Brevet FR2984950A1 — publié le 20130628

La présente invention se rapporte à un dispositif de contrôle d'une machine de détente d'un circuit fermé à cycle de Rankine et à un procédé utilisant un tel dispositif. Elle concerne plus particulièrement une machine de détente à fonctionnement discontinue, comme une machine à piston et notamment à piston alternatif. Comme cela est largement connu, le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique par lequel de la chaleur provenant d'une source de chaleur externe est transmise à un circuit fermé qui contient un fluide de travail. Ce type de cycle se décompose généralement en une étape durant laquelle le fluide de travail utilisé sous forme liquide, est comprimé de manière isentropique, suivie d'une étape où ce fluide liquide comprimé est chauffé et vaporisé au contact d'une source de chaleur. Cette vapeur est ensuite détendue, au cours d'une autre étape, de manière isentropique dans une machine de détente, puis, dans une dernière étape, cette vapeur détendue est refroidie et condensée au contact d'une source froide. Pour réaliser ces différentes étapes, le circuit comprend une pompe- compresseur pour faire circuler et comprimer le fluide sous forme liquide, un évaporateur qui est balayé par un fluide chaud pour réaliser la vaporisation au moins partielle du fluide comprimé, une machine de détente pour détendre la vapeur qui transforme l'énergie de cette vapeur en une autre énergie, comme une énergie mécanique ou électrique, et un condenseur grâce auquel la chaleur contenue dans la vapeur est cédée à une source froide, généralement de l'air extérieur qui balaye ce condenseur, pour transformer cette vapeur en un fluide sous forme liquide. Il est également connu, notamment par le document FR 2 884 555, d'utiliser l'énergie calorifique véhiculée par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier celui utilisé pour des véhicules automobiles, comme source chaude pour assurer le chauffage et la vaporisation du fluide traversant l'évaporateur. Ceci permet d'améliorer l'efficacité énergétique de ce moteur en récupérant une grande partie de l'énergie perdue à l'échappement pour la transformer en une énergie qui peut être utilisée pour le véhicule automobile au travers du circuit à cycle de Rankine. Il est aussi connu d'utiliser comme machine de détente, une machine à piston à déplacement alternatif rectiligne avec un cylindre à l'intérieur duquel est placé un piston relié par une bielle à un arbre de sortie, généralement sous la forme d'un système à manivelle (ou vilebrequin), au moins une tubulure d'alimentation de vapeur et au moins une tubulure d'évacuation de vapeur, chacune de ces tubulures étant combinée à une distribution mécanique de type arbre à cames contrôlant l'obturation des tubulures, comme par des soupapes. Cette distribution est habituellement commandée par une courroie (ou une chaine) de distribution qui est reliée directement au vilebrequin de la machine Ainsi, cette machine permet de transformer l'énergie de la vapeur en une énergie mécanique utilisée pour entrainer en rotation le vilebrequin. Cette rotation du vilebrequin est ensuite transmise à tout type de machine réceptrice pour utiliser et/ou transformer cette énergie mécanique. Généralement, cette rotation mécanique est transmise à une machine 20 dynamoélectrique pour la transformer en une énergie électrique. Il a été cependant constaté que le dimensionnement d'une machine à piston comme machine de détente dans un circuit à cycle de Rankine est un compromis entre une machine configurée pour un fonctionnement avec de fortes puissance qui 25 a de mauvais rendement pour des faibles puissances et une machine à piston utilisée pour faibles puissances qui requiert un dispositif de court-circuit pour les points de fortes puissances avec une baisse de rendement global. De plus, dans le cas d'installations fonctionnant de manière discontinue, telles qu'un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile, il a été constaté sur ce type 30 de machine à piston un risque d'endommagement lors du démarrage du système. Ce risque est essentiellement lié à la condensation abondante, à l'intérieur et sur les parois du cylindre, de la vapeur admise par les tubulures d'alimentation. Dans cette