Brevet FR2500536A1 — publié le 19820827

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour diminuer la consommation en carburant des moteurs à combustion interne et en particulier des moteurs de véhicules automobiles. On a déjà proposé de récupérer l'énergie thermique per- due ou dissipée par le moteur (chaleur des gaz d'échappement, du liquide de refroidissement du moteur, de l'huile de lubri- fication) et de la transformer en énergie par exemple mécanique que l'on cède par l'intermédiaire d'une transmission à l'arbre de sortie du moteur (pour augmenter la puissance motrice) et/ou aux moyens d'entraînement des accessoires du moteur (une pompe, un alternateur, etc.). Dans ce but, on utilise en général un circuit à cycle thermodynamique de RANKINE dans lequel un fluide de travail est vaporisé dans une chaudière par la chaleur des gaz d'échappement et entraîne une turbine productrice d'énergie, puis est condensé, réchauffé par échange de chaleur avec le liquide de refroidissement du moteur et l'huile de lubrification et revient à la chaudière pour être à nouveau vaporisé. On aug- mente ainsi, grâce à la récupération et la transformation de l'énergie thermique dissipée par le moteur, la puissance fournie par le moteur pour une même consommation de carburant, ou bien on diminue la consommation en carburant pour une même puissance fournie par le moteur. On a également proposé d'équiper les moteurs à combustion interne de moyens de suralimentation en air, pour augmenter dans une large mesure leur puissance de sortie. Cette solution tech- nique permet d'utiliser des moteurs de cylindrée plus faible que l'on fait fonctionner plus fréquemment sous charge élevée et que l'on suralimente, en cas de besoin d'un complément de puissance (pour une accélération brusque, un dépassement, etc.). On utilise en général un turbocompresseur dont la turbine est entraînée par les gaz d'échappement du moteur et entraîne le compresseur alimentant le moteur en air comprimé. On obtient ainsi les mêmes performances et une consommation spécifique moyenne plus faible qu'avec un moteur de plus grosse cylindrée, non suralimenté. L'utilisation d'un moteur de cylindrée plus faible se traduit également par une diminution du coût et du poids. On a bien entendu tenté d'associer ces deux solutions sur un même moteur, notamment en prévoyant un circuit à cycle 2 2500536 de RANKINE et un turbocompresseur de suralimentation entrainé par les gaz d'échappement, afin de diminuer encore la consom- mation de carburant de ce moteur, mais on a constaté que le gain procuré par ces deux moyens utilisés ensemble n'était que peu supérieur au gain procuré par l'un ou l'autre de ces mo- yens utilisé seul. Cela s'explique par le fait que ces deux moyens fonctionnent au détriment l'un de l'autre, chacun d'eux consommant pour son fonctionnement une énergie qui est prélevée sur l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'autre moyen. L'invention a pour but d'apporter une solution effi- cace et rentable à ce problème et propose à cet effet de combi- ner un circuit de récupération et de transformation de l'éner- gie thermique dissipée par le moteur et un dispositif de sura- limentation du moteur de façon telle que les gains fournis par chacun de ces moyens quand ils sont utilisés seuls s'ajoutent dans leur intégralité quand ils sont utilisés ensemble, le gain procuré par l'un de ces moyens étant même augmenté quand l'au- tre moyen est utilisé simultanément. Le procédé selon l'invention, pour diminuer la con- sommation en carburant d'un moteur à combustion interne, con- siste à récupérer, au moyen d'un circuit à cycle de RANKINE, au moins une partie de l'énergie thermique dissipée par le moteur pour la transformer et la céder ensuite au moteur et/ou à ses accessoires et, afin d'augmenter en cas de besoin la puissance de sortie du moteur et valoriser l'énergie thermique récupérée par le circuit à cycle de RANKINE, à suralimenter en air le moteur au moyen d'un surpresseur volumétrique entrainé mécani- quement par le moteur. Ainsi, selon l'invention, le fonctionnement du sur- presseur volumétrique est rendu indépendant de celui du circuit de récupération d'énergie thermique, en ce sens que l'énergie nécessaire à son entraînement est prélevée sur l'arbre de sor- tie du moteur et non en un point quelconque du circuit de récu- pération d'énergie. Les gains que procure chacun de ces deux moyens se cumulent et l'on a même constaté, de façon surprenante, que l'on pouvait s'attendre à ce que le gain procuré par l'as- sociation de ces deux moyens soit supérieur à la somme des gains procurés par chacun d'entre eux, l'utilisation d'un surpresseur relevant les températures à l'échappement et donc le rendement du circuit de récupération. 