Brevet FR3077122A1 — publié le 20190726

SYSTÈME À CYCLE THERMODYNAMIQUE DE RANKINE INTÉGRÉ À UNE BOUCLE DE CLIMATISATION POUR VÉHICULE AUTOMOBILE [0001] La présente invention porte sur un système à cycle thermodynamique de Rankine intégré à une boucle de climatisation pour véhicule automobile. [0002] Il est connu que seulement une petite partie de l'énergie produite par un moteur thermique est réellement transmise au véhicule; plus de 20% correspondent à de l'énergie mécanique perdue (environ 20% de pertes moteur, 5% de pertes dans la boîte de vitesses, et 2% de pertes de pompage), tandis que plus de 50% de l'énergie dégagée par le moteur sont perdus sous forme de chaleur d'échappement et d'eau. [0003] Cette chaleur rejetée par le moteur thermique peut être récupérée et partiellement reconvertie en puissance mécanique ou électrique grâce à l'utilisation d'un système à cycle thermodynamique de Rankine. [0004] Un tel système utilise des fluides à changement de phase (eau ou fluide organique) pour produire de l'énergie. L'utilisation des fluides organiques permet de mieux s'adapter aux températures pour valoriser la chaleur rejetée à faible température. La sélection du fluide de travail est un facteur affectant l'efficacité du cycle. La différence entre le cycle de Rankine organique (ou ORC pour "Organic Rankine Cycle" en anglais) et le cycle classique, appelé également "Steam Rankine" en anglais, est l'utilisation d'un fluide de travail organique à la place de la vapeur d'eau, dans ce cas, le point critique est atteint à une température et une pression plus faible comparé avec l'eau. La source chaude sur un véhicule pourra être, soit le liquide de refroidissement, soit les gaz d'échappement. [0005] Comme on peut le voir sur la figure 1, un système à cycle de Rankine 1 comporte une pompe de liquide 2, un évaporateur 3 (échangeur chaud couplant le fluide de travail de la boucle à de l'air chaud A ch ou bien au liquide de refroidissement du moteur, une turbine 4 ou un autre type de machine de détente, ainsi qu'un condenseur 5 (échangeur froid couplant le fluide de travail de la boucle à de l'air froid). Le cycle ORC est composé d'une phase de compression du fluide sortant du condenseur par la pompe 2, d'une phase de chauffage du fluide à pression constante dans l'évaporateur 3, d'une phase de détente dans la turbine 4, et d'une phase de condensation à pression constante dans le condenseur 5. 2 [0006] Ainsi, le fluide de travail en sortie du condenseur 5 (Point P-1) est comprimé jusqu'à atteindre une pression supérieure à la sortie de la pompe 2 (Point P2). Le fluide passe alors à travers l'évaporateur 3 dans lequel il est chauffé et vaporisé grâce à un échange de chaleur entre la source de chaleur et le fluide de travail. A la sortie de l'évaporateur 3 (cf. point P3), 5 le fluide possède une enthalpie plus élevée et passe alors dans la turbine 4 dans laquelle il subit une détente productrice de travail. La turbine 4 entraîne généralement une génératrice électrique qui permet de réinjecter la puissance sous forme électrique. Le fluide à la sortie de la turbine 4 (Point P4) est ensuite condensé dans le condenseur 5 pour revenir se comprimer de nouveau. 10 [0007] Toutefois, le nombre important de composants du système à cycle de Rankine nécessite l'introduction de composants engendrant un coût, une masse, et un volume additionnels sur le véhicule. De ce fait, l'intégration de ce système de récupération thermique dans un environnement automobile n'est pas particulièrement avantageuse par rapport aux gains énergétiques obtenus, en particulier en termes de réduction de 15 consommation de carburant. [0008] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un ensemble thermodynamique pour véhicule automobile muni d'un moteur thermique comportant: - un circuit de climatisation comprenant: 20 - un premier évaporateur apte à absorber une chaleur d'un habitacle de véhicule automobile, et - un détenteur, - un système à cycle thermodynamique de Rankine apte à récupérer une énergie dissipée par le moteur thermique comprenant: 25 - une pompe pour augmenter une pression d'un fluide de travail, et - un deuxième évaporateur pour coupler le fluide de travail à une source de chaleur du moteur thermique, caractérisé en ce qu'une machine volumétrique réversible couplée avec le moteur thermique et un condenseur sont communs au circuit de climatisation et au système