PROCESS AND DEVICE FOR REDUCING THE FUEL CONSUMPTION OF AN INTERNAL-COMBUSTION ENGINE

Abstract: 1. A method of reducing fuel consumption in an internal combustion engine of given cylinder capacity, in particular for a motor vehicle, using a Rankine cycle circuit to recover at least part of the heat energy dissipated by the engine, to transform the recovered energy into mechanical energy, and then to deliver the mechanical energy to the engine and/or to its accessories, and in supercharging the engine (M) with air by means of a compressor, characterized in that the Rankine cycle circuit and the engine supercharging compressor (S) are independent from each other, the compressor (S) being driven mechanically by the engine (M) only whenever it is necessary to obtain maximum performance or power corresponding to those of an engine of greater cylinder capacity ; the Rankine cycle having maximum efficiency at low engine output powers lying between about 0% and about 50% of the maximum power from said engine.

Description: Procédé et dispositif pour diminuer la consommation en carburant d'un moteur à combustion interne L'invention concerne un procédé et un dispositif pour diminuer la consommation en carburant des moteurs à combustion interne et, en particulier, des moteurs de véhicules automobiles. On a déjà proposé de récupérer l'énergie thermique perdue ou dissipée par le moteur (chaleur des gaz d'échappement, du liquide de refroidissement du moteur, de l'huile de lubrification) et de la transformer en énergie par exemple mécanique que l'on cède par l'intermédiaire d'une transmission à l'arbre de sortie du moteur (pour augmenter la puissance motrice) et/ou aux moyens d'entraînement des accessoires du moteur (une pompe, un alternateur, etc.). Il est connu d'utiliser dans ce but un circuit à cycle thermodynamique de hANKINE dans lequel un fluide de travail est vaporisé dans une chaudière par la chaleur des gaz d'échappement et entrasse une turbine productrice d'énergie, puis est condensé, réchauffé par échange de chaleur avec le liquide de refroidissement du moteur et l'huile de lubrification, et revient à la chaudière pour entre à nouveau vaporisé. On augmente ainsi, grâce à la récupération et la transformation de l'énergie thermique dissipée par le moteur, la puissance fournie par le moteur pour une même consommation de carburant, ou bien on diminue la consommation en carburant pour une meme puissance fournie par le moteur. On a également proposé d'équiper les moteurs à combustion interne de moyens de suralimentation en air, pour augmenter dans une large mesure leur puissance de sortie. Cette solution technique permet d'utiliser des moteurs de cylindrée plus faible que l'on fait fonctionner plus fréquemment sous charge élevée et que l'on suralimente, en cas de besoin d'un complément de puissance (pour une accélération brusque, un dépassement, etc.). On utilise en général un turbocompresseur dont la turbine est entratnée par les gaz d'échappement du moteur et entratne le compresseur alimentant le moteur en air comprimé. On obtient ainsi les mimes performances et une consommation spécifique moyenne plus faible qu'avec un moteur de plus grosse cylindrée, non suralimenté. L'utilisation d'un moteur de cylindrée plus faible se traduit également par une diminution du cotit et du poids. On a tenté d'associer ces deux solutions sur un même moteur, notamment en prévoyant un circuit à cycle de RANKINE et un turbocompresseur de suralimentation entraîné par les gaz d'échappement, afin de diminuer encore la consommation de carburant de ce moteur, mais on a constaté que le gain procuré par ces deux moyens utilisés ensemble n'était que peu supérieur au gain procuré par l'un ou l'autre de ces moyens utilisé seul. Cela s'explique par le fait que ces deux moyens fonctionnent au détriment l'un de l'autre, chacun d'eux consommant pour son fonctionnement une énergie qui est prélevée sur l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'autre moyen. L'invention a pour but d'apporter une solution efficace et rentable à ce problème et propose à cet effet de combiner un circuit de récupération et de transformation de l'énergie thermique dissipée par le moteur et un dispositif de suralimentation du moteur de façon telle que les gains fournis par chacun de ces moyens quand ils sont utilisés seuls s'ajoutent dans leur intégralité quand ils sont utilisés ensemble, le gain procuré par l'un de ces moyens étant même augmenté quand l'autre moyen est utilisé simultanément. le procédé selon l'invention, pour diminuer la consommation en carburant d'un moteur à combustion interne, consiste à récupérer, au moyen d'un cycle de RANKINE, au moins une partie de