Brevet FR2884556A1 — publié le 20061020

- la boucle comporte des moyens évaporateurs situés en amont d'au moins un organe de dépollution, - le dispositif comprend des moyens de régulation de l'échange thermique entre les moyens évaporateurs et les gaz 5 d'échappement, - la boucle comporte des moyens évaporateurs situés en aval d'un organe de dépollution, - la boucle comporte des premiers et seconds moyens évaporateurs situés en aval d'un organe de dépollution, io - la boucle comporte des premiers et seconds moyens évaporateurs situés en amont d'un organe de dépollution, - les premiers et seconds moyens évaporateurs sont intégrés dans un unique échangeur de chaleur, - 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, - la ligne d'échappement comprend au moins un organe de 20 dépollution compris parmi des organes suivants: catalyseur, filtre à particule, piège à Nox, - la ligne d'échappement comprend des moyens de pré-catalyse disposés en amont d'une part du ou des organes de dépollution 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, les moyens de catalyse étant 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 de piège à Nox intégrés dans les moyens évaporateurs. L'invention concerne également un véhicule automobile comportant un moteur à combustion interne, une ligne d'échappement comprenant au moins un organe de dépollution, et un dispositif de récupération d'énergie conforme à l'une quelconque des caractéristiques to précédentes. 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 is exemple de réalisation du dispositif de récupération d'énergie d'un moteur à combustion interne selon l'invention, - les figures 2, 3, 3bis, 4, 5, 6 et 7 représentent respectivement des vues schématiques et simplifiées de sept autres modes de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 8 représente une vue schématique et en coupe d'un détail des figures 5 à 7, illustrant la structure d'un échangeur évaporateur assurant une fonction catalytique du dispositif selon l'invention, - les figures 9 à 13 illustrent de façon schématique 25 respectivement cinq architectures de véhicules à propulsion hybride utilisant l'énergie récupérée via un cycle de Rankine. 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 de dépollution est, par exemple, un catalyseur et/ou un filtre à particule et/ou un piège à Nox ou tout autre moyen équivalent ou une combinaison de ces moyens. Une boucle 4 de fluide à cycle thermodynamique de 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. w La boucle 4 comprend 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 7. 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 dispositif selon l'invention présent une grande compacité, un rendement élevée tout en ayant une structure relativement simple. 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 peuvent être 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 l'organe 3 de dépollution sans trop affecter le rendement thermodynamique de la boucle 4 de Rankine. Par ailleurs, dans le cas où l'organe 3 de dépollution comprend un catalyseur, les moyens 9, 2 de régulation permettent de ne pas compromettre l'amorçage du catalyseur lorsque sa température est relativement basse. Cette architecture rend par ailleurs possible l'implantation d'un surchauffeur 7 au plus près du collecteur d'échappement 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 de l'organe 3 de dépollution est particulièrement avantageuse lorsque ce dernier comprend un piège 3 à Nox. En effet, dans ce cas, 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 lo 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. 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 il peut être fréquent d'atteindre des températures supérieures à ce seuil, notamment 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. Les figures 2, 3, 3bis, 4, 5, 6, 7 et 8 illustrent d'autres variantes de réalisation de l'invention. Par soucis de simplification et de concision, dans ces figures, les éléments identiques à ceux 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 p réchauffeur 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 ne comporte pas de moyens de régulation de l'échange thermique entre d'une part les préchauffeur 5 et récupérateur 7 et, d'autre part, les gaz d'échappement. C'est-à-dire que la ligne d'échappement 2 comporte un unique conduit qui est couplé thermiquement avec l'évaporateur 5 et le s surchauffeur 7. Le mode de réalisation de la figure 3 se distingue de celui de la figure 2 uniquement en ce qu'il ne comporte pas d'échangeur de chaleur formant récupérateur/surchauffeur en amont de l'organe 3 de dépollution. C'est-àdire que la boucle io 4 à cycle de Rankine comporte uniquement un échangeur de chaleur 5, 7 formant évaporateur couplé thermiquement à la ligne 2 d'échappement, en aval de l'organe 3 de dépollution. Avantageusement, un organe de précatalyse (non représenté) peut