Brevet FR3032237A1 — publié le 20160805

DISPOSITIF DE RÉCUPÉRATION D'ÉNERGIE THERMIQUE [0001] L'invention a trait aux systèmes de récupération d'énergie des moteurs à combustion interne et des climatisations dans les véhicules 5 automobiles. [0002] Les constructeurs automobiles ont étudié des solutions pour recycler l'énergie non utilisée des moteurs thermiques. C'est ainsi que diverses solutions ont été mises en place afin de récupérer l'énergie à partir d'un système de refroidissement du moteur thermique et ceci pour 10 alimenter une climatisation ou pour produire de l'électricité. [0003] Le document FR 2 853 016 décrit un dispositif de récupération d'énergie d'un moteur thermique. Le dispositif est muni d'un circuit primaire de récupération de chaleur et d'un circuit secondaire de production de froid. Un tel dispositif présente des carences en termes 15 de rendement. Une partie importante de chaleur n'est pas exploitée par le dispositif recycleur d'énergie, au détriment du circuit secondaire de production de froid. Par conséquent, lorsque la demande en froid est importante, par exemple lors d'une forte charge au niveau d'une climatisation sous des températures extérieures élevées, l'énergie 20 nécessaire pour y répondre sera produite à partir du moteur thermique, grevant les performances du moteur et son rendement global. [0004] Afin de répondre au problème soulevé précédemment, plusieurs objectifs sont poursuivis, pour un système de récupération d'énergie d'un moteur à combustion interne, ces objectifs étant 25 notamment: - l'obtention d'un rendement de récupération d'énergie amélioré, - la réalisation d'une installation recycleuse compacte, - une diminution de la consommation de carburant par le moteur. [0005] A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un dispositif de 30 récupération d'énergie thermique d'un moteur à combustion interne muni d'un circuit de refroidissement et d'une ligne d'échappement comprenant un circuit primaire de récupération de chaleur du circuit de refroidissement et un circuit secondaire de production de froid, le circuit primaire comprenant une pompe primaire couplée au moteur, un 35 condenseur primaire, un évaporateur primaire faisant interface avec le circuit de refroidissement et une machine de détente primaire couplée au moteur, le circuit secondaire comprenant un compresseur secondaire, un évaporateur secondaire, un condenseur secondaire et une machine de détente secondaire, dans lequel le dispositif comprend un circuit tertiaire de récupération de la chaleur issue de gaz d'échappement, ce circuit tertiaire comprenant une pompe tertiaire couplée au moteur, une machine de détente tertiaire couplée au moteur, un évaporateur tertiaire faisant interface avec la ligne d'échappement, un évapo-condenseur tertiaire faisant interface avec le circuit primaire. [0006] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : - la pompe primaire, la machine de détente primaire, la pompe tertiaire, et la machine de détente tertiaire sont montées dans un même bloc ; un même fluide frigorigène circule dans le circuit primaire et dans le circuit secondaire ; - le circuit primaire suit un cycle de Rankine ; le circuit tertiaire suit un cycle de Rankine ; la pompe primaire, la machine de détente primaire, la pompe tertiaire, et la machine de détente tertiaire comprennent chacune une chambre, une biellette et un piston ; - le bloc comprend une belle solidaire d'un arbre, un cavalier solidaire d'une roue dentée et une tige montée en rotation à chacune de ses extrémités, sur la bielle d'une part et sur le cavalier d'autre part ; la bielle comprend une partie mâle et une partie femelle, la partie mâle étant montée coulissante dans la partie femelle. - le dispositif est relié au moteur via la roue dentée. [0007] Il est proposé, en second lieu, un véhicule automobile comprenant un dispositif de récupération d'énergie tel que précédemment décrit. [0008] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement et de manière concrète à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation, laquelle est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un véhicule automobile comprenant un moteur thermique et un dispositif de récupération d'énergie, la figure 2 est une vue en coupe partielle en perspective du dispositif de récupération d'énergie, la figure 3 est une vue schématique illustrant le fonctionnement du dispositif de récupération d'énergie, la figure 4 est une vue en