Brevet FR3095842A1 — publié le 20201113

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ENERGIES POUR VEHICULE [0001] L'invention se rapporte à un dispositif de production d'énergies pour véhicule, notamment automobile, telles que de l'énergie mécanique, thermique ou électrique habituellement utilisées par les divers systèmes équipant ledit véhicule, notamment hybride ou électrique. [0002] 11 est connu de l'état de la technique une machine thermodynamique connue sous le nom de machine de Stirling, également appelée moteur Stirling. Une machine de Stirling opère avec une source de chaleur, généralement sous la forme d'un brûleur capable de brûler divers combustibles liquides ou gazeux, tels que du méthane, de l'éthane, du propane, du butane, des naphtènes, des composés aromatiques ou des paraffines à longue chaîne, ainsi que des combustibles solides, tels que du bois, du charbon, de l'aluminium ou du magnésium, pour chauffer directement un échangeur de chaleur ou une tête de chauffage intégrée. Il s'agit ainsi d'un mode de fonctionnement à combustion externe. Une machine de Stirling comporte une tête de chauffage comprenant un cylindre renfermant un gaz, tel que de l'air, de l'hydrogène ou de l'hélium. Ce gaz est communément appelé fluide de travail et est soumis à un cycle thermodynamique dit cycle de Stirling. Un cycle de Stirling comporte deux transformations isothermes et deux transformations isochores. Le fluide de travail subit ainsi quatre transformations : une compression isochore (à volume constant), une détente isotherme (à température constante), durant laquelle il se produit un transfert de chaleur d'une source chaude, telle que le brûleur, vers le fluide de travail, une détente isochore et finalement une compression isotherme, durant laquelle le fluide de travail cède de la chaleur à une source froide. La figure 1 illustre de manière schématique une machine de Stirling simplifiée. Un premier cylindre (non visible) est associé à la source froide 7 et un second cylindre (non visible) à la source chaude, en l'occurrence la tête de chauffage 2. Le corps de la machine de Stirling 5 comprend un premier piston pour comprimer le gaz et un second piston pour détendre le gaz. Il est également représenté un régénérateur 6 permettant de récupérer l'énergie interne. La machine de Stirling comprend en outre une chambre de combustion 3 pour brûler un carburant et un souffleur d'air 1 pour amener l'air dans la chambre de combustion 3 et ainsi permettre la combustion en tant que telle. Les gaz d'échappement issus de la combustion et sortant de la chambre de combustion 3 cèdent une partie de leur chaleur via l'échangeur thermique 4 et chauffent ainsi le fluide de travail confiné dans la tête de chauffage 2. Le couplage cinématique du premier et du second pistons permet au 2 fluide de travail de passer du premier cylindre au second cylindre, et vice-versa, et ainsi faire varier le volume du fluide de travail selon les phases du cycle de Stirling décrites précédemment. Le piston de la tête de chauffage étant en butée, le fluide de travail se détend vers la source froide 7 en repoussant le piston. Lorsque l'air se détend, il se refroidit. L'air ambiant assure typiquement la fonction de source froide 7 car il est plus froid que ledit fluide de travail. La source froide peut être aussi de l'eau ou un fluide quelconque permettant la circulation de l'énergie sous forme de chaleur. Le document de l'art antérieur JP 4765862 décrit une machine de Stirling permettant de produire de l'énergie mécanique afin d'entraîner en rotation un vilebrequin et, par voie de conséquence, les roues d'un véhicule automobile. La figure 1 du document JP 4765862 montre une machine de Stirling comprenant un premier piston 1 et un second piston 2. Le premier piston 1 est relié par l'intermédiaire d'une première bielle audit vilebrequin et le second piston 2 est relié par l'intermédiaire d'une seconde bielle audit vilebrequin. La source chaude est assurée par une tête de chauffage 12 et la source froide par une unité de refroidissement 22. La tête de chauffage 12 comprend un accumulateur de chaleur 5. Elle comprend également un mécanisme de modification de différence de phase 6 permettant de modifier la phase relative entre le premier piston et le second piston. Lors du freinage du véhicule