Brevet FR3046632A1 — publié le 20170714

ENSEMBLE MOTEUR COMPRENANT UN DISPOSITIF DE RECUPERATION DE LA CHALEUR DES GAZ D'ECHAPPEMENT L'invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne et en particulier l'optimisation du rendement énergétique d'un moteur à combustion interne pouvant équiper un véhicule. Pour limiter la consommation de carburant des véhicules automobiles, de nombreuses recherches visent à augmenter leur rendement énergétique. Pour accroître le rendement énergétique d'un moteur à combustion interne, il est notamment connu de récupérer l'énergie contenue dans la chaleur des gaz d'échappement du moteur. Le document DE102005039294 Al décrit un moteur Stirling qui fonctionne avec la chaleur des gaz d'échappement et est relié au moteur thermique par la courroie d'entrainement des accessoires. Cependant sur certains points de fonctionnement moteur on peut avoir besoin de l'énergie mécanique réinjecté par le moteur Stirling pour entraîner d'autre accessoires du moteur sans avoir besoin d'injecter de l'énergie mécanique dans le moteur thermique, ce que cet agencement ne peut pas faire. Un but de la présente invention est de proposer un ensemble moteur qui permet de s'affranchir des inconvénients précités. Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un ensemble moteur comprenant : -un moteur à combustion interne apte à perdre lors de son fonctionnement de la chaleur, ce moteur comportant un vilebrequin, - une façade accessoire comprenant comme accessoires : un alternateur relié à une poulie alternateur, une poulie de conversion et un dispositif de récupération d'au moins une partie de la chaleur perdue par le moteur et de conversion de cette chaleur perdue en couple mécanique transmis à cette poulie de conversion, une poulie accessoire disposée sur le vilebrequin, des moyens d'entrainement souples reliant la poulie accessoire, la poulie alternateur et la poulie de conversion pour leur entrainement commun en rotation, caractérisé ce qu'il comprend des moyens d'embrayage / débrayage entre la poulie accessoire et le vilebrequin. 3046632 2 Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons : En variante, l'ensemble moteur comprend une ligne d'échappement reliée au moteur à 5 combustion interne pour l'évacuation des gaz d'échappement produits par le moteur, et le dispositif de récupération récupère au moins une partie de la chaleur perdue dans les gaz d'échappement. En variante encore, l'ensemble moteur comprend un circuit de refroidissement du moteur 10 dans lequel circule un liquide de refroidissement, et en ce que le dispositif de récupération récupère au moins une partie de la chaleur perdue dans le liquide de refroidissement. En variante, le dispositif comprend une machine volumétrique utilisée en mode détendeur et associée à un fluide de travail suivant un cycle thermodynamique comprenant une 15 phase de détente et un organe de détente apte à transformer de l'énergie provenant de la phase de détente du fluide en puissance mécanique de rotation. En variante, le dispositif comprend un convertisseur thermo-acoustique associé à une turbine apte à transformer l'énergie acoustique provenant du convertisseur thermo- 20 acoustique en couple mécanique, cette turbine étant reliée à la poulie de conversion. En variante, l'ensemble moteur comprend des moyens d'embrayage / débrayage de la poulie de conversion d'avec le dispositif. 25 En variante, l'ensemble moteur comprend comme accessoire supplémentaire un compresseur de climatisation relié à une poulie compresseur et des moyens d'embrayage / débrayage de la poulie compresseur d'avec le compresseur de climatisation. L'invention concerne encore un véhicule comprenant un ensemble moteur selon l'une 30 quelconque des variantes précédemment décrites. L'invention concerne encore un procédé de commande d'un ensemble moteur ou d'un véhicule de l'invention caractérisé en ce que lorsque la puissance mécanique produite par le dispositif de récupération de la chaleur est jugé suffisante pour entrainer la façade 35 accessoire on débraye la poulie accessoire du vilebrequin. 