Brevet FR3006947A1 — publié le 20141219

ARCHITECTURE DE VEHICULE AUTOMOBILE OPTIMISANT L'UTILISATION D'UNE ENERGIE RECUPEREE PAR UN SYSTEME A CYCLE THERMODYNAMIQUE DE RANKINE [0001] L'invention porte sur une architecture de véhicule automobile optimisant l'utilisation d'une énergie récupérée par un système à cycle thermodynamique de Rankine. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les véhicules munis d'un moteur à combustion interne, ce qui englobe les véhicules utilisant exclusivement une énergie thermique de traction ainsi que les véhicules hybrides combinant l'utilisation d'une énergie thermique et d'une énergie électrique de traction. [0002] Comme cela ressort de la figure 1 montrant la répartition de l'énergie produite par une motorisation à combustion interne, seulement 20% de l'énergie sont réellement transmis au véhicule; plus de 20% correspondent à de l'énergie mécanique perdue (environ 20% de pertes moteur, 5% de pertes dans la boîte de vitesses, et 2% de pertes de pompage), tandis que plus de 50% de l'énergie dégagée par le moteur sont perdus sous forme de chaleur d'échappement et d'eau. [0003] De façon connue en soi, cette chaleur rejetée par les moteurs thermiques de véhicule peut être récupérée et partiellement reconvertie en puissance mécanique ou électrique grâce à l'utilisation d'un système à cycle thermodynamique de Rankine référencé 1 sur la figure 2. Une telle récupération d'énergie permet de réduire sensiblement la consommation énergétique du véhicule en hydrocarbures ainsi que les émissions de particules polluantes. [0004] A cet effet, les gaz d'échappement G du moteur thermique sont utilisés comme source de chaleur pour transformer un liquide, tel que de l'eau, comprimé provenant d'une pompe 2 en vapeur dans un évaporateur 3. L'évaporateur 3 prend par exemple la forme d'un échangeur eau/gaz d'échappement dans lequel les gaz d'échappement cèdent des calories à l'eau. La vapeur surchauffée à haute pression est détendue au travers d'un expanseur 4 prenant la forme d'une turbine fournissant ainsi un travail récupérable sur un arbre rotatif. Cette énergie peut être utilisée directement pour entraîner mécaniquement un organe, ou être convertie en électricité via l'utilisation d'un alternateur. [0005] La vapeur d'eau est ensuite ramenée à son état liquide initial dans un condenseur 5 qui la refroidit. Le condenseur 5 peut être constitué d'un échangeur de chaleur apte à coupler thermiquement l'eau de la boucle avec de l'air ou tout autre fluide F de refroidissement. La puissance thermique à dissiper dans le condenseur 5 peut le cas échéant être utilisée pour chauffer un habitacle ou un organe par exemple. [0006] Lorsque l'expanseur 4 est mécaniquement connecté à un alternateur, ce dernier produit un courant électrique destiné à la consommation électrique du véhicule ainsi qu'à la recharge d'au moins un dispositif de stockage du véhicule. Lorsque le dispositif de stockage est complètement chargé, il peut se présenter des situations de vie durant lesquelles l'énergie mécanique produite par l'expanseur est trop importante vis-à-vis de la consommation électrique du véhicule. Il existe donc le besoin d'utiliser ce surplus énergie mécanique à d'autres escients. [0007] L'invention vise à répondre efficacement à ce besoin en proposant une architecture pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte un expanseur appartenant à un système à cycle thermodynamique de Rankine apte à récupérer une énergie contenue dans des gaz d'échappement émis par le véhicule, ledit expanseur étant lié mécaniquement à un alternateur apte à fournir une énergie électrique utilisée pour une alimentation d'équipements électriques du véhicule ou stockée au préalable dans au moins un dispositif de stockage d'énergie, ainsi qu'un organe résistif d'un module thermique apte à assurer un confort thermique dans un habitacle du véhicule lié mécaniquement avec un organe d'entraînement, et en ce qu'elle comporte en outre un embrayage relié d'une part audit organe résistif et d'autre part audit expanseur dudit système à cycle de Rankine, ainsi qu'un dispositif de commande dudit embrayage en fonction d'un niveau de charge dudit