coupe partielle en perspective d'un second mode de réalisation du dispositif de récupération d'énergie, la figure 5 est une vue schématique représentant le mouvement d'un système quatre barres du dispositif de récupération d'énergie, la figure 6 est une vue en perspective d'une bielle réglable du dispositif de récupération d'énergie. [0009] La figure 1 représente un véhicule 1 automobile comprenant un moteur 2 à combustion interne muni d'un dispositif 3 de récupération d'énergie ci-après dénommé, le dispositif 3. Un circuit 4 de refroidissement, visible sur la figure 3, maintient le moteur 2 à une température de fonctionnement prédéterminée. Le véhicule 1 comprend une ligne 5 d'échappement par laquelle sont évacués les gaz d'échappement issus de la combustion du carburant et de l'air. [0010] Le dispositif 3, illustré en coupe partielle sur la figure 2 et schématisé en figure 3 comprend : un circuit 6 primaire de récupération de chaleur du circuit 4 de 20 refroidissement, un circuit 7 secondaire de production de froid, et un circuit 8 tertiaire de récupération de la chaleur issue des gaz d'échappement. [0011] En référence à la figure 3, le circuit 6 primaire comprend : une 25 pompe 9 primaire, un condenseur 10 primaire, un évaporateur 11 primaire faisant interface avec le circuit 4 de refroidissement, et une machine de détente 12 primaire. [0012] Le circuit 7 secondaire comprend : un compresseur 13 secondaire, un évaporateur 14 secondaire, un condenseur 15 30 secondaire, et un détendeur 16 secondaire. Le détendeur 16 secondaire est constitué par exemple d'un tube capillaire qui est placé pour créer un perte de charge. [0013] Le circuit 8 tertiaire comprend : une pompe 17 tertiaire, une machine de détente 18 tertiaire, un évaporateur 19 tertiaire faisant 35 interface avec la ligne 5 d'échappement, et un évapo-condenseur 20 tertiaire faisant interface avec le circuit 6 primaire. [0014] L'évapo-condenseur 20 tertiaire permet d'avoir du côté du circuit 8 tertiaire, une condensation et du côté du circuit 6 primaire, une évaporation. [0015] Le terme "interface" désigne le fait, pour un évaporateur ou un condenseur, de permettre des échanges de chaleur entre deux circuits distincts. Le terme pompe est utilisé quand le fluide de travail est liquide, et le terme compresseur est utilisé quand le fluide de travail est un gaz. [0016] Les fluides caloporteurs dans le circuit 6 primaire et dans le circuit 7 secondaire peuvent être différents, le circuit 6 primaire et le circuit 7 secondaire ne partageant pas un même condenseur. [0017] Dans le mode de réalisation avantageux illustré sur la figure 3, un même fluide caloporteur est utilisé dans le circuit 6 primaire et dans le circuit 7 secondaire. Ce fluide de travail peut être du type organique ou bien constitué de tout fluide qui puisse s'évaporer à une température inférieure à celle du liquide de refroidissement en sortie du moteur 2. C'est ainsi que le circuit 6 primaire et le circuit 7 secondaire partagent un unique condenseur à savoir le condenseur 10 primaire et le condenseur 15 secondaire. [0018] Dans la pompe 9 primaire, le fluide de travail caloporteur à l'état liquide est comprimé puis se dirige vers l'évaporateur 11 primaire lequel fait interface avec le circuit 4 de refroidissement. Le circuit 4 de refroidissement refroidit le moteur 2 et cède la chaleur emmagasinée au fluide organique caloporteur dans l'évaporateur 11 primaire. Le fluide de travail caloporteur est à ce moment à l'état diphasique liquide- gazeux, toutefois il pourrait être liquide si l'apport de chaleur du liquide de refroidissement moteur n'était pas suffisant. Le fluide de travail est à nouveau monté en température dans le l'évapo-condenseur 20 tertiaire qui fait interface entre le circuit 6 primaire et le circuit 8 tertiaire. En sortie de l'évapo-condenseur 20 tertiaire, le fluide organique caloporteur est à l'état gazeux et se dirige vers la machine de détente 12 primaire, il y cède une partie de son énergie. En sortie de la machine de détente 12 primaire, le fluide organique caloporteur rejoint le condenseur 10 primaire qui est aussi le condenseur 15 secondaire afin d'y être liquéfié. En sortie du condenseur 10 primaire, le fluide organique caloporteur est à nouveau comprimé dans la pompe 9 primaire. [0019] Dans le circuit 7 secondaire, lequel est destiné à produire du froid, en particulier pour des besoins de climatisation, le fluide de travail caloporteur est tout d'abord comprimé