EP3259449A1 - Machine de compression et detente de type ciseaux utilisee dans un systeme de recuperation d'energie thermique - Google Patents

Machine de compression et detente de type ciseaux utilisee dans un systeme de recuperation d'energie thermique

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EP3259449A1
EP3259449A1 EP16705536.7A EP16705536A EP3259449A1 EP 3259449 A1 EP3259449 A1 EP 3259449A1 EP 16705536 A EP16705536 A EP 16705536A EP 3259449 A1 EP3259449 A1 EP 3259449A1
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EP
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cycle
expansion
compression
pistons
cell
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EP16705536.7A
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Abdelaziz GORMAT
Jean-Sylvain Bernard
Stéphane TONDELLI
Bertrand Gessier
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/105—Final actuators by passing part of the fluid

Definitions

  • the present invention applies to the field of transforming thermal energy into work. It is more particularly a scissors-type compression and expansion machine intended to be used, in particular, in a system that makes a fluid work to enhance the thermal losses of an engine, for example at the exhaust or on any other hot source. . Indeed, despite improved engine efficiency, a large proportion of energy remains lost in the form of heat. These losses represent about 65% in the case of internal combustion engines, gasoline or diesel. It is released by combustion in the engine cooling system or in the exhaust gas, which forms a hot source with respect to the ambient atmosphere.
  • Rankine cycle Some systems for transforming thermal energy into mechanical energy use a Rankine cycle. It is a closed cycle in the sense that the fluid is recovered after the expansion, cooled and recycled to be compressed before returning to the exchanger. In addition, the fluid, usually water, is in vapor form leaving the exchanger with the hot source, then in liquid form after cooling. These features provide good intrinsic performance to systems using this cycle. On the other hand, they have a certain number of disadvantages, among which is the need to install a cooling system which is bulky and which punctures a part of the thermal flow of cooling available for the heat engine, thus penalizing the overall efficiency of the engine. vehicle. This is why other paths have already been explored, with systems using an open cycle. In this case, the working fluid is air that is sucked into the compressor inlet and released into the atmosphere after expansion.
  • a first embodiment, described in W012062591, uses a turbine mounted side by side with a compressor on the same axis.
  • the air is compressed in the compressor, heated by the exhaust gas in the exchanger, and then expanded in the turbine.
  • the energy recovered by the turbine on the axis of rotation is used in part to drive the compressor, the rest being available for the desired applications.
  • the use of a turbine requires a continuous air flow. To have a good performance of the turbine, it requires a high flow, while maintaining a sufficient pressure at the input thereof.
  • the rotation speeds are high (over 100,000 rpm).
  • Turbochargers adapted to these conditions are generally imposing resulting in a turbine architecture and more expensive and expensive compressor.
  • the size of a suitable cooling system would be prohibitive for a small vehicle.
  • An alternative embodiment is inspired by the hot air piston engine and uses a Brayton cycle.
  • the system operates with two pistons coupled to the same axis of rotation by their crankshaft.
  • the air is admitted from the outside into the first piston which is lowered, it is then pushed back to the exchanger with the exhaust gases when the first piston rises, then it relaxes in the second piston that lowers, finally it is forced out when the second piston rises.
  • the piston system accepts rotational speeds of an order of magnitude smaller than those of the turbomachine to achieve high pressures and thus acceptable performance. This reduces the integration constraints accordingly.
  • pistons with their intake systems offer reduced flow sections to the working fluid.
  • the size of the pistons must be large to pass the flow required to extract the power released by the exhaust.
  • the system uses a piston and crankshaft system and a system dedicated to the admission and exhaust of the working fluid consisting of at least one camshaft and valves for opening and closing the inlet and outlet ports of the working fluid in the system for transforming thermal energy into mechanical energy. This leads to a complex system that is either cumbersome or has limited power.
  • the vane machine makes it possible to obtain a high compression ratio and a high flow rate with low rotational speeds and a smaller overall size.
  • the vane machine remains limited in terms of the compression ratio obtained.
  • it has disadvantages with respect to friction. Indeed, it must provide a seal in contact with the pallets and the wall of the gas working chamber, while the movement of the vanes has a radial component due to the oval shape of the chamber about the axis of rotation. The pressing force exerted by the pallets against the wall increases the friction. This disadvantage is aggravated by the fact that the friction is dry to avoid polluting with lubricant air passing through the machine in an open circuit.
  • the invention relates to a compression and expansion machine comprising a body with at least one chamber of revolution about an axis of symmetry and pistons rotating around the axis of symmetry and dividing the chamber into cells rotating with the pistons, said machine further comprising a device for coordinating the movement of said pistons configured so that, during a rotation revolution, each cell performs at least a first expansion / contraction cycle corresponding to a compression step of a first gas flow passing through this cell and at least one second expansion / contraction cycle corresponding to a step of expansion of a second flow of gas passing through this cell
  • the characteristics of the compression and expansion machine in flow and pressure favorably influence the efficiency of an energy recovery system in several ways.