application particulière, la machine de détente présente donc le besoin d'un fonctionnement particulier, visant à amener sa température à une valeur suffisante et ce sans l'endommager, avant d'atteindre son mode de fonctionnement nominal. Enfin, une telle machine de détente à piston utilise la plupart du temps un système de distribution fixe (à tiroir ou par arbre à came par exemple) qui rend impossible l'optimisation du rendement de remplissage et de détente en fonction du débit et de la pression de la vapeur entrante. La présente invention vise à remédier aux inconvénients ci-dessus en améliorant le rendement de la machine, par l'optimisation des angles d'ouverture et de fermeture de l'obturateur des tubulures à chaque point de fonctionnement, et en autorisant une stratégie de fonctionnement particulière visant à conditionner la température de la machine de détente avant son démarrage. Ainsi la présente invention concerne un dispositif de contrôle pour une machine de détente à piston d'un circuit fermé à cycle de Rankine, ladite machine comprenant un cylindre à l'intérieur duquel coulisse un piston relié à un arbre de sortie, au moins une tubulure d'alimentation de fluide de travail en phase vapeur, au moins une tubulure d'évacuation dudit fluide de travail et des moyens d'obturation desdites tubulures, caractérisé en ce que les moyens d'obturation comprennent des moyens non reliés mécaniquement à l'arbre de sortie. Les moyens d'obturation peuvent comprendre des moyens de 25 fermeture/ouverture de la tubulure commandés par un actionneur non mécanique. L'actionneur peut être un actionneur électrique. Les moyens de fermeture/ouverture peuvent comprendre un volet. 30 L'invention concerne également un procédé de contrôle d'une machine de détente à piston d'un circuit fermé à cycle de Rankine, ladite machine comprenant un cylindre à l'intérieur duquel coulisse un piston relié à un arbre de sortie, au moins une tubulure d'alimentation de fluide de travail en phase vapeur, au moins une tubulure d'évacuation dudit fluide de travail et des moyens d'obturation desdites tubulures, caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler la circulation du fluide de travail en phase vapeur dans les tubulures par des moyens non reliés mécaniquement à l'arbre de sortie. Le procédé peut consister à contrôler la circulation du fluide de travail en phase vapeur par des électrovannes commandées par le système de contrôle/commande du circuit. Le procédé peut consister à envoyer au système de contrôle/commande une information sur la position angulaire de l'arbre de sortie pour contrôler la circulation du fluide de travail en phase vapeur dans les tubulures. Le procédé peut consister à contrôler la circulation du fluide de travail en phase vapeur dans les tubulures pour réaliser un balayage continu du volume de travail de la machine. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont maintenant apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle est annexée la figure unique qui montre un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine avec sa machine de détente à piston selon l'invention. Sur la figure unique, le circuit fermé à cycle de Rankine 10 comprend un moyen de circulation et de compression 12 d'un fluide de travail, ici de l'eau, circulant dans ce circuit selon un sens horaire (Flèches A). Ce moyen, dénommé pompe dans la suite de la description, permet de comprimer cette eau entre l'entrée de la pompe et sa sortie où cette eau, toujours sous forme liquide, est à pression élevée. Cette pompe est avantageusement entrainée en rotation par tous moyens connus, comme par un moteur électrique (non représenté). Ce circuit comporte aussi un échangeur de chaleur 14, dénommé évaporateur, 5 traversé par l'eau comprimée provenant de la pompe et qui ressort de cet évaporateur sous forme de vapeur comprimée chaude. Cet évaporateur est balayé par une source chaude 16 provenant des gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement 18 d'un moteur à combustion interne 20. 