3046632 3 D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : 5 - La figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation de l'ensemble moteur de l'invention. - La figure 2 est une représentation schématique d'un second mode de réalisation de l'ensemble moteur de l'invention. - La figure 3 est une représentation schématique d'un convertisseur thermo-acoustique. 10 La figure 1 présente un premier mode de réalisation d'un ensemble moteur comprenant un moteur 1 à combustion interne, par exemple un moteur à combustion interne à allumage commandé ou à allumage par compression. Un tel ensemble moteur peut 15 équiper un véhicule, par exemple un véhicule automobile pour permettre un déplacement de celui-ci. Le moteur peut comprendre plusieurs cylindres 2, par exemple ici quatre cylindres. Le moteur 1 à combustion interne est relié à une ligne d'échappement 15 pour l'évacuation des gaz d'échappement. 20 Le moteur thermique comprend un vilebrequin 3 destiné à entrainer en rotation une poulie 4 montée sur ce vilebrequin 3. Cette poulie 4 est appelée poulie accessoire car elle est destinée à l'entrainement par une courroie d'entrainement des accessoires périphériques de la façade accessoire du moteur 1 à combustion interne et pour la distinguer d'une autre poulie, non représentée, dite poulie de distribution montée également sur le 25 vilebrequin 3, pour l'entrainement du système de distribution du moteur. Dans ce premier mode de réalisation, la façade accessoire comprend comme accessoires périphériques un alternateur 5 et un dispositif 6 de récupération de chaleur perdue lors du fonctionnement du moteur 1 - car non convertie en énergie mécanique - et de conversion 30 de cette chaleur en travail mécanique par un cycle thermodynamique approprié. Le dispositif 6 de récupération de chaleur peut comprendre une machine volumétrique utilisée en mode détendeur et associée à un fluide de travail suivant un cycle thermodynamique comprenant une phase de détente, par exemple un cycle de Rankine, 35 Ericsson, Stirling, Brayton, avec comme source chaude la chaleur des gaz d'échappement du moteur 1. Le dispositif 6 comprend aussi un organe de détente apte à 3046632 4 transformer de l'énergie provenant de la détente du fluide en couple mécanique de rotation, par exemple un organe de détente à spirale. Dans une variante, la machine volumétrique réversible peut avantageusement être 5 remplacée par un convertisseur thermo-acoustique. Dans cette variante, le dispositif 6 comprend une turbine bidirectionnelle pour la transformation de l'énergie acoustique provenant du convertisseur thermo-acoustique en couple mécanique de rotation. En transformant l'énergie acoustique en énérgie mécanique, on s'affranchit du besoin d'un alternateur supplémentaire, donc la masse, l'encombrement et le coût sont réduits. De 10 plus, une transformation directe d'énergie acoustique en énergie mécanique permet de gagner sur le rendement global dans la chaîne de transformation énergétique. Le principe du convertisseur thermo-acoustique est illustré en figure 3 : un gaz sous pression confiné dans un tube 30 est excité, on applique donc une puissance acoustique 15 à l'entrée We. Les particules de gaz passent dans une structure poreuse 31 chauffée d'un côté 32 et refroidi de l'autre côté 33. La particule de gaz décrit alors un cycle thermodynamique et l'onde acoustique appliquée à l'entrée sera amplifiée (Wac > We) par l'effet de la température. Cette onde amplifiée sera à son tour transformée en énergie mécanique par une turbine bidirectionnelle 34. La turbine bidirectionnelle 34 est ensuite 20 reliée par exemple par un arbre commun à la poulie 9 de conversion pour la transmission du couple mécanique. Le côté 32 chaud est destiné à être chauffé, avec ici comme source chaude, la chaleur des gaz d'échappement du moteur 1. Le coté 33 dit froid est destiné à être refroidi, avec 25 ici comme source froide, le liquide de refroidissement du moteur 1 ou l'air ambiant. Une courroie d'entrainement 7 est installée autour d'une poulie d'entraînement 8 associée à l'alternateur 5, d'une poulie d'entraînement 9 associée au dispositif 6, et la poulie 4 montée sur le vilebrequin 3. Par ailleurs, un tendeur (non représenté) pourra assurer une 