à cycle thermodynamique de Rankine, ladite machine volumétrique réversible étant 30 apte à fonctionner en mode compresseur dans le circuit de climatisation et en mode turbine dans le système à cycle thermodynamique de Rankine. [0009] L'invention permet ainsi, en utilisant dans le système à cycle de Rankine des composants déjà présents sur le véhicule, de simplifier l'intégration d'un tel système dans le 3 véhicule ainsi que de réduire son encombrement, sa masse, et son coût. En outre, l'invention permet d'injecter directement la puissance mécanique produite sur le vilebrequin du moteur. On s'affranchit ainsi du coût additionnel d'une machine électrique adaptée à un système Rankine, du coût additionnel lié au post-traitement de la puissance électrique et au 5 redimensionnement de la batterie, ainsi que de la double conversion mécanique-électrique et électrique-mécanique. [0010] Selon une réalisation, ledit ensemble thermodynamique comporte un système de vannes configuré pour orienter sélectivement le fluide vers le premier évaporateur et le détenteur dans un mode de fonctionnement en climatisation, ou vers la pompe et le 10 deuxième évaporateur dans un mode de fonctionnement en récupération d'énergie. [0011] Selon une réalisation, le système à cycle thermodynamique de Rankine et le circuit de climatisation utilisent un même fluide de travail de type organique. [0012] Selon une réalisation, le fluide de travail est un fluide frigorigène, par exemple du type R-1234yf. 15 [0013] Selon une réalisation, le deuxième évaporateur est installé sur un circuit de refroidissement du moteur thermique. [0014] Selon une réalisation, le deuxième évaporateur est installé entre une sortie du boîtier de sortie de liquide de refroidissement du moteur et un radiateur du véhicule automobile. 20 [0015] Selon une réalisation, le deuxième évaporateur est installé sur une ligne d'échappement. [0016] Selon une réalisation, le deuxième évaporateur est installé en aval d'un catalyseur. [0017] Selon une réalisation, la machine volumétrique est un compresseur à spirales réversible. 25 [0018] Selon une réalisation, la machine volumétrique est munie d'un dispositif d'inversion de sens de rotation pour passer d'un fonctionnement en mode compresseur à un fonctionnement en mode turbine. 4 [0019] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'a titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0020] La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'un système 5 thermodynamique à boucle de Rankine classique; [0021] Les figures 2a et 2b montrent un ensemble thermodynamique selon l'invention fonctionnant respectivement dans un mode de climatisation et dans un mode de récupération d'énergie; [0022] La figure 3 est une représentation graphique du diagramme entropique du fluide de 10 travail utilisé dans l'ensemble thermodynamique selon la présente invention; [0023] Les figures 4a et 4b sont des représentations schématiques illustrant l'apport du système à cycle de Rankine sur le rendement global du moteur thermique lorsque la source chaude est constituée respectivement par le liquide de refroidissement du moteur thermique ou par les gaz d'échappement du moteur thermique. 15 [0024] Sur les figures 2a et 2b, les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0025] Les figures 2a et 2b montrent un ensemble thermodynamique 10 pour véhicule automobile muni d'un moteur thermique comportant un circuit de climatisation 11 comprenant un détenteur 12, un évaporateur 13 pour absorber une chaleur de l'habitacle 20 du véhicule, une machine volumétrique réversible 14, et un condenseur 15. La machine 14 est couplée avec le moteur thermique en étant par exemple montée en façade accessoires du moteur thermique. La machine 14 est apte à fonctionner en mode compresseur. [0026] L'ensemble 10 comporte également un système 17 à cycle thermodynamique de Rankine apte à récupérer une énergie dissipée par le moteur thermique. Le système 17 25 comprend une pompe 18 pour augmenter une pression du fluide du système, un évaporateur 19 pour coupler le fluide du système à une source de chaleur du moteur thermique. Le système 17 utilise également le condenseur 15 ainsi que la machine volumétrique 14 apte à fonctionner également en mode turbine. Autrement dit, la machine volumétrique réversible 14 et le condenseur 15 sont communs au circuit de climatisation 11 30 et au système à boucle de Rankine 17. 