Brevet FR2424411A1 — publié le 19791123

La présente invention concerne une installation de récupération d'énergie, pour véhicule, notamment automobile, équipé d'au moins un moteur à combustion interne. La production d'énergie mécanique par les moteurs à combustion interne,qui équipent les véhicules automobiles, s'accompagne toujours d'une production importante d'énergie thermique. Dans le cas d'un moteur diesel, on sait que l'énergie disponible sur l'arbre de sortie du moteur, pour assurer l'entrainement d'un véhicule, représente 35% environ de l'énergie consommée, c'est-à-dire de l'énergie libérée par le carburant consommé, alors que l'énergie thermique développée simultanément et devant être évacuée par un circuit de refroidissement principal, pour éviter un échauffement trop important des composants mécaniques, préjudiciable au bon fonctionnement du moteur, atteint environ 33% de cette énergie consommée,que l'énergie thermique dissipée par les gaz d'échappement est d'environ 26%, et que le solde de 6% est constitué par l'énergie dissipée au niveau des paliers et dans un circuit de refroidissement de l'huile de lubrification du moteur. Pour assurer ltévacuation de énergie thermique parasite, le circuit de refroidissement principal est, dans la grande majorité des cas, constitué d'un circuit d'eau, bouclé sur le moteur, et comprenant un radiateur, associé à un ventilateur, pour assurer le refroidissement de l'eau qui s'est réchauffée à son passage dans le moteur, ainsi qu'unie pompe de circulation, assuré rant le retour de l'eau au moteur. De plus, il est parfois prévu, sur le circuit de filtrage de l'huile de lubrification du moteur, un radiateur pour assurer le refroidissement de cette huile. Bien entendu, la puissance nécessaire à l'entrainement du ventilateur et de la pompe du circuit de refroidissement principal, ainsi que. d'un générateur de courant électrique, tel qu'une dynamo ou un alternateur, comme cela est toujours prévu sur un véhicule, et, éventuellement, d'une pompe hydraulique équipant un circuit hydraulique destiné à procurer une assistance du freinage et/ou de la direction du véhicule, est prélevée sur la puissance disponible sur l'arbre de sortie du moteur. De même, en ce qui concerne la puissance nécessaire à l'entrainement d'un compresseur à air, si le moteur à combustion interne est, par exemple, un moteur diesel alimenté en air comprimé. Dans ce dernier cas, d'ailleurs, il faut noter qu'un échangeur ou radiateur supplémentaire peut être prévu pour assurer un refroidissement convenable de l'air comprimé d'alimentation du moteur diesel. Au total, la puissance prélevée sur la puissance nominale du moteur, pour I'entrainement d'équipements indispensables au bon fonctionnement du véhicule et de son moteur, atteint environ 10% de cette puissance nominale, la puissance utile à l'entraînement du véhicule étant diminuée d'autant. Le problème que l'on se propose de résoudre par la présente invention est de récupérer de l'énergie contenue dans les rejets thermiques, tant au niveau des gaz d'échappement qu'au niveau du circuit de refroidissement principal, et, éventuellement, au niveau des circuits de refroidissement de l'huile de lubrification et de l'air comprimé d'alimentation, pour substituer , en totalité ou en partie, cette énergie récupérée, a' celle prélevée traditionnellement sur l'arbre de sortie du moteur pour l'entrainement d'équipements assurant un bon fonctionnement du véhicule et de son moteur, tels que générateur électrique, pompe, ventilateur, compresseur, etc. A cet effet, l'installation de récupération selon la présente invention se caractérise en ce que le fluide de refroidissement du circuit de refroidissement principal est un fluide moteur d'un circuit de récupération d'énergie bouclé sur le moteur et comprenant successivement, à partir de la sortie de fluide du moteur, un premier échangeur, traversé par les gaz d'échappement du moteur, et dans lequel ces derniers surchauffent le fluide sortant du moteur à l'état de vapeur, un moteur à basse température, comprenant au moins une turbine entrainée par le fluide, un condenseur constitué par le radiateur associé au ventilateur, ainsi que la pompe assurant le retour du fluide au moteur, l'entraînement d'organes récepteurs, comprenant notamment le ventilateur, la pompe et un générateur de courant électrique, étant assuré par transmission de l'éner- gie mécanique récupérée sur l'arbre de la turbine. Pour assurer une bonne continuité de fonctionnement du moteur, le circuit de récupération d'énergie comprend un second échangeur, traversé par les gaz d'échappement du moteur sortant du premier échangeur, et dans lequel ces derniers préchauffent le fluide refroidi provenant du condenseur avant son retour au moteur. Dans une forme de réalisation présentant un faible encombrement, le premier échangeur et le second échangeur constituent respectivement le premier et le second étage d'un échangeur principal disposé autour d'un collecteur des gaz d'échappement. Si un circuit de refroidissement de l'huile de lubrification du moteur s'avère utile, il est avantageux que le circuit de récupération comprenne un premier échangeur supplémentaire, constitué sous la forme d'un radiateur à huile, traversé par de l'huile de lubrification du moteur, et dans lequel cette huile préchauffe le fluide provenant du condenseur. De plus, si le moteur est un moteur diesel alimenté en air comprimé par un compresseur, le circuit de récupération peut également comprendre un second échangeur supplémentaire, dans lequel l'air comprimé provenant du compresseur se refroidit en préchauffant le fluide provenant du condenseur. Dans ce cas, l'entraînement du compresseur peut aussi être assuré par l'énergie récupérée sur l'arbre de la turbine. Si le véhicule est équipé d'un circuit hydraulique d'assistance du freinage et/ou de la direction, l'énergie récupérée sur l'arbre de la turbine peut, en outre, assurer l'entraînement d'une pompe hydraulique de ce circuit hydraulique d'assistance. Enfin, l'entraînement des organes récepteurs peut s'effectuer, soit mécaniquement, au moyen de poulies d'entraînement reliées par courroies a' des poulies entraînées en rotation par l'arbre de la turbine, soit hydrauliquement, au moyen de moteurs hydrauliques directement alimentés par une pompe hydraulique associée à la turbine au sein du moteur à basse température, soit électriquement, au moyen de moteurs électriques directement alimentés par un générateur électrique, associé à la turbine au sein du moteur à basse température, soit encore au moyen d'une combinaison de ces différentes possibilités. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple particulier de réalisation, qui sera à présent décrit, à titre non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles - la figure 1 représente un schéma d'une installation de récupération d'énergie pour un véhicule équipé d'un moteur diesel, l'énergie récupérée étant mécaniquement transmise à divers organes récepteurs, - les figures 2 et 3 représentent des variantes de l'installation selon la figure 1, dans lesquelles l'entraînement des divers organes récepteurs est assuré respectivement au moyen de moteurs électriques et hydrauliques. En référence à la figure 7, un moteur diesel 1, alimenté en carburant par l'injecteur 2, et en comburant, c'est-à-dire en air, par la conduite d'admission 3, est refroidi, au niveau des chemises 4, par circulation d'un fluide de refroidissement entrant dans le moteur en 5 à l'état liquide, et sortant du moteur en 6 à l'état de vapeur, ce fluide de refroidissement étant choisi dans la gamme des fluides caloporteurs dont la pression à l'ébullition entre 400C et gOOC, reste acceptable pour un moteur à combustion interne. Le fluide de refroidissement å l'état de vapeur est surchauffé dans un échangeur 7, lequel est traversé par les gaz d'échappement issus de la conduite d'échappement 8 du moteur 1, cet échangeur 7 pouvant être disposé autour d'un tube collecteur 9 des gaz d'échappement, par exemple au niveau du premier silencieux de détente de ces gaz. A l'état de vapeur surchauffée, le fluide est mené à un moteur à basse température 10, lequel comprend une turbine 11, entraînée en rotation par le fluide, qui est ensuite condensé dans un radiateur 12, du type de ceux utilisés sur les circuits d'eau de véhicule automobile, et qui se trouve sous le vent d'un ventilateur 13.A l'état liquide, le fluide est ensuite dirigé vers le moteur 1 par une pompe de circulation 14, mais, pour éviter que ce fluide n'entre dans