10 De manière préférentielle, ce moteur est un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. Ce circuit comporte également une machine de détente réceptrice 22 recevant 15 à son admission la vapeur d'eau comprimée à haute pression et à partir duquel la vapeur d'eau ressort de cette machine sous forme de vapeur détendue à basse pression. Le circuit comporte encore un échangeur de refroidissement 24, appelé 20 condenseur dans la suite de la description. Ce condenseur permet de transformer la vapeur basse pression détendue qui provient de la turbine en une eau sous forme liquide après son passage au travers de ce condenseur. A titre d'exemple, ce condenseur est formé d'un ensemble de tubes et d'ailettes 25 de refroidissement balayé par un fluide de refroidissement 26 qui traverse le condenseur entre sa face d'entrée et sa face de sortie en refroidissant la vapeur détendue et en la condensant. Ce fluide de refroidissement est ici de l'air extérieur à température ambiante, 30 mais tout autre fluide de refroidissement, comme de l'eau, peut être utilisé pour assurer la condensation de la vapeur. Les différents éléments du circuit sont reliés entre eux par des conduites de circulation de fluide 28, 30, 32, 34 permettant de relier successivement la pompe avec l'évaporateur (conduite 28), l'évaporateur avec la machine de détente (conduite 30), cette machine avec le condenseur (conduite 32) et le condenseur avec la pompe (conduite 34) pour que le fluide de travail, sous forme liquide ou sous forme vapeur, circule selon le sens indiqué par les flèches A. Comme cela est largement connu, ce circuit est relié à un système de contrôle/commande 36 permettant d'assurer sa gestion. Plus particulièrement, ce système de contrôle/commande reçoit des informations sur le fonctionnement de ce circuit. Les informations reçues proviennent essentiellement de capteurs prévus dans ce circuit, comme des capteurs pour la pression ou la température de l'eau (ou de la vapeur d'eau). A partir des informations reçues, le système 36 commande des éléments du circuit pour obtenir la plage de fonctionnement souhaitée. Comme mieux illustré sur la figure unique, la machine de détente 22 est une machine à fonctionnement discontinue et plus particulièrement une machine à piston alternatif. Bien entendu cela n'exclut en aucune autre manière tous les autres types de machine à piston, comme une machine à piston rotatif. La machine de détente illustrée à la figure unique comporte un cylindre 38 à l'intérieur duquel coulisse un piston 40 en un mouvement rectiligne alternatif. Ce piston porte une bielle articulée 42 qui est reliée à un arbre de sortie 44, ici sous la 25 forme d'un vilebrequin. Cet arbre de sortie est connecté par tous moyens connus à un transformateur d'énergie 46. Dans l'exemple illustré, ce transformateur est une génératrice électrique qui transforme l'énergie mécanique provenant du vilebrequin en une énergie électrique. Le cylindre 38 comprend une tubulure d'alimentation 48 qui connecte la 30 conduite vapeur HP 30 avec le volume de travail 50 du cylindre délimité par le haut du piston et les parois de ce cylindre. Ce cylindre comprend également une tubulure d'évacuation 52 qui raccorde le volume de travail 50 avec la conduite vapeur BP 32. Les tubulures portent des moyens d'obturation qui permettent de contrôler la circulation de la vapeur dans chacune des tubulures et par conséquent la masse de vapeur dans le volume de travail 50. La commande de ces moyens est indépendante de la rotation du vilebrequin et aucun lien physique notamment de type mécanique n'est prévu avec ce vilebrequin. Plus précisément, ces moyens d'obturation sont des moyens rapides à commande non mécanique et plus particulièrement des électrovannes 54, 54' avec un temps de réaction très rapide (de l'ordre de 500ps (microseconde) à 5ms (milliseconde)). Ces moyens comprennent un volet multipostions 56, 56' commandé par un actionneur non mécanique, ici un actionneur électrique 58, 58'. Ces actionneurs permettent ainsi de commander ces volets entre une position de pleine ouverture de la tubulure concernée et sa position de pleine fermeture. Ces actionneurs sont contrôlés par le système de contrôle/commande 36 au travers de ligne de commandes 60, 60', ce système recevant des informations sur la position du piston par une ligne de communication 62 connecté à un capteur de position 64 placé sur le vilebrequin. Ainsi, le système de contrôle/commande connaît à tout moment, non seulement, les paramètres