5 [0027] En outre, un système de vannes 21 est monté en amont et en aval des composants communs 14 et 15. Ce système 21 est configuré pour orienter sélectivement le fluide circulant à travers ces composants 14, 15 vers l'évaporateur 13 et le détenteur 12 dans un mode de fonctionnement en climatisation, ou vers la pompe 18 et l'évaporateur 19 dans un 5 mode de fonctionnement en récupération d'énergie. [0028] Dans le mode de fonctionnement en climatisation illustré par la figure 2a, après avoir traversé le détendeur 12, le fluide de travail passe à l'intérieur de l'évaporateur 13 au sein duquel le fluide absorbe la chaleur de l'air habitacle en changeant d'état physique, c'est-à-dire en passant en phase gazeuse. En sortie de l'évaporateur 13, le fluide de travail 10 circule jusqu'à la machine 14 qui le comprime. Le fluide de travail sous forme de gaz haute pression en sortie de la machine 14 est introduit dans le condenseur 15 au sein duquel le gaz cède sa chaleur à l'air extérieur traversant le condenseur 15 grâce à l'avancement du véhicule et/ou au fonctionnement du groupe moto-ventilateur. [0029] Dans le mode de fonctionnement en récupération d'énergie illustré par la figure 2b, 15 le fluide de travail en la sortie du condenseur 15 est comprimé jusqu'à atteindre une pression supérieure à la sortie de la pompe 18. Le fluide passe alors à travers l'évaporateur 19 dans lequel il est chauffé et vaporisé grâce à un échange de chaleur entre la source de chaleur et le fluide de travail. A la sortie de l'évaporateur 19, le fluide possède une enthalpie plus élevée et passe alors dans la machine 14 dans laquelle il subit une détente productrice de 20 travail. La machine 14 entraîne généralement une génératrice électrique qui permet de réinjecter la puissance sous forme électrique. Le sens de rotation R de la machine 14 est inversé par rapport à son fonctionnement dans le mode climatisation. Le fluide à la sortie de la machine 14 est ensuite condensé dans le condenseur 15 pour revenir se comprimer de nouveau. 25 [0030] Ainsi, le tronçon commun sur lequel sont installés la machine 14 et le condenseur 15 est alimenté soit par le circuit de climatisation 11 soit par le circuit de Rankine 17 mais jamais par les deux circuits en même temps. On observe également que le sens de circulation du fluide à l'intérieur du circuit de climatisation 11 indiqué par les flèches F1 est le même que le sens de circulation du fluide à l'intérieur du circuit de Rankine 17 indiqué 30 par les flèches F2. [0031] Le système 17 à cycle de Rankine et le circuit de climatisation 11 utilisent un même fluide de travail de type organique. Le fluide de travail est avantageusement un fluide frigorigène, par exemple du type 1234yf. La figure 3 montre le diagramme entropique ou 6 diagramme T (Température)-S (Entropie) d'un tel fluide de nature isentropique. On observe que la pente du diagramme dans la partie qui délimite la zone diphasique Z D (liquide-vapeur) de la zone vapeur Z V est verticale (pente infinie). La zone du diagramme Z L correspond à la zone à l'état liquide. 5 [0032] Suivant un mode de réalisation particulier, l'évaporateur 19 de récupération d'énergie est installé sur un circuit de refroidissement du moteur thermique, notamment entre une sortie du boîtier de sortie de liquide de refroidissement et le radiateur du véhicule. Alternativement, l'évaporateur 19 est installé sur une ligne d'échappement du moteur thermique, notamment en aval d'un catalyseur par exemple de type SCR pour système de 10 "Réduction Catalytique Sélective", ou autre, afin ne pas perturber son fonctionnement. En variante; on utilise en combinaison un premier évaporateur 19 monté sur le circuit de refroidissement du moteur thermique et un second évaporateur 19 installé sur la ligne d'échappement. [0033] De préférence, la machine volumétrique 14 est un compresseur de type, dit scroll 15 ou à spirales, qui est réversible. Le compresseur 14 est muni d'un dispositif 24 d'inversion de sens de rotation pour passer d'un fonctionnement en mode compresseur à un fonctionnement en mode turbine. Le dispositif 24 est de préférence un mécanisme monté sur l'arbre du compresseur 14. En outre, des clapets 25 anti-retour sont disposés à l'extérieur du compresseur 14. En variante, la machine volumétrique 14 prend la forme d'un 20 piston compresseur. [0034] Etant donné que la machine 14 est montée sur la façade accessoires du moteur thermique, le travail produit lors de la détente du fluide peut être directement réinjecté mécaniquement via le dispositif de transmission, notamment à courroie ou à chaîne, entre le compresseur et le vilebrequin du moteur thermique. 