être disposé en amont de l'organe 3 de dépollution. Cet unique évaporateur 5, 7 peut éventuellement assurer la fonction du surchauffeur décrit précédemment. Ceci peut être obtenu en choisissant un dimensionnement approprié de l'évaporateur 5, 7 (c'est-à-dire sa surface d'échange). L'efficacité de cette double fonction évaporateur 5/surchauffeur 7 au sein d'un seul échangeur dépendra également des conditions thermiques des gaz d'échappement (température et puissance) ainsi que de la stratégie de régulation de la boucle (température et débit de fluide au sein de la boucle). Cette architecture est particulièrement adaptée lorsque l'organe 3 de dépollution comprend un catalyseur. En effet, l'évaporateur 5, 7 n'est pas susceptible de perturber la montée en température du catalyseur lors des démarrages à froid du véhicule. Le mode de réalisation de la figure 3bis se distingue de celui de la figure 2 en ce que d'une part un organe 11 de précatalyse est disposé en amont de l'organe 3 de dépollution et, d'autre part, des moyens 30, 31 de dérivation des gaz d'échappement sont prévus en aval de l'organe 3 de dépollution. Les moyens 30, 31 de dérivation des gaz d'échappement situés en aval de l'organe 3 de dépollution sont agencés pour permettre le contrôle de la quantité de gaz d'échappement destinés à venir en échange thermique avec l'évaporateur 5, 7. Par exemple, en aval de l'organe 3 de dépollution, la ligne 2 d'échappement comprend une portion à deux branches 30 dont l'une seulement est couplée thermiquement avec l'évaporateur/surchauffeur 5, 7. Des moyens de répartition tels qu'une vanne 31 permettent de doser la répartition de gaz d'échappement dans les deux io branches 31. Ce mode de réalisation a l'avantage supplémentaire de permettre de réguler le débit de gaz entrant dans l'évaporateur 5, 7 et donc le niveau de puissance échangé. Cette fonction est particulièrement avantageuse lors que le moteur 1 fonctionne à de fortes charges. Le mode de réalisation de la figure 4 se distingue de celui de la figure 2 uniquement en ce que le surchauffeur 7 est couplé thermiquement à la ligne d'échappement 2 en aval de l'organe 3 de dépollution. Plus précisément, le surchauffeur 7 est situé entre l'organe 3 de dépollution et l'évaporateur 5. L'implantation du surchauffeur 7 en aval de l'organe 3 organe de dépollution présente l'avantage de ne pas refroidir les gaz d'échappement avant leur entrée dans l'organe 3 de dépollution. Ceci est particulièrement avantageux lorsque l'organe 3 de dépollution comporte un catalyseur qui nécessite pour son amorçage température minimale relativement élevée. Dans le mode de réalisation de la figure 5, 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 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 133 pour le traitement des gaz d'échappement. Par exemple, et comme représenté à la figure 8, 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 de l'échangeur 5, 7. Les ailettes 34 sont quant à elles couplées thermiquement io 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 15 d'échange thermique et de catalyse, a un encombrement particulièrement faible. Le mode de réalisation de la figure 6 se distingue de celui des figures 5 et 8 uniquement en ce que les fonctions d'évaporation 5 et de surchauffe sont assurées par deux échangeurs 5, 7 de chaleur distincts disposés respectivement en aval et en amont du module 3, 33 de dépollution. 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 7 se distingue de celui des figures 5 et 8 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 133 de catalyse, les moyens formant piège 3 à Nox peuvent être intégrés au sein de l'échangeur 5, 7. io Les figures 9 à 13 illustrent respectivement cinq exemples d'architectures de véhicule à propulsion hybride aptes à utiliser l'énergie récupérée via un cycle de Rankine. Par soucis de concision, les éléments identiques sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont pas décrits en détails plusieurs fois. Ces architectures sont préférentiellement destinées à être associées à des dispositifs de récupération d'énergie tels que ceux décrits ci-dessus cependant, ces architectures peuvent être associées à tout io autre type de dispositif de récupération d'énergie. L'architecture représentée schématiquement à la figure 9 comprend un moteur thermique 1 dont l'arbre 101 de sortie est apte à être accouplé à une boîte de vitesses 15 via des moyens 14 de friction tels qu'un d'embrayage. L'arbre 115 de sortie de la boîte de vitesses est accouplé à des roues 18 (seule une roue est représentée symboliquement). Par ailleurs, un alternateur 17 possède un arbre 117 de sortie apte à être accouplé au moteur thermique 1 via des moyens 14 de friction. Comme représenté, un compresseur 19 d'un système de climatisation peut être accouplé au moteur 1 thermique via un système à courroie 119. La courroie 119 du compresseur 19 peut être raccordée au