30 mise sous tension adaptée de la courroie 7. Conformément à l'invention, des moyens d'embrayage / débrayage 10 sont ajoutés qui permettent d'embrayer ou de débrayer la poulie accessoire 4 du vilebrequin 3 du moteur. Le fait de débrayer la façade accessoire avec un dispositif 6 de récupération permet à 35 celui-ci de renvoyer du couple pour entraîner les accessoires de la façade sans besoin de dépenser du travail mécanique du moteur, ce qui permet un gain direct en CO2 et en 3046632 5 consommation. De même dans certaines situations de vie, on pourra renvoyer directement du travail mécanique au vilebrequin moteur. La commande des moyens d'embrayage / débrayage 10 peut être réalisée à partir d'un 5 calculateur électronique, non représenté, agencé pour déterminer l'état d'embrayage ou de débrayage des moyens d'embrayage / débrayage 10 en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur 1. Les moyens d'embrayage / débrayage 10 sont aptes à passer d'un état verrouillé dans 10 lequel ils assurent un accouplement entre le vilebrequin 3 et la poulie accessoire 4 (les deux éléments 3 et 4 sont alors liés en rotation l'un avec l'autre) à un état déverrouillé dans lequel le vilebrequin 3 est désaccouplé de la poulie accessoire 4 (la poulie 4 est alors libre en rotation par rapport au vilebrequin 3), et inversement. 15 En ajoutant un tel dispositif 10 sur la poulie 4 qui entraîne la courroie d'entrainement 7, lorsque le moteur fonctionne, et que la récupération thermique est active, donc que le dispositif 6 produit un travail mécanique, si la puissance mécanique produite par le dispositif 6 est suffisante, on commande le débrayage des moyens d'embrayage / débrayage 10 et on laisse le dispositif 6 entrainer l'alternateur 5. 20 Si la puissance mécanique produite par le dispositif 6 est insuffisante, par exemple dans le cas où la puissance thermique dégagée par le moteur 1 dans les gaz d'échappement est faible, donc que la puissance mécanique produite par le dispositif 6 est insuffisante pour entrainer l'alternateur 5, on commande l'embrayage des moyens d'embrayage / 25 débrayage 10, le moteur 1 entrainera l'alternateur 5 et le couple fourni par le dispositif 6 sera ajouté au couple moteur. Autrement dit, dans ce cas, le couple moteur prélevé pour l'entrainement de l'alternateur 5 sera moins élevé que si le moteur 1 entrainait seul l'alternateur 5. 30 On peut également prévoir d'autres moyens d'embrayage / débrayage 11 disposés entre le dispositif 6 et sa poulie 9 ce qui permet notamment de découpler le dispositif 6 de sa poulie 9 dans certaines situations de vie par exemple si l'on décide d'un arrêt brutal de la récupération thermique. 35 La figure 2 présente une variante de l'ensemble moteur présenté en figure 1 dans laquelle la façade accessoire comprend en plus comme accessoire périphérique supplémentaire un compresseur de climatisation 12 relié à une poulie 13 compresseur. 3046632 6 On peut également prévoir des moyens d'embrayage / débrayage 14 disposés entre le compresseur de climatisation 12 et sa poulie 13 ce qui permet de découpler le compresseur de climatisation 12 de sa poulie 13 par exemple dans la situation de vie ou 5 on n'a pas besoin de la climatisation. Lorsque le moteur est à l'arrêt, on peut entraîner le compresseur de climatisation 12 par l'alternateur 5 et débrayer le dispositif 6 de récupération de chaleur. 10 Lorsque le moteur fonctionne, si la puissance mécanique produite par le dispositif 6 est suffisante, on commande le débrayage des moyens d'embrayage / débrayage 10 et on laisse le dispositif 6 entrainer l'alternateur 5 et le compresseur de climatisation 12. L'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits. En variante non 15 représentée la courroie 7 peut être remplacée par d'autres moyens de d'entrainement souples, par exemple par une chaine. La façade accessoire peut comprendre d'autres accessoires périphériques tels que par exemple une pompe de direction assistée, un compresseur d'air... 20 En variante encore, le moteur peut comprendre un circuit de refroidissement du moteur à combustion interne dans lequel circule un liquide de refroidissement et le dispositif 6 de récupération récupère au moins une partie de la chaleur perdue dans le liquide de refroidissement. Le dispositif 6 de récupération peut ainsi comprendre une machine volumétrique utilisée en mode détendeur et associée à un fluide de travail suivant un 25 cycle thermodynamique comprenant une phase de détente, par exemple un cycle de Rankine, Ericsson, Stirling, Brayton, avec comme source chaude la chaleur du liquide de refroidissement du moteur 1. La machine volumétrique peut être remplacée par un convertisseur thermo-acoustique avec comme source chaude la chaleur du liquide de refroidissement du moteur 1. 30 L'invention permet de réinjecter de la puissance mécanique sur la façade accessoire, indépendamment du moteur. L'invention permet d'utiliser l'alternateur de la façade accessoire pour la production d'électricité à partir de l'énergie mécanique produite par le dispositif de récupération de chaleur dégagée par le fonctionnement du moteur thermique, 35 et donc d'éviter l'ajout d'un alternateur supplémentaire pour cette production d'électricité. L'invention permet d'améliorer la consommation du véhicule et de réduire les émissions. REVENDICATIONS1. Ensemble moteur comprenant : -un moteur (1) à combustion interne apte à perdre lors de son fonctionnement de la chaleur, ce moteur comportant un vilebrequin (3), - une façade accessoire comprenant comme accessoires : un alternateur (5) relié à une poulie alternateur (8), une poulie de conversion et un dispositif (6) de récupération d'au moins une partie de la chaleur perdue par le moteur (1) et de conversion de cette chaleur perdue en couple mécanique transmis à cette poulie (9) de conversion, une poulie accessoire (4) disposée sur le vilebrequin (3), des moyens d'entrainement souples reliant la poulie accessoire (4), la poulie alternateur (8) et la poulie (9) de conversion pour leur entrainement commun en rotation, caractérisé ce qu'il comprend des moyens d'embrayage / débrayage (10) entre la poulie accessoire (4) et le vilebrequin (3). 2. Ensemble moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne d'échappement (15) reliée au moteur (1) à combustion interne pour l'évacuation des gaz d'échappement produits par le moteur (1), et en ce que le dispositif (6) de récupération récupère au moins une partie de la chaleur perdue dans les gaz d'échappement. 3. Ensemble moteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de refroidissement du moteur (1) dans lequel circule un liquide de refroidissement, et en ce que le dispositif (6) de récupération récupère au moins une partie de la chaleur perdue dans le liquide de refroidissement. 4. Ensemble moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif (6) comprend une machine volumétrique utilisée en mode détendeur et associée à un fluide de travail suivant un cycle thermodynamique comprenant une phase de détente et un organe de détente apte à transformer de l'énergie provenant de la phase de détente du fluide en puissance mécanique de rotation. 5. Ensemble moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif (6) comprend un convertisseur thermo-acoustique associé à une 3046632 8 turbine (34) apte à transformer l'énergie acoustique provenant du convertisseur thermoacoustique en couple mécanique, cette turbine étant reliée à la poulie (9) de conversion. 6. Ensemble moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'embrayage / débrayage (11) de la poulie 5 (9) de conversion d'avec le dispositif (6). 7. Ensemble moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend comme accessoire supplémentaire un compresseur de climatisation (12) relié à une poulie (13) compresseur et des moyens d'embrayage / débrayage (14) de la poulie (13) compresseur d'avec le compresseur de climatisation 10 (12). 8. Véhicule caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Procédé de commande d'un ensemble moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou d'un véhicule selon la revendication 8 caractérisé en ce que 15 lorsque la puissance mécanique produite par le dispositif (6) de récupération de la chaleur est jugé suffisante pour entrainer la façade accessoire on débraye la poulie accessoire (4) du vilebrequin (3).