Brevet FR2718491A1 — publié le 19951013

La présente invention concerne un dispositif de récupération d'énergie, sur échappement de véhicules automobiles en vue d'appoint au chauffage habitacle ou de mise en température rapide du circuit de refroidissement moteur. L'amélioration du rendement des moteurs thermiques des véhicules automobiles, tend à en réduire les pertes thermiques vers le circuit de refroidissement. De cette réduction des pertes résulte, en particulier, une montée en température plus lente du moteur, ce qui entraîne un fonctionne ment prolongé an conditions défavorables : d'autre part, cette situa tion prive le dispositif de chauffage habitacle, qui puise l'énergie qui lui est nécessaire sur le circuit de refroidissement, des apports thermiques suffisants à assurer une mise rapide en conditions de con fort. La présente invention concerne un dispositif destiné à récupérer une partie de l'énergie dissipée à l'échappement des moteurs thermi- quels, an vue de l'utiliser, soit directement an appoint au chauffage de l'habitacle, soit au réchauffage rapide du circuit de refroidisse- ment dont sont équipe ces moteurs. Parmi les moyens de transférer de l'énergie, depuis un circuit de gaz d'échappement chauds, vers un circuit fluide à plus basse tempé- rature, tel que l'air assurant le chauffage de l'habitacle ou vere le circuit de refroidissement d'un moteur, il est connu d'utiliser un fluide intermédiaire à changement de phase, tel que de l'eau, vapori sée par échange thermique au travers de la paroi d'un échangeur vapo riseur, avec les gaz d'échappement et condensée le long de surfaces d'échangeur condenseur, en rapport avec l'air ou un fluide à réchauf- fer. Pour comprendre le fonctionnement d'un tel dispositif appliqué à la récupération d'énergie de moteur Automobile, il est bon de se re porter à la figure (I) qui représenterait un équipement fonctionnant selon ce principe connu. Sur cette figure, on peut voir représenté un tronçon de canalisa tion d'échappement (1) relié par l'une de ses extrémités à la sortie des gaz d'échappement du moteur et de l'autre vers l'évacuation de ces gaz bilés sur sur ce tronçon de canalisation, soudé de manière étanche, une chemise (2) détermine une chambre annulaire portant une canalisation de sortie (3) raccordant sur un échangeur thermique (4) fonctionnant an condenseur. Dans le cas ou l'énergie récupérée est destinée à améliorer la mise en condition de confort de- l'habitacle automobile, l'échangeur (4) peut être un radiateur, classiquement constitué d'un faisceau de tubes (5) garnis d'ailettes (6) et fermé de deux boites à eau (7) et (10). Dans le cas ou l'énergie récupérée est destinée à réduire le temps de mise en température du moteur thermique, il peut s'agir d'un échangeur à calandre et tube d'eau, tel que représenté figure (VI). L'ensemble ainsi constitué. clos et étanche, est destiné à contenir une faible quantité d'eau ou cl'un mélange antigel. Lorsque le moteur thermique du véhicule est an fonctionnement, les gaz d'échappement pénètrent dans la canalisation (1) à haute tempera ture. Dans un premier temps, ces gaz réchauffent l'eau contenue dans la chemise (2) pour finir par l'amener à une température suffisante pour créer l'ébullition. Cette température d'ébullition, pour un fluide déterminé, tel que l'eau ou un mélange antigel, dépend de la pression régnant dans l'en- ceinte où cette ébullition se produit. Dans le cas d'eau pure, à la pression atmosphérique, cette température est de 100 'C. Un vide plus ou moins poussé obtenu en extrayant, par le bouchon (11), avant fermature du circuit, l'air contenu dans le dispositif, permet dtabai-- ser cette température Parvenu à sa température d'ébullition, le fluide se vaporise et sa vapeur se dégage vers la partie haute de l'enveloppe (2). Cette vapeur s'élève ensuite par la canalisation (3) pour parvenir au radiateur (). La vapeur baigne alors les tubes (5) de cet échangeur à qui elle transmet sa chaleur latente de vaporisation, puis de là aux ailettes (6) qui, à leur tour, la transmettent à l'air en circulation au travers de ce radiateur ou au liquide de refroidissement moteur dans le cas d'un échangeur à calandre. Sous l'effet de cet échange de chaleur la vapeur se condense le long de la face interne des tubes (5) et le liquide provenant de cette condensation finit par s'écouler le long des dits tubes, puis de là, dans la boite à eau (10) avant de retourner, par simple gravité, vers la chemise de vaporisation (2) en circulant à contre courant par rapport à la vapeur dans le canal de liaison (3) après être passé par une canalisation (9) comportant un syphon (9) Se forme ainsi, un circuit fermé, entretenu, conduisant la chaleur prise sur les gaz d'échappement vers l'air traversant le radiateur ou vers le fluide circulant dans l'échangeur à