niveau de l'arbre du moteur 1 thermique destiné à être accouplé à l'alternateur 17. L'arbre de sortie d'une turbine 26 ou de tout autre dispositif de récupération d'énergie peut être accouplée, via une friction 14 et une courroie 219, à l'arbre 117 de sortie de l'alternateur 17. La turbine 26 peut notamment appartenir à une boucle 4 à cycle de Rankine, telles que celles décrites ci-dessus. L'architecture de la figure 10 se distingue de celle de la figure 9 uniquement en ce que l'arbre de sortie du compresseur 19 de climatisation est accouplé directement à la courroie 219 reliant la turbine 26 à l'alternateur 17. L'architecture de la figure 11 se distingue de celles des figures 9 et 10 en ce que: - une première machine électrique 20 est interposée entre la boîte de vitesses 15 et le moteur 1 thermique, des moyens de frictions 14 respectifs permettant un accouplement sélectif de ces derniers avec la machine électrique 20, - l'arbre de sortie de la turbine 26 est relié à une seconde machine électrique 120, - la seconde machine électrique 120 est reliée électriquement (câbles 22) à une batterie 23 et à la première machine électrique 20. De cette façon, l'énergie générée par la turbine 26 peut être convertie en électricité dans la seconde machine électrique 120 pour d'alimenter des batteries 23 et/ou la première machine électrique 20 en cas de besoin (et inversement). Dans l'architecture de la figure 12, le moteur thermique 1 et un premier moteur électrique 24 transmettent le couple aux roues 18 via à un système de transmission 25 du type, par exemple, à engrenages. L'arbre de sortie d'un second 27 moteur électrique est également relié au mécanisme de transmission 25. L'arbre de sortie de la turbine 26 est reliée à une machine électrique qui est apte à alimenter des batteries 23 et l'un 27 au moins des moteurs électriques, (les alimentations et échanges sont symbolisés par des flèches 50). L'architecture de la figure 13 se distingue de celle de la figure 12 uniquement en ce qu'elle ne comporte pas de machine électrique, l'arbre de sortie de la turbine 26 étant apte à être accouplée à l'arbre de sortie du premier 24 moteur électrique via une friction 14 et un système à courroie 219. 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), la ligne d'échappement (2) comprenant au moins un organe (3, 33, 11) de dépollution, caractérisé en ce que le système à cycle de Rankine est constitué d'une unique boucle (4) de fluide comprenant des moyens (13) de compression, des moyens (5, 7) évaporateurs aptes à être couplés thermiquement avec les gaz d'échappement, des moyens (6) de détente/récupération d'énergie et des moyens (8) condenseurs. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boucle (4) comporte des moyens (5, 7) évaporateurs situés en 15 amont d'au moins un organe (3, 33, 133) de dépollution. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (12) de régulation de l'échange thermique entre les moyens (5, 7) évaporateurs et les gaz d'échappement. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce que la boucle (4) comporte des moyens (5, 7) évaporateurs situés en aval d'un organe (3, 33, 133) de dépollution. 5. Dispositif selon la revendications 1, caractérisé en ce que la boucle (4) comporte des premiers (5) et seconds (7) moyens (5) évaporateurs situés en aval d'un organe (3, 33, 133) de dépollution. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la boucle (4) comporte des premiers (5) et seconds (7) moyens (5) évaporateurs situés en amont d'un organe (3) de dépollution. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les premiers (5) et seconds (7) moyens évaporateurs sont intégrés dans un unique échangeur de chaleur. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne (2) d'échappement comporte des moyens (9, 30, 31) 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. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne d'échappement (2) comprend au moins un organe (3, 33, 133) de dépollution compris parmi des organes suivants: catalyseur, filtre à particule, piège à Nox. 10. Dispositif l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne d'échappement (2) comprend des moyens (11) de pré-catalyse disposés en amont d'une part du ou des organes (3, 33) de dépollution et, d'autre part, des moyens (5, 7) évaporateurs. 11. 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. 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 (133) 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). 13. Dispositif l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (3, 33) de piège à Nox intégrés dans les moyens (5, 7) évaporateurs. 14. Véhicule automobile comportant un moteur à combustion interne et une ligne d'échappement (2) comprenant au moins un organe (3, 33, 11) de dépollution, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de récupération d'énergie conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.