de fonctionnement du circuit mais également la position du piston dans le cylindre. Grâce à cela, il est possible de commander, indépendamment de la position du piston, les ouvertures/fermetures des tubulures par les électrovannes 54, 54'. De ce fait, il est possible d'améliorer le rendement de la machine de détente, par optimisation des angles vilebrequin auxquels les volets s'ouvrent et se ferment, en fonction des conditions de fonctionnement du système, notamment du débit et de la température des gaz d'échappement du moteur thermique. De plus, la machine de détente 22 pourra être rendue fonctionnelle sur un débit de vapeur élevé, tout en restant optimisée pour un débit de vapeur plus faible. En outre, le système 36 peut commander une distribution avec une stratégie de croisement au point mort haut du piston 40 avec la circulation de la vapeur à partir de la tubulure d'alimentation vers la tubulure d'évacuation. Cela permet d'éviter l'utilisation d'une vanne de court-circuitage entre les deux tubulures, tout en offrant un meilleur contrôle de la pression d'alimentation. Par cela, il peur être envisagé d'utiliser une machine de détente de petite puissance sur des points à fort débit de vapeur, sans pour autant dégrader son rendement à débit faible. Avant le démarrage à froid de la machine, il est possible de réaliser un balayage du volume de travail 50 par la vapeur en ouvrant simultanément les volets de chaque tubulure. Ce balayage est réalisé lorsque la machine de détente est arrêtée et reste bloquée au point mort bas par la génératrice 46, cette position permettant de maximiser la surface d'échange entre la vapeur et les parois du volume 50. Cela permet la mise en température de l'ensemble de la machine, garantissant l'absence de condensation dans le volume 50 lors de son démarrage ultérieur.20 REVENDICATIONS1) Dispositif de contrôle pour une machine de détente à piston (22) d'un circuit fermé à cycle de Rankine (10), ladite machine comprenant un cylindre (38) à l'intérieur duquel coulisse un piston (40) relié à un arbre de sortie (44), au moins une tubulure d'alimentation (48) de fluide de travail en phase vapeur, au moins une tubulure d'évacuation (52) dudit fluide de travail et des moyens d'obturation (54, 54') desdites tubulures, caractérisé en ce que les moyens d'obturation comprennent des moyens (54, 54') non reliés mécaniquement à l'arbre de sortie (44). 2) Dispositif de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'obturation comprennent des moyens de fermeture/ouverture (56, 56') de la tubulure (48, 52) commandés par un actionneur non mécanique (58, 58'). 3) Dispositif de contrôle selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'actionneur est un actionneur électrique (58, 58'). 4) Dispositif de contrôle selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de fermeture/ouverture comprennent un volet (56, 56'). 20 5) Procédé de contrôle d'une machine de détente à piston (22) d'un circuit fermé à cycle de Rankine (10), ladite machine comprenant un cylindre (38) à l'intérieur duquel coulisse un piston (40) relié à un arbre de sortie (44), au moins une tubulure d'alimentation (48) de fluide de travail en phase vapeur, au moins une 25 tubulure d'évacuation (52) dudit fluide de travail et des moyens d'obturation (54, 54') desdites tubulures, caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler la circulation du fluide de travail en phase vapeur dans les tubulures par des moyens non reliés mécaniquement à l'arbre de sortie (44). 30 6) Procédé de contrôle selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler la circulation du fluide de travail en phase vapeur par des électrovannes (54, 54') commandées par le système de contrôle/commande (36) du circuit. 7) Procédé de contrôle selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il consiste à envoyer au système de contrôle/commande (36) une information sur la position angulaire de l'arbre de sortie (44) pour contrôler la circulation du fluide de 5 travail en phase vapeur dans les tubulures. 8) Procédé de contrôle selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler la circulation du fluide de travail en phase vapeur dans les tubulures (48, 52) pour réaliser un balayage continu du volume de travail de la 10 machine.