3 2500536 L'invention concerne également un dispositif pour l'exécution de ce procédé, comprenant un circuit à cycle de RANKINE propre à récupérer au moins une partie de l'éner- gie thermique dissipée par le moteur, caractérisé en ce qu'il comprend également un surpresseur volumétrique entraîné par l'arbre de sortie du moteur pour alimenter ce dernier en air comprime. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé qui est une vue schématique d'un mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le moteur à combustion interne M est associé à un surpresseur volumétrique S entraîné par l'arbre de sortie 10 du moteur M au moyen d'une transmis- sion débrayable et/ou à rapport variable comprenant, par exemple, un démultiplicateur D1 interposé entre le surpresseur et une poulie 11, une poulie 12 propre à être solidarisée avec l'arbre 10 par un embrayage 13, et une courroie 14 passant au- tour des poulies 11 et 12. Le surpresseur volumétrique S peut être du type à pistons, à palettes, à vis, etc. et est carac- térisé en ce que son débit est défini complètement par sa cy- lindrée et sa vitesse de rotation. L'entrée du surpresseur est reliée par exemple à la sortie d'un filtre à air F tandis que sa sortie est reliée au conduit d'admission (non repré- senté) du moteur. Le circuit de récupération et de transformation d'é- nergie thermique à cycle de RANKINE, qui est associé au moteur M, comprend une chaudière 15 dont la sortie 16 alimente direc- tement l'entrée d'une turbine T de production d'énergie. L'ar- bre de sortie 17 de la turbine T est relié à l'arbre de sortie 10 du moteur M par l'intermédiaire d'une transmission débraya- ble et/ou à rapport variable comprenant par exemple un démul- tiplicateur D2 entre l'arbre de sortie 17 et une poulie 18, une poulie 19 solidarisable avec l'arbre 10 par l'intermédiaire d'un embrayage 20 et une courroie 21 passant autour des pou- lies 18 et 19, d'autres moyens adaptés aux puissances et aux vitesses pouvant être utilisés à la place des poulies et cour- roies. La sortie de la turbine T est reliée à une entrée 22 d'un premier échangeur de chaleur 23, dont la sortie corres- pondante 24 est reliée à l'entrée 25 d'un condenseur 26. Une pompe pi relie la sortie 27 du condenseur 26 à une autre en- trée 28 du premier échangeur de chaleur 23, dont la sortie correspondante 29 alimente une entrée 30 d'un deuxième échangeur de chaleur 31. La sortie correspondante 32 de cet échangeur est reliée à l'entrée 33 d'un troisième échangeur de chaleur 34 dont la sortie correspondante 35 est reliée à l'entrée 36 de la chaudière. Dans le circuit qui vient d'être décrit circule un fluide de travail approprié tel par exemple que du dichloro- benzène, du trifluoroéthanol, de l'hexafluorobenzène, etc. Dans le deuxième échangeur de chaleur 31, ce fluide de travail est réchauffé par le liquide de refroidissement du moteur, qu' une pompe P2 fait circuler dans un circuit 37 traversant cet échangeur 31. Dans le troisième échangeur 34, le fluide de travail est chauffé par le liquide de lubrification du moteur (en général de l'huile) dont le circuit 38 traverse l'échangeur 34 comme indiqué sur le dessin. Le conduit d'échappement 39 du moteur M débouche dans la chaudière 15, qui comprend une sor- tie 40 permettant d'évacuer les gaz d'échappement vers l'exté- rieur. Un tel circuit de récupération d'énergie thermique fonc- tionne de la façon suivante: Le fluide de travail est vaporisé et éventuellement sur- chauffé dans la chaudière 15, puis envoyé à la turbine qu'il entraîne en rotation. L'énergie mécanique produite par la tur-- bine T est fournie à l'arbre de sortie 10 du moteur par l'in- termédiaire de la transmission D2, 18, 19, 21 quand l'embrayage est couplé. Il est intéressant de désaccoupler cet embrayage dans certains cas, par exemple lors d'une décélération du véhi- cule. Le fluide de travail sortant de la turbine T est envoyé dans le condenseur 26, d'o il est repris par la pompe Pl pré- chauffé par traversée des échangeurs de chaleur 23, 31, 34 et renvoyé à la chaudière 15 o le cycle recommence. On comprend que le dispositif de suralimentation du moteur par surpression volumétrique de l'air d'admission et le dispositif de récupéra- tion de l'énergie thermique dissipée par le moteur peuvent fonctionner indépendamment l'un de l'autre, l'un de ces dispo- sitifs prélevant l'énergie nécessaire à son fonctionnement sur 2 _25e0536 l'arbre de sortie du moteur tandis que l'autre dispositif transmet l'énergie qu'il produit à cet arbre de sortie. On a constaté que la suralimentation du moteur entrai- nait une augmentation de la température de combustion et donc une valorisation de l'énergie thermique dissipée par le mo- teur et récupérée par le dispositif à cycle de RANKINE. Il en résulte une augmentation de l'énergie produite par ce disposi- tif de récupération des pertes calorifiques. Avantageusement, dans le cas d'un moteur à allumage commandé, on associe au dispositif de suralimentation un dispo- sitif, connu en soi, permettant d'éviter le phénomène de "cli- quetis". Ce phénomène, qui se