dispositif de stockage d'énergie. [0008] Ainsi, en couplant mécaniquement l'expanseur à l'organe résistif via l'embrayage, l'invention permet d'utiliser l'énergie perdue dans les gaz d'échappement pour permettre notamment, quand cela est autorisé par le niveau de charge du dispositif de stockage, la réfrigération de l'habitacle sans apport ou prélèvement énergétique. En outre, l'invention permet d'assurer un entraînement de l'organe résistif en toute circonstance pour assurer le confort thermique de l'habitacle. [0009] Selon une réalisation, ledit organe résistif dudit module thermique est un système magnétocalorique. [0010] Selon une réalisation, ledit dispositif de commande est apte à commander une fermeture dudit embrayage lorsque le niveau de charge dudit dispositif de stockage d'énergie est supérieur à un premier seuil. [0011] Selon une réalisation, ledit dispositif de commande est apte à commander une ouverture dudit embrayage lorsque le niveau de charge dudit dispositif de stockage d'énergie est inférieur à un deuxième seuil. [0012] Selon une réalisation, lesdits premier et deuxième seuils sont différents de manière à avoir un fonctionnement de type hystérésis. [0013] Selon une réalisation, un écart entre les deux seuils est suffisant pour limiter une usure de l'embrayage. [0014] Selon une réalisation, ledit organe d'entraînement est une machine électrique. [0015] Selon une réalisation, ledit expanseur est accouplé avec ledit alternateur via une liaison mécanique permanente. [0016] Selon une réalisation, ledit organe d'entraînement est accouplé avec ledit organe résistif via une liaison mécanique permanente. [0017] L'invention a également pour objet un véhicule automobile intégrant une architecture selon l'invention. [0018] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0019] La figure 1, déjà décrite, représente un diagramme de la répartition de l'énergie produite par une motorisation à combustion interne; [0020] La figure 2 montre une représentation schématique d'un système de récupération d'énergie à cycle thermodynamique de Rankine d'un moteur à combustion interne ; [0021] La figure 3 est représentation schématique d'une architecture optimisant l'utilisation de l'énergie récupérée par le système à cycle de Rankine selon l'invention; [0022] La figure 4 montre un diagramme temporel des phases de fonctionnement de l'architecture de la figure 3 en fonction d'un niveau de charge du dispositif de stockage d'énergie électrique du véhicule. [0023] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0024] La figure 3 montre une architecture 10 selon l'invention optimisant l'utilisation d'une énergie produite par le système 1 à cycle thermodynamique de Rankine précédemment décrit. A cet effet, l'expanseur 4 du système 1 prenant la forme d'une turbine est accouplée mécaniquement à un alternateur 12 pour alimenter des équipements électriques du véhicule (paliers électromagnétiques, ouvrants, système de dégivrage, ...). Cet accouplement est effectué de préférence via une liaison mécanique permanente 13. L'énergie produite par l'alternateur 12 pourra également être stockée dans un ou plusieurs dispositifs 15 de stockage prenant typiquement la forme de batteries. [0025] Par ailleurs, un organe 16 assure un entraînement d'un organe résistif 18 d'un module thermique (dispositif de chauffage, climatisation, tempérage, tc..) apte à assurer un confort thermique dans un habitacle du véhicule. L'accouplement entre l'organe d'entraînement 16 et l'organe résistif 18 est réalisé de préférence via une liaison mécanique permanente 17. [0026] De préférence, l'organe résistif 18 du module thermique est un système de réfrigération par magnétocalorie; tandis que l'organe d'entraînement 16 est constitué par une machine électrique. L'organe d'entraînement 16 du système magnétocalorique 18 pourra alternativement être de type mécanique en prenant par exemple la forme d'un système à courroie accouplant le système magnétocalorique 18 à la façade du moteur thermique. L'organe d'entraînement 16 pourra également être de type hydraulique ou de tout autre type adapté à l'application. [0027] Il est à noter que le système magnétocalorique 18 est particulièrement