automobile, le mécanisme de modification de différence de phase 6 commute l'état de fonctionnement de la machine de Stirling pour la faire fonctionner en mode pompe à chaleur et bloque simultanément la circulation du fluide de refroidissement vers un radiateur 22B et ainsi accumuler l'énergie cinétique du véhicule automobile lors de son freinage dans l'accumulateur de chaleur 5. Cette énergie est ensuite restituée lors de déplacements ultérieurs du véhicule automobile. Les véhicules hybrides et les véhicules électriques font l'objet d'améliorations permanentes afin d'optimiser leur consommation énergétique, notamment en énergie électrique, dans le but de réduire les dimensions des batteries intégrées à ces véhicules. Une telle machine de Stirling présente un intérêt en termes de rendement et de puissance produite. Il est également possible d'utiliser de nouveaux carburants, moins polluants. Par conséquent, il existe un besoin d'amélioration du moteur Stirling, tel que décrit dans le document JP 4765862, afin de pouvoir l'adapter et l'intégrer à un véhicule automobile équipé d'un moteur électrique de propulsion, tel que les véhicules appelés communément véhicules hybrides ou véhicules électriques. [0003] Le but de l'invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif de production d'énergies pour véhicule mettant en oeuvre un moteur électrique de propulsion. [0004] Pour ce faire, l'invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à un dispositif de production d'énergies pour véhicule, notamment automobile, ledit véhicule comportant un circuit de chauffage de l'habitacle et un circuit de climatisation 3 d'air de l'habitacle caractérisé en ce que ledit dispositif comporte au moins une première machine de Stirling apte à produire de l'énergie mécanique et de l'énergie thermique, au moins une seconde machine de Stirling apte à fonctionner en mode pompe à chaleur et à produire de l'énergie thermique et au moins un système électrique apte à produire de l'énergie mécanique et/ou de l'énergie électrique, ladite au moins première machine de Stirling, ladite au moins seconde machine de Stirling et ledit au moins système électrique étant reliés mécaniquement entre eux au moyen d'un dispositif mécanique, ladite au moins première machine de Stirling et ladite au moins seconde machine de Stirling étant destinées à être reliées audit circuit de chauffage de l'habitacle et ladite au moins seconde machine de Stirling étant destinée à être reliée audit circuit de climatisation d'air de l'habitacle. [0005] De préférence, le dispositif mécanique comprend un arbre de transmission. [0006] Selon un mode préféré, le dispositif mécanique comporte au moins un dispositif d'embrayage. [0007] Avantageusement, le dispositif d'embrayage est positionné entre ladite première machine de Stirling et ladite seconde machine de Stirling. [0008] Avantageusement, ladite au moins seconde machine de Stirling comporte un échangeur thermique, ledit circuit de climatisation d'air de l'habitacle étant relié audit échangeur thermique. [0009] De préférence, ledit dispositif comporte un premier système électrique, relié auxdites première et seconde machines de Stirling, apte à produire de l'énergie mécanique et de l'énergie électrique et un second système électrique relié uniquement à ladite seconde machine de Stirling apte à produire de l'énergie mécanique et de l'énergie électrique. [0010] De préférence, ledit dispositif mécanique comporte en outre un premier dispositif d'embrayage positionné entre la première machine et ledit premier système électrique et un second dispositif d'embrayage positionné entre le premier système électrique et la seconde machine. [0011] De préférence, ledit dispositif comporte un premier système électrique apte à produire de l'énergie mécanique et de l'énergie électrique relié uniquement à la première machine de Stirling et un second système électrique apte à produire de l'énergie mécanique et de l'énergie électrique relié uniquement à la seconde machine. [0012] Avantageusement, ledit dispositif comprend en outre une troisième machine de Stirling apte à produire de l'énergie thermique. [0013] L'invention se rapporte également à un véhicule automobile comportant ledit dispositif de production d'énergies. [0014] On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, une forme