l'énergie thermique dissipée par le moteur pour la transformer et la céder ensuite au moteur et/ou à ses accessoires et, pour obtenir une puissance ou des performances maximales correspondant à celles d'un moteur de cylindrée supérieure, à augmenter en cas de besoin la puissance de sortie du moteur et à valoriser l'énergie thermique récupérée par le cycle de RANKINS, en suralimentant temporairement le moteur en air au moyen d'un compresseur entravé mécaniquement par le moteur. Selon l'invention, le fonctionnement du compresseur est indépendant de celui du circuit de récupération d'énergie thermique, en ce sens que l'énergie nécessaire à son entraînement est prélevée sur l'arbre de sortie du moteur et non en un point quelconque du circuit de récupération d'énergie. Les gains que procurent ces deux moyens se cumulent et lton a mime constaté, de façon surprenante, que l'on pouvait s'attendre à ce que le gain procuré par l'un de ces moyens dans leur association soit augmenté, l'utilisation d'un compresseur de suralimentation relevant les températures à l'échappement et donc le rendement du circuit de récupération d'énergie thermique. Avantageusement, le cycle de HANIZINE est calculé de façon à avoir un rendement maximal pour les faibles puissances de sortie du moteur, par exemple comprises entre O et 50 % environ de la puissance maximale du moteur. Le compresseur est lui-m & e dimensionné de façon à avoir une efficacité maximale pour les fortes puissances de sortie du moteur, par exemple comprises entre 50 % environ et 100 % de la puissance maximale de ce moteur. Par efficacité maximale, on entend que le compresseur est capable de fournir, avec une surpression donnée qui varie peu en fonction du régime moteur, tous les débits d'air demandés par le moteur. L'invention concerne également un dispositif pour l'exécution de ce procédé, comprenant un circuit à cycle de RANKINE propre à récupérer au moins une partie de l'énergie thermique dissipée par le moteur, caractérisé en ce qu'il comprend également un compresseur de suralimentation du moteur en air entravé par 1' arbre de sortie du moteur par l'intermédiaire de moyens débrayables et/ou à rapport variable. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé qui est une vue schématique d'un mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le moteur à combustion interne M est associé à un compresseur, avantageusement un surpresseur volumétrique S entraîné par l'arbre de sortie 10 du moteur M au moyen d'une transmission débrayable et/ou à rapport variable comprenant, par exemple, un démultiplicateur Di interposé entre le surpresseur et une poulie 11, une poulie 12 propre à être solidarisée avec l'arbre 10 par un embrayage 13, et une courroie 14 passant autour des poulies 11 et 12. Le compresseur peut être un surpresseur volumétrique du type à pistons, à palettes, à vis, etc., dont le débit est défini par sa cylindrée et sa vitesse de rotation, ou une turbomachine, par exemple un compresseur périphérique. L'entrée du compres seur ou surpresseur est reliée par exemple à la sortie d'un filtre à air F tandis que sa sortie est reliée au conduit d'admission (non représenté) du moteur. Le circuit de récupération et de transformation d'énergie thermique à cycle de RANKINE, qui est associé au moteur X, comprend une chaudière 15 dont la sortie 16 alimente directement l'entrée d'une machine de détente telle qu'une turbine T, L'arbre de sortie 17 de la turbine T est relié à l'arbre de sortie 10 du moteur M par l'intermédiaire d'une transmission débrayable et/ou à rapport variable comprenant par exemple un démultiplicateur D2 entre l'arbre de sortie 17 et une poulie 18, une poulie 19 solidarisable avec l'arbre 10 par l'intermédiaire d'un embrayage 20 et une courroie 21 passant autour des poulies 18 et 19, d'autres moyens adaptés aux puissances et aux vitesses pouvant être utilisés à la place des poulies et courroies. La sortie de la turbine T est reliée à une entrée 22 d'un premier échangeur de chaleur 23, dont la sortie correspondante 24 est reliée à l'entrée 25 d'un condenseur 26. Une pompe P1 relie la sortie 27 du condenseur 26 à une autre entrée 28 du premier échangeur de chaleur 23, dont la sortie correspondante 29 alimente une entrée 30 d'un deuxième échangeur de chaleur 31. La sortie correspondante 32 de cet échangeur est reliée à l'entrée 33 d'un troisième échangeur de chaleur 34 dont la sortie correspondante 35 est reliée à l'entrée 36 de la chaudière. Dans le circuit qui vient d'être décrit circule un fluide de travail approprié tel par exemple que du dichlorobenzène, du trifluoroéthanol, de l'hexafluorobenzène, etc. Dans le deuxième échangeur de chaleur 31, ce fluide de travail est