calandre Ce fonctionnement n'est qu'un cas particulier d'application au problème spécifique de la récupération de chaleur sur gaz d'échappe- ment, d'un principe connu de circulation fluide hiphasique. Dans la pratique, le fonctionnement d'un tel dispositif ne serait pas maîtrisables In effet, les gaz d'échappement du moteur thermique d'un véhicule automobile sont à température très variable et porteurs d'une énergie fluctuante, an fonction de la charge mécanique appliquée au dit moteur. D'autre part, les besoins en récupération d'énergie ne sont pas constants et ceux-ci sont sans rapport avec les disponibilités énergéniques sur les gaz d'échappement. Le fonctionnement du système, tel que décrit précédemment, suppose qu'à tout instant s'établisse un parfait équilibre entre la puissance transmise au fluide an ébullition par les gaz d'échappement et la puissance évacuée par le condenseur, soit vers l'air par le radiateur de chauffge de l'habitacle, soit vers le circuit de refroidissement par l'échangeur à calandre. Dans le cas contraire, le système connaîtrait des variations importantes de pression de vapeur : baisse de pression pouvant aller jusqu'à l'arrêt de fonctionnement du système, des que le niveau énergétique des gaz d'échappement ne serait plus suffisant à maintenir la température d'ébullition, élévation de pression pouvant aller jusqu'à destruction du dispositif en cas de disponibilité importante d'énergie sur le circuit des gaz d'échappement dépassant les besoins an énergie de récupération. La présente invention a pour but de conférer au système décrit précéde-ent, une parfaite sécurité d'emploi et une constante adaptation de la puissance échangée Fux besoins instantanés an énergie de récupération. Pour comprendre les particularités du montage, il est bon, dans un premier temps, de se reporter à la figure Sur cette figure, on peut voir le dispositif représenté sur la figure (x) complété schématiquement d'une capsule déformable (13) raccordée par un petit conduit (12) à la partie inférieure de la chemise d'eau (2) du vaporiseur. Les possibilités de déformation de la capsule (13) se trouvent li mitées par l'action d'un ressort (14) taré à une valeur convenable. Ce complément au dispositif représenté en figure (I) modifie profondément le fonctionnement de l'ensemble. L' invention sera mieux comprise et d'autres buts apparaîtront plus clairement au cours de la description qui va suivre, en référence aux dessins schématiques annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels - les figures IIa , IIb , lic représentent le dispositif conforme à l'invention dans trois états caractéristiques de fonctionnement - la figure iii représente une variante de disposition des élé- ments d'un dispositif conforme à l'invention. - la figure IV représente une diposition particulière simplifiant le dispositif tout en restant conforme à l'invention - la figure V représente un mode privilégié de réalisation du dis- positif conforme à l'invention. - la figure VI représente le dispositif conforme à l'invention dans le cas ou celui-ci est destiné à transférer l'énergie vers le circuit de refroidissement d'un moteur thermique, par l'intermédiaire d'un échangeur à calandre. Dans un premier temps, tal que représenté à la figure il, le systhème étant à l'arrêt en absence de circulation de gaz d'échappement, le fluide contenu dans la chambre d'eau (2) est froid et la pression relative dans l'enceinte est nulle (voire même négative, si un certain vide avait été créé préalablement dans l'enceinte). Dans ces conditions,tel que représenté à la figure lia, tant que le système n'est pas an fonctionnement, sous l'action du ressort (14) la capsule (13) se trouve comprimée, et la plus grande partie de l'eau qu'elle était susceptible de contenir se trouve refoulée dans la chambre annulaire (2) du vaporiseur au tour de la canalisation d'échappement (1). Daas ces conditions, à la mise en circulation des gaz d'échappement dans la canalisation (1), le fonctionnement du système suit le mode décrit précédemment. Ce mode de fonctionnement se poursuit tant que la pression dans l'enceinte reste modérée et inférieure à la pression de tarage du ressort (14). Dés que cette pression dépasse la limite de tarage de ce ressort, l'action de cette pression sur la face inférieure de la capsule (13) tend à déformer cette dernière et en accroître la capa cité, tel que représenté sur la figure IIb. Dans ce cas, une certain quantité d'eau se trouve prélevée dans l'enceinte annulaire (2) du vaporiseur, pour pénètre: dans la capsule déformable par le conduit (12). Le niveau du liquide dans la chambre de vaporisation (2) s'abaisse alors, réduisant la surface mouillée active d'échange, vis à vis des gaz d'échappement de la tubulure d'échappement (1). De cette diminution de surface active résulte