d'exécution de la présente invention, en référence aux figures annexées sur lesquelles : [0015] [fig.1] illustre schématiquement une machine de Stirling de l'art antérieur ; [0016] [fig.2] illustre schématiquement une forme de réalisation d'un dispositif de production d'énergies pour véhicule selon l'invention ; [0017] [fig.3] illustre schématiquement une première variante du dispositif montré sur la figure 2 ; [0018] [fig.4] illustre schématiquement une deuxième variante du dispositif montré sur la figure 2 ; [0019] [fig.5] illustre schématiquement une troisième variante du dispositif montré sur la figure 2 ; [0020] [fig.6] illustre schématiquement une quatrième variante du dispositif montré sur la figure 2. [0021] La figure 2 illustre schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif 20 de production d'énergies selon l'invention mis en place dans un véhicule automobile comportant une batterie (non visible). Ce dispositif 20 comprend une première machine de Stirling 21 fonctionnant en mode moteur et une seconde machine de Stirling 22 fonctionnant en mode pompe à chaleur. On aperçoit également une génératrice d'électricité 23 permettant de produire de l'électricité afin de recharger la batterie dudit véhicule. La première machine 21, la seconde machine 22 et la génératrice 23 sont reliées mécaniquement par un arbre de transmission 29 permettant de transmettre le couple produit par la machine 21 à la seconde machine 22 et à la génératrice 23. Le dispositif 20 comporte en outre un souffleur d'air 25 permettant d'alimenter en air comprimé la première chambre de combustion 26. Les gaz d'échappement issus de la combustion et sortant de la première chambre de combustion 26 cèdent une partie de leur chaleur via un premier échangeur thermique 27 et chauffent ainsi le fluide de travail confiné dans la tête de chauffage 28. La première machine 21, fonctionnant en mode moteur, produit ainsi un couple sur l'arbre de transmission 29. La chaleur non transformée en travail, par le fluide de travail, est évacuée par l'intermédiaire d'un premier refroidisseur 30. La seconde machine 22, fonctionnant en mode pompe à chaleur, comporte une tête froide 31, un second échangeur thermique 32 et un second refroidisseur 33. Le second échangeur thermique 32 est relié au circuit de climatisation 34 dudit véhicule automobile permettant ainsi, en cas de besoin, d'évacuer la chaleur de l'habitacle du véhicule par l'intermédiaire d'un premier échangeur de chaleur 35. Un fluide caloporteur, par exemple de l'eau, circule dans le circuit de climatisation 34 grâce à une première pompe de recirculation 36. Le premier refroidisseur 30 et le second refroidisseur 33 sont reliés au circuit de chauffage 37 dudit véhicule permettant ainsi de chauffer l'habitacle du véhicule en cas de besoin. Un fluide caloporteur, par exemple de l'eau, circule dans le circuit de chauffage 37 grâce à une deuxième pompe de recirculation 24. L'habitacle du véhicule est chauffé par l'intermédiaire d'un second échangeur de chaleur 38. L'excès de chaleur non utilisé pour chauffer l'habitacle est évacué vers l'extérieur par l'intermédiaire d'un radiateur 39. La deuxième machine 22 prélève une partie de l'énergie mécanique produite par la première machine 21 pour assurer son fonctionnement en mode pompe à chaleur. L'énergie mécanique restante est utilisée par la génératrice 23 afin de produire de l'électricité pour recharger une batterie (non visible) qui elle-même alimente un moteur électrique agissant sur les roues du véhicule afin de le mouvoir. En référence maintenant à la figure 3, on peut voir un schéma simplifié d'un dispositif de production d'énergies 50 formant une première variante du dispositif 20 montré sur la figure 2. Dans cette première variante, l'arbre de transmission 29 comporte un dispositif d'embrayage 40 et la génératrice 23 est remplacée par un moteur électrique 41 pouvant également fonctionner en mode génératrice d'électricité. Les autres éléments du dispositif 20 demeurent inchangés et par conséquent leurs références ont été conservées dans cette représentation du dispositif 50. Le dispositif d'embrayage 40 est positionné entre la première machine 21 et la seconde machine 22. Lorsqu'il n'est pas nécessaire de faire fonctionner la première machine 21, notamment lorsque la batterie est suffisamment