le moteur 1 à une température trop faible, susceptible de provoquer des chocs thermiques dans le moteur 1, le fluide est préchauffé une première fois dans le radiateur 15 de refroidissement de l'huile de lubrification sortant en 16 du moteur pour y retourner en 17, et se trouve préchauffé une seconde fois dans un échangeur 18, traversé par les gaz d'échappement sortant de l'échangeur 7, avant que de pénétrer à nouveau en 5 dans le moteur 1. Les échangeurs 7 et 18 entourant le collecteur 9 des gaz d'échappement seront avantageusement réalisés sous la forme respectivement d'un premier et d'un second étage d'un échangeur principal 19. L'arbre de la turbine 11, sur lequel on dispose, sous forme mécanique, de l'énergie récupérée par l'ins- tallation, entraîne en rotation des poulies 20, respectivement reliées par des courroies 21 a' des poulies 22 assurant respectivement l'entraînement du ventilateur 13, de la pompe de circulation 14, et d'un générateur de courant électrique 23, par exemple une dynamo ou un alternateur, comme il en est toujours prévu sur les véhicules automobiles. Si le moteur diesel équipant le véhicule est alimenté en air comprimé par un compresseur d'alimentation 24, dont la sortie est reliée à l'admission 3 du moteur 1, l'installation comprend également un échangeur supplémentaire 25, traversé par l'air comprimé d'alimentation, et dans lequel ce dernier se refroidit en préchauffant, à une température supérieure, le fluide déjà préchauffé sortant du radiateur à huile 15. Dans ce cas, un préchauffage supplémentaire dans l'échangeur 18 peut s'avérer inutile, et le fluide est directement conduit de la sortie de l'échangeur 24 à l'entrée, en 5, du moteur 1. Au moyen d'une poulie 20, d'une courroie 21 et d'une poulie 22,supplémentaires, l'entraînement du compresseur 24 pourra être réalisé, en totalité ou en partie, à partir de la turbine 11. Si ce véhicule est, de plus, équipé d'un circuit hydraulique d'assistance de la direction et/ou du freinage, l'arbre de la turbine 11 peut avantageusement entraîner également une pompe hydraulique 26 de ce circuit hydraulique 27. Dans la variante de réalisation représentée à la figure 2, le moteur à basse température 10 est réalisé sous la forme d'un groupe turbo-générateur ou turbo-alternateur, constitué de la turbine 11 dont l'arbre entraîne directement l'arbre d'un générateur ou d'un alternateur 28, alimentant les moteurs électriques 29 d'entraînement du ventilateur 13, de la pompe de circulation 14, du compresseur d'alimentation 24, de la pompe hydraulique 26 du circuit hydraulique d'assistance, ainsi que, par la ligne 30, d'autres équipements à bord du véhicule. De façon correspondante, comme représenté sur la figure 3, les organes récepteurs que sont le ventilateur 13, la pompe 14, le compresseur 24 et le générateur électrique 23, peuvent etre entraînés par des moteurs hydrauliques 31, directement alimentés par le moteur à basse température 10, réalisé sous la forme d'un groupe turbo-pompe, constitué de la turbine 11 dont l'arbre entraîne directement l'arbre d'une pompe hydraulique 32, reliée à une bâche 33, et alimentant également en fluide hydraulique sous pression un circuit d'utilisation 34, 35, qui peut etre le circuit d'assistance de la direction et/ou du freinage. Dans ce dernier cas, il est avantageux d'utiliser un groupe turbo-pompe semblable au générateur aérohydraulique réversible décrit dans la demande de breves~ Xss nO 78/02846 au nom de la Demanderesse. Installée sur un moteur diesel, dont la puissance nominale est de 400 chevaux, soit 294 kw, avec une température de sortie du fluide, en 6, de 90 C, puis de 11000 à la sortie du premier étage 7 de l'échangeur principal 19, une température de 400C du fluide condensé dans le radiateur 12, le fluide étant préchauffé à 630C à la sortie du radiateur à huile 15, puis à 8500 à la sortie de l'échangeur 25 s'il existe, ou à la sortie du second étage 18 de l'échangeur 19, c'est-à-dire aussi à l'entrée, en 5, dans le moteur 1, on peut récupérer dans le fluide une puissance d'environ 125 kW au niveau des chemises 4 du moteur 1, et de plus de 40 kW au niveau du radiateur 15 et de l'échangeur 24 ou de l'échangeur 18, ce qui, compte tenu du rendement de Carnot de l'installation, permet de récupérer une puissance de 18 a' 20 kW représentant approximativement 7% de la puissance utile du moteur. L'installation selon l'invention apparaît donc d'une application avantageuse sur tous les véhicules équipés d'un moteur à combustion interne, que ces véhicules soient terrestres, marins ou aériens. Il est à noter que la turbine 12 utilisée peut être aussi bien axiale que centrifuge. Dans le cas de réalisation selon la figure 1, les poulies 20 et 22 peuvent être disposées dans le plan-des poulies du moteur 1, et, éventuellement, convenablement couplées à ces dernières. Enfin, d'autres organes récepteurs peuvent être entraînés à partir de l'énergie récupérée sur l'arbre de la turbine 11, par exemple, le compresseur d'une installation frigorifique à bord du véhicule. REVENDICAIONS 1/ Installation de récupération d'énergie, pour véhicule équipé d'un moteur à combustion interne, et refroidi par un fluide de refroidissement, dont la circulation est assurée par une pompe et qui est, à son tour, refroidi dans un radiateur associé à un ventilateur, caractérisée en ce que le fluide de refroidissement est un fluide moteur d'un circuit de récupération d'énergie bouclé sur le moteur, et comprenant successivement, à partir de la sortie de fluide du moteur, un premier échangeur, traversé par les gaz d'échappe- ment du moteur, et dans lequel ces derniers surchauffent le fluide sortant du moteur à l'état de vapeur, un moteur à basse température, comprenant au moins une turbine entraînée par le fluide, un condenseur constitué par le radiateur associé au ventilateur, ainsi que la pompe assurant le retour du fluide au moteur, l'entraînement d'organes récepteurs, comprenant notamment le ventilateur, la pompe et un générateur de courant électrique, étant assuré par transmission de l'énergie mécanique récupérée sur l'arbre de la turbine. 2/ Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le circuit de récupération d'énergie comprend un second échangeur, traversé par les gaz d'échappement du moteur sortant du premier échangeur, et dans lequel ces derniers préchauffent le fluide avant son retour au moteur. 3/ Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le premier échangeur et le second échangeur constituent respectivement le premier et le second étage d'un échangeur principal, disposé autour d'un collecteur des gaz d'échappement. 4/ Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le circuit de récupération comprend un premier échangeur supplémentaire, constitué sous la forme d'un radiateur à huile, traversé par de l'huile de lubrification du moteur, et dans lequel cette huile préchauffe le fluide provenant du condenseur. 5/ Installation selon l'une des revendications 1 a' 4, pour véhicule équipé d'un moteur diesel, alimenté en air comprimé par un compresseur, caractérisée en ce que le circuit de récupération comprend également un second échangeur supplémentaire, dans lequel l'air comprimé provenant du compresseur se refroidit en préchauffant le fluide provenant du condenseur. 6/ Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'entraînement du compresseur est également assuré par l'énergie récupérée sur l'arbre de la turbine. 7/ Installation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'énergie récupérée sur l'arbre de la turbine assure, en outre, l'entraînement d'au moins une pompe hydraulique d'au moins un circuit hydraulique équipant le véhicule, et assurant l'assistance de la direction et/ou du freinage de ce dernier. 8/ Installation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la turbine est associée a' un générateur , au sein du moteur à basse température, et en ce que les organes récepteurs sont notamment susceptibles d'être entraînés par des moteurs électriques directement alimentés par le générateur. 9/ Installation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la turbine est associée à une pompe hydraulique, au sein du moteur à basse température, et en ce que les organes récepteurs sont notamment susceptibles d'être entraînés par des moteurs hydrauliques directement alimentes par la pompe hydraulique. 10/ Installation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'arbre de la turbine entraîne en rotation des pouliesreliéespar courroies à des poulies d'entraînement des organes récepteurs.