une réduction de l'énergie prélevée sur les gaz. A son tour, cette réduction de l'énergie récupérée tend à faire baisser la pression dans l'enceinte et ceci jusqu'à ce qu'à nouveau un parfait équilibre s'établisse entre la puissance échangée sur les gaz d'échappement et la puissance évacuée sur le circuit d'utilisation. Cosse représenté à la figure lIc, ai l'accroissement du déséquili- bre entre la puissance récupérée sur les gaz d'échappement et celle évacuée au condenseur devait se poursuivre, la pression dans len- ceinte tendrait encore à s'éleveur et entraînerait une déformation de plus en plus importante de la capsule (13) et la compression du ressort de tarage (14), à tel point que la totalité du fluide contenu dans le dispositif se retrouverait dans la dite capsule. Dans ce cas extrême, par manque de liquide à vaporiser, le gys- thème s'arrête de fonctionner, jusqu'à ce que la pression dans l'en- semble s'étant abaissée, la capsule déformable restitue une petite quantité d'eau à la chambre de vaporisation permettant au cycle normal de reprendre. Dans ces conditions, on peut voir que le système tend de manière automatique à fonctionner à pression de vapeur constante, quelle que soit l'énergie disponible sur les gaz d'échappement et quelle que soit la dissipation vers le circuit récupérateur. Le système ainsi décrit assure ainsi, en plus d'une parfaite adaptation aux besoins de puissance échangée, une totale sécurité de fonctionnement, puisqu'en aucun cas, la pression de vapeur ne pourrait s'élever dans l'enceinte, au delà de la pression de tarage du ressort compensateur. Dans un mode de réalisation privélégié, tenant compte de la disposition géométrique des éléments dans un véhicule automobile, et sans sortir du principe de fonctionnement décrit précédemment, l'ensemble peut avantageusement être réalisé selon les indications de la figure (III). Sur cette figure on peut voir, comme sur les figures précédentes la canalisation d'échappement (1) et la chambre d'eau d'un bouilleur (2) formée par une chemise, soudée de manière étanche sur cette canalisation. On y voit également a canalisation (3) de liaison entre la chambre d'eau (2) et la boite supérieure (7) du condenseur Sur la figure on peut voir également, et dans les mêmes dispos il tions que précédemment, le condenseur constitué dans ce cas d'un échangeur de chaleur sur l'air (4) formé du faisceau de tubes (7) et des ailettes (8) fermé par une boîte de supérieure (9) munie de son bouchon de mise à vide (10) Dans ce mode de réalisation, par contre, la capacité déformable (13) et le ressort de tarage (14) sont raccordés en partie basse du syphon de sortie des condensats. Coins dans le cas précédent, la capsule.déformable (13), bien que ne se raccordant plus au point bas du dispositif, permet d'accumuler une partie plus ou moins grande du liquide condensé, en fonction de la pression régnant dans l'encente fermée, en piègent ce liquide dès sa sortie du condenseur La figure V représente un mode privilégié de réalisation du dispositif. Dans ce mode de réalisation, on peut voir les dispositions particulières de la boite de réception des condensats lui permettant de remplir les fonctions de capsule déformable. Dans cette conception, sans sortir du cadre de l'invention, la capacité déformable (13)et son ressort de tarage (14) se trouvent remplacés par une membrane élastique (15) constituant le fond d'une capacité auxiliaire de la boite inférieure (10) réceptrice des condensats de l'échangeur. Dans cette disposition, les forces élastiques de déformation de la membrane jouent le même rôle que le ressort taré (14) des représenta- tions précédentes Dans ce cas également, pour tenir compte des forces induites par le déplacement du véhicule {vibrations, force centrifuge ...) la capacité (10) peut utilement être remplie dune matière spongieuse fixant le liquide accumulé dans la capacité de rétention (15) tant que la membrane reste soumise à l'influence de la pression. Dans le cas de cette réalisation, le fonctionnement reste en tout point identique à celui décrit précédemment Les gaz d'échappement, issus du moteur thermique, échangent une partie de leur énergie au travers de la paroi du conduit (1) avec le liquide contenu dans l'enceinte annulaire (2), lequel sous l'influence de Cet apport calorifique celui-ci se vaporise partiellement. La vapeur produite s'élève en circulant de bas en haut par la canali- sation (3), vers l'échangeur condenseur (4) Dans cet échangeur, la vapeur cède sa chaleur latente de vaporisation au faisceau de tubes (5) , cette chaleur se trouve dissipée par les ailettes (6) vers l'air traversant le radiateur, ou commue représenté à la figure (VI), directement au travers des tubes (5) vers le - fluide circulant dans la calandre de l'échangeur. Sous l'effet de cet échange de chaleur, le