chargée, le dispositif d'embrayage 40 est amené en position débrayée. Dans ce cas, le moteur électrique 41 entraîne la seconde machine 22 afin de la faire fonctionner en mode pompe à chaleur, si besoin. En référence à la figure 4, on peut voir un schéma simplifié d'un dispositif de production d'énergies 60 représentant une deuxième variante du dispositif 20 montré sur la figure 2. Dans cette deuxième variante, l'arbre de transmission 29 comporte un premier moteur électrique 42, pouvant également fonctionner en mode génératrice d'électricité, positionné entre la première machine 21 et la seconde machine 22, et la génératrice 23 est remplacée par un second moteur électrique 44 pouvant également fonctionner en mode génératrice d'électricité. Les autres éléments du dispositif 20 demeurent inchangés et par conséquent leurs références ont été conservées dans cette représentation du dispositif 60. L'arbre de transmission 29 comporte en outre un premier dispositif d'embrayage 43 positionné entre la première machine 21 et le premier moteur électrique 42 et un second dispositif d'embrayage 45 positionné entre le premier moteur électrique 42 et la seconde machine 22. La première machine 21 et la seconde machine 22 peuvent ainsi fonctionner séparément en agissant sur les positions embrayées/débrayées du premier dispositif d'embrayage 43 et du second dispositif d'embrayage 45. En référence à la figure 5, on peut voir un schéma simplifié d'un dispositif de production d'énergies 70 représentant une troisième variante du dispositif 20 montré sur la figure 2. Dans cette troisième variante, l'arbre de transmission 29 comporte un dispositif d'embrayage 401 et une génératrice 47 reliée directement à la première machine 21. La génératrice 23 est remplacée par un moteur électrique 46. Les autres éléments du dispositif 20 demeurent inchangés et par conséquent leurs références ont été conservées dans cette repré- 6 sentation du dispositif 70. Le dispositif d'embrayage 401 est positionné entre la première machine 21 et la seconde machine 22. Ainsi, la première machine 21 entraîne la génératrice 47 pour produire de l'électricité à destination de la batterie sans entraîner la seconde machine 22 lorsque le dispositif d'embrayage 40 est en position débrayée. Dans un autre mode de fonctionnement, la seconde machine 22 est entraînée par le moteur électrique 46 sans entraîner la première machine 21 lorsque le dispositif d'embrayage 401 est en position débrayée. Ces modes de fonctionnement permettent avantageusement de faire fonctionner séparément la première machine 21 et la seconde machine 22 lorsqu'il n'est pas nécessaire de faire fonctionner la première machine 21 et la seconde machine 22 simultanément. Dans tous ces modes de réalisation, il est également possible d'ajouter un régénérateur (non visible) en amont de la chambre de combustion 26 et relié à la sortie de la tête de chauffage 27 afin de récupérer la chaleur des gaz qui en sortent. Cette configuration permet de préchauffer l'air qui entre dans la chambre de combustion 26 et ainsi d'augmenter le rendement de la première machine 21. [0022] En référence à la figure 6, on peut voir un schéma simplifié d'un dispositif de production d'énergies 80 représentant une quatrième variante du dispositif 20 montré sur la figure 2. Dans cette quatrième variante, l'arbre de transmission 29 comporte un dispositif d'embrayage 402, la génératrice 23 est remplacée par un moteur électrique 55 pouvant également fonctionner en mode génératrice et une troisième machine de Stirling 48, fonctionnant en mode moteur, a été ajoutée. Les autres éléments du dispositif 20 demeurent inchangés et par conséquent leurs références ont été conservées dans cette représentation du dispositif 80. Le dispositif d'embrayage 402 est positionné entre la première machine 21 et la seconde machine 22. La troisième machine 48 est reliée à la sortie de la première tête de chauffage 28 de la première machine 21 par l'intermédiaire d'une seconde chambre de combustion 53. La troisième machine 48 comprend un troisième échangeur thermique 50, une troisième tête de chauffage 51 et un troisième refroidisseur 49 relié au circuit de chauffage 37 dudit véhicule. L'ajout de la troisième machine 48, fonctionnant en mode moteur, a pour avantage d'accroître la puissance délivrée par le dispositif, lorsque cela est nécessaire, et d'améliorer son rendement car les rejets thermiques sortant de la première machine 21 sont injectés dans le troisième machine 48. En outre, l'ajout de la seconde chambre de combustion 53 a pour avantage de réduire la consommation de carburant de la troisième machine 48 et ainsi d'améliorer son rendement. 7 REVENDICATIONS[Revendication 1] Dispositif (20, 50, 60, 70, 80) de production d'énergies pour véhicule, notamment automobile, ledit véhicule comportant un circuit de chauffage (37) de l'habitacle et un circuit de climatisation d'air (34) de l'habitacle caractérisé en ce que ledit dispositif (20, 50, 60, 70, 80) comporte au moins une première machine de Stirling (21) apte à produire de l'énergie mécanique et de l'énergie thermique, au moins une seconde machine de Stirling (22) apte à fonctionner en mode pompe à chaleur et à produire de l'énergie thermique et au moins un système électrique (23, 41, 42, 44, 46, 47, 55) apte à produire de l'énergie mécanique et/ou de l'énergie électrique, ladite au moins première machine de Stirling (21), ladite au moins seconde machine de Stirling (22) et ledit au moins système électrique (23, 41, 42, 44, 46, 47, 55) étant reliés mécaniquement entre eux au moyen d'un dispositif mécanique (29, 40, 43, 45, 401, 402), ladite au moins première machine de Stirling (21) et ladite au moins seconde machine de Stirling (22) étant destinées à être reliées audit circuit de chauffage (37) de l'habitacle et ladite au moins seconde machine de Stirling (22) étant destinée à être reliée audit circuit de climatisation d'air (34) de l'habitacle. [Revendication 2] Dispositif (20, 50, 60, 70, 80) selon la revendication 1 caractérisé ledit dispositif mécanique (29, 40, 43, 45, 401, 402) comprend un arbre de transmission (29). [Revendication 3] Dispositif (20, 50, 60, 70, 80) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit dispositif mécanique (29, 40, 43, 45, 401, 402) comporte au moins un dispositif d'embrayage (40, 43, 45, 401, 402). [Revendication 4] Dispositif (20, 50, 60, 70, 80) selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit au moins dispositif d'embrayage (40, 43, 45, 401, 402) est positionné entre ladite première machine de Stirling (21) et ladite seconde machine de Stirling (22). [Revendication 5] Dispositif (20, 50, 60, 70, 80) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite au moins seconde machine de Stirling (22) comporte un échangeur thermique (32), ledit circuit de climatisation d'air (34) de l'habitacle étant relié audit échangeur thermique (32). [Revendication 6] Dispositif (20, 50, 60, 70, 80) l'une quelconque des revendications pré- cédentes caractérisé en ce que ledit dispositif (20, 50, 60, 70, 80) 8 [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] comporte un premier système électrique (42), relié auxdites première et seconde machines de Stirling (21, 22), apte à produire de l'énergie mécanique et de l'énergie électrique et un second système électrique (44) relié uniquement à ladite seconde machine de Stirling (22) apte à produire de l'énergie mécanique et de l'énergie électrique. Dispositif (20, 50, 60, 70, 80) selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit dispositif mécanique (29, 40, 43, 45, 401, 402) comporte en outre un premier dispositif d'embrayage (43) positionné entre la première machine (21) et ledit premier système électrique (42) et un second dispositif d'embrayage (45) positionné entre le premier système électrique (42) et la seconde machine (22). Dispositif (20, 50, 60, 70, 80) selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ledit dispositif (20, 50, 60, 70, 80) comporte un premier système électrique (47) apte à produire de l'énergie mécanique et de l'énergie électrique relié uniquement à la première machine de Stirling (21) et un second système électrique (46) apte à produire de l'énergie mécanique et de l'énergie électrique relié uniquement à la seconde machine (22). Dispositif (20, 50, 60, 70, 80) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit dispositif (20, 50, 60, 70, 80) comprend en outre une troisième machine de Stirling (48) apte à produire de l'énergie thermique. Véhicule automobile comportant ledit dispositif (20, 50, 60, 70, 80) de production d'énergies selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.