25 [0035] Les figures 4a et 4b mettent en évidence le gain énergétique apporté par le système 17 à cycle de Rankine. Dans un moteur thermique conventionnel, de l'énergie est rejetée sous forme de chaleur majoritairement via le liquide de refroidissement moteur et les gaz d'échappement. Le système 17 permet de récupérer une partie de cette énergie thermique pour la transformer en énergie mécanique et la réinjecter sur la chaîne de traction afin 30 d'améliorer le rendement global du groupe motopropulseur. [0036] Ainsi, comme cela est représenté sur la figure 4a, lorsque le carburant génère une puissance 100 kW, une partie de cette puissance (33 kW) est perdue à l'échappement Ech 7 et une partie de cette puissance (37 kW) est utile à la rotation Rot du moteur. Dans le cas où l'évaporateur 19 est disposé sur le circuit de refroidissement Ref du moteur, le système à boucle de Rankine 17, qui a un rendement de 5%, permet de récupérer 1,5 kW de puissance mécanique pour la rotation Rot du moteur thermique, le reste étant rejeté sous 5 forme de chaleur Chai. [0037] Alternativement, comme cela est représenté sur la figure 4b, dans le cas où l'évaporateur 19 est disposé sur le conduit d'échappement Ech, le système à boucle de Rankine 17, qui a alors un rendement augmenté de 18%, permet de récupérer 1,5 kW de puissance mécanique pour la rotation Rot du moteur thermique. 10 [0038] Ces valeurs sont données à titre d'exemple et pourraient différer d'un moteur à l'autre ainsi qu'en REVENDICATIONS1. Ensemble thermodynamique (10) pour véhicule automobile muni d'un moteur thermique comportant: - un circuit de climatisation (11) comprenant: - un premier évaporateur (13) apte à absorber une chaleur d'un habitacle de véhicule automobile, et - un détenteur (12), - un système à cycle thermodynamique de Rankine (17) apte à récupérer une énergie dissipée par le moteur thermique comprenant: - une pompe (18) pour augmenter une pression d'un fluide de travail, et - un deuxième évaporateur (19) pour coupler le fluide de travail à une source de chaleur du moteur thermique, caractérisé en ce qu'une machine volumétrique réversible (14) couplée avec le moteur thermique et un condenseur (15) sont communs au circuit de climatisation (11) et au système à cycle thermodynamique de Rankine (17), ladite machine volumétrique réversible (14) étant apte à fonctionner en mode compresseur dans le circuit de climatisation (11) et en mode turbine dans le système à cycle thermodynamique de Rankine (17). 2. Ensemble thermodynamique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un système de vannes configuré pour orienter sélectivement le fluide vers le premier évaporateur (13) et le détenteur (12) dans un mode de fonctionnement en climatisation, ou vers la pompe (18) et le deuxième évaporateur (19) dans un mode de fonctionnement en récupération d'énergie. 3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système à cycle thermodynamique de Rankine (17) et le circuit de climatisation (11) utilisent un même fluide de travail de type organique. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide de travail est un fluide frigorigène, par exemple du type R-1234yf. 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le deuxième évaporateur (19) est installé sur un circuit de refroidissement du moteur thermique. 9 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que le deuxième évaporateur (19) est installé entre une sortie du boîtier de sortie de liquide de refroidissement et un radiateur du véhicule automobile. 7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le 5 deuxième évaporateur (19) est installé sur une ligne d'échappement. 8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que le deuxième évaporateur (19) est installé en aval d'un catalyseur. 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la machine volumétrique (14) est un compresseur à spirales réversible. 10 10. Ensemble selon la revendication 9, caractérisé en ce que la machine volumétrique (14) est munie d'un dispositif d'inversion de sens de rotation (24) pour passer d'un fonctionnement en mode compresseur à un fonctionnement en mode turbine.