  • thermodynamic cycle In terms of the thermodynamic cycle, this machine, which operates on the same principle of compression or expansion of a gas in a closed cell as a reciprocating piston, achieves significant operating pressures with a lower rotational speed. turbochargers, so a gain in size and weight. Furthermore, the large passage sections allowed by the rotational movement of the cells in the chamber, allows a higher flow rate and reduce the pressure losses in the machine compared to comparable size pistons. In addition, unlike the pallets of a vane machine, the movement of the pistons does not include a radial component. It is therefore easier to design their interface with the wall of the chamber to ensure tightness between cells and to minimize friction.
  • the coordination device is configured so that each cell performs the same number of first expansion / contraction cycles corresponding to a gas expansion step as second expansion / contraction cycles corresponding to a gas compression step.
  • the chamber has gas inlet and outlet openings for each expansion / contraction cycle of the cells, the passage section of the gas inlet opening being greater than the passage section of the opening. on the first cycle (s) and the passage section of the inlet opening of the gas being less than the passage section of the outlet opening on the second or second cycles.
  • the machine has at least four openings to allow the transfer of the fluid.
  • the pressures of the working fluid are different so that the opening sections are adapted accordingly.
  • the exchange zone with the ambient air is called low pressure and that with the exchanger is called high pressure.
  • the machine has two openings per zone (HP and BP) because the direction of flow is different. By zone, an opening is intended for the circulation of the working fluid from the inside of the machine to the outside, the other opening allowing a circulation of the latter from the outside of the machine inwards.
  • the machine comprises two pairs of pistons.
  • the difference between two openings of the same zone for example HP zone or BP zone, is smaller than the difference between two openings of two distinct HP and BP zones;
  • the inlet opening of the first cycle is close to the exit opening of the second cycle
  • the exit opening of the first cycle is close to the entry opening of the second cycle
  • each cell performs, during a turn, one and only one first cycle and one and only one second cycle, a step of admitting the first cycle to a cell having a common time interval with a step of Escape from the second cycle on the cell that follows it in the rotational movement. This increases the flow of gas through the machine.
  • the admission of the first cycle to a cell can also be shifted in time with respect to the escape of the second cycle on the cell which follows it in the rotational movement. This makes it possible to increase the pressure during the heating step in the exchanger.
  • the coordination device comprises means for coordinating the movement of the pistons, fluidly separated from the chamber of revolution. This configuration makes it possible to properly lubricate the mechanics of the coordination means and to avoid introducing lubricant into the chamber where the pistons rotate.
  • sealing means between the pistons and the inner wall of the chamber are designed to separate the cells and allow dry friction on the walls of the chamber.
  • the friction surface is reduced.
  • the air discharged out of the machine operating in open cycle is not loaded with lubricating particles, so that the atmosphere is not polluted.
  • the section of the chamber along an axial plane is rounded, for example oval, elliptical or circular. This makes it possible to design one-piece sealing means that are more resistant to wear.
  • the invention also relates to a device for recovering energy from a hot thermal source, said device comprising a heat exchanger between a working fluid and the hot source and a compression and expansion machine as described above, and said device being configured such that, at a given moment, the working fluid enters the exchanger after having followed the compression step in a first cycle of the machine and leaves the exchanger to follow the step relaxing in a second cycle the machine.
  • Said device may be configured such that, at a given moment, the working fluid enters one of the cells of the machine during one admission time and emerges from another of the cells of the machine after having followed a step of compression.
  • said device is configured such that, at a given moment, the working fluid enters the exchanger after having followed the compression step in one of the cells of the machine and leaves the exchanger to follow the relaxation step in the same cell or in another cell of the machine.
  • said device is configured such that, at a given moment, the working fluid enters the exchanger after having followed the compression step in one of the cells of the machine and comes out of the machine relaxing compression after following a relaxation step.
  • the energy recovery device uses an open cycle with the ambient atmosphere.
  • the fluid used is air.
  • the open cycle has the advantage over a closed cycle that there is no cooling exchanger to be placed in the front part that would take a part cooling calories of the engine.
  • the cooling circuit requires taking some of the energy to operate.
  • the exhaust gases of a heat engine form the hot source. This will be advantageously the case for an installation on a motor vehicle.
  • the working fluid preferentially flows against the current of the exhaust gases in the heat exchanger.
  • Figure 1 schematically shows the installation of a system according to the invention to enhance the energy of the exhaust gas of a heat engine.
  • Figure 2 schematically shows a perspective view of a first embodiment of piston scissor machine according to the invention.
  • Figure 3 schematically shows a side view of a second embodiment of piston scissor machine according to the invention.
  • Figure 4 schematically shows a side view of a third embodiment of piston scissor machine according to the invention.
  • Figure 5 shows schematically the operation of a piston scissor machine according to the invention in a system for energy recovery.
  • the invention relates to a rotary scissors-type rotary machine designed to be used in an energy recovery system by working a fluid in a cycle comprising the stages of admission, compression, heating and then expansion, exhaust, as this has been exposed previously.
  • the exemplary embodiment of the invention is presented as part of an integration on a motor vehicle powered by a heat engine, to enhance the energy dissipated by the exhaust gas.
  • the applicant does not intend to limit the scope of his invention to this framework because it is easy to transfer the type of heat source or energy recovered to other facilities.
  • the system schematically exemplified in Figure 1 uses air as working fluid, with an open cycle.