fluide reprend sa phase liquide en se condensant sur la face interne des tubes pour finir par couler vers la boite de réception de condensats (10). De là, le liquide retourne vers l'enceinte annulaire en empruntant le conduit(8), puis le conduit (3) dans lequel il circule de haut en bas, à contre courant avec la vapeur, formant ainsi un circuit fermé de circulation entretenue, tant que les apports calorifiques récupé- rés sur les gaz d'échappement se trouvent être éliminés par l'échan- geur condenseur. Dès que les apports calorifiques par les gaz d'échappement tendent à dépasser le niveau d'énergie- évacué pa! l'échangeur récupérateur (4), la température du fluide caloporteur tend à s'élever, entraînant une élévation de pression dans l'enceinte. Cette pression se trouve transmise directement à la membrane dé- formable (15) en partie inférieure de la boite de réception (10). Sous l'influence de cet accroissement de pression, la membrane se déforme en augmentant la capacité de la partie inférieure de la boite réceptrice. Les condensats produits, au lieu de retourner comme précédemment vers l'enceinte annulaire, viennent en priorité s'accumuler dans le volume ainsi dégagé de la boite de rétention des condensats (in). Dans ces conditions, le niveau liquide dans la chambre annulaire d'ébullition tend à baisser, réduisant la capacité d'échange vii a vis des gaz d'échappement et, par là même, à diminuer l'écart entre lei apports énergétiques et les possibilités d'évacuation du récupé- rateur. Si, cependant, cet écart continuait à s'accroître, comme dans le cas représenté à la figure Vc, la pression dans l'enceinte continue rait à monter ; il s-n suivrait une déformation encore plus importante de la membrane élastique (1S) laquelle accroltrait la capacité de rétention en condensats de la boite réceptrice (10) au point que tout le fluide contenu dans l'installation s'y trouverait retenu. Dans ce cas, le système cesserait de fonctionner par manque de liquide dans la partie chambre annulaire servant de bouilleur. Cette situation ne persisterait que le temps nécessaire à un abaissement suffisant de température, donc de pression, de nature à libérer une partie des contraintes appliquées à la membrane élastique. Celle-ci en reprenant sa forme initiale, restituerait une partie du fluide accumulé dans le réceptacle à condensats (10) permettant ainsi la reprise du cycle normal de fonctionnement. Sans sortir du cadre de l'invention, le système pourrait être destiné à fonctionner sous un vide relatif ayant pour objet, dans un premier temps, d'assurer le dégazage du fluide caloporteur (mélange d'eau et d'antigel) et ensuite, à favoriser les échanges de chaleur à relativement basse température (inférieur- à 1OO.C) Dans ce cas, la membrane élastique (16) à l'arrêt du système connaîtrait une pré-déformation dans le sens indique à la figure Va, la part la plus importante du fluide contenu dans l'installation se trouvant alors dans la chambre d'échange annulaire (2). Dans le cas contraire de fonctionnement à pression la plus élevée, la membrane serait déformée corme indique figure Vc permettant à la capacité (10) de contenir la totalité du fluide introduit dans l'installation. RKvKNDlCATIONS 1 Dispositif de récupération d'énergie sur échappement de moteur thermique de véhicule automobile, caractérise en ce qu'il comporte un bouilleur annulaire (2) assemblé sur un tronçon de canalisation d'évacuation des gaz brûlés (1), raccordé par une canalisation (3) à un condenseur récupérataur (4) et une capacité auxiliaire déformable sous l'effet de la pression (13), située en un point bas du circuit liquide, d'une contenance suffisante à recevoir sous contrainte de pression, la totalité du fluide caloporteur contenu dans le système. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément condenseur peut être un radiateur (4) permettant de dégager l'énergie récupérée directement vers l'air destiné à assurer le chauffage de l'habitacle du véhicule automobile. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élé- ment condenseur peut être un échangeur à calandre (17) permettant de transférer l'énergie récupérée vers le circuit liquide de refroidis- serment du moteur thermique. 4 Dispositif elon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé an ce que la capacité déformable (13) peut être raccordée à la partie basse d'un syphon d'évacuation des condensat an sortie d'échangeur condenseur. 5 Dispositif selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce que la capacité auxiliaire déformable (13) peut être incorporée à la boite réceptrice des condansats du radiateur (10) ou de l'échangeur à calandre (17) sous la forme dune membrane élastique. 6 Dispositif selon l'un des revendications là 5, caractérisé an ce que le dispositif peut fonctionner sous vide partiel.