bien adapté aux véhicules hybrides à fortes dominantes électriques. Un tel système décrit par exemple dans le document FR2922999 est basé sur l'entraînement d'un rotor dans un stator comprenant un matériau magnétocalorique. Le rotor est composé alternativement d'aimants permanents de polarités opposées et de zones non-aimantées. L'entraînement du rotor va générer des variations de sollicitation magnétique du stator qui sera successivement échauffé puis refroidi. La circulation synchronisée d'un fluide va permettre l'échauffement de la source chaude lorsque l'élément magnétocalorique sera soumis au champ magnétique et le refroidissement de la source froide lorsqu'il sera désaimanté. [0028] Ce type de réfrigération nécessite une puissance d'entraînement relativement importante et possède en théorie un excellent coefficient de performance (COP) d'environ 2.5 au lieu de 2 pour un système de réfrigération par compresseur de fluide frigorigène. On se référera au document FR-2 922 999 pour plus de détails sur le fonctionnement d'un tel système. [0029] En outre, un embrayage 21 est relié d'une part au système magnétocalorique 18 et d'autre part à l'arbre de l'expanseur 4. Un dispositif de commande 22 est apte à assurer la commande de l'ouverture et de la fermeture de l'embrayage 21 en fonction d'un niveau de charge Nch des batteries 15. [0030] On décrit ci-après, en référence avec la figure 4, les différentes phases de fonctionnement P1-P3 de l'architecture 10. [0031] Durant une première phase P1, l'embrayage 21 étant ouvert, l'expanseur 4 entraîne l'alternateur 12 qui produit alors un courant assurant une recharge des batteries 15 en sorte que leur niveau de charge Nch augmente. Pendant cette phase P1, le système magnétocalorique 18 est entraîné par l'organe 16. Si le système magnétocalorique 18 est entraîné par une machine électrique 16, il convient que la consommation électrique globale du véhicule (intégrant la consommation du système magnétocalorique 18) soit inférieure à l'énergie produite par le système 1 à cycle thermodynamique de Rankine. [0032] Au cours d'une phase P2, lorsque le niveau de charge Nch des batteries 15 dépasse un premier seuil maximum S1, le dispositif de commande 22 assure une fermeture de l'embrayage 21 pour accoupler l'expanseur 4 et le système magnétocalorique 18. L'entraînement du système magnétocalorique 18 via la machine électrique 16 est alors désactivé en sorte que la consommation de cette dernière va nettement diminuer. L'énergie mécanique nécessaire à l'entraînement du système magnétocalorique 18 est fournie par l'expanseur 4. On sera ainsi en mesure de fournir les besoin de réfrigération du véhicule grâce à la puissance perdue dans l'échappement. [0033] Dans le cas où l'énergie mécanique nécessaire au fonctionnement du système magnétocalorique 18 est inférieure à ce que produit l'expanseur 4, il est possible de prélever une partie de l'énergie produite par l'expanseur 4 via l'alternateur 12 pour fournir de l'énergie au réseau de bord. Il est ainsi possible d'assurer le confort thermique de l'habitacle et d'alimenter le réseau de bord sans prélever d'énergie dans les batteries 15. [0034] Dans une troisième phase P3 de fonctionnement, quand le niveau de charge Nch des batteries 15 passe en dessous d'un seuil minimal S2 inférieur au seuil S1, l'expanseur 4 sera dédié à la recharge des batteries 15. En conséquence, le dispositif de commande 22 assure l'ouverture de l'embrayage 21 pour maximiser le travail du générateur de l'expanseur 4 pour recharger les batteries 15. Durant cette phase, l'entraînement du système magnétocalorique 18 est ainsi assuré par la machine électrique 16. [0035] Le choix des deux niveaux de seuils Si, S2 est calibré en sorte que l'hystérésis entre les deux seuils Si, S2 est suffisant pour limiter l'utilisation de l'embrayage 21 et donc son usure. Ainsi, dans un exemple de mise en oeuvre, le premier seuil maximal S1 du niveau de charge des batteries 15 est compris entre 70 et 80%, tandis que le deuxième seuil minimal S2 du niveau de charge est compris entre 30 et 40%. Les seuils de batterie minimal et maximal peuvent évoluer pendant la vie de la batterie. Il est donc possible de faire évoluer ces seuils en fonction du kilométrage du véhicule. [0036] Le système magnétocalorique 18 sera également entraîné par la machine électrique 16 pendant une phase de convergence thermique de la boucle de Rankine. Cette phase de convergence correspond à la période nécessaire pour que la puissance thermique à l'échappement permette d'entraîner l'expanseur 4 à un régime et à une puissance mécanique suffisante pour assurer la réfrigération de l'habitacle. [0037] Bien entendu, l'homme du métier pourra apporter des modifications à l'architecture précédemment décrite sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, en variante, l'organe résistif 18 du module thermique est un compresseur de climatisation. En variante également, le premier S1 et le deuxième seuil S2 sont identiques. [0038] Alternativement, l'alternateur 12 assure en outre une alimentation d'un compresseur électrique de suralimentation pour soutenir le turbocompresseur dans la zone à faible charge. L'alternateur 12 pourra également servir à alimenter un volant d'inertie accouplé au moteur thermique. [0039] L'expanseur 4 pourra également être accouplé mécaniquement au moteur thermique via la façade moteur pour injecter de la puissance mécanique et/ou au train arrière d'une transmission à variation continue (CVT) pour entraîner ledit train arrière. [0040] Par ailleurs, la ligne d'échappement pourra comporter des moyens de catalyse pour favoriser la surchauffe de la vapeur d'eau de l'évaporateur qui est traversé par au moins une partie des gaz d'échappement. REVENDICATIONS1. Architecture pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte un expanseur (4) appartenant à un système (1) à cycle thermodynamique de Rankine apte à récupérer une énergie contenue dans des gaz d'échappement émis par le véhicule, ledit expanseur (4) étant lié mécaniquement à un alternateur (12) apte à fournir une énergie électrique utilisée pour une alimentation d'équipements électriques du véhicule ou stockée au préalable dans au moins un dispositif de stockage d'énergie (15), ainsi qu'un organe résistif (18) d'un module thermique apte à assurer un confort thermique dans un habitacle du véhicule lié mécaniquement avec un organe d'entraînement (16), et en ce qu'elle comporte en outre un embrayage (21) relié d'une part audit organe résistif (18) et d'autre part audit expanseur (4) dudit système à cycle de Rankine, ainsi qu'un dispositif de commande (22) dudit embrayage (21) en fonction d'un niveau de charge dudit dispositif de stockage d'énergie (15). 2. Architecture selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit organe résistif (18) dudit module thermique est un système magnétocalorique (18). 3. Architecture selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit dispositif de commande (22) est apte à commander une fermeture dudit embrayage (21) lorsque le niveau de charge (Nch) dudit dispositif de stockage d'énergie (15) est supérieur à un premier seuil (Si). 4. Architecture selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit dispositif de commande (22) est apte à commander une ouverture dudit embrayage (21) lorsque le niveau de charge (Nch) dudit dispositif de stockage d'énergie (15) est inférieur à un deuxième seuil (S2). 5. Architecture selon les revendications 3 et 4, caractérisée en ce que lesdits premier (51) et deuxième seuils (S2) sont différents de manière à avoir un fonctionnement de type hystérésis. 6. Architecture selon la revendication 5, caractérisée en ce que un écart entre les deux seuils (51, S2) est suffisant pour limiter une usure de l'embrayage (21). 7. Architecture selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit organe d'entraînement (16) est une machine électrique. 8. Architecture selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit expanseur (4) est accouplé avec ledit alternateur (12) via une liaison mécanique permanente (13). 9. Architecture selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit organe d'entraînement (16) est accouplé avec ledit organe résistif (18) via une liaison mécanique permanente (17). 10. Véhicule automobile intégrant une architecture selon l'une des revendications précédentes.