traduit par un bruit anormal dans les chambres de combustion au moment de l'explosion du mélange combustible, est dû à une auto-inflammation du mélange combus- tible dans le cas o la suralimentation du moteur dépasse un taux de l'ordre de 30 à 40% en pression. Il est connu actuelle- ment de détecter l'apparition d'un tel phénomène et de le sup- primer en agissant automatiquement sur l'avance à l'allumage. L'association d'un tel dispositif au surpresseur volu- métrique permet d'envisager un taux de suralimentation du mo- teur qui serait au moins égal à 30%, pour toute la gamme de régimes du moteur. On comprend que l'invention permet d'obtenir les mêmes performances avec un moteur de plus faible cylindrée, pourvu d'un surpresseur volumétrique de suralimentation et d'un dispo- sitif de récupération de l'énergie thermique à cycle de RANKINE, qu'avec un moteur de plus grosse cylindrée non suralimenté et non pourvu d'une récupération d'énergie thermique, tout en di- minuant la consommation en carburant de façon sensible. A titre d'exemple non limitatif, on se reportera au tableau suivant donnant les consommations spécifiques, sur un parcours stabilisé à 90 km/h et sur un cycle européen normali- sé ECE, d'un groupe motopropulseur équipant un véhicule de tou- risme et comprenant un moteur à allumage commandé et une boite de vitesses continue dans sa version de base (A) dépourvue de suralimentation et de récupération d'énergie thermique, puis dans une version (B) à récupération d'énergie thermique par un cycle de RANKINE, dans une version (C) équipée d'un surpresseur volumétrique et enfin dans une version (D) selon l'invention. La cylindrée du moteur est modifiée d'une version à l'autre pour 6 25e20536 conserver au véhicule les mêmes performances que celles four- nies par la version A. La consommation spécifique est exprimée en g/ch.h. L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le cas des moteurs à combustion interne ex- ploités dans des conditions de charge extrêmement variables, par exemple des moteurs de véhicules de tourisme, de véhicules utilitaires, etc. Elle s'applique également au cas des moteurs fixes, par exemple des moteurs de groupes é1ectrogènesdevanit s'adapter à la demande de consommation, etc. Dans tous les cas, ces moteurs peuvent être du type àallumage par compression (cycle DIESEL) ou à allumage commandé. essai Vitesse stabilisée Parcours version à 90 kma/h ECE A 248 385 B 192 298 C 225 331 D 174 256 252 0536 REVENDICATIONS 1. Procédé pour diminuer la consommation en carburant d'un moteur à combustion interne, en particulier pour véhicule automobile, consistant à récupérer, au moyen d'un circuit à cycle de RANKINE, au moins une partie de l'énergie thermique dissipée par le moteur pour la transformer et la céder ensuite au moteur et/ou à ses accessoires, caractérisé en ce qu'il con- siste également, afin d'augmenter en cas de besoin la puissance de sortie du moteur et valoriser l'énergie thermique récupérée par le circuit à cycle de RANKINE, à suralimenter en air ledit moteur au moyen d'un surpresseur volumétrique entraîné mécani- quement par le moteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux de suralimentation du moteur est au moins égal à 30%. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à détecter l'apparition du phénomène de "cli- quetis" et à régler automatiquement l'avance à l'allumage de façon à supprimer ce phénomène. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lorsque l'énergie est récupérée par le circuit à cycle de RANKINE est fournie sous forme d'énergie mécanique à l'arbre de sortie du moteur, il consiste à assurer la mise hors service momentanée dudit circuit dans certaines conditions, par exemple en cas de décélération du véhicule. 5. Dispositif pour l'exécution du procédé décrit dans l'une des revendications précédentes, comprenant un circuit à cycle de RANKINE propre à récupérer au moins une partie de l'énergie thermique dissipée par le moteur et la transformer en énergie cédée directement à l'arbre de sortie et/ou aux accessoires du moteur, caractérisé en ce qu'il comprend un surpresseur volumétrique entraîné par l'arbre de sortie du moteur pour alimenter celui-ci en air comprimé. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérise en ce que les moyens d'entraînement du surpresseur volumétrique sont débrayables et/ou à rapport variable. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, comprenant des moyens de transmission entre la sortie du circuit à cycle de RANKINE et l'arbre de sortie du moteur, caractérisée en ce que ces moyens sont débrayables et/ou à rapport variable. 9 2500536 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détection du phénomène de "cliquetis" dans les chambres de combustion du moteur et des moyens pour régler l'avance à l'allumage en fonc- tion du signal de sortie desdits moyens de détection, de ma- nière à supprimer le phénomène détecté.