Brevet FR3031363A1 — publié le 20160708

DISPOSITIF DE RÉCUPÉRATION D'ÉNERGIE THERMIQUE [0001] L'invention a trait aux systèmes de récupération d'énergie des moteurs à combustion interne et de climatisation dans les véhicules 5 automobiles. [0002] Les constructeurs automobiles ont étudié des solutions pour recycler l'énergie non utilisée sur les moteurs thermiques. C'est ainsi que diverses solutions ont été mises en place afin de récupérer l'énergie sur les gaz d'échappement, ou encore sur le système de 10 refroidissement pour alimenter une climatisation, ou bien pour produire de l'électricité. [0003] Le document JP 2007-138715 propose un dispositif de récupération d'énergie d'un moteur thermique du type cycle de Rankine. Le dispositif est muni d'un circuit de récupération d'énergie comprenant 15 un compresseur comprimant un fluide et une machine de détente de ce fluide. Le compresseur et la machine de détente se présentent sous la forme d'une chambre dans laquelle coulisse un piston, une bielle reliant le piston à un arbre de transmission. Le piston de la machine de détente est entraîné par le fluide (en l'espèce les gaz d'échappement), 20 lequel permet d'entraîner à son tour l'arbre de transmission grâce à la bielle. En sortie du moteur, les gaz d'échappement sont refroidis une première fois dans un premier échangeur de chaleur, puis une seconde fois dans un deuxième échangeur de chaleur avant de rejoindre le compresseur. Une fois comprimés, les gaz d'échappement sont 25 réchauffés dans le premier échangeur de chaleur par les gaz d'échappement sortant du moteur thermique. Les gaz d'échappement ainsi réchauffés rejoignent la machine de détente où ils cèdent leur énergie avant d'être renvoyés vers la sortie d'échappement du moteur thermique. La machine de détente entraîne ainsi l'arbre de 30 transmission, ceci permettant de recycler une partie de l'énergie thermique perdue du moteur. [0004] De nos jours, les véhicules automobiles sont, en général, équipés d'un système de climatisation de l'habitacle. Le système de climatisation s'apparente à une pompe à chaleur. Il comprend un 35 compresseur, un évaporateur, un condenseur et un détendeur. Sur la majeure partie des véhicules automobiles, ce compresseur est couplé mécaniquement à la machine de détente d'un dispositif de récupération d'énergie du moteur thermique. Le compresseur du système de climatisation fonctionne lorsque la machine de détente fonctionne également. C'est ainsi que le compresseur permet de comprimer un fluide frigorigène dans un circuit de climatisation distinct de celui de la récupération d'énergie. Le fluide ainsi comprimé rejoint l'évaporateur où il prélève la chaleur de l'air extérieur à destination de l'habitacle. [0005] De tels agencements ont donné satisfaction depuis de nombreuses années. Toutefois, l'utilisation de dispositifs de récupération d'énergie et de systèmes de climatisation distincts l'un de l'autre présente de nombreux inconvénients parmi lesquels un surpoids et un encombrement importants. [0006] Un premier objectif est de limiter l'encombrement du dispositif de récupération d'énergie et du système de climatisation. [0007] Un deuxième objectif est de réduire le poids de ces dispositifs de récupération d'énergie thermique. [0008] Un troisième objectif est d'augmenter l'efficacité de la récupération d'énergie dans de tels dispositifs. [0009] A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un dispositif comprenant : - un circuit de récupération d'énergie muni d'une chambre primaire de compression et une chambre de détente, - un arbre de transmission, - un piston primaire monté coulissant dans la chambre primaire de compression, - une biellette primaire reliant le piston primaire à l'arbre de transmission, - un piston de détente monté coulissant dans la chambre de détente, - une biellette de détente reliant le piston de détente à l'arbre de transmission, le dispositif comprenant, en outre : - un circuit de climatisation comprenant une chambre secondaire de compression, - un piston secondaire monté coulissant dans la chambre secondaire de compression, - une biellette secondaire reliant le piston secondaire à l'arbre de transmission, la chambre primaire de compression, la chambre de détente et la chambre secondaire de compression étant formées dans un même bloc. [0010] Un tel dispositif permet notamment de réduire significativement le poids et l'encombrement des installations dans le véhicule automobile, ceci au bénéfice des performances du véhicule. [0011] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : - un fluide frigorigène circule dans le circuit de récupération d'énergie et dans le circuit de climatisation ; - le circuit de récupération d'énergie est un cycle de Rankine ; - le circuit de récupération d'énergie comprend un condenseur Rankine et un évaporateur Rankine, l'évaporateur Rankine permettant un échange de chaleur avec un circuit de chaleur ; - le circuit de climatisation comprend un évaporateur et un condenseur ; - le dispositif comprend une bielle solidaire de l'arbre de transmission, 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 reliant ainsi ces derniers ; - le dispositif est relié à un moteur thermique via la roue dentée ; - la bielle comprend une partie mâle et une partie femelle, la partie mâle étant montée coulissante dans la partie femelle ; - le dispositif comprend un actionneur apte à modifier la position relative de la partie mâle par rapport à la partie femelle, ceci permettant de modifier la course des pistons afin de modifier le débit du fluide frigorigène dans le circuit de climatisation et le circuit de récupération d'énergie. [0012] Il est proposé, en second lieu, un véhicule automobile comprenant un dispositif de récupération d'énergie tel que précédemment décrit. [0013] 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 35 automobile comprenant un moteur thermique et un dispositif de récupération d'énergie ; la figure 2 est une 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 perspective d'une variante du dispositif de récupération d'énergie ; la figure 5 est une vue en perspective d'une bielle réglable du dispositif de récupération d'énergie ; la figure 6 est une vue schématique représentant le mouvement d'un système quatre barres du dispositif de récupération d'énergie ; la figure 7 une vue en schématique illustrant le fonctionnement du dispositif de récupération d'énergie selon une autre variante. [0014] 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. [0015] Le dispositif 3, illustré en coupe partielle sur la figure 2 et schématisé en figure 3, comprend un circuit 4 de récupération d'énergie muni : - d'une chambre 5 primaire de compression, d'un piston 6 primaire monté coulissant dans la chambre 5 primaire de compression, d'une biellette 7 primaire, d'une chambre 8 de détente, - d'un piston 9 de détente monté coulissant dans la chambre 8 de détente, d'une biellette 10 de détente. [0016] Le dispositif 3 comprend, par ailleurs, un circuit 11 de climatisation muni : - d'une chambre 12 secondaire de compression, d'un piston 13 secondaire monté coulissant dans la chambre 12 secondaire de compression, et d'une biellette 14 secondaire. [0017] Les chambres 5, 8, 12 sont toutes disposés dans un bloc 15, unitaire. [0018] Les biellettes 7, 10, 14 primaire, de détente et secondaire sont respectivement montées en rotation, à une première extrémité 16, sur les pistons 6, 9, 13 primaire, de détente et secondaire. A une deuxième extrémité 17, les biellettes 7, 10, 14 primaire, de détente et secondaire sont également montées en rotation sur un bras 18. Il existe autant de bras 18 que de biellettes 7, 10, 14, chacun étant solidaire d'un arbre 19 de transmission monté pivotant sur le bloc 15. [0019] Le dispositif 3 comprend une bielle 20 solidaire de l'arbre 19 de transmission, un cavalier 21 solidaire d'une roue 22 dentée et une tige 23 montée en rotation à chacune de ses extrémités, sur la bielle 20 et sur le cavalier 21 reliant ainsi ces derniers. Le moteur 2 thermique est connecté au dispositif 3 via la roue 22 dentée. [0020] La bielle 20, le cavalier 21 et la tige 23 forment un mécanisme communément appelé mécanisme à quatre barres dans lequel trois des barres sont respectivement définies par la bielle 20, le cavalier 21, et la tige 23, la quatrième barre étant une barre fictive définie entre le point de pivot de la bielle 20 par rapport au bloc 15 et le point de pivot du cavalier 21 par rapport au bloc 15. [0021] Avantageusement, les pistons 6, 9, 13 primaire, de détente et secondaire sont synchronisés. [0022] Ainsi, lorsque le dispositif 3 est actionné à partir de la roue 22 dentée par le moteur 2 thermique, un mouvement est transmis à l'arbre 19 de transmission par l'intermédiaire du cavalier 21, de la tige 23 et de la bielle 20. Ceci entraîne alors les bras 18 et de ce fait, les pistons 6, 9, 13, lesquels effectuent un mouvement de va et vient dans leur chambre respective. [0023] En référence à la figure 3, le circuit 4 de récupération d'énergie comprend, outre la chambre 5 primaire et la chambre 8 de détente, un condenseur 24 Rankine et un évaporateur 25 Rankine. Le circuit 4 de récupération d'énergie est du type cycle de Rankine. L'évaporateur 25 Rankine se présente sous la forme d'un échangeur de chaleur, permettant un échange thermique entre le circuit 4 de récupération d'énergie et un circuit 26 de chaleur. Dans un véhicule 1 automobile, il existe plusieurs endroits où il est possible de récupérer de la chaleur. Par exemple le circuit 26 de chaleur peut correspondre au circuit de refroidissement du moteur 2 thermique ou encore à la ligne d'évacuation des gaz d'échappement. [0024] La récupération d'énergie va dans ce qui suit être expliquée. Un fluide frigorigène circule dans le circuit 4 de récupération d'énergie. Afin de pouvoir fonctionner, le dispositif 3 doit être actionné à l'aide du moteur 2 thermique au niveau de la roue 22 dentée. Ceci permet de lancer le mouvement des pistons. Le fluide frigorigène est alors comprimé dans la chambre 5 primaire de compression, et le fluide ainsi comprimé se dirige vers l'évaporateur 25 Rankine où il prélève la chaleur du circuit de refroidissement ou de la ligne d'échappement. Le fluide ainsi réchauffé et en phase gazeuse rejoint ensuite la chambre 8 de détente où il cède une partie de son énergie. En conséquence, le piston 9 de détente est mis en mouvement et celui-ci contribue au mouvement de l'arbre 19 de transmission. Le fluide frigorigène détendu est par la suite liquéfié dans le condenseur 24 Rankine et enfin renvoyé vers la chambre 5 primaire de compression. [0025] En parallèle, le dispositif 3 de récupération d'énergie fait fonctionner le circuit 11 de climatisation. Dans le circuit 11 de climatisation, une pompe à chaleur comprend, outre la chambre 12 secondaire de compression, un évaporateur 27, un condenseur 28 et un détendeur 29. Le piston 13 secondaire est mis en mouvement lorsque l'arbre 19 de transmission effectue son mouvement. En d'autres termes, lorsque le moteur 2 thermique est en fonctionnement, le piston 13 secondaire comprime un fluide frigorigène, lequel rejoint le condenseur 28, puis le détendeur 29 et enfin l'évaporateur 27. Dans l'évaporateur 27, le fluide prélève la chaleur de l'air destiné à être envoyé dans l'habitacle. C'est ainsi que l'air est climatisé. [0026] A chaque mouvement retour du piston 9 de détente, du haut vers le bas, celui-ci pousse sur l'arbre 19 de transmission. C'est ainsi que l'énergie est récupérée. La roue 22 dentée offre moins de résistance lorsque le piston 9 de détente se déplace du haut vers le bas puisqu'une partie du couple nécessaire pour permettre le mouvement de l'arbre 19 de transmission est apportée par le piston 9 de détente lors de sa descente, autrement dit lors de l'opération de détente du fluide frigorigène dans le circuit 4 de récupération d'énergie. Le travail du piston 9 de détente permet d'entraîner le piston 6 primaire mais également le piston 13 secondaire. [0027] Dans l'hypothèse où la puissance générée par la chambre 8 de détente ne suffit pas pour entraîner l'arbre 19 de transmission, notamment lorsque les chambre 5 primaire de compression et chambre 12 secondaire de compression requièrent une forte charge, et/ou que le recyclage au niveau de la chambre 8 de détente est faible, le moteur 2 thermique assure l'entraînement de l'arbre 19 de transmission. A l'inverse, lorsque la puissance produite au niveau du piston 9 de détente est excédentaire, celle-ci sera injectée sur le moteur 2 thermique via la roue 22 dentée ou encore via une courroie accessoire (non représentée). L'assistance du piston 9 de détente au moteur 2 thermique, permet un gain en consommation de carburant. [0028] Le dispositif 3 offre également la possibilité d'adapter le volume des chambres en modifiant la course des pistons. L'adaptation du volume est illustrée sur la figure 6, qui montre le déplacement de la bielle 20, de la tige 23 et du cavalier 21 entre une position minimale (représentée en traits continus) dans laquelle les pistons sont en position basse et une position maximale (représentée en traits pointillés) dans laquelle les pistons sont en position haute. [0029] Le mécanisme quatre barres est représenté par les lignes L15, L21, L20 et L23 portées chacune respectivement par le bloc 15, le cavalier 21, la bielle 20 et la tige 23, la ligne L15 étant la barre fictive. [0030] Sur la figure 6, les angles A et B définissent respectivement l'angle maximal et l'angle minimal admis par la bielle 20 par rapport à un plan P fictif. L'angle C définit, quant à lui, le mouvement de la bielle 20 entre ses deux positions extrêmes. [0031] Les anglais A, B et C se calculent comme suit : o A = rr-arccos[(L152+L202-(L23+L21)2)/(2*L15*L20)] o B = rr-arccos[(L152+L202-(L23+L21)2)/(2*L15*L20)] o C = A-B [0032] On remarque alors que la valeur des angles A et B est entièrement dépendante de la valeur des longueurs L15, L21, L20 et L23. Ainsi, la variation de l'une des longueurs L15, L21, L20 et L23 permet de faire varier l'angle C qui est la valeur du débattement de la bielle 20 et, par conséquent, la valeur du déplacement des pistons et donc la valeur du volume des chambres 5, 8, 12. [0033] L'adaptation du volume des chambres 5, 8, 12 a un effet pratique sur le dispositif 3 de récupération d'énergie. L'énergie disponible à l'échappement ou dans le circuit 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 dispositif 3 est couplé au moteur 2 thermique par le biais de la roue 22 dentée, celui-ci tourne à une vitesse proportionnelle de celle du moteur 2 thermique. Pour gagner en efficacité énergétique, il faut donc diminuer le débit du fluide frigorigène dans le circuit 4 de récupération d'énergie pour pouvoir évaporer le débit du fluide de travail car la puissance thermique disponible dans le circuit 26 de chaleur est inférieure aux faibles régimes moteurs. Le constat est identique pour le circuit 11 de climatisation. Inversement, aux régimes élevés, le débit doit être augmenté en augmentant le volume des chambres 5, 8, 12. Dans le circuit 4 de récupération, le fluide frigorigène traverse plus rapidement l'évaporateur 27, il n'atteint alors pas des températures trop élevées qui affecteraient l'efficacité voir même le dispositif 3 lui-même. [0034] Ces variations de volumes se font, en faisant varier la course des pistons 6, 9, 13, par variation de la longueur de la bielle 20. Pour ce faire, la bielle 20 comprend une partie 30 mâle montée télescopique dans une partie 31 femelle. Un actionneur (non représenté) permet de modifier la position relative de la partie 30 mâle par rapport à la partie 31 femelle. Le mouvement de la partie 30 mâle par rapport à la partie 31 femelle est représenté sur la figure 5. [0035] La figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation dans lequel, il y a en tout six chambres 5, 8, 12 à savoir deux : chambres 5 primaire de compression, chambres 8 de détente, chambres 12 secondaire de compression. Les chambres 5, 8, 12 sont réparties dans deux blocs 15 distincts renversés l'un par rapport à l'autre. Les biellettes 7, 10, 14 sont toutes reliées à un arbre 19 de transmission via un bras 18 pour chaque biellette 7, 10, 14. Dans ce mode de réalisation, le dispositif 3 comprend un bloc 32 supérieur et un bloc 33 inférieur comprenant respectivement des pistons 34 supérieurs et des pistons 35 inférieurs. Le mouvement des pistons 34 supérieurs et des pistons 35 inférieurs est inversé. Lorsque les pistons 34 supérieurs sont en position haute dans le bloc 32 supérieur, les pistons 35 inférieurs sont en position basse dans le bloc 33 inférieur et inversement. [0036] Selon un troisième mode de réalisation illustré sur la figure 7, le circuit 4 de récupération et le circuit 11 de climatisation se rejoignent au niveau du condenseur 28. Cette disposition implique que les fluides frigorigènes dans le circuit 11 de climatisation et dans le circuit 4 de récupération soient identiques. Cet agencement particulier permet un gain d'espace. [0037] Le dispositif de récupération d'énergie qui vient d'être décrit présente de nombreux avantages. [0038] Un premier avantage est que son encombrement est réduit ainsi que son poids, grâce notamment à l'utilisation d'un bloc 15 unitaire, et ce au bénéfice des performances du véhicule automobile. [0039] Un deuxième avantage est un gain en consommation de carburant, grâce notamment à l'adaptation des débits de fluides dans les différents circuits en fonction de différents paramètres pris en compte, ceci au bénéfice de l'efficacité de la récupération d'énergie. REVENDICATIONS1. Dispositif (3) de récupération d'énergie thermique comprenant : un circuit (4) de récupération d'énergie muni d'une chambre (5) primaire de compression et une chambre (8) de détente, un arbre (19) de transmission, un piston (6) primaire monté coulissant dans la chambre (5) primaire de compression, une biellette (7) primaire reliant le piston (6) primaire à l'arbre (19) de transmission, un piston (9) de détente monté coulissant dans la chambre (8) de détente, - une biellette (10) de détente reliant le piston (9) de détente à l'arbre (19) de transmission, caractérisé en ce que le dispositif (3) comprend, en outre : un circuit (11) de climatisation comprenant une chambre (12) secondaire de compression, un piston (13) secondaire monté coulissant dans la chambre (12) secondaire de compression, - une biellette (14) secondaire reliant le piston (13) secondaire à l'arbre (19) de transmission, et en ce que la chambre (5) primaire de compression, la chambre (8) de détente et la chambre (12) secondaire de compression sont formées dans un même bloc (15). 2. Dispositif (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un fluide frigorigène circule dans le circuit (4) de récupération d'énergie et dans le circuit (11) de climatisation. 3. Dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit (4) de récupération d'énergie est un cycle de Rankine. 4. Dispositif (3) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit (4) de récupération d'énergie comprend un condenseur (24) Rankine et un évaporateur (25) Rankine, l'évaporateur (25) Rankine permettant un échange de chaleur avec un circuit (26) de chaleur. 5. Dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit (11) de climatisation comprend un évaporateur (27) et un condenseur (28). 6. Dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que celui-ci comprend une bielle (20) solidaire de l'arbre (19) de transmission, un cavalier (21) solidaire d'une roue (22) dentée et une tige (23) montée en rotation à chacune de ses extrémités, sur la bielle (20) d'une part et sur le cavalier (21) d'autre part reliant ainsi ces derniers. 7. Dispositif (3) selon la revendication 6, caractérisé en ce que celui-ci est relié à un moteur (2) thermique via la roue (22) dentée. 8. Dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que la bielle (20) comprend une partie (30) mâle et une partie (31) femelle, la partie (30) mâle étant montée coulissante dans la partie (31) femelle. 9. Dispositif (3) selon la revendication 8, caractérisé en ce que celui-ci comprend un actionneur apte à modifier la position relative de la partie (30) mâle par rapport à la partie (31) femelle, ceci permettant de modifier la course des pistons (6, 9, 13) afin de modifier le débit du fluide frigorigène dans le circuit (11) de climatisation et le circuit (4) de récupération d'énergie. 10. Véhicule (1) automobile comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.30