Brevet FR3055668A1 — publié le 20180309

ENSEMBLE MOTEUR POUR VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UN DISPOSITIF DE RECUPERATION D'ENERGIE THERMIQUE La présente invention se rapporte se rapporte aux machines fonctionnant avec la combustion solide comme source chaude. La plupart des moteurs à combustion interne actuels utilisent un carburant liquide comprenant du carbone dont la combustion émet donc du 002. La combustion de particules solides dans un moteur est également connue par exemple du document US8100095B2 un moteur à piston utilisant la combustion de particules solides dans une chambre de combustion pour déplacer le piston et récupérer ainsi de l'énergie mécanique. La combustion de particules métalliques, comme détaillé dans l'article « Direct combustion of recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power » de la revue Applied Energy, 2015 est une solution évoquée pour produire une combustion sans émission de 002, pour les véhicules automobiles. Cependant la température adiabatique de combustion (de réaction d'oxydation) des particules solides, peut être supérieure (>2500°C) à celle des carburants conventionnels (essence, diesel, gaz naturel : -2000°C), ce qui implique un rayonnement plus important vers les parois et en conséquence une importante perte d'énergie vers les parois, qui est perdue par transferts thermiques. Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un ensemble moteur pour véhicule automobile comprenant un brûleur de particules solides à brûler dans une chambre de combustion à volume fixe, la chambre de combustion étant reliée à une ligne d'échappement des gaz de combustion et un système de récupération des résidus solides issus de la combustion des particules, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de récupération d'énergie thermique dégagée par la combustion et de conversion de cette énergie récupérée en énergie électrique et/ ou mécanique. Dans une variante, le dispositif de récupération d'énergie thermique comprend un convertisseur thermo-acoustique relié, pour sa source chaude, à un échangeur de chaleur disposé sur la ligne d'échappement et/ou sur le système de récupération des résidus solides et/ou sur le brûleur. 3055668 2 Avantageusement, le dispositif de récupération d'énergie thermique est un dispositif à boucle de Rankine. 5 Avantageusement encore, le dispositif de récupération d'énergie thermique à boucle de Rankine est relié, pour sa source chaude, à un échangeur de chaleur disposé sur la ligne d'échappement et/ou sur le système de récupération des résidus solides et/ou sur le brûleur (3). 10 Dans une autre variante, le dispositif de récupération d'énergie thermique est un dispositif à cycle de Brayton. Avantageusement, le dispositif de récupération d'énergie thermique à cycle de Brayton est relié, pour sa source chaude, à un échangeur de chaleur disposé sur la ligne 15 d'échappement et/ou sur le système de récupération des résidus solides et/ou sur le brûleur. Avantageusement encore, l'ensemble moteur comprend deux étages de compression et un refroidisseur intermédiaire entre les deux étages de compression. Dans une autre variante, le dispositif de récupération d'énergie thermique est une machine Stirling comprenant une tête chaude reliée, à un échangeur de chaleur disposé sur la ligne d'échappement et/ou sur au système de récupération des résidus solides et/ou au brûleur. Avantageusement, la machine Stirling comprend un régénérateur externe pour chauffer l'air admis dans le brûleur, ce régénérateur externe étant relié thermiquement à l'échangeur de chaleur disposé sur la ligne d'échappement. 30 Avantageusement encore, la machine Stirling comprend une tête chaude à plusieurs étages, chaque étage étant relié indépendamment à une des sources chaudes que sont l'échangeur de chaleur disposé sur la ligne d'échappement, le système de récupération des résidus solides, le brûleur. 20 25 35 3055668 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'invention. - La figure 2 est une représentation schématique d'une variante du premier mode de réalisation. - La figure 3 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation de 10 l'invention. - La figure 4 est une représentation schématique d'une variante du mode de réalisation illustré en figure 3. - La figure 5 est une représentation schématique d'une autre variante du mode de réalisation illustré en figure 3. 15 - La figure 6 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation. - La figure 7 est une représentation schématique d'une variante du mode de réalisation illustré en figure 6. - La figure 8 est une représentation schématique d'une autre variante du mode de réalisation illustré en figure 6. 20 - La figure 9 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation. - La figure 10 est une représentation schématique d'une variante du mode de réalisation illustré en figure 9. - La figure 11 est une représentation schématique d'une autre variante du mode de réalisation illustré en figure 9. 25 La figure 1 présente un premier mode de réalisation d'ensemble moteur selon l'invention. Un tel ensemble est basé sur la combustion de particules solides ne contenant pas de carbone. En conséquence, cette réaction de combustion ne produit pas de 002. Un tel 30 ensemble peut convenir à la motorisation de véhicules pour permettre leur déplacement, dont les émissions autorisées de CO2 sont de plus en plus restreintes. L'air 1 et les particules solides 2 sont pré-mélangés pour ensuite brûler dans la chambre de combustion d'un brûleur 3. A la différence d'une combustion réalisée dans la chambre 35 de combustion d'un moteur à combustion interne dont le volume varie en fonction du cycle, le brûleur 3 possède une chambre de combustion à volume fixe. 3055668 4 La quantité d'air dans le brûleur et donc la puissance de l'ensemble moteur peut être augmentée par l'usage d'un compresseur 4 d'air. Ce compresseur 4 a aussi pour fonction de vaincre les pertes de charge dans les différents composants. 5 Un apport d'énergie extérieur permet d'amorcer la réaction d'oxydation du combustible solide. Cette réaction d'oxydation est une réaction exothermique et donc libère de l'énergie sous forme de la chaleur. Plusieurs paramètres permettent de contrôler la puissance du brûleur : Le débit d'air, le débit des particules solides, les conditions thermodynamique dans la chambre de combustion (pression, température), la géométrie 10 du brûleur et de la chambre de combustion. En sortie de la chambre de combustion, le mélange passe par un système 5 de récupération des résidus solides issus de la combustion des particules qui permet la séparation des produits d'oxydation sous forme de particules solides et la partie gazeuse (air chaud et autres produits d'oxydation sous forme gazeuse) et la collecte dans un réservoir des résidus solides tandis que les gaz 15 chauds continuent leur chemin dans une ligne 6 d'échappement. Dans ce premier mode de réalisation, l'énergie thermique dégagée par la combustion des particules solides est récupérée par un convertisseur thermo-acoustique 7 pour être convertie en énergie électrique ou mécanique. 20 Le principe du convertisseur thermo-acoustique est le suivant : un gaz sous pression confiné dans un tube 8 est excité, on applique donc une puissance acoustique à l'entrée We. Les particules de gaz passent dans une structure poreuse 9 chauffée d'un côté 10 et refroidi de l'autre coté 11 et encore désignée « stack » en anglais ou encore régénérateur. 25 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 électricité ou en énergie mécanique par un convertisseur 12 approprié. La transformation en énergie mécanique peut être réalisée par une turbine bidirectionnelle. La transformation en énergie électrique peut être réalisée un dispositif 30 électroacoustique. Les sources chaudes sont ici les endroits par lequel l'ensemble moteur perd de l'énergie : le brûleur 3 avec des pertes aux parois, le dispositif 5 de récupération en raison de la température élevée des particules oxydées et la ligne 6 d'échappement traversée par les 35 gaz chauds de combustion. 3055668 5 Dans ce mode de réalisation, afin de réaliser le transfert de chaleur des gaz d'échappement vers le coté 10 chaud de la structure 9 du convertisseur 7 thermoacoustique, l'ensemble moteur comprend une première boucle d'échange thermique 13 à l'intérieur de laquelle circule un fluide caloporteur. Une pompe peut être prévue pour 5 assister la circulation du fluide à l'intérieur de cette boucle d'échange thermique 13. Afin de réaliser l'évacuation de chaleur du coté 11 froid de la structure 9 du convertisseur 7 thermo-acoustique, l'ensemble moteur comprend une seconde boucle d'échange thermique 14 à l'intérieur de laquelle circule un fluide caloporteur. Une pompe peut 10 également être prévue pour assister la circulation du fluide à l'intérieur de cette boucle d'échange thermique 14. Un premier échangeur thermique 15 est disposé dans la boucle d'échange thermique 13, en contact thermique avec la ligne 6 d'échappement comme source chaude de sorte à 15 capter les calories véhiculées par les gaz d'échappement pour les transférer au fluide caloporteur. Ce premier échangeur thermique 15 destiné à transférer la chaleur de la ligne d'échappement vers le fluide caloporteur. Cette boucle d'échange thermique 13 peut se présenter sous la forme d'un caloduc. 20 Un second échangeur thermique 16 est disposé dans la boucle d'échange thermique 13, en contact thermique avec le coté 3 chaud de la structure 9 poreuse du convertisseur thermo-acoustique de sorte à restituer les calories véhiculées par le fluide caloporteur au côté 3 chaud. Il sert à chauffer le gaz excité, pour amplifier l'onde acoustique. 25 Un troisième échangeur thermique 17 est disposé dans la seconde boucle d'échange thermique 14, en contact thermique avec le côté 4 froid à refroidir de sorte à en capter les calories non transformée en travail utile pour les transférer au fluide caloporteur. Un quatrième échangeur thermique 18 est disposé dans la seconde boucle d'échange 30 thermique 14, en contact thermique avec une circulation de liquide de refroidissement ou d'air ambiant comme source froide de sorte à évacuer les calories véhiculées par le fluide caloporteur par cette source froide. Afin d'améliorer la récupération d'énergie des gaz chauds traversant la ligne 6 35 d'échappement, on peut prévoir au moins un autre module 9a dont le côté chaud 10a est relié par une boucle d'échange thermique 13a à la ligne 6 d'échappement. L'échangeur thermique captant les calories véhiculées par les gaz d'échappement pour les transférer 3055668 6 au fluide caloporteur peut être commun au premier échangeur thermique 15. Le côté froid 11 a est relié par une boucle d'échange thermique 14a à la source froide. L'échangeur thermique évacuant les calories véhiculées par le fluide caloporteur par cette source froide peut être commun au quatrième échangeur thermique 18. 5 Afin d'améliorer encore la récupération d'énergie, on peut prévoir au moins un autre module 9b dont le côté chaud 10b est relié par une boucle d'échange thermique 13b au système 5 de récupération des résidus solides. Le côté froid 11 b est relié par une boucle d'échange thermique 14b à la source froide. L'échangeur thermique évacuant les calories 10 véhiculées par le fluide caloporteur par cette source froide peut être commun au quatrième échangeur thermique 18. Afin d'améliorer encore la récupération d'énergie, on peut prévoir au moins un autre module 9c dont le côté chaud 10c est relié par une boucle d'échange thermique 13c au 15 brûleur 5. Le côté froid 11c est relié par une boucle d'échange thermique 14c à la source froide. L'échangeur thermique évacuant les calories véhiculées par le fluide caloporteur par cette source froide peut être commun au quatrième échangeur thermique 18. La figure 2 présente une variante du précédent mode de réalisation dans laquelle les 20 deux structures 9b et 9c sont remplacées par une seule structure 9d dont le côté chaud 10d est relié par une boucle d'échange thermique 13d passant en série par le brûleur 3 et le système 5 de récupération des résidus solides. Cette variante, plus économique, permet de récupérer à la fois l'énergie du rayonnement sur les parois de la chambre de combustion du brûleur mais aussi l'énergie des résidus solides. Le côté froid lld est relié 25 par une boucle d'échange thermique 14d à la source froide. L'échangeur thermique évacuant les calories véhiculées par le fluide caloporteur par cette source froide peut être commun au quatrième échangeur thermique 18. La figure 3 présente un autre mode de réalisation d'ensemble moteur selon l'invention. 30 Dans ce nouveau mode de réalisation, l'énergie thermique dégagée par la combustion des particules solides est récupérée cette fois par un dispositif à boucle thermodynamique de Rankine. Dans ce mode de réalisation, le dispositif de récupération d'énergie à boucle de Rankine 35 comprend une boucle d'échange thermique 20 à l'intérieur de laquelle circule un fluide de travail. Un échangeur thermique 15, encore nommée évaporateur, est disposé dans la boucle d'échange thermique 20, en contact thermique avec la ligne 6 d'échappement 3055668 7 comme source chaude de sorte à capter les calories véhiculées par les gaz chauds pour les transférer au fluide de travail. A partir de l'échangeur thermique 5, selon un sens d'écoulement du fluide 7 à l'intérieur 5 de la boucle d'échange thermique 20, le dispositif de récupération d'énergie comprend encore un organe 21 de détente apte à transformer de l'énergie provenant de la détente du fluide en couple mécanique vers les roues du véhicule ou pour entrainer une génératrice pour produire de l'électricité, un condenseur 22 à l'intérieur duquel le fluide se condense et une pompe 23 pour mettre en circulation le fluide à l'intérieur de la boucle 10 d'échange thermique 20. Afin d'améliorer encore la récupération d'énergie, on peut prévoir une autre boucle d'échange thermique 20', indépendante de la précédente boucle d'échange thermique 20, et dont la source chaude est le système 5 de récupération des résidus solides. La boucle 15 d'échange thermique 20' comprend son propre organe 21' de détente, condenseur 22' et pompe 23'. Afin d'améliorer encore la récupération d'énergie, on peut prévoir une autre boucle d'échange thermique 20", indépendante des précédente boucles d'échange thermique 20 20, 20' et dont la source chaude est le brûleur 3. La boucle d'échange thermique 20" comprend son propre organe 21" de détente, condenseur 22" et pompe 23". Les fluides de travail dans les différentes boucles de Rankine ne sont pas nécessairement les mêmes. Les fluides de travail peuvent être adaptés au niveau de température dans les différentes branches afin d'améliorer le rendement. 25 La figure 4 présente une variante du précédent mode de réalisation dans laquelle les deux boucles d'échange thermique 20', 20" sont remplacées par une seule boucle d'échange thermique 20a dont la source chaude est un passage en série par le brûleur 3 et le système 5 de récupération des résidus solides. Cette boucle d'échange thermique 30 20a comprend son propre organe 21a de détente, condenseur 22a et pompe 23a. La figure 5 présente une autre variante du mode de réalisation présenté en figure 3 dans laquelle les trois boucles d'échanges 20, 20', 20" sont remplacées par une unique boucle d'échange thermique 20b dont la source chaude est constitué d'un passage en série par 35 le brûleur, le système 5 de récupération des résidus solides et l'échangeur 15 thermique 15, en contact thermique avec la ligne 6 d'échappement. Cette boucle d'échange 3055668 8 thermique 20b comprend son propre organe 21b de détente, condenseur 22b et pompe 23b. La figure 6 présente un autre mode de réalisation d'ensemble moteur selon l'invention. 5 Dans ce nouveau mode de réalisation, l'énergie thermique dégagée par la combustion des particules solides est récupérée cette fois par un dispositif à boucle thermodynamique de Brayton. Le cycle de Brayton est une technologie qui utilise un fluide de travail gaz (par exemple 10 de l'air si la boucle est ouverte, c'est-à-dire sans condenseur) pour produire de l'énergie. Le cycle est constitué d'un compresseur qui comprime le gaz, donc augmente sa température et sa pression. Le gaz comprimé passe dans un échangeur de chaleur qui échange avec une source chaude et subit un ajout de chaleur à pression constante, ce qui va augmenter sa pression et sa température, donc son enthalpie. Le gaz passe 15 ensuite dans une turbine, productrice de travail. Une partie du travail mécanique récupérée servira a entraîné le compresseur, le reste servira pour entraîner un générateur électrique pour produire de l'électricité. Dans ce mode de réalisation, le dispositif de récupération d'énergie à cycle de Brayton 20 comprend une boucle d'échange thermique 30 à l'intérieur de laquelle circule le gaz de travail. La boucle de Brayton est ici ouverte, sans condenseur. Le dispositif de récupération d'énergie comprend un compresseur 33 qui comprime le gaz. L'air en sortie du compresseur 33 échange, avec comme première source chaude, le système 5 de récupération des résidus solides, puis avec comme seconde source chaude, le brûleur 3 25 et enfin comme troisième source chaude avec l'échangeur 15 thermique de la ligne 6 d'échappement. En sortie de l'échangeur 15 thermique l'air chauffé réalise une expansion dans la turbine 31 en produisant un travail, donc un couple mécanique qui sera renvoyé aux pneus où bien entraîne un générateur électrique. Le reste de l'énergie qui n'a pas pu être transformé en travail utile, sera évacuée vers l'extérieur à la sortie de la turbine 31. 30 La figure 7 présente une variante du précédent mode de réalisation. Cette variante diffère du précédent mode de réalisation en ce que le dispositif de récupération d'énergie à cycle de Brayton comprend deux étages de compression avec un deuxième compresseur 33a, et un refroidisseur 34 intermédiaire. L'intérêt de mettre deux étages de compression avec 35 un refroidissement intermédiaire est de mieux récupérer l'énergie disponible ce qui permet d'optimiser le rendement global et de réduire le travail de compression, donc d'améliorer le travail total net. 3055668 9 La figure 8 présente une autre variante du mode de réalisation présenté en figure 6 dans laquelle la boucle d'échange thermique 30a dispose de deux étages de compression avec un deuxième compresseur 33a, et un refroidisseur 34 intermédiaire et on récupère en 5 premier lieu l'énergie au niveau du brûleur 3, puis l'énergie au niveau du système 5 de récupération des résidus solides, puis au niveau de 'échangeur 15 thermique de la ligne 6 d'échappement. Le choix de l'ordre de passage des sources chaudes est fonction de leurs niveaux de température. 10 La figure 9 présente un autre mode de réalisation d'ensemble moteur selon l'invention. Dans ce nouveau mode de réalisation, l'énergie thermique dégagée par la combustion des particules solides est récupérée cette fois par une machine Stirling 40. Dans ce mode de réalisation, la machine Stirling 40 comprend une tête chaude reliée, en 15 source chaude, à l'échangeur 15 de chaleur de la ligne 6 d'échappement. Elle pourrait également être reliée en source chaude, seul ou en combinaison avec le brûleur 3 et / ou le système 5 de récupération des résidus solides. La figure 10 présente une variante du précédent mode de réalisation. Cette variante 20 diffère du précédent mode de réalisation en ce que la tête chaude 42 de la machine Stirling 40 est reliée, pour sa source chaude, à l'échangeur 15 de chaleur de la ligne 6 d'échappement, au brûleur 3 et au système 5 de récupération des résidus solides. Cette variante diffère encore du précédent mode de réalisation en ce que la machine Stirling 40 comprend un régénérateur 41 externe relié à l'échangeur 15 pour chauffer l'air destiné à 25 entrer dans le brûleur 3, ce qui permet de réduire l'apport de chaleur dans ma chambre de combustion et donc la consommation en carburant solide. Dans cette variante le régénérateur 41 est en amont du compresseur 4 d'air d'admission, mais dans une variante non représentée, ce régénérateur 41 pourrait être relié à l'échangeur 15, tout en étant disposé entre le compresseur 4 et l'entrée du brûleur 3. 30 La figure 11 présente une autre variante du mode de réalisation présenté en figure 9. Dans cette variante, la tête chaude de la machine Stirling 40 comprend plusieurs étages, ici trois, 42a, 42b et 42c, chacun étant relié indépendamment à l'une des trois sources chaudes constituées par le brûleur 3, le système 5 de récupération des résidus solides, 35 l'échangeur 5 de chaleur de la ligne 6 d'échappement. Avoir une tête chaude à plusieurs étages permet d'apporter de la chaleur à plusieurs niveaux de température différents sur 3055668 10 la machine Stirling 40, ce qui évite de mixer les trois sources en amont et de perdre un potentiel de travail. L'invention ne se limite pas aux exemples décrits. En variante, d'autres combinaisons 5 reliant le dispositif de récupération thermique aux sources chaudes que sont le brûleur 3, le système 5 de récupération d'énergie et l'échangeur 15 thermique peuvent être envisagées. Cette invention permet de maximiser le rendement global d'un convertisseur 10 thermodynamique fonctionnant avec des particules solides. REVENDICATIONS1. Ensemble moteur pour véhicule automobile comprenant un brûleur (3) de particules solides à brûler dans une chambre de combustion à volume fixe, la chambre de combustion étant reliée à une ligne (6) d'échappement des gaz de combustion et un système (5) de récupération des résidus solides issus de la combustion des particules, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (7) de récupération d'énergie thermique dégagée par la combustion et de conversion de cette énergie récupérée en énergie électrique et/ ou mécanique. 2. Ensemble moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d'énergie thermique comprend un convertisseur (7) thermo-acoustique relié, pour sa source chaude, à un échangeur (15) de chaleur disposé sur la ligne (6) d'échappement et/ou sur le système (5) de récupération des résidus solides et/ou sur le brûleur (3). 3. Ensemble moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d'énergie thermique est un dispositif à boucle de Rankine (20, 20', 20"). 4. Ensemble moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d'énergie thermique à boucle de Rankine est relié, pour sa source chaude, à un échangeur (15) de chaleur disposé sur la ligne (6) d'échappement et/ou sur le système (5) de récupération des résidus solides et/ou sur le brûleur (3). 5. Ensemble moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d'énergie thermique est un dispositif à cycle de Brayton (30). 6. Ensemble moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d'énergie thermique à cycle de Brayton (30) est relié, pour sa source chaude, à un échangeur (15) de chaleur disposé sur la ligne (6) d'échappement et/ou sur le système (5) de récupération des résidus solides et/ou sur le brûleur (3). 7. Ensemble moteur selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend deux étages de compression (33, 33a) et un refroidisseur (34) intermédiaire entre les deux étages de compression (33, 33a). 8. Ensemble moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d'énergie thermique est une machine Stirling (40) comprenant une tête chaude (42) reliée, à un échangeur (15) de chaleur disposé sur la ligne (6) 3055668 12 d'échappement et/ou sur au système (5) de récupération des résidus solides et/ou au brûleur (3). 9. Ensemble moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la machine Stirling (40) comprend un régénérateur (41) externe pour chauffer l'air admis dans le brûleur, ce 5 régénérateur (41) externe étant relié thermiquement à l'échangeur (15) de chaleur disposé sur la ligne (6) d'échappement. 10. Ensemble moteur selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce que la machine Stirling (40) comprend une tête chaude à plusieurs étages, chaque étage (42a, 42b, 42c) étant relié indépendamment à une des sources chaudes que sont 10 l'échangeur (15) de chaleur disposé sur la ligne (6) d'échappement, le système (5) de récupération des résidus solides, le brûleur (3).