SYSTEME POUR RECUPERER L'ENERGIE THERMIQUE D'UN VEHICULE A MOTEUR THERMIQUE
Domaine de l'invention L'accroissement de la demande électrique dans les véhicules automobiles, fonctionnant avec des moteurs à combustion interne, amène une situation nouvelle quant aux besoins de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique. De plus, au-delà de ces véhicules traditionnels, les véhicules hybrides à moteurs thermique et électrique disposent de puissances électriques variables entre 5 et 70 k . La récupération d'énergie thermique du moteur thermique et sa conversion en énergie électrique ouvrent alors des possibilités nouvelles quant à 1 ' amélioration de 1 ' efficacité énergétique globale du véhicule. La présente invention porte sur un système de cycle Rankine intégré au circuit de refroidissement d'un moteur à combustion interne et récupérant aussi de l'énergie sur la ligne d'échappement. Cette récupération d'énergie s'effectue via un circuit caloporteur qui transfère 1 ' énergie thermique récupérée à un fluide de travail organique d'un cycle de Rankine. Etat de l'art Des systèmes de récupération d' énergie thermique sur véhicules, sont présentés dans différents brevets comme US
4901531 et WO 02/031320. Le dispositif présenté dans US 4901531, utilise principalement l'eau comme fluide thermodynamique, et permet de récupérer la chaleur thermique de l'huile de lubrification, la chaleur dégagée par la culasse, et l'énergie des gaz d' échappement et utilise un piston intégré dans le moteur pour détendre la vapeur. Le dispositif présenté dans WO 02/031320, utilise deux échangeurs montés respectivement sur le circuit de l'huile de lubrification et sur la ligne d' échappement et permet de générer deux débits de vapeurs surchauffées en deux endroits différents, le premier débit de vapeur présentant une température de surchauffe et une pression modérées et le second débit présente une température et une pression beaucoup plus importantes. Les deux débits de vapeurs se détendent dans une même turbine comprenant deux étages de détente successifs. Pour un moteur à combustion interne les gaz d'échappement peuvent atteindre des températures élevées de l'ordre de 900°C. Par la suite un échangeur, pour un cycle de Rankine, monté directement sur la ligne d' échappement doit être capable de d'accepter une pression et une température élevées du fluide de travail du cycle Rankine et les températures élevées des gaz d'échappement. Un tel échangeur présente un coût et un poids significatifs, ce qui est un inconvénient majeur pour une application automobile où le poids constitue à lui seul une pénalité énergétique. D'autre part, un cycle de Rankine utilisant la vapeur d' eau comme fluide thermodynamique et opérant avec des niveaux de pression et de température élevés, complique la conception de la turbine du cycle de Rankine par une détente en deux étages et peut entraîner un rendement isentropique de détente réduit, surtout pour les faibles puissances envisagées. De plus, un cycle de Rankine utilisant la vapeur d' eau comme fluide thermodynamique, présente différentes difficultés liées au gel de l'eau l'hiver et aux faibles pressions de condensation rencontrées .
De même, pour un moteur à combustion interne, les poches d'eau entourant les cylindres et la culasse sont conçues pour surmonter des pressions relativement faibles ; le fluide de refroidissement généralement utilisé est l'eau glycolée. Le fluide de travail du cycle de Rankine, présente des pressions assez élevées au refoulement de la pompe et donc, sur un moteur conventionnel, . l'introduction de ce fluide directement dans les poches d' eau entourant les cylindres demande un renforcement de l'étanchéité du système de refroidissement. Description de l'invention L' invention concerne un système permettant de récupérer l'énergie thermique d'un véhicule à moteur thermique, et/ou d'un véhicule hybride à moteurs thermique et électrique, en mettant en œuvre un cycle de Rankine produisant de l'énergie mécanique et/ou électrique au moyen d'une turbine associée à un alternateur, notamment au moyen d'une turbine volumétrique. Le système comprend : un circuit caloporteur utilisant un fluide caloporteur et destiné à : chauffer un bouilleur réchauffeur du cycle de Rankine, - récupérer l'énergie thermique par un refroidissement direct des cylindres et de la culasse du moteur thermique et des gaz d' échappement du véhicule dans un échangeur situé en aval d'un pot catalytique du véhicule. Le système est tel que le fluide thermodynamique du cycle de Rankine est déterminé de manière à générer un taux de détente de 4 à 6 pour des températures d'ébullition se situant entre 130 et 150 °C et une température de condensation de l'ordre de 60 à 70 °C. Le système est tel que la haute pression dudit cycle de Rankine varie entre 1 500 et 2 000 kPa. L'invention concerne ainsi un procédé de transformation de l'énergie thermique récupérée en énergie mécanique et/ou électrique. L'énergie thermique est récupérée à la fois sur le circuit de refroidissement du moteur et sur les
gaz d'échappement via un fluide caloporteur qui va circuler dans le circuit de refroidissement du moteur, à la place du fluide de refroidissement usuel, puis qui va récupérer la chaleur additionnelle sur la ligne d'échappement préférablement après le système de dépollution catalytique. Dans la conception de l'invention, le fluide caloporteur est choisi de telle manière à ce que sa température varie entre 120 et 200 °C en vue de récupérer cette chaleur à un niveau de température qui rend simple et léger le système de transformation d'énergie thermique en énergie mécanique du cycle de Rankine. En effet, le niveau maximum de température de 200 °C permet de garder tous les composants fabricables dans des métaux légers comme 1 ' aluminium, ce qui limite drastiquement la masse additionnelle associée au système de récupération. On sait en effet que la masse transportée constitue un obstacle même à 1 ' amélioration de 1 ' efficacité énergétique des véhicules roulants . Le principe de l'invention est que l'énergie thermique du moteur thermique est récupérée à un niveau de température maximum de 200 °C qui permet de concevoir un cycle de Rankine utilisant des turbines simples, préférablement volumétriques et disposant d'un taux de détente variant entre 4 et 6. La conception globale est telle que le système complet de récupération et de transformation de l'énergie va permettre entre autres de substituer le radiateur classique de refroidissement du moteur thermique par le condenseur associé au fonctionnement du cycle de Rankine. De préférence, selon l'invention, le système est tel que le circuit caloporteur met en oeuvre un caloporteur monophasique à base de silicone destiné à maintenir une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique pour récupérer de l'énergie thermique successivement : - autour des cylindres et de la culasse du moteur thermique,
sur les gaz d'échappement à l'aval du pot catalytique, - dans un échangeur déterminé, intégré dans le pot catalytique, pour des températures variant entre 70 et 220 °C lorsque le moteur thermique est chaud. L'utilisation d'un fluide caloporteur judicieusement choisi, typiquement une huile silicone, permet de récupérer l'énergie de manière adaptée suivant les différents modes de fonctionnement du moteur. En particulier lorsque le moteur est froid, il est judicieux de ne pas mettre immédiatement en circulation le fluide thermodynamique (ou fluide du cycle de Rankine) . Seul le fluide caloporteur est mis en circulation pour récupérer la chaleur des gaz d' échappement qui est réintroduite de nouveau dans le bloc moteur pour permettre au moteur de monter le plus rapidement possible en température et limiter ainsi les émissions de polluants qui sont extrêmement significatifs lors d'un démarrage à froid. De préférence, selon l'invention, le système est tel qu'il comprend en outre un ventilateur destiné à injecter un débit d' air à température ambiante dans les gaz d' échappement à l'amont de l' échangeur de récupération thermique, de manière à maintenir un niveau de température de l'ordre de 220 °C à l'entrée de l' échangeur de récupération sur les gaz d' échappement. Avantageusement, le système inclut une pompe pour faire circuler ledit fluide caloporteur et des moyens de régulation pour faire varier son débit. L'interposition d'un fluide caloporteur pour récupérer la chaleur du moteur et une partie de la chaleur des gaz d'échappement, permet d'adapter la puissance récupérée au fonctionnement du moteur soit en cycle urbain, soit en cycle extra-urbain. Il faut pour ce faire que le débit du fluide caloporteur soit adaptable, il constitue donc un premier niveau de régulation dont le but est d'amortir les variations brutales de chaleur dégagées par le moteur thermique compte tenu des très
grandes variations de la vitesse de rotation du moteur selon les profils de mission du véhicule. Il est aussi avantageux que le système soit muni d'une pompe pour faire circuler le fluide thermodynamique et de moyens de régulation pour faire varier son débit. La présente invention concerne également un procédé permettant de récupérer l'énergie thermique d'un véhicule à moteur thermique, et/ou d'un véhicule hybride à moteurs thermique et électrique, en mettant en œuvre un cycle de Rankine produisant de l'énergie mécanique et/ou électrique au moyen d'une turbine associée à un alternateur, notamment au moyen d' une turbine volumétrique ; ledit procédé comprenant les étapes suivantes : chauffer un bouilleur réchauffeur dudit cycle de Rankine à l'aide d'un fluide caloporteur, récupérer ladite énergie thermique par un refroidissement direct, à l'aide du même fluide caloporteur, des cylindres et de la culasse dudit moteur thermique et des gaz d' échappement dudit véhicule dans un échangeur situé en aval d'un pot catalytique dudit véhicule - réguler la récupération d' énergie par contrôle d' un débit de circulation du fluide caloporteur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description faite ci-dessous, cette dernière étant effectuée à titre descriptif et non limitatif en faisant référence aux dessins ci-après sur lesquels: la figure 1 montre un exemple d' architecture d' un système selon l'invention, la figure 2 montre un exemple avantageux d'architecture d'un système selon l'invention, la figure 3 montre une variante d'architecture d'un système selon l' invention, le figure 4 représente un diagramme T-s d'un cycle de Rankine.
Ainsi que représenté dans l'exemple d'architecture de la figure 1, le dispositif comporte deux circuits distincts : un circuit caloporteur constitué par une pompe de circulation 5 entraînée par un moteur électrique 10 à vitesse variable, le circuit classique de refroidissement des cylindres et de la culasse du moteur 4, l' échangeur de récupération d'énergie thermique 3, disposé après le pot catalytique 2, et le bouilleur qui est aussi un réchauffeur 6; un circuit thermodynamique permettant la réalisation du cycle de Rankine constitué du bouilleur 6 qui récupère 1 ' énergie thermique du circuit caloporteur, une turbine de détente 8 de préférence volumétrique entraînant un alternateur 12, un condenseur 9 qui se substitue au radiateur classique du circuit de refroidissement moteur, une pompe 7 permettant de faire passer le fluide thermodynamique de la basse à la haute pression du cycle, cette pompe étant entraînée par un moteur électrique à vitesse variable 11. Le système illustré sur la figure 1 comporte essentiellement quatre composants ajoutés au moteur thermique. L' échangeur 3 où d'un côté circule le fluide caloporteur qui va entrer à une température de l'ordre de 120 °C lorsque le moteur thermique fonctionne en régime stabilisé, la température du caloporteur va monter jusqu'à environ 200 °C alors que le température des gaz d'échappement se situe aux alentours de 400 °C à 600°C dans le cas correspondant à la figure 1 l' échangeur 3 est alors en acier ou acier allié et l'écart de température entre les gaz d' échappement et le fluide caloporteur est grand à l'extrémité chaude de l' échangeur puisque cette différence peut atteindre 400K ce qui a comme intérêt de limiter la taille de 1' échangeur. Avantageusement, comme indiqué figure 2, un ventilateur 15 abaisse le niveau de température des gaz d' échappement sortant du pot catalytique 2 par introduction d' un débit d'air neuf. Le débit d'air neuf du ventilateur 15 est piloté par un train thermostatique 16 mesurant la température
après le piquage d'introduction de l'air neuf 17 en vue de maintenir une température systématique inférieure à 220 °C à 1 ' entrée de 1 ' échangeur de récupération 3. Cette température de 220°C maintenue à l'entrée de lΛéchangeur 3 permet d'utiliser les alliages légers comme les alliages d' aluminium et permet aussi d'accroître la quantité d'énergie récupérée par accroissement du débit de gaz circulant dans l' échangeur 3. L' échangeur 6 est à la fois un bouilleur du fluide de travail du circuit thermodynamique et un réchauffeur de ce fluide de travail puisque le fluide thermodynamique, après mise sous la haute pression du cycle par la pompe 7, le fluide thermodynamique entre à une température typique légèrement supérieure à 60 °C et ressort à une température de saturation de l'ordre de 130 °C. De l'autre côté de la paroi de l' échangeur, le fluide caloporteur, par exemple du Syltherm 800, se refroidit d'environ 200 °C jusqu'à une température de l'ordre de 70 °C en cédant sa chaleur au fluide thermodynamique. Ainsi refroidi, le fluide caloporteur peut récupérer la chaleur du moteur thermique dans le circuit de refroidissement 4 du moteur. La pression de fonctionnement de 1 ' échangeur 6 du côté du fluide thermodynamique est de l'ordre de 1 500 à 2 000 kPa suivant le fluide thermodynamique choisi. L' échangeur 6 peut donc être construit lui aussi en alliage léger. La pompe 7 est une pompe disponible dans le commerce, par exemple à membrane et entraînée par un moteur à vitesse variable pour adapter le débit du fluide thermodynamique à la puissance thermique disponible sur le circuit caloporteur. Cette pompe 7 est avantageusement pilotée par un train thermostatique 13 mesurant la température du fluide caloporteur à l'amont du bouilleur 6. Plus le niveau de température du caloporteur est faible, moins le débit de cette pompe sera élevé. De plus si la température du caloporteur est inférieure à une température prédéterminée, typiquement 120 °C, la pompe 7 n'est pas mise en fonctionnement. Ce mode de régulation permet d'accélérer la
montée en température du moteur thermique et limite la formation de polluants lors du démarrage à froid. La turbine 8 est préférentiellement une turbine volumétrique soit scroll, soit à pistons, soit à palettes. Les technologies actuelles des compresseurs volumétriques permettent de créer facilement des turbines basées sur ces mêmes technologies, en particulier pour disposer de turbines réalisées en matériaux légers, fonte d'aluminium en particulier. Ceci parce que les températures de l'ordre de 130 °C et la pression au maximum de 2 000 kPa restent raisonnables. De plus, le taux de détente est fixé aux alentours de 5, ce qui correspond à de nombreuses technologies disponibles . La pompe 5 du circuit caloporteur est du même type que les circulateurs utilisés pour le circuit de refroidissement des moteurs conventionnels. Sa seule particularité est d'être dotée d'un moteur électrique à vitesse variable 10. Cette pompe 5 est pilotée par un train thermostatique 14 qui adapte le débit de la pompe en fonction de la température du fluide caloporteur à la sortie du moteur thermique. Une variante est présentée à la figure 3 où le circuit caloporteur après passage dans 1 ' échangeur 3 circule dans une surface d'échange 19 intégrée autour du pot catalytique 2 en vue à la fois de maintenir la température du pot catalytique 2 dans ses zones optimales de fonctionnement, par exemple autour de 500 °C, le passage ou non du fluide caloporteur dans cette surface d'échange 19 est piloté par une vanne 3 voies 18, elle-même contrôlée par un train thermostatique 20 disposé à l'intérieur du pot catalytique 2 en vue d'en contrôler sa température. Cette variante permet un double bénéfice, accroissement de la quantité d'énergie thermique récupérée lorsque le pot catalytique est à une température supérieure à son seuil de fonctionnement optimum et contrôle de la température de fonctionnement optimale du pot catalytique . Ainsi, l'objet de l'invention est de concevoir un système de récupération d' énergie thermique qui n' entraîne pas
de modification du circuit de refroidissement du moteur par l'usage d'un fluide caloporteur générant une faible surpression pour un niveau de température de récupération variant entre 120 et 200°C et d'autre part de faire fonctionner un cycle de Rankine à un seul étage de détente avec un fluide de travail organique convenablement choisi et un niveau de température de condensation suffisamment élevée, autour de 60°C. Le choix de ces niveaux de température vise à récupérer de l'énergie thermique et à la transformer partiellement en énergie électrique au moyen d' échangeurs en acier pour les grands écarts de température et en alliages légers typiquement à base d'aluminium pour les échangeurs à température modérée. La turbine de préférence volumétrique, est elle aussi en alliage léger dérivée des techniques de compresseurs scroll ou à pistons. Le système proposé minimise le nombre de composants ajoutés et leurs poids, en particulier le condenseur du cycle de Rankine se substitue au radiateur de refroidissement classique du moteur thermique. Le nombre total de composants ajoutés est de quatre : un échangeur sur la ligne d'échappement, un bouilleur de fluide organique utilisant la chaleur du circuit caloporteur, une pompe du fluide organique du cycle de Rankine, et une turbine de détente entraînant un alternateur. Le circuit de puisage thermique sur le moteur thermique se substitue au circuit de refroidissement habituel en passant par les poches à eau entourant les cylindres et la culasse. Ce refroidissement s'effectue au moyen d'un fluide caloporteur dont la pression restera inférieure à 150 kPa absolu pour les niveaux de températures choisis entre 120 et 200 °C comme le SYLTHERM 800 ou le DYALENE 600 qui sont des fluides à base de silicones. Après avoir récupéré la chaleur de refroidissement du moteur, le fluide caloporteur récupère une quantité additionnelle de chaleur sur les gaz d' échappement . La chaleur est récupérée à l'aval du pot catalytique à un niveau de température variable entre 600 et 400 °C. Une des options pour maintenir un niveau de température à environ 220°C à l'entrée de
l' échangeur entre le caloporteur et les gaz d'échappement est d'utiliser un ventilateur prenant de l'air extérieur pour le mélanger aux gaz d'échappement à 600°C pour en faire baisser la température tout en maintenant un niveau de puissance thermique récupérée élevé. Ce dispositif permet en effet d'accroître l'énergie récupérée par accroissement du débit circulant dans 1' échangeur de récupération. Le fluide de travail du cycle de Rankine, est de préférence un fluide organique présentant une température critique et une température normale d'ébullition (température de saturation du fluide à la pression atmosphérique) acceptables, comme par exemple ceux présentés au tableau 1 : R-123, R-245ca, pentane et isopentane qui vont générer des pressions modérées pour les niveaux de température visés de ce cycle de Rankine, à savoir une température d'ébullition aux alentours de 130 °C et une température de condensation aux alentours de 60 °C. Dans ces cas, et pour la plupart de ces fluides, le taux de détente est de 1 ' ordre de 5.
Par exemple, pour le R-245ca, la température d'ébullition de 130 °C (403 K) au bouilleur entraîne une pression de 1750 kPa et pour une température de condensation de
60 °C (333 K) , la pression est de 328 kPa, le taux de détente est donc de 5.33. Le diagramme T-s représenté figure 4 montre un tel cycle de Rankine avec le chauffage et l'ébullition représentés par le segment DA, la détente isentropique représentée par le segment AB, la désurchauffe et la condensation représentées par le segment BC et la compression par la pompe représentée le très court segment CD. Compte tenu de la forme de la courbe de saturation vapeur de ce fluide représentée figure 4, la détente isentropique est sèche et donc, a fortiori, une détente avec une génération d'entropie amènera le point de sortie de la turbine à droite du point B de sortie isentropique, dans le sens des entropies croissantes. Ce type de fluide présente donc un avantage important par rapport à un fluide tel que l'eau où le point de sortie de la turbine se retrouve dans le domaine diphasique. Un fluide comme le R-245ca ou d'ailleurs le R-123, le pentane ou 1 ' isopentane permet de créer un échangeur liquide- vapeur entre la sortie de la turbine, segment BB' et l'entrée du bouilleur pour le réchauffage du fluide thermodynamique, segment DD' , sous la haute pression. Pour un rendement typique de détente de la turbine de 0,75, le rendement du cycle de Rankine est de l'ordre de 10 %, ce qui permet sur un moteur classique, par exemple d'une puissance mécanique de 75 kW, de récupérer une puissance mécanique de la turbine variable entre 0,8 et 7,5 kW, ce qui permet donc d' améliorer le rendement global de conversion du moteur thermique de 15 à 30 %, ce qui est tout à fait significatif. La présente invention vise aussi à assurer des moyens de régulation simples et efficaces du refroidissement du moteur et de la puissance mécanique fournie par la turbine. Le système présenté, dispose de moyens de régulation, notamment de moteurs électriques à vitesse variable, pour faire varier les débits refoulés par les pompes des circuits caloporteur et thermodynamique. Pour accélérer la montée en température du
moteur thermique, durant les phases de démarrage à froid, le débit de la pompe du circuit thermodynamique est arrêté alors que la pompe du circuit caloporteur fonctionne. Donc au démarrage du moteur, la chaleur des gaz d'échappement est récupérée par le fluide caloporteur et réintroduite de nouveau dans le bloc moteur et sert à chauffer la culasse et les cylindres, ce qui accélère sa mise en température et limite la production de polluants moteur froid. Une fois que le moteur thermique a atteint sa température nominale de fonctionnement, la pompe du circuit thermodynamique est mise en marche et les régulations des débits des deux circuits sont réalisées en vue de maximaliser la récupération d'énergie thermique.