  • the air is sucked to ambient atmospheric conditions before compression and then released into the atmosphere after relaxation.
  • this choice is advantageous in terms of integration on a vehicle but it does not exclude the choice of a closed cycle, with cooling of the working fluid in other facilities.
  • the system described as an example here comprises:
  • a hot source constituted by the exhaust gas flowing in the exhaust line 1 from the engine 2;
  • system 9 for driving and recovering energy is a mechanical transmission means between the axis 10 of the compression and expansion machine 4 and the shaft 1 1 of the driving motor. the vehicle, intended to recover the extra torque provided by the axis 10.
  • this system 9 may be an electric motor connected to the axis 10 of the machine 4, intended to operate as a generator under the action of the axis 10.
  • the machine 4 piston scissors comprises a hollow body 12a forming a cylindrical chamber 12 of circular cross section about an axis L-L.
  • the hollow body has four openings forming openings 16, 17, 18, 19 in the chamber 12.
  • these openings are made on the outer wall of the chamber 12. They can be segmented, here in three orifices, on the length of the chamber 12 along the axis of rotation, as shown in Figure 2. They have an angular extension defined around the axis of rotation and are brought together in pairs.
  • a first opening 16 is located at the bottom and is intended to be connected to the duct 7 sucking the ambient air
  • a second opening 17 is located at the top, substantially vertically of the first opening 16, and is intended to be connected to the pipe 5 sending the air into the exchanger 3
  • a third opening 18 is also located at the top, close to the second opening 17, and is intended to be connected to the pipe 6 bringing the air coming out of the exchanger 3
  • a fourth opening 19 is located at the bottom, substantially vertically to the third opening 18 and close to the first opening 16, and is intended to be connected to the pipe 8 discharging air into the atmosphere.
  • pistons 14a, 14b, 14c, 14d rotating about the axis LL are installed inside the chamber 12. They are configured to occupy each an angular sector portion of given angle between the outer cylindrical wall of the chamber 12 and an inner cylindrical surface 1 3 of cross section to the circular axis of rotation LL.
  • pistons are grouped in two pairs of diametrically opposed pistons.
  • the pistons of each pair are integral.
  • the two pairs of pistons can rotate around the axis differently, moving away or approaching.
  • the four pistons define two by two and between the outer wall of the chamber 12 and the inner surface 1 3, four cells 15a, 15b, 15c, 15d whose volume can increase or decrease.
  • a first pair of pistons 14a, 14c is connected to a first shaft 20 which provides a portion of the cylindrical inner surface 13 about one-half lengthwise along the axis of rotation.
  • This first shaft 20, for example, is hollow and passes a second shaft 21 which carries the cylindrical surface 13 on the second half length along the axis of rotation and which is fixed the second pair of pistons 14b, 14d. In this way the two pairs of pistons 14a-14c, 14b-14d can be driven separately in rotation by the two shafts 20, 21.
  • the two shafts pass through a transverse face of the wall of the chamber 12 and are coupled, outside of this chamber 12, to each other and / or to the shaft 10 coming out of the scissors machine 4, by a coordination device 22. of their movements which allows them to perform the expansion / contraction cycles of the cells 15a, 15b, 15c, 15d while the shaft 10 of the machine 4 follows a regular rotational movement.
  • This device for coordinating the movements of the pistons can be produced, for example, by an epicyclic gear mechanism.
  • the crossing of the chamber 12 by the shafts 20, 21 is equipped with a sealing means which makes it possible to ensure that the lubricant used for the mechanisms of the coordination device 22 of the pistons 14a, 14b, 14c, 14d does not fit. in the chamber 12. This prevents the air passing through the cells and then released into the atmosphere is polluted by this lubricant.
  • Each piston having a shape that matches that of the inner wall of the chamber 12 and the inner cylindrical surface 1 3 made by the two shafts 20, 21, the four cells are theoretically separated so that the air they contain either compressed or relaxed according to their volume changes when they do not pass an opening 16, 17, 18, 1 9.
  • the contacts of a piston 14a, 14b, 14c, 14d with the walls of the chamber 12 and the inner cylindrical surface portion 13 made by the shaft 21, 20 to which it is not connected, are movable.
  • the sealing of a cell 15a, 15b, 15c, 15d between the pistons 14a, 14b, 14c, 14d delimiting it is advantageously provided by sealing segments 23 placed on the surface of said piston and rubbing against the walls on which it slips.
  • a sealing segment 23 is thus formed of four rectilinear portions, two following the portions of the edge of the piston sliding against the flat faces axially delimiting the chamber 12, one following the sliding part against the cylindrical face of the chamber 1 2 and one following the sliding portion on the shaft 20, 21 which does not rotate in phase with the piston.
  • the hollow body 1 2a is modified so that the walls transverse to the axis LL of the chamber 12 join, with a continuity of tangent, the peripheral cylindrical wall of this room.
  • these transverse walls are connected tangentially to the inner cylindrical surface 13 formed by the outer wall of the two shafts 20, 21 to which the pistons are attached.
  • the volume in which the pistons move thus takes the form of a torus of ovoidal section, with a straight portion of the section at the level of the shafts 20, 21 and the outer portion.
  • This embodiment allows for sealing segments in one piece, without connection between two rectilinear portions.
  • the hollow body 1 2a and the outer walls of the two shafts 20, 21 are designed in such a way that the volume in which the pistons move takes the shape of a torus of circular section.
  • This form makes it possible to use sealing segments 23 of circular shape.
  • the inner surface 13 formed by the walls of the shafts 20, 21 driving the pistons is no longer cylindrical but has a form of revolution generated by the corresponding portion of the circle. This shape makes it possible to obtain a better holding of the segments and to ensure a better seal between the pistons and the walls of the chamber 12.
  • the scissor machine 4 circulates the air discontinuously in the system, by suction / discharge puffs of gas corresponding to the passage of the cells 15a, 15b, 15c, 15d in front of the openings 16, 17, 18, 19, of the chamber 12.
  • the pistons 14a, 14b, 14c, 14d are identical in size and the two pairs of pistons 14a-14c, 14b-14d follow the same movement out of phase.
  • the four cells 15a, 15b, 15c, 15d therefore follow an identical cycle during a complete rotation, which is described below to indicate how the machine circulates the air.
  • a pair of pistons 14a-14c slows when it is close to the vertical, in Figure 5, one of the pistons 14a located between the suction openings 16 of the ambient air and discharge 19 to the atmosphere . Meanwhile, the other pair of pistons 14b-14d accelerates so that the piston 14b which has just passed the suction opening 1 6 catches the piston 14c of the first pair, placed at the top, and that the piston 14d, which has just passed the opening dedicated to the gas returning from the exchanger 3, catches the piston 14a of the first pair, located at the bottom.
  • the cell 15a situated between the piston 14a almost stopped downwards and the piston 14b which moves away from it sucks the ambient air through the opening 1 6.
  • the piston 14a located downwards, interposing between the openings of the bottom 16, 19 prevents this cell 15a does not draw outside air through the discharge opening 19.
  • the cell 15b located between the piston 14c almost stopped upwards and the piston 14b which comes close compresses the air that it contains and which has just been sucked into the ambient air.
  • the piston 14c advances and releases the opening 17 dedicated to the communication with the exchanger 3 and the compressed air in the cell 15b can escape to the exchanger.
  • the machine thus draws low-pressure ambient air through the lower right opening 16 and discharges high-pressure air through the right-hand opening 17.
  • the machine draws high pressure air, from the exchanger 3, through the left upper opening 1 8 and returns air relaxed at low pressure to the atmosphere by the opening 19 left bass.
  • the instants of aspirations of the high-pressure air coming from the exchanger 3, through the upper opening of the left-hand side 18, and of the return of the air expanded at low pressure towards the atmosphere, by the opening 19 left bass, are offset in time. This improves the efficiency of the machine. Indeed, the cell 15c, located between the piston 14c almost stopped upwards and the piston 14d away from it, is the seat of an expansion of the air that it contains. This air comes from the opening 18 connected to the outlet of the exchanger 3 when the upper piston 14c did not obstruct the air inlet opening 18.
  • the movement of the piston 14c and its angular size are determined so that it interposes between the outlet opening 1 7 of the High pressure air and inlet opening 18 high pressure heated air. In this way, there is no mixing between the air passing through the machine 4 from the right to the exchanger 3 and the air passing through the machine 4 from the left out of the exchanger.
  • the return circuit ends in the cell 15d located between the piston 14a almost stopped down and the piston 14d which catches it. By contracting the cell 15 expels the expanded air to the atmosphere through the opening 19.
  • this mode of operation separates the scissors 4 piston machine approximately into a high pressure zone in the upper half and a low pressure zone in the lower half, with reference to FIG.
  • the openings 16, 19 of the low pressure zone will be advantageously adapted to pass the same flow as the openings 1 7, 18 which correspond to them in the air circuit but placed in the high pressure zone of greater density.
  • the openings 16, 19 of the low pressure zone are therefore advantageously wider than those of the high pressure zone because the mass volume of the air passing through them is greater. This makes it possible to have a large flow rate through the scissors machine 4 and not to create parasitic losses at low pressure openings.
  • the relative size of the piston 14c passing through the top and openings 17-18 of the high pressure zone makes that at a given moment the piston 14c blocks any communication of one of these openings 17 18 with any of the cells 15b, 15c passing in front of them.
  • the suction phases of the air from the exchanger 3 in a first cell 15c through the inlet opening 18 and discharge through the outlet opening 17 of the compressed air in the cell 15b following the first cell 15c in the rotational movement occur at two successive instant disjoint. Variations of operation can be envisaged according to the relative sizes of the openings and the pistons as well as the position of the openings.
  • the pistons all have the same angular span.
  • a cell 1 5a passing in front of the opening 16 of the bottom right draws this puff of air, taken into the atmosphere by means of the pipe 7 and increases its volume at constant pressure.
  • the cell 15b contracts in volume by rotating, compresses the burst of air and pushes it into the pipe 5 through the opening 17.
  • the compression can be done up to a range of operating pressure optimal, between 3 and 1 2 bars in the automotive application presented.
  • this burst of air is transferred to the heat exchanger air / exhaust gas 3 by the pipe 5.
  • the air passes through the exchanger 3 in the opposite direction of the exhaust gases inside specific pipes.
  • This provision exchanger adapted to the configuration of the exhaust line 1, optimizes the heat exchange for a given contact distance between the flow of the exhaust gas and the working air flow.
  • the high air pressure level in the circuit makes it possible to design a compact exchanger 3.
  • a puff of heated and compressed air is returned to the scissors machine 4 by the third duct 6.
  • the air enters the machine 4 through the opening 18 of the top and expands in a cell 15c which increases volume turning.
  • the expansion of the hot compressed air drives the first pair of pistons 14a-14d in rotation about the axis L-L and generates a mechanical energy.
  • the coordination device 22 of the pistons uses part of this energy to also move the second pair of pistons 14b-14-d and to make the scissors machine 4 the first two times compressing the air puffs arriving in the exchanger .
  • the coordination device 22 of the pistons restores the remaining energy on the rotating shaft 10 coming out of the scissors machine 4.
  • the system operates in recovery mode as soon as the energy supplied by the trigger is greater than the compression energy and losses of the device.
  • the cell 15d expels the breath of air to the outlet pipe 8 to the atmosphere through the opening 19 of the bottom.
  • the pressure and the temperature of the air decrease.
  • the air is discharged to the outside at a temperature of about 100.
  • the step of compressing the air in the machine 4 corresponds to the first two times of the cycle, suction and compression, while the relaxation step corresponds to the fourth and fifth time, relaxation and escape.
  • a scissors machine 4 makes it possible to achieve pressures of the order of 3 to 20 bar with rotation speeds of less than 10,000 rpm.
  • Regarding the flow there are in the example four cells 15a, 15b, 15c, 15d, which pass continuously in front of the openings 14a, 14b, 14c, 14d, of the chamber 12. So, the first time a cycle starts immediately after the first beat of the previous cycle. It is thus not necessary to let a time pass as on a four-stroke reciprocating machine.
  • the openings can be optimized. Since these openings concern different areas of the chamber and also that the rotating means have a continuous movement in passing, the geometry of the machine makes it possible to optimize the passage sections. These passage sections make it possible to reduce the pressure drops. In comparison with a machine using reciprocating pistons, such a machine can thus gain several factors in the past flow with less pressure losses, which improves the efficiency of the system.
  • the configuration makes it possible, among other advantages, to better control the rate of compression and expansion of the cells, thus to obtain equivalent performances with a machine. less volume.
  • an already compressed admission air passes into the pipe 7 to be sucked into a cell 15a during the first cycle time, which reduces the size of the machine iso performance
  • the compressed air may be from a turbo compressor which uses the exhaust gases as a source for rotating the compressor.
  • the intake air whether it is an ambient air or a compressed air, is previously cooled before entering the machine by an air cooler for example, this reduces the inlet temperature of the working fluid in the exchanger and thus increase the efficiency of the energy recovery device.
  • the temperature of the working fluid at the inlet of the exchanger must be lower than the temperature of the hot source flowing in the exchanger.
  • the system will also be advantageously adapted to variations in speeds or atmospheric conditions, for example by introducing bypass systems on the air circuit and on the exhaust line of the engine gases before the heat exchanger, to adapt the flows to the energy that can be recovered.
  • additional cooling of the rotary volumetric machine by a circuit of water, air or via fins makes it possible to prevent excessive heating thereof, by the friction and the working fluid coming from the exchanger.

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Abstract

L'invention concerne une machine de compression et détente comportant un corps (12a) avec au moins une chambre (12) de révolution autour d'un axe de symétrie et des pistons tournant (14a, 14b, 14c, 14d) autour de l'axe de symétrie et divisant la chambre en cellules (15a, 15b, 15c, 15d) tournant avec les pistons, ladite machine comprenant en outre un dispositif de coordination (22) du mouvement desdits pistons configuré pour que, lors d'un tour de rotation, chaque cellule (15a, 15b, 15c, 15d) effectue au moins un premier cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de compression d'un premier flux de gaz passant par cette cellule et au moins un deuxième cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de détente d'un deuxième flux de gaz passant par cette cellule.

Description

MACHINE DE COMPRESSION ET DETENTE DE TYPE CISEAUX UTILISEE DANS UN SYSTEME DE RECUPERATION D'ENERGIE THERMIQUE.
La présente invention s'applique au domaine de la transformation de l'énergie thermique en travail. Elle vise plus particulièrement une machine de compression et détente de type ciseaux destinée à être utilisée, en particulier, dans un système faisant travailler un fluide pour valoriser les pertes thermiques d'un moteur, par exemple à l'échappement ou sur toute autre source chaude. En effet, malgré l'amélioration du rendement des moteurs, une forte proportion de l'énergie reste perdue sous forme de chaleur. Ces pertes représentent de l'ordre de 65% dans le cas des moteurs à combustion interne, essence ou diesel. Elle est libérée par la combustion dans le circuit de refroidissement du moteur ou dans les gaz d'échappement, qui forment une source chaude par rapport à l'atmosphère ambiant.
Plusieurs types de systèmes utilisant un fluide de travail chauffé par cette source chaude ont été envisagés. Dans tous les cas, le fluide effectue un cycle au cours duquel il doit être pompé ou comprimé pour entrer dans un échangeur avant de pouvoir, ensuite, fournir de l'énergie mécanique par une détente.
Certains systèmes de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique utilisent un cycle de Rankine. Il s'agit d'un cycle fermé au sens où le fluide est récupéré après la détente, refroidi et recyclé pour être comprimé avant de retourner dans l'échangeur. De plus, le fluide, généralement de l'eau, est sous forme vapeur en sortant de l'échangeur avec la source chaude, puis sous forme liquide après refroidissement. Ces caractéristiques assurent un bon rendement intrinsèque aux systèmes utilisant ce cycle. Par contre, ils présentent un certain nombre d'inconvénients, parmi lesquels, la nécessité d'installer un système de refroidissement qui est encombrant et qui ponctionne une partie du flux thermique de refroidissement disponible pour le moteur thermique, pénalisant en cela le rendement global du véhicule. C'est pourquoi, d'autres voies ont déjà été explorées, avec des systèmes utilisant un cycle ouvert. Dans ce cas, le fluide de travail est de l'air qui est aspiré en entrée de compresseur et rejeté dans l'atmosphère après la détente.
Un premier mode de réalisation, décrit dans W012062591 , utilise une turbine monté côte à côte avec un compresseur, sur le même axe. L'air est comprimé dans le compresseur, échauffé par les gaz d'échappement dans l'échangeur, puis détendu dans la turbine. L'énergie récupérée par la turbine sur l'axe de rotation sert pour une part à entraîner le compresseur, le reste étant disponible pour les applications souhaitées. L'utilisation d'une turbine nécessite un flux d'air continu. Pour avoir un bon rendement de la turbine, il faut un débit élevé, tout en gardant une pression suffisante en entrée de celle-ci. De plus, les vitesses de rotation sont élevées (plus de 100 000 tours/min). Les turbocompresseurs adaptés à ces conditions sont généralement imposants ce qui aboutit à une architecture turbine plus compresseur encombrante et chère. De plus, la taille d'un système de refroidissement adapté serait prohibitive pour un petit véhicule.
Un mode de réalisation alternatif s'inspire du moteur à pistons avec air chaud et utilise un cycle de Brayton. Typiquement, dans ce cas, le système fonctionne avec deux pistons couplés au même axe de rotation par leur vilebrequin. Au cours d'une rotation, l'air est admis de l'extérieur dans le premier piston qui s'abaisse, il est ensuite refoulé vers l'échangeur avec les gaz d'échappement lorsque le premier piston remonte, puis il se détend dans le deuxième piston qui s'abaisse, enfin il est refoulé vers l'extérieur lorsque le deuxième piston remonte. Le système à pistons accepte des vitesses de rotation inférieures d'un ordre de grandeur à celles de la turbomachine pour atteindre des pressions importantes et ainsi un rendement acceptable. Cela diminue d'autant les contraintes d'intégration. Par contre, les pistons avec leurs systèmes d'admission offrent des sections de passage réduites au fluide de travail. Il en résulte que la taille des pistons doit être importante pour passer le débit nécessaire à extraire la puissance dégagée par les gaz d'échappement. De plus, le système utilise un système à pistons et vilebrequin ainsi qu'un système dédié à l'admission et à l'échappement du fluide de travail constitué d'au moins un arbre à cames ainsi que de soupapes destinées à l'ouverture et à la fermeture d'orifices d'entrée et de sortie du fluide de travail dans le système de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique. On aboutit ainsi à un système complexe soit qui est encore encombrant, soit qui a une puissance limitée.
Il est également connu comme variante de réalisation à la machine à pistons alternatifs, des machines rotatives à palettes pour effectuer des cycles de compression et détente. La machine à palettes permet notamment d'obtenir un taux de compression et un débit élevés avec des vitesses de rotation faible et un encombrement plus petit. Cependant, la machine à palettes reste limitée en termes de taux de compression obtenu. De plus elle comporte des inconvénients en ce qui concerne les frottements. En effet il faut assurer une étanchéité au contact des palettes et de la paroi de la chambre de travail du gaz, alors que le mouvement des palettes comporte une composante radiale du fait de la forme ovale de la chambre autour de l'axe de rotation. La force d'appui exercée par les palettes contre la paroi augmente les frottements. Cet inconvénient est aggravé par le fait que les frottements se font à sec pour éviter de polluer avec du lubrifiant l'air traversant la machine dans un circuit ouvert.
L'invention a pour but de proposer un moyen de réaliser les fonctions de compression et de détente du fluide de travail fournissant des performances élevées en termes de taux de compression et de débit , en améliorant l'encombrement et les pertes dues aux frottements par rapport à une machine à palettes.
Présentation de l'invention :
L'invention concerne une machine de compression et détente comportant un corps avec au moins une chambre de révolution autour d'un axe de symétrie et des pistons tournant autour de l'axe de symétrie et divisant la chambre en cellules tournant avec les pistons, ladite machine comprenant en outre un dispositif de coordination du mouvement desdits pistons configuré pour que, lors d'un tour de rotation, chaque cellule effectue au moins un premier cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de compression d'un premier flux de gaz passant par cette cellule et au moins un deuxième cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de détente d'un deuxième flux de gaz passant par cette cellule Les caractéristiques de la machine de compression et de détente en débit et en pression influencent favorablement le rendement d'un système de récupération d'énergie de plusieurs façons. Au niveau du cycle thermodynamique, cette machine, qui fonctionne sur le même principe de compression ou de détente d'un gaz dans une cellule close qu'un piston à mouvement alternatif permet d'atteindre des pressions utiles importantes avec une vitesse de rotation plus faible que les turbocompresseurs, donc un gain d'encombrement et de poids. Par ailleurs, les sections de passage importantes autorisées par le déplacement en rotation des cellules dans la chambre, autorise un débit plus important et réduisent les pertes de charge dans la machine par rapport aux pistons d'encombrement comparable. De plus, contrairement aux palettes d'une machine à palettes, le mouvement des pistons ne comprend pas de composante radiale. Il est donc plus facile de concevoir leur interface avec la paroi de la chambre pour assurer l'étanchéité entre cellules et de minimiser les frottements.
De préférence, le dispositif de coordination est configuré pour que chaque cellule effectue le même nombre de premiers cycles d'expansion/contraction correspondant à une étape de détente de gaz que de deuxièmes cycles d'expansion/contraction correspondant à une étape de compression de gaz
Cela correspond à un nombre pair de cycles d'expansion/contraction effectués par les cellules. Du point de vue mécanique, cela peut être réalisé avec deux paires de pistons, les pistons de chaque paire ayant un mouvement solidaire. Les pistons de chaque paire sont, par exemple, diamétralement opposés. Une telle configuration peut donc être réalisée avec un dispositif de coordination du mouvement des pistons ayant une architecture simplifiée.
Avantageusement, la chambre comporte des ouvertures d'entrée et de sortie du gaz pour chaque cycle d'expansion/contraction des cellules, la section de passage de l'ouverture d'entrée du gaz étant supérieure à la section de passage de l'ouverture de sortie sur le ou les premiers cycles et la section de passage de l'ouverture d'entrée du gaz étant inférieure à la section de passage de l'ouverture de sortie sur le ou les deuxièmes cycles.
Avantageusement, la machine dispose d'au moins quatre ouvertures pour permettre le transfert du fluide. Il y a au moins deux ouvertures ménagées sur la machine et communiquant avec l'air ambiant, et au moins deux autres ouvertures également ménagées sur la machine et communiquant avec l'échangeur. Les pressions du fluide de travail sont différentes de sorte que les sections d'ouvertures sont adaptées en conséquence. La zone d'échange avec l'air ambiant est dite basse pression et celle avec l'échangeur est dite haute pression. De plus, la machine comporte deux ouvertures par zone (HP et BP) car le sens d'écoulement est différent. Par zone, une ouverture est destinée à la circulation du fluide de travail de l'intérieur de la machine vers l'extérieur, l'autre ouverture permettant une circulation de celui-ci de l'extérieur de la machine vers l'intérieur.
Avantageusement, la machine comprend deux paires de pistons.
Selon différentes variantes de l'invention qui pourront être prises ensemble ou séparément :
- l'écart entre deux ouvertures d'une même zone, par exemple zone HP ou zone BP, est plus petit que l'écart entre deux ouvertures de deux zones distinctes HP et BP ;
- l'ouverture d'entrée du premier cycle est à proximité de l'ouverture de sortie du deuxième cycle ;
- l'ouverture de sortie du premier cycle est à proximité de l'ouverture d'entrée du deuxième cycle ;
- les ouvertures d'entrée du premier cycle et de sortie du deuxième cycle sont respectivement diamétralement opposées par rapport aux ouvertures d'entrée du deuxième cycle et de sortie du premier cycle ; - les ouvertures d'entrée du premier cycle et de sortie du deuxième cycle présentent une section plus importante que les ouvertures de sortie du premier cycle et d'entrée du deuxième cycle. De préférence également, chaque cellule effectue lors d'un tour de rotation, un et un seul premier cycle et un et un seul deuxième cycle, une étape d'admission du premier cycle sur une cellule ayant un intervalle de temps commun avec une étape d'échappement du deuxième cycle sur la cellule qui la suit dans le mouvement de rotation. Cela permet d'augmenter le débit de gaz passant par la machine.
L'admission du premier cycle sur une cellule peut aussi être décalée en temps par rapport à l'échappement du deuxième cycle sur la cellule qui la suit dans le mouvement de rotation. Cela permet d'augmenter la pression durant l'étape de chauffage dans l'échangeur.
Avantageusement, le dispositif de coordination comporte des moyens de coordination du mouvement des pistons, séparés fluidiquement de la chambre de révolution. Cette configuration permet de lubrifier correctement la mécanique des moyens de coordination et d'éviter d'introduire du lubrifiant dans la chambre où tournent les pistons.
De préférence, des moyens d'étanchéité entre les pistons et la paroi interne de la chambre sont conçus pour séparer les cellules et permettre un frottement à sec sur les parois de la chambre. Compte tenu du fait que seuls lesdits moyens d'étanchéité s'intercalent entre le piston rotatif et la paroi interne de la chambre, la surface de frottement est réduite. Une telle réduction se traduit par une augmentation de l'étanchéité, ce qui permet d'atteindre à la fois une pression et un rendement accru de la machine. Compte tenu en outre du frottement à sec, l'air évacué hors de la machine fonctionnant en cycle ouvert, n'est pas chargé de particules de lubrification, de sorte que l'atmosphère n'est pas pollué. Avantageusement, la section de la chambre suivant un plan axial est arrondie, par exemple ovale, elliptique ou circulaire. Cela permet de concevoir des moyens d'étanchéité d'un seul tenant et plus résistants à l'usure. L'invention concerne également un dispositif de récupération d'énergie d'une source thermique chaude, ledit dispositif comportant un échangeur de chaleur entre un fluide de travail et la source chaude ainsi qu'une machine de compression et de détente telle que décrite précédemment, et ledit dispositif étant configuré de telle sorte que, à un instant donné, le fluide de travail rentre dans l'échangeur après avoir suivi l'étape de compression dans un premier cycle de la machine et ressorte de l'échangeur pour suivre l'étape de détente dans un deuxième cycle la machine.
Ledit dispositif pourra être configuré de telle sorte que, à un instant donné, le fluide de travail rentre dans une des cellules de la machine durant un temps d'admission et ressort d'une autre des cellules de la machine après avoir suivi une étape de compression.
Alternativement ou cumulativement, ledit dispositif est configuré de telle sorte que, à un instant donné, le fluide de travail rentre dans l'échangeur après avoir suivi l'étape de compression dans l'une des cellules de la machine et ressort de l'échangeur pour suivre l'étape de détente dans la même cellule ou dans une autre des cellules de la machine.
Encore alternativement ou cumulativement, ledit dispositif est configuré de telle sorte que, à un instant donné, le fluide de travail rentre dans l'échangeur après avoir suivi l'étape de compression dans l'une des cellules de la machine et ressorte de la machine de compression détente après avoir suivi une étape de détente.
De préférence, dans ce dispositif, tout le flux de gaz passant par l'un des premiers cycles est traité par un seul des deuxièmes cycles. Cela correspond en particulier à une machine à quatre pistons ce qui permet de gagner en encombrement et aussi sur les pertes dues aux frottements dans la machine et sur la complexité de réalisation. Avantageusement, le dispositif de récupération d'énergie utilise un cycle ouvert avec l'atmosphère ambiant. Le fluide utilisé est donc de l'air. Dans le cas d'une application pour véhicule automobile, par exemple, le cycle ouvert a l'avantage par rapport à un cycle fermé qu'il n' y a pas d'échangeur de refroidissement à placer dans la partie avant qui prélèverait une partie des calories de refroidissement du moteur thermique. De plus, le circuit de refroidissement nécessite de prélever une partie de l'énergie pour fonctionner. Ainsi, même si le rendement d'un cycle ouvert est intrinsèquement moins élevé que celui d'un cycle fermé, le rendement global et l'intégration dans le véhicule sont meilleurs.
Dans une application particulière, les gaz d'échappement d'un moteur thermique forment la source chaude. Ce sera avantageusement le cas pour une installation sur un véhicule automobile.
Dans ce dispositif, le fluide de travail circule préférentiellement à contre courant des gaz d'échappement dans l'échangeur de chaleur.
Description des dessins et de l'invention :
La présente invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 présente schématiquement l'installation d'un système selon l'invention pour valoriser l'énergie des gaz d'échappement d'un moteur thermique.
La figure 2 présente schématiquement une vue en perspective d'un premier mode de réalisation de machine ciseaux à pistons selon l'invention.
La figure 3 présente schématiquement une vue de côté d'un deuxième mode de réalisation de machine ciseaux à pistons selon l'invention.
La figure 4 présente schématiquement une vue de côté d'un troisième mode de réalisation de machine ciseaux à pistons selon l'invention. La figure 5 présente schématiquement le fonctionnement d'une machine ciseaux à pistons selon l'invention dans un système de récupération d'énergie.
L'invention concerne une machine rotative à pistons de type ciseaux conçue pour être utilisée dans un système de récupération d'énergie en faisant travailler un fluide suivant un cycle comprenant les étapes d'admission, compression, chauffage puis de détente, échappement, comme cela a été exposé précédemment. L'exemple de réalisation de l'invention est présenté dans le cadre d'une intégration sur un véhicule automobile propulsé par un moteur thermique, pour valoriser l'énergie dissipée par les gaz d'échappement. Cependant, le déposant n'entend pas limiter la portée de son invention à ce cadre car il est facile de transposer le type de source de chaleur ou d'énergie récupérée à d'autres installations.
Le système schématiquement présenté en exemple sur la figure 1 utilise de l'air comme fluide de travail, avec un cycle ouvert. L'air est aspiré à condition atmosphérique ambiante avant compression puis rejeté dans l'atmosphère après la détente. Comme il a été expliqué plus haut, ce choix est avantageux en termes d'intégration sur un véhicule mais il n'exclut pas le choix d'un cycle fermé, avec refroidissement du fluide de travail dans d'autres installations.
Le système décrit en exemple comporte ici :
- une source chaude constituée par les gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement 1 en provenance du moteur thermique 2 ;
- un échangