Brevet FR3055364A1 — publié le 20180302

DISPOSITIF DE RECUPERATION D'ENERGIE THERMIQUE D'UN MOTEUR DE VEHICULE AUTOMOBILE [0001] La présente invention concerne de manière générale un dispositif de récupération d'énergie monté sur un véhicule automobile, et en particulier, l'invention concerne un dispositif de récupération d'énergie agencé pour récupérer une partie de l'énergie thermique générée et perdue par un moteur thermique équipant un véhicule automobile. L'invention concerne aussi l'intégration d'un tel dispositif dans un véhicule du type hybride, c'est-à-dire comprenant une source motrice d'origine thermique, et une source motrice d'origine électrique. [0002] Il est connu dans l'art antérieur des dispositifs de récupération d'énergie agencés pour récupérer de l'énergie des gaz d'échappement par détente de ces derniers. En particulier, le document EP0223419 décrit un moteur turbocompressé auquel une turbine a été rajoutée sur la ligne d'échappement, en aval du turbocompresseur, afin d'entraîner une génératrice de courant. En contrepartie, ce système présente notamment l'inconvénient d'être complexe en raison des nombreux composants ajoutés et des contraintes thermiques, et peu efficace car la rotation de la turbine dépend des caractéristiques du flux de gaz d'échappement, qui n'est évidemment pas constant. [0003] Un but de la présente invention est de répondre aux inconvénients des documents de l'art antérieur mentionnés ci-dessus et en particulier, tout d'abord, de proposer un dispositif de récupération d'énergie pour un moteur thermique qui soit simple en termes de pièces mécaniques, et qui présente un bon rendement. [0004] Pour cela un premier aspect de l'invention concerne un dispositif de récupération d'énergie agencé pour récupérer de l'énergie 3055364 2 produite par un moteur thermique de véhicule automobile, comprenant : - une turbine radiale, - un générateur de courant, accouplé à la turbine radiale pour produire un courant électrique, 5 caractérisé en ce que le dispositif de récupération d'énergie comprend un circuit de récupération de chaleur agencé pour récupérer de la chaleur produite par le moteur thermique avec un fluide à changement de phase, et en ce que la turbine radiale est agencée pour être entraînée en rotation par le fluide à changement de phase, lors d'une détente du fluide à changement de 10 phase, lorsqu'il est en phase gazeuse. [0005] Le dispositif de récupération d'énergie électrique selon la mise en oeuvre ci-dessus est simple puisque le générateur de courant est directement accouplé à la turbine radiale, et cette dernière est entraînée par la détente d'un fluide à changement de phase, lorsqu'il est en phase 15 gazeuse. La turbine radiale est donc moins sollicitée thermiquement que si elle est entraînée par des gaz d'échappement. De plus, le débit du fluide à changement de phase dans un circuit de récupération de chaleur varie moins fortement que le débit de gaz d'échappement, ce qui permet un meilleur fonctionnement global de l'installation. 20 [0006] Avantageusement, la turbine radiale entraîne en rotation le générateur de courant en ligne directe. La turbine radiale et le générateur de courant sont coaxiaux et directement accouplés l'un à l'autre. [0007] Avantageusement, la turbine radiale entraîne en rotation le générateur de courant avec un rapport de réduction de 1:1. Le générateur 25 de courant est donc une machine tournante directement accouplée à la turbine radiale, et tourne à la même vitesse de rotation. On peut envisager des vitesses de rotation comprises entre 200000 et 300000 tours par minute. [0008] Avantageusement, le générateur de courant est un générateur de courant à aimants permanents, en particulier du type 30 synchrone, et sans balais. On peut envisager un générateur de courant d'une 3055364 3 puissance comprise entre 1 kW et 3kW, délivrant du courant en régime triphasé. [0009] Avantageusement, le dispositif de récupération d'énergie comprend des moyens de conversion de courant, connectés au générateur 5 de courant et agencés pour fournir au véhicule du courant continu à une tension de 12V. Cela permet d'alimenter directement un réseau de bord du véhicule ou des moyens de stockage d'électricité. En d'autres termes, l'invention propose des moyens de récupération d'énergie thermique ou de chaleur, qui délivrent directement de l'énergie électrique sous une tension 10 normalisée et compatible avec le réseau de bord du véhicule. [0010] Avantageusement, les moyens de conversion de courant comprennent en outre un convertisseur de courant alternatif-continu agencé pour convertir du courant continu en courant alternatif, pour alimenter une machine de traction du véhicule. Autrement dit, il n'y a pas besoin de stocker 15 de l'électricité sous haute tension, puisque le courant nécessaire à la machine électrique de traction est convertie depuis le réseau de bord 12V à la demande. Le réseau électrique reste simple. [0011] Avantageusement, le convertisseur de courant alternatif- continu agencé pour convertir du courant continu en courant alternatif, pour 20 alimenter une machine de traction du véhicule, peut fonctionner de manière réversible. Ainsi, la machine électrique de traction servant à propulser le véhicule lors de phases motrices, peut se transformer en dispositif de récupération d'énergie lors des phases de freinage : le courant alternatif produit est alors transformé par le convertisseur de courant alternatif-continu 25 réversible en courant continu. On cumule les fonctions, ce qui simplifie encore le système. [0012] Avantageusement, le dispositif de récupération d'énergie comprend un démarreur agencé pour démarrer le moteur thermique, dans lequel le démarreur est agencé est agencé pour former la machine de traction du véhicule et participer à la propulsion du véhicule. On peut donc envisager d'utiliser la machine électrique formant démarreur pour participer à 3055364 4 la traction du véhicule, et alimenter cette machine directement avec l'électricité produite par le générateur de courant. [0013] Avantageusement, le dispositif de récupération d'énergie comprend des moyens de récupération d'énergie cinétique. 5 [0014] Avantageusement, les moyens de récupération d'énergie cinétique sont une génératrice de courant accouplée à une roue du véhicule et le convertisseur de courant alternatif-continu agencé pour convertir du courant continu en courant alternatif est agencé pour fonctionner de manière réversible et transformer du courant alternatif en courant continu. 10 [0015] Avantageusement, la turbine radiale comprend au moins un palier à air. De tels paliers permettent d'obtenir une grande vitesse de rotation, avec de faibles pertes de frottement. En alternative, on peut envisager des paliers à bille. [0016] Avantageusement, le circuit de récupération de chaleur 15 avec le fluide à changement de phase est agencé pour fonctionner selon un cycle de Rankine. Un tel cycle est bien adapté pour récupérer de l'énergie thermique. [0017] Avantageusement, le fluide à changement de phase est un fluide organique. Les températures de changement de phases sont bien 20 adaptées au fonctionnement d'un moteur thermique. [0018] Avantageusement, le circuit de récupération de chaleur avec le fluide à changement de phase comprend un échangeur de chaleur agencé pour récupérer de la chaleur d'un circuit de refroidissement moteur, et/ou de gaz d'échappement du moteur. 25 [0019] Un second aspect de l'invention est un véhicule automobile, comprenant un dispositif de récupération d'énergie selon le premier aspect de l'invention. [0020] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée 30 qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par le dessin annexé, dans lequel : 3055364 5 - la figure 1 représente un schéma d'architecture d'un véhicule équipé d'un moteur thermique et d'un dispositif de récupération d'énergie selon la présente invention. [0021] La figure 1 représente un dispositif de récupération 5 d'énergie thermique selon l'invention équipant un moteur thermique 41 d'un véhicule automobile. [0022] Le moteur thermique 41 est accouplé à une boite de vitesse 44 et un différentiel 45, pour transmettre un couple moteur à une ligne de transmission et à des roues motrices 51. 10 [0023] De manière classique, le moteur thermique 41 comprend un circuit de refroidissement avec un radiateur 43, et une ligne d'échappement 42. Il est également prévu un démarreur 33, qui peut être prévu pour assurer une fonction de démarrage automatisé, après un arrêt automatique du moteur thermique, à un feu rouge par exemple. 15 [0024] Le moteur thermique 41, lors de son fonctionnement, produit donc de la chaleur qui est évacuée par le radiateur 43, et avec les gaz d'échappement. [0025] L'invention propose de récupérer au moins une partie de cette chaleur perdue, en équipant le véhicule avec un dispositif de 20 récupération d'énergie qui comprend notamment un circuit de récupération de chaleur 10, qui fonctionne selon un cycle de Rankine. [0026] En effet, des canalisations 16 et 17 sont prévues entre le radiateur 43 et/ou la ligne d'échappement 42 pour faire circuler un fluide caloporteur vers un évaporateur 15 du circuit de récupération de chaleur 10. 25 Par ailleurs, cet évaporateur 15 est alimenté par une pompe 14 en fluide de travail (un fluide organique ou autrement appelé fluide à changement de phase) sous phase liquide, et fournit en sortie le fluide de travail en phase gazeuse sous pression (grâce à la chaleur récupérée du moteur thermique 41), pour alimenter une turbine radiale 11, qui effectue une détente. Après la 3055364 6 détente, le fluide de travail passe dans un condenseur 13 avant de retourner à la pompe 14 pour être pressurisé à nouveau. [0027] On peut prévoir d'autres architectures que les canalisations 16 et 17 pour chauffer l'évaporateur 15. On peut y faire passer 5 directement le liquide de refroidissement du moteur thermique 41, ou ses gaz d'échappement. [0028] La turbine radiale 11 est donc entraînée par le fluide de travail, à haute vitesse (entre 200000 et 300000 tours par minutes), et est accouplée en direct avec un générateur de courant 12, qui est par exemple 10 une machine électrique tournante synchrone à aimants permanents et sans balais. Le rotor de ce générateur de courant 12 est donc un aimant permanent, et il autorise de grandes vitesses de rotation, car il n'y a pas de balais ou de contacts glissants. [0029] Un tel générateur de courant est très compact (pour une 15 puissance nominale comprise entre 1kW et 3 kW, on peut choisir une machine de diamètre extérieur inférieure à 30 mm et d'une longueur inférieure à 60 mm. On peut prévoir des paliers à air, ou à billes pour supporter la très haute vitesse de rotation. Typiquement, un tel générateur de courant 12 produit du courant triphasé, sous une tension supérieure à 12V. 20 [0030] En raison de l'alimentation en chaleur qui se fait de manière relativement constante, la turbine radiale 11 tourne de manière plus régulière que si elle était entraînée par les gaz d'échappement par exemple. Le rendement est donc amélioré. [0031] L'invention propose aussi de convertir le courant produit 25 directement en courant continu, sous une tension de 12V. En conséquence, il est prévu des moyens de conversion de courant 20 avec un convertisseur de courant 21 qui transforme le courant alternatif triphasé haute tension en courant continu à 12V. 3055364 7 [0032] Il est alors possible d'alimenter directement des consommateurs d'électricité 31i, 31ii,... qui font partie d'un réseau de bord 30 du véhicule. Il est également alors possible d'alimenter directement des moyens de stockage d'énergie électrique, tels qu'une batterie 32. 5 [0033] L'invention propose également de prévoir les moyens de conversion de courant avec un autre convertisseur de courant 22 qui transforme le courant continu à 12V en courant alternatif à une tension supérieure à 12V, pour alimenter par exemple le démarreur 33, afin de participer directement à la traction du véhicule. 10 [0034] On peut envisager d'alimenter tout type de moteur électrique avec l'autre convertisseur de courant 22, tel que par exemple un moteur électrique accouplé à la boite de vitesse 44, ou directement logé dans une roue motrice 51. [0035] On peut également prévoir que l'autre convertisseur de 15 courant 22 fonctionne de manière réversible, pour faire fonctionner le moteur électrique qu'il alimente en phase de traction, en génératrice de courant lors des phases de freinage. On cumule ainsi les fonctions et on évite par exemple de devoir équiper le véhicule avec des moyens de stockage de courant sous haute tension. En effet, les convertisseurs de courant 21 et 22 20 garantissent que seule une batterie 32 est nécessaire pour stocker de l'énergie électrique. [0036] On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente 25 description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées. En particulier, il est fait mention d'un moteur thermique, on peut par exemple prévoir un moteur 4 temps ou 2 temps, à essence ou diesel, avec un nombre de cylindres compris entre 1 et 12. REVENDICATIONS1. Dispositif de récupération d'énergie agencé pour récupérer de l'énergie produite par un moteur thermique (41) de véhicule automobile, 5 comprenant : - une turbine radiale (11), - un générateur de courant (12), accouplé à la turbine radiale (11) pour produire un courant électrique, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d'énergie comprend un 10 circuit de récupération de chaleur (10) agencé pour récupérer de la chaleur produite par le moteur thermique (41) avec un fluide à changement de phase, et en ce que la turbine radiale (11) est agencée pour être entraînée en rotation par le fluide à changement de phase, lors d'une détente du fluide à changement de phase, lorsqu'il est en phase gazeuse. 15 2. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication précédente, dans lequel la turbine radiale (11) entraîne en rotation le générateur de courant (12) avec un rapport de réduction de 1:1. 3. Dispositif de récupération d'énergie selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de récupération 20 d'énergie comprend des moyens de conversion de courant (20), connectés au générateur de courant (12) et agencés pour fournir au véhicule du courant continu à une tension de 12V. 4. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication précédente, dans lequel les moyens de conversion de courant (20) 25 comprennent en outre un convertisseur de courant (22) alternatif-continu agencé pour convertir du courant continu en courant alternatif, pour alimenter une machine de traction du véhicule. 3055364 - 9 - 5. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication précédente, comprenant un démarreur (33) agencé pour démarrer le moteur thermique (41), dans lequel le démarreur (33) est agencé pour former la machine de traction du véhicule et participer à la propulsion du véhicule. 6. Dispositif de récupération d'énergie selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens de récupération d'énergie cinétique. 7. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication 6 et la revendication 4, dans lequel les moyens de récupération d'énergie 10 cinétique sont une génératrice de courant accouplée à une roue (51) du véhicule, et dans lequel le convertisseur de courant (22) alternatif-continu agencé pour convertir du courant continu en courant alternatif est agencé pour fonctionner de manière réversible et transformer du courant alternatif en courant continu. 15 8. Dispositif de récupération d'énergie selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le circuit de récupération de chaleur (10) avec le fluide à changement de phase est agencé pour fonctionner selon un cycle de Rankine. 9. Dispositif de récupération d'énergie selon l'une des 20 revendications précédentes, dans lequel le circuit de récupération de chaleur (10) avec le fluide à changement de phase comprend un échangeur de chaleur agencé pour récupérer de la chaleur d'un circuit de refroidissement moteur, et/ou de gaz d'échappement du moteur. 10. Véhicule automobile, comprenant un dispositif de récupération 25 d'énergie selon l'une des revendications précédentes.