dans le compresseur 13 secondaire, le fluide de travail caloporteur ainsi comprimé est ensuite condensé dans le condenseur 15 secondaire qui est également ici, le condenseur 10 primaire. Le condenseur 15 secondaire est par exemple un radiateur du type à ailettes refroidi par un ventilateur ou par l'air extérieur s'engouffrant entre les ailettes lorsque le véhicule 1 est en mouvement. Le fluide de travail caloporteur liquéfié dans le condenseur 15 secondaire est détendu dans le détenteur 16 secondaire avant d'être envoyé vers l'évaporateur 14 secondaire. Dans l'évaporateur 14 secondaire, le fluide de travail caloporteur acquiert la chaleur d'un autre fluide plus chaud, de l'air à refroidir par exemple, tout en passant d'un état diphasique liquide-gaz à un état gazeux. Le fluide de travail caloporteur est ensuite à nouveau comprimé dans le compresseur 13 secondaire. [0020] Le circuit 6 primaire et le circuit 8 tertiaire suivent des cycles Rankine, et plus précisément des cycles de Rankine organique. [0021] Dans le circuit 8 tertiaire, lequel est destiné à récupérer la chaleur des gaz d'échappement, circule un fluide caloporteur différent de celui qui circule dans le circuit 6 primaire et dans le circuit 7 secondaire. En l'espèce, le fluide caloporteur dans le circuit 8 tertiaire est l'eau. Le fluide caloporteur est tout d'abord comprimé dans la pompe 17 tertiaire puis évaporé dans l'évaporateur 19 tertiaire en acquérant une partie de la chaleur des gaz d'échappement. Le fluide caloporteur est ensuite détendu dans la machine de détente 18 tertiaire où il cède une partie de son énergie. Le fluide caloporteur en sortie de la machine de détente 18 tertiaire est dans un état diphasique liquide-gaz. Le fluide caloporteur cède à nouveau sa chaleur dans l'évapo- condenseur 20 tertiaire au fluide organique caloporteur du circuit 6 primaire. Le fluide caloporteur est alors à nouveau à l'état liquide et rejoint la pompe 17 tertiaire. [0022] La pompe 9 primaire, la pompe 17 tertiaire, la machine de détente 12 primaire et la machine de détente 18 tertiaire sont montées dans un même bloc 21 unitaire et sont conçues de la même manière à l'exception de leurs dimensions respectives. La pompe 9 primaire, la pompe 17 tertiaire, la machine de détente 12 primaire et la machine de détente 18 tertiaire comprennent une chambre 22, une biellette 23, et un piston 24. [0023] Chaque biellette 23 est montée en rotation à une première extrémité 25 sur son piston 24 respectif. A une deuxième extrémité 26, chaque biellette 23 est montée en rotation sur un bras 27. Il existe autant de bras 27 que de biellette 23, chacun étant solidaire d'un arbre 28 de transmission monté pivotant sur le bloc 21. [0024] Le bloc 21 comprend une bielle 29 solidaire de l'arbre 28 de transmission, un cavalier 30 solidaire d'une roue 31 dentée et une tige 32 montée en rotation à chacune de ses extrémités, sur la bielle 29 et sur le cavalier 30. Le moteur 2 thermique est connecté au bloc 21 via la roue 31 dentée. [0025] La bielle 29, le cavalier 30 et la tige 32 forment un mécanisme communément appelé mécanisme à quatre barres, dans lequel trois des barres sont respectivement définies par la bielle 29, le cavalier 30, et la tige 32, la quatrième barre étant une barre fictive définie entre le point de pivot de la bielle 29 par rapport au bloc 21 et le point de pivot du cavalier 30 par rapport au bloc 21. [0026] Avantageusement, le mouvement des pistons 24 est 20 synchronisé. [0027] Ainsi, lorsque le dispositif 3 est actionné à partir de la roue 31 dentée par le moteur 2 thermique, un mouvement est transmis à l'arbre 28 de transmission par l'intermédiaire du cavalier 30, de la tige 32 et de la bielle 29. Ceci entraîne alors les bras 27 et de ce fait, les pistons 24, 25 lesquels effectuent un mouvement de va et vient dans leur chambre 22 respective. [0028] D'une part, lorsque les pistons 24 correspondant à la pompe 9 primaire et à la pompe 17 tertiaire sont mis en mouvement par le moteur 2, les fluides respectifs dans chaque circuit 6 ,8 sont également 30 mis en mouvement. D'autre part ces fluides en entrant dans chaque machine de détente, restituent une partie de leur énergie. Les pistons 24 des machines de détente 12,18 en poussant sur l'arbre 28 permettent une récupération d'énergie. [0029] Avantageusement, le dispositif 3 offre également la possibilité 35 d'adapter le volume des chambres 22 en modifiant la course des pistons 24. L'adaptation du volume est illustrée sur la figure 5, qui montre le déplacement de la bielle 29, de la tige 32 et du cavalier 30 entre une position minimale (représentée en traits continus) dans laquelle les pistons 24 sont en position basse et une position (représentée en traits pointillés) dans laquelle les pistons 24 sont en position haute. [0030] Un mécanisme quatre barres est représenté par les lignes L21, L30, L29 et L32 portées chacune respectivement par le bloc 21, le cavalier 30, la bielle 29 et la tige 32, la ligne L21 étant la barre fictive. [0031] Sur la figure 5, les angles A et B définissent respectivement l'angle maximal et l'angle minimal admis par la bielle 29 par rapport à un plan P fictif. L'angle C définit, quant à lui, le mouvement de la bielle 29 entre ses deux positions extrêmes. [0032] Les angles A, B et C se calculent comme suit : o A = rr-arccos[(L302+L292-(L32+L30)2)/(2*L21*L29)] o B = rr-arccos[(L302+L292-(L32+L30)2)/(2*L21*L29)] o C = A-B [0033] On remarque alors que la valeur des angles A et B est entièrement dépendante de la valeur des longueurs L21, L30, L29 et L32. Ainsi, la variation de l'une des longueurs L21, L30, L29 et L32 permet de faire varier l'angle C qui est la valeur du débattement de la bielle 29 et, par conséquent, la valeur du déplacement des pistons 24 et donc la valeur du volume des chambres 22. [0034] Ces variations de volumes se font, en faisant varier la course des pistons 24 par variation de la longueur de la bielle 29. Pour ce faire, la bielle 29 comprend une partie 33 mâle montée télescopique dans une partie 34 femelle. Un actionneur (non représenté) permet de modifier la position relative de la partie 33 mâle par rapport à la partie 34 femelle. Le mouvement de la partie 33 mâle par rapport à la partie 34 femelle est représenté sur la figure 6. [0035] L'adaptation du volume des chambres 22 a un effet pratique sur le dispositif 3 de récupération d'énergie. L'énergie disponible à l'échappement ou dans le circuit 4 de refroidissement varie en fonction du régime moteur. Ceci implique que la capacité, pour le dispositif 3, à récupérer de l'énergie varie également en fonction du régime moteur. Dans la mesure où le bloc 21 est couplé au moteur 2 par le biais de la roue 31 dentée, celui-ci tourne à une vitesse proportionnelle de celle du moteur 2. Pour gagner en efficacité énergétique, il est alors possible de moduler, par réglage de la course des pistons 24, le débit dans le circuit 6 primaire et dans le circuit 8 tertiaire. A faible régime moteur, le débit sera diminué et inversement. [0036] Dans ce qui suit, il sera fait une comparaison entre un dispositif 3 dans lequel la récupération de chaleur du circuit 8 tertiaire et du circuit 6 primaire se fait sur deux boucles séparées et un dispositif 3 dans lequel la récupération de chaleur du circuit 8 tertiaire et du circuit 6 primaire se fait sur une même boucle comme c'est le cas dans le dispositif 3 décrit. [0037] En d'autres termes, dans le dispositif précédemment décrit, le circuit 8 tertiaire fournit un apport de chaleur au circuit 6 primaire d'une part et permet au dispositif 3 de récupération d'énergie, de générer un travail via la machine de détente 18 tertiaire d'autre part. [0038] Afin d'effectuer la comparaison, on définit les données suivantes : - une puissance mécanique P1 produite avec un rendement n1 sur le circuit 8 tertiaire, P1 = T1 .n1 ; une puissance thermique T1 récupérée des gaz d'échappement, une puissance thermique 13 rejetée dans l'évapo-condenseur 20 tertiaire, 13 = T1.(1-n1) ; une puissance mécanique P2 produite avec un rendement n2 sur le circuit 6 primaire, P2 = T2.n2 ; une puissance thermique 12 récupérée sur le liquide de refroidissement, - une puissance thermique 14 rejetée via le condenseur 10 primaire à l'air ambiant, 14 = T2.(1-n2) [0039] Lorsque la récupération se fait en boucle séparée, la puissance mécanique produite sur le circuit tertiaire et sur le circuit primaire s'écrit donc : P1 + P2 = Tl. n1 + T2. n2 (équation 1) et la puissance thermique rejetée au condenseur tertiaire et au condenseur primaire s'écrit : T3 + T4 = Ti. (1 - n1) + T2. (1 - n2) (équation 2) [0040] Lorsque récupération se fait sur une même boucle, la puissance mécanique produite sur le circuit 8 tertiaire et sur le circuit 6 primaire s'écrit : P1 + P2 = Ti. n1 + T2. n2 + Ti. n2 - Ti. ni. n2 (équation 3) et la puissance thermique rejetée au condenseur primaire, puisque dans ce cas c'est la seule énergie perdue, s'écrit : T4 = Ti. (1 - n1) + T2. (1 - n2) - Ti. n2. (1 - n1) (équation 4) [0041] Ainsi, la puissance mécanique récupérée lorsque la récupération d'énergie se fait sur une même boucle est supérieure à la puissance mécanique récupérée lorsque la récupération d'énergie se fait sur des boucles séparées. La puissance thermique perdue inutilement lorsque la récupération d'énergie se fait sur une même boucle est inférieure à la puissance thermique perdue inutilement lorsque la récupération d'énergie se fait sur des boucles séparées. [0042] Des tests sur banc moteur ont démontré que la récupération thermique sur le circuit de refroidissement est d'environ 6% et la récupération thermique sur l'échappement est d'environ 13 (3/0 sur des boucles séparées. La récupération correspond à la somme soit environ 18%. D'un autre côté, ces tests ont démontré qu'une récupération thermique sur une même boucle permet d'atteindre environ 23 `Vo. La récupération thermique est donc plus efficace sur une même boucle. [0043] Dans un deuxième mode de réalisation, représenté en figure 4, le bloc 21 est scindé en deux parties distinctes. Les pistons sont ainsi en opposition, c'est-à-dire, lorsque les pistons d'une première partie 35 sont en position haute, les pistons d'une deuxième partie 36 sont en position basse et inversement. [0044] Le présent dispositif apporte de nombreux avantages parmi lesquels : - un rendement global du dispositif recycleur d'énergie amélioré, - un dispositif compact grâce notamment à l'utilisation d'un bloc 21 unitaire, - un dispositif permettant des économies de carburant au bénéfice du rendement global du groupe motopropulseur.30 REVENDICATIONS1. Dispositif (3) de récupération d'énergie thermique d'un moteur (2) à combustion interne muni d'un circuit (4) de refroidissement et d'une ligne (5) d'échappement comprenant un circuit (6) primaire de récupération de chaleur du circuit (4) de refroidissement et un circuit (7) secondaire de production de froid, le circuit (6) primaire comprenant une pompe (9) primaire couplée au moteur (2), un condenseur (10) primaire, un évaporateur (11) primaire faisant interface avec le circuit (4) de refroidissement et une machine de détente (12) primaire couplée au moteur (2), le circuit (7) secondaire comprenant un compresseur (13) secondaire, un évaporateur (14) secondaire, un condenseur (15) secondaire et une machine de détente (16) secondaire, caractérisé en ce que le dispositif (3) comprend un circuit (8) tertiaire de récupération de la chaleur issue de gaz d'échappement ce circuit (8) tertiaire comprenant une pompe (17) tertiaire couplée au moteur (2), une machine de détente (18) tertiaire couplée au moteur (2), un évaporateur (19) tertiaire faisant interface avec la ligne (5) d'échappement, un évapo-condenseur (20) tertiaire faisant interface avec le circuit (6) primaire. 2. Dispositif (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe (9) primaire, la machine de détente (12) primaire, la pompe (17) tertiaire, et la machine de détente (18) tertiaire sont montées dans un même bloc (21). 3. Dispositif (3) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pompe (9) primaire, la pompe (17) tertiaire, la machine de détente (12) primaire et la machine de détente (18) tertiaire comprennent chacune une chambre (22), une biellette (23) et un piston (24). 4. Dispositif (3) selon la revendications 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le bloc (21) comprend une bielle (29) solidaire d'un arbre (28), un cavalier (30) solidaire d'une roue (31) dentée et une tige (32) montée en rotation à chacune de ses extrémités, sur la bielle (29) d'une part et sur le cavalier (30) d'autre part. 5. Dispositif (3) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bielle (29) comprend une partie (33) mâle et une partie (34) femelle, la partie (33) mâle étant montée coulissante dans la partie (34) femelle. 6. Dispositif (3) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le dispositif est relié au moteur (2) via la roue (31) dentée. 7. Dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que un même fluide frigorigène circule dans le circuit (6) primaire et dans le circuit (7) secondaire. 8. Dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit (6) primaire suit un cycle de Rankine. 9. Dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit (8) tertiaire suit un cycle de Rankine. 10. Véhicule automobile comprenant un dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes.