Brevet FR3028884A1 — publié le 20160527

SYSTÈME ET PROCÉDÉ DE RÉCUPÉRATION D'UNE ÉNERGIE THERMIQUE DISSIPÉE PAR UNE LIGNE D'ÉCHAPPEMENT La présente invention concerne un système de récupération d'une 5 énergie thermique dissipée par une ligne d'échappement d'un moteur thermique d'un véhicule et un procédé mis en oeuvre par un tel système. L'invention concerne également un véhicule comprenant un tel système de récupération d'énergie thermique par la ligne d'échappement du 10 moteur thermique. Dans l'état de l'art, on connaît différents systèmes et procédés de récupération d'une énergie dissipée par la ligne d'échappement d'un moteur thermique comme par exemple les systèmes et procédés mis en 15 oeuvre dans le cadre du fonctionnement d'un turbocompresseur pourvu d'une turbine reliée à un compresseur qui équipent certains moteurs thermiques. Dans ces systèmes et procédés les gaz d'échappement du moteur, ou au moins une partie de ces gaz, sont envoyés au niveau de la turbine de sorte que l'énergie de ces gaz entraîne en rotation une roue 20 du compresseur, ce qui provoque une aspiration et une compression de l'air ambiant et permet ainsi d'améliorer le remplissage du moteur en augmentant la densité de l'air et en permettant d'allonger les rapports de boîte de vitesses et de baisser la cylindrée du moteur pour une puissance donnée. 25 Cependant, de tels systèmes et procédés se limitent à utiliser l'énergie cinétique de ces gaz d'échappement et non l'énergie thermique générée par le moteur. 30 On connaît toutefois dans l'art antérieur, une demande de brevet chinois CN201511801 qui divulgue de manière générale un système et un 3028884 2 procédé permettant de recharger l'accumulateur d'un véhicule comportant des moteurs électrique et thermique, à partir de l'énergie thermique du moteur. Pour ce faire l'énergie thermique résultant d'un fluide caloporteur circulant dans le circuit de refroidissement du moteur est transformée en énergie acoustique qui est alors convertie par la suite en énergie électrique afin de recharger cet accumulateur. Toutefois, de tels systèmes et procédés ont pour inconvénients de ne pas être très efficaces du fait des températures peu élevées du fluide caloporteur utilisé dans le cadre de la transformation de l'énergie thermique en énergie acoustique. La présente invention a pour objet de remédier en tout ou partie aux différents inconvénients cités précédemment. Dans ce dessein l'invention concerne un système de récupération d'une énergie thermique dissipée par une ligne d'échappement d'un moteur thermique d'un véhicule, le système comprenant un dispositif de transformation de ladite énergie thermique en énergie acoustique. Dans d'autres modes de réalisation : - le dispositif de transformation comprend : ^ une enceinte formant une cavité acoustique qui renferme un fluide ; ^ un module de génération de l'énergie acoustique, et ^ un module de collecte de l'énergie acoustique. - l'enceinte a une forme présentant au moins deux extrémités, l'enceinte est fermée au niveau d'une première de ces deux extrémités par sa paroi et l'enceinte est fermée au niveau de la deuxième de ces deux extrémités par un module de collecte de l'énergie acoustique ; 3028884 3 - le module de génération de l'énergie acoustique est agencé dans l'enceinte entre les deux extrémités ; - le module de génération comprend : ^ un premier échangeur de chaleur avec la ligne d'échappement 5 formant une source chaude, et ^ un deuxième échangeur de chaleur avec une source froide, notamment un circuit de refroidissement du moteur ; ^ un élément de guidage du fluide entre les deux échangeurs, notamment un empilement de canaux ; 10 - la paroi de l'enceinte est une double paroi comportant : ^ une paroi externe définissant l'enveloppe de l'enceinte, et ^ une paroi interne définissant la cavité acoustique renfermant le fluide ; - un espace situé entre les parois externe et interne de l'enceinte 15 contient un matériau thermiquement isolant, et - le module de collecte de l'énergie acoustique est apte à convertir l'énergie acoustique en énergie électrique. L'invention concerne également un véhicule comprenant un tel système 20 de récupération d'une énergie thermique dissipée par une ligne d'échappement d'un moteur thermique. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré qui va suivre, 25 en référence aux figures, réalisé à titre d'exemple indicatif et non limitatif : la figure 1 est une représentation schématique d'un système de récupération d'une énergie thermique dissipée par la ligne d'échappement d'un moteur thermique d'un véhicule selon le 30 mode de réalisation de l'invention ; 3028884 4 les figures 2 et 3 sont des représentations schématiques d'un dispositif de transformation de l'énergie thermique en énergie acoustique du système de récupération d'énergie thermique selon le mode de réalisation de l'invention ; 5 la figure 4 illustre un élément de guidage d'un fluide compris dans une enceinte du dispositif de transformation selon le mode de réalisation de l'invention ; la figure 5 est une représentation schématique d'un module de collecte de l'énergie acoustique du dispositif de transformation 10 selon le mode réalisation de l'invention ; la figure 6 est un schéma de principe des premier et/ou deuxième et/ou troisième échangeurs de chaleur en forme de spirale selon le mode de réalisation de l'invention ; la figure 7 est une vue schématique d'un circuit de récupération 15 de chaleur comprenant des premier et troisième échangeurs de chaleur et dans lequel circule un premier fluide caloporteur selon le mode de réalisation de l'invention ; la figure 8 est une vue schématique d'un circuit de dissipation de chaleur comprenant des deuxième et quatrième échangeurs de 20 chaleur et dans lequel circule un deuxième fluide caloporteur selon le mode de réalisation de l'invention, et la figure 9 est un logigramme relatif au procédé de récupération de l'énergie thermique dissipée par la ligne d'échappement du moteur thermique selon le mode de réalisation de l'invention. 25 Dans la description, le terme « longitudinal » est défini par rapport à la direction dans laquelle s'étend le dispositif de transformation 2 du système de récupération 1 d'énergie thermique. Le terme « transversal » est défini par rapport à une direction sensiblement perpendiculaire à la 30 direction longitudinale dans un plan horizontal. 3028884 5 Sur la figure 1, le système de récupération 1 d'une énergie thermique dissipée par la ligne d'échappement d'un moteur thermique 11 d'un véhicule comprend un dispositif de transformation 2 d'énergie thermique en énergie acoustique. Ce dispositif de transformation 2 peut également 5 être appelé dispositif thermoacoustique. Ce dispositif de transformation 2 est relié à partir : - d'un circuit de récupération 6 de chaleur (visible sur la figure 7) à une source chaude telle que les gaz d'échappement parcourant une 10 ligne d'échappement 3 du véhicule (visible sur la figure 1), après un collecteur de gaz d'échappement du moteur 11, et - d'un circuit de dissipation 7 de chaleur (visible sur la figure 8) à une source froide pouvant être en lien avec un circuit de refroidissement 12 du moteur 11. 15 De préférence, le dispositif de transformation 2 est relié à partir du circuit de récupération 6 de chaleur à un catalyseur 4 de la ligne d'échappement 3 et plus précisément à la sortie 5 de ce catalyseur 4. En étant ainsi relié au catalyseur 4, le dispositif de transformation 2 peut bénéficier non 20 seulement de la chaleur résiduelle issue des gaz d'échappement du moteur 11 mais également de l'exothermicité du catalyseur 4 présente lors du post-traitement des gaz par ce dernier. Dans ce mode de réalisation, le dispositif de transformation 2 est 25 également relié à un circuit électrique 10 comprenant un redresseur 15 et un accumulateur 16 tel qu'une batterie. Ce dispositif de transformation 2 de l'énergie thermique en énergie acoustique comprend de manière non limitative et non exhaustive : 30 - une double paroi 27 constituée d'une paroi externe 26a et d'une paroi interne 26b ; 3028884 6 - une enceinte 25 formant une cavité acoustique ; - un fluide qui est susceptible de circuler librement dans cette enceinte 25 ; - un module de génération 46 de l'énergie acoustique comprenant des 5 premier et deuxième échangeurs (23a, 23b) de chaleur et un élément de guidage 24 du fluide, et - un module de collecte 31 de l'énergie acoustique. La double paroi 27 comprend un espace 28 qui est défini entre les parois 10 externe et interne 26a, 26b. Cet espace 28 est susceptible de comprendre un matériau thermiquement isolant. Ce matériau thermique isolant peut être à base de fibre de verre (tenue à une température en continu de 500°C), de fibre de silice (1000°C), d'aérogels de silice (650°C). 15 Le matériau isolant contribue à limiter les éventuelles pertes thermiques qui seraient susceptibles de perturber les échanges de chaleur dans le dispositif de transformation 2 afin d'améliorer l'efficacité de la génération de l'énergie acoustique par ce dernier. 20 La paroi externe 26a de cette double paroi 27 est apte à contribuer à la fixation du dispositif sur la structure du véhicule par exemple à proximité ou sur la ligne d'échappement 3 et également à assurer la protection du dispositif de transformation 2. Cette paroi externe 26a présente des caractéristiques de rigidité élevées et est par exemple réalisée en 25 matériau métallique comme l'acier. La paroi interne 26b de cette double paroi 27 définie l'enceinte 25 de ce dispositif de transformation 2 et possède en plus de caractéristiques de rigidité élevées des propriétés de conductivité thermique très faible voire 30 nulle. Cette paroi interne 26b est par exemple réalisée en matériau composite ou céramique. 3028884 7 L'enceinte 25 de ce dispositif de transformation 2 définie par la paroi interne 26b est une enceinte 25 fermée. En effet, une première extrémité de cette enceinte 25 est fermée par une partie 26c de la paroi interne 26b 5 compris dans un plan vertical par rapport à l'axe longitudinal A1, qui est ici compris dans un plan horizontal, de l'enceinte 25. Une deuxième extrémité ouverte de l'enceinte 25 est fermée par le module de collecte 31 d'énergie acoustique. 10 Cette enceinte 25 fermée comprend le fluide qui doit être dilatable et qui est généralement un gaz de préférence neutre, présentant des propriétés d'anticorrosion, comme par exemple l'azote. La pression de ce gaz dans l'enceinte 25 est configurable. Dans ce contexte, une pression optimale doit être trouvée en fonction des dimensions de la cavité, de la nature du 15 gaz (masse volumique et coefficient de compressibilité) et du gradient de température rencontré entre les échangeurs 23a et 23. Une pression de gaz élevée permet un bon transport d'énergie mais peut amortir l'onde acoustique (frictions) ou limiter sa propagation (effet d'inertie) et une pression faible produit des effets inverses. On notera de plus, que la 20 différence de température entre les premier et deuxième échangeurs de chaleur 23a, 23b. conditionne la quantité d'énergie transmise au gaz, et donc l'intensité de la variation de pression Dans ce mode de réalisation, l'enceinte 25 a de manière non limitative 25 une forme cylindrique cependant elle peut bien évidemment revêtir d'autres formes. L'enceinte 25 de ce dispositif constitue un résonateur acoustique qui a entre autre un rôle de guide d'onde. Ce résonateur permet d'amplifier le 30 flux de puissance acoustique généré. Cette enceinte 25 peut être utilisée à sa fréquence de résonance ou non. Dans le cas de ce dispositif de 3028884 8 transformation 2, la géométrie du résonateur, donc de l'enceinte 25, conditionne étroitement la fréquence de fonctionnement du dispositif de transformation 2. 5 L'énergie acoustique générée dans cette enceinte 25 est apte à exciter un élément oscillant 21, ici une membrane, du module de collecte 31 d'énergie acoustique selon la fréquence de résonance de cette enceinte 25. Pour une enceinte 25 présentant une section de forme quelconque, la fréquence de résonance est définie par l'équation suivante : A 10 fo 22r liL-V avec : c : célérité du son dans le gaz compris dans l'enceinte 25 ; A : section de l'enceinte 25 ; L : longueur de l'enceinte 25 ; 15 - V : Volume total de l'enceinte 25. Pour l'enceinte 25 dont la section est circulaire comme dans le mode de réalisation décrit, la fréquence de résonance est définie par l'équation suivante : fo = 2r-L zo Pour une telle section de cette enceinte 25, c'est la longueur L de l'enceinte 25 qui est la dimension caractéristique permettant de déterminer la fréquence de résonance d'une onde acoustique générée dans l'enceinte 25 du dispositif de transformation 2. Ainsi, la configuration de la fréquence de résonance de l'onde acoustique est réalisée en 25 fonction de la longueur L de l'enceinte 25. L'enceinte 25 du dispositif de transformation 2 présente une section circulaire ayant un diamètre dl compris entre 200 et 250 mm, et qui est de préférence de 225 mm. On notera cependant que le diamètre dl est 3028884 9 déterminé par les contraintes d'intégration au véhicule et la facilité de mise en oeuvre du dispositif, dès lors les valeurs 200 à 250mm ont été définies selon les contraintes rencontrées dans le présent mode de réalisation. 5 Ainsi que nous l'avons évoqué précédemment, le module de génération 46 de l'énergie acoustique comprend des premier et deuxième échangeurs 23a, 23b de chaleur ainsi qu'un élément de guidage 24 du fluide. Ce module de génération 46 est agencé dans l'enceinte 25 entre la 10 partie 26c d'une paroi interne 26b et un module de collecte 31 de l'énergie acoustique. Le premier échangeur de chaleur 23a dit « chaud » à une température moyenne Tc et est agencé sensiblement au milieu de l'enceinte 25 du 15 dispositif de transformation 2. Le deuxième échangeur de chaleur 23b dit « froid » à une température moyenne Tf différente de Tc, ici Tf REVENDICATIONS1. Système de récupération (1) d'une énergie thermique dissipée par une ligne d'échappement (3) d'un moteur thermique (11) 5 d'un véhicule caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de transformation (2) de ladite énergie thermique en énergie acoustique. 2. Système (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de transformation (2) comprend : 10 - une enceinte (25) formant une cavité acoustique qui renferme un fluide ; - un module de génération (46) de l'énergie acoustique, et - un module de collecte (31) de l'énergie acoustique. 15 3. Système (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, l'enceinte (25) ayant une forme présentant au moins deux extrémités, l'enceinte est fermée au niveau d'une première de ces deux extrémités par sa paroi (27) et l'enceinte est fermée au niveau de la deuxième de ces deux extrémités par un module de collecte (31) de 20 l'énergie acoustique. 4. Système (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le module de génération (46) de l'énergie acoustique est agencé dans l'enceinte (25) entre les deux extrémités. 25 5. Système (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le module de génération (46) comprend : - un premier échangeur de chaleur (23a) avec la ligne d'échappement (3) formant une source chaude, et 30 - un deuxième échangeur de chaleur (23b) avec une source froide, notamment un circuit (12) de refroidissement du moteur (11). 3028884 22 - un élément de guidage (24) du fluide entre les deux échangeurs, notamment un empilement de canaux. 6. Système (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi (27) de l'enceinte (25) est une double paroi comportant : - une paroi externe (26a) définissant l'enveloppe de l'enceinte, et - une paroi interne (26b) définissant la cavité acoustique renfermant le fluide. 7. Système (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'un espace (28) situé entre les parois externe et interne (26a, 26b) de l'enceinte (25) contient un matériau thermiquement isolant. 8. Système (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le module de collecte (31) de l'énergie acoustique est apte à convertir l'énergie acoustique en énergie électrique. 9. Véhicule comprenant un système de récupération (1) d'une énergie thermique dissipée par une ligne d'échappement (3) d'un moteur thermique (11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.