupérée et réintroduite également dans le cycle thermodynamique, par la mEme circulation d'air Grâce à ces cycles complexes, on peut ainsi récupérer environ 32 % de la chaleur totale perdue dans le moteur à ex explosion. Par ce dispositif de conversion, le rendement effectif du moteur à explosion à piston rotatif peut entre supérieur à = 40 %. La consommation spécifique du moteur peut titre ramenée, par exemple, à CS = 139 Gr/CVH ou 1459 Kcal/CVH. L'économie de combustible réalisée sur le moteur équipé de ce dispositif est d'environ 30 à 36 ió. I1 va d'ailleurs de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'il serait possible de le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de récupération de chaleur dans un moteur à co:lbustion interne, caractérisé en ce que lton ajoute au cycle thermodynamique du moteur un second cycle thermodynamique co-lportant un fluide condensable qui est chauffé par les gaz d'échappement du moteur et dont la détente est utilisée pour produire une force motrice. . Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce q.ue le fluide condensable est utilisé en vapeur surchauffée à son point critique ou au-delà, puis détendu dans un moteur à vapeur. 3. Dispositif permettant l'exécution du procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il conporte la combinaison, avec un moteur à combustion interne, dtun échangeur de chaleur dans lequel sont envoyés les gaz d'échappement dudit moteur et dans lequel est chauffé le fluide condensable, et d'un moteur à vapeur dans lequel ledit fluide est détendu. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moteur à vapeur et le moteur à combustion interne sont couplés entre eux. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne et le moteur à vapeur font partie d'un moteur à piston rotatif à plusieurs rotors, l'un au moins des rotors travaillant dans le cycle à combustion interne et servant de générateur de gaz de combustion à haute température, tandis que le ou les autres rotors travaillent dans le cycle à fluide condensable. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur fait partie d 'un sur chauffeur comportant une chambre de combustion dans laquelle se poursuit la combustion des gaz d'échappement avec apport d'air secondaire. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le second cycle thermody manique comporte, comme premier fluide, un fluide stable à la chaleur, tel qu'un hydrocarbure saturé du genre butane, propane ou pentane ou un fluide fluorocarboné comme 1'octofluoro- cyclobutane ourle tétrafluorodichloroéthane et, comme second fluide, de l'air atmosphérique. 6. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par des moyens pour récupérer dans le second cycle, une partie ae la chaleur provenant du refroidissement du moteur à combus tion interne et de la chaleur de condensation du premier flui- de. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le second cycle comporte un désurchauffeur dans lequel le premier fluide sortant du moteur à vapeur cède de la chaleur au premier fluide qui va entrer dans l'échangeur, un condenseur dans lequel le premier fluide cède de la chaleur au second fluide et un séparateur de condensats, le condenseur comportant en outre un échangeur de récupération de la chaleur perdue par refroidissement du moteur à combustion inter- ne. 10. Dispositif selon l'une quelconque des re-vendica- tions 6 à 9, caractérisé en ce que l'air envoyé au surchauf- feur est également utilisé pour obtenir un effet de silencieux, l'air réchauffé pouvant aussi, le cas échéant, être utilisé à d'autres fins, telles que le chauffage d'une voiture.