réchauffé par le liquide de refroidissement du moteur qu'une pompe P2 fait circuler dans un circuit 37 traversant cet échangeur 31. Dans le troisième échangeur 34, le fluide de travail est chauffé par le liquide de lubrification du moteur (en général de l'huile) dont le circuit 38 traverse l'échangeur 34 comme indiqué sur le dessin. Le conduit d'échappement 39 du moteur M débouche dans la chaudière 15, qui comprend une sortie 40 permettant d'évacuer les gaz d'échappement vers l'extérieur. Avantageusement, le circuit à cycle de NANKINS est calculé et optimisé de façon à avoir un rendement maximum pour les charges faibles du moteur, par exemple lorsque la puissance fournie par le moteur est comprise entre O et 50 k environ de la puissance maximale du moteur. Au-delà de cette valeur, le rendement du circuit à cycle de RACINE diminue, la puissance qu'il est susceptible de céder au moteur restant sensiblement constante, ou augmentant légèrement quand le compresseur de suralimentation fonctionne. Le circuit de récupération d'énergie thermique qui vient autre décrit fonctionne de la façon suivante Le fluide de travail est vaporisé et éventuellement surchauffé dans la chaudière 15, puis envoyé à la turbine qu'il entraîne en rotation. L'énergie mécanique produite par la turbine T est fournie à l'arbre de sortie 10 du moteur par l'intermédiaire de la transmission D2, 18, 19, 21 quand l'embrayage 20 est couplé. Il est intéressant de désaccoupler cet embrayage dans certains cas, par exemple lors d'une décélaration du véhicule. Le fluide de travail sortant de la turbine T est envoyé dans le condenseur 26, d'où il est repris par la pompe P1,préchauffé par traversée des échangeurs de chaleur 23, 31, 4 et renvoyé à la chaudière 15 où le cycle recommence. Le dispositif de suralimentation du moteur par surpression volumétrique de l'air d'admission et le dispositif de récupération de l'énergie thermique dissipée par le moteur fonctionnent indépendamment l'un de l'autre, l'un de ces dispositifs prélevant l'énergie nécessaire à son fonctionnement sur l'arbre de sortie du moteur tandis que l'autre dispositif transmet l'énergie qu'il produit à cet arbre de sortie. On a constaté que la suralimentation du moteur entratnait une augmentation de la température de combustion et donc une valorisation de l'énergie thermique dissipée par le moteur et récupérée par le dispositif à cycle de RÂNKINE. Il en résulte une augmentation de l'énergie produite par ce dispositif de récupération des pertes calorifiques. On admet en général que, si un véhicule automobile équipé d'un dispositif selon l'invention est utilise de façon normale, le compresseur de suralimentation ne fonctionne que pendant 5 à 10 % environ de la durée totale de fonctionnement du moteur ou, en d'autres termes, que le moteur fournit une puissance de sortie supérieure à 50 % environ de sa puissance maximale pendant 5 à 10 % de sa durée de fonctionnement. De façon classique, le fonctionnement du compresseur peut être commandé par l'enfoncement de la pédale d'accélérateur, ou par tout autre moyen approprié. L'invention prévoit également, dans le cas d'un moteur à allumage commandé, d'associer au dispositif de suralimentation un dispositif, connu en soi, permettant d'éviter le phénomène de "cliquetis". Ce phénomène, qui se traduit par un bruit anormal dans les chambres de combustion au moment de l'explo- sion du mélange combustible, est dû à une auto-inflammation du mélange combustible dans le cas où la suralimentation du moteur dépasse un taux de l'ordre de 90 à 40 % en pression. Il est connu actuellement de détecter l'apparition d'un tel phénomène et de le supprimer en agissant automatiquement sur l'avance à l'allumage. L'association d'un tel dispositif au surpresseur volumétrique permet d'envisager un taux de suralimentation du moteur qui serait au moins égal à 30 %, pour toute la gamme de régimes du moteur. L'invention permet d'obtenir les mimes performances avec un moteur de plus faible cylindrée, pourvu d'un surpresseur volumétrique de suralimentation et d'un dispositif de récupération de l'énergie thermique à cycle de RANEIES, qu'avec un moteur de plus grosse cylindrée non suralimenté et non pourvu d'une récupération d'énergie thermique, tout en diminuant la consommation en carburant de façon sensible. A titre d'exemple non limitatif, on se reportera au tableau suivant donnant les consommations spécifiques, sur un parcours stabilisé à 90 km/h et sur un cycle européen normalisé SUCE, d'un groupe motopropulseur équipant un véhicule de tourisme et comprenant un moteur à allumage commandé et une boîte de vitesses continue dans sa version de base (A) dépourvue de suralimentation et de récupération d'énergie thermique, puis dans une version (B) à récupération d'énergie thermique par un cycle de XANEINS, dans une version (o) équipée d'un surpresseur volumétrique et enfin dans une version (D) selon l'invention. La cylindrée du moteur est modifiée d'une version à l'autre pour conserver au véhicule les mêmes performances que celles fournies par la version (A). EMI8.1 <tb> <SEP> essai <SEP> Vitesse <SEP> stabilisée <SEP> Parcours <tb> version <SEP> à <SEP> i <SEP> 90 <SEP> km/h <SEP> ECE <tb> <SEP> A <SEP> 248 <SEP> 385 <tb> <SEP> B <SEP> 192 <SEP> 298 <tb> <SEP> C <SEP> 225 <SEP> 331 <tb> <SEP> p. <SEP> 174 <SEP> 256 <tb> La consommation spécifique est exprimée en g/ch.h. L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le cas des moteurs à combustion interne exploités dans des conditions de charge extrêmement variables, par exemple des moteurs de véhicules de tourisme, de véhicules utilitaires, etc. Elle s'applique également au cas des moteurs fixes, par exemple des moteurs de groupes électrogènes devant s'adapter à la demande de consommation, etc. Dans tous les cas, ces moteurs peuvent être du type à allumage par compression (cycle DI:tsSEL) ou à allumage commandé.

Claims: Revendications 1. Procédé pour diminuer la consommation en carburant d'un moteur à combustion interne de cylindrée déterminée, en particulier de véhicule automobile, consistant à récupérer une partie au moins de l'énergie thermique dissipée par le moteur et à la transformer et la céder ensuite au moteur et/ou à ses accessoires au moyen d'un cycle de XANlLINE, caractérisé en ce qu'il consiste également, pour obtenir une puissance ou des performances maximales correspondant à celles d'un moteur de cylindrée supérieure, à augmenter en cas de besoin la puissance de sortie du moteur (M) et à valoriser énergie thermique récupérée par le cycle de RANKINS, en suralimentant temporairement le moteur (M) en air au moyen d'un compresseur (s) entravé mécaniquement par le moteur (M). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cycle de RAKKINS a un rendement maximum pour les faibles puissances de sortie du moteur (M), qui sont par exemple comprises entre 0 et 50 ffi environ de la puissance maximale du moteur (M). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le taux de suralimentation du moteur (N) est au moins égal à 30 Vo. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à détecter l'apparition du phénomène de "cliquetis" et à régler automatiquement l'avance à l'allumage de façon à supprimer ce phénomène. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lorsque l'énergie récupérée par le cycle de HANJ4Nr; est fournie sous forme d'énergie mécanique à l'arbre de sortie (10) du moteur (N), il consiste à interrompre momentanément cette fourniture dans certaines conditions, par exemple en cas de décélération du véhicule. 6. Dispositif pour l'exécution du procédé décrit dans l'une des revendications précédentes, comprenant un circuit à cycle de NANKINS propre à récupérer au moins une partie de l'énergie thermique dissipée par le moteur et à la transformer en énergie cédée directement à l'arbre de sortie et/ou aux accessoires du moteur, caractérisé en ce qutil comprend un compresseur (S) de suralimentation du moteur (M) en air, entraîné par l'arbre de sortie (10) du moteur par l'intermédiaire de moyens (11-14) débrayables et/ou à rapport variable. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit à cycle de RANEINS a un rendement maximum pour les faibles puissances de sortie du moteur (M), qui sont par exemple comprises entre 0 et 50 % environ de la puissance maximale dudit moteur. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé ce que le compresseur (S) est un surpresseur volumétrique. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le compresseur (S) est dimensionné pour les fortes puissances de sortie du moteur (M), qui sont par exemple comprises entre environ 50 et 100 % de la puissance maximale du moteur. 10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, compre- .¯ nant des moyens de transmission (17-21) entre la sortie du circuit à cycle de RANICINE' et l'arbre de sortie (10) du moteur (M), caractérisé en ce que ces moyens sont débrayables et/ou à rapport variable. 11. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détection du phénomène de "cliquetis" dans les chambres de combustion du moteur (M) et des moyens pour régler 11 avance à l'allumage en fonction du signal de sortie desdits moyens de détection, de manière à supprimer le phénomène détecté.

Inventors: GALANT, SERGE, RIBAULT, JEAN-PAUL, SAGNES, PIERRE
Applicants: BERTIN & CIE
Application year: 1982
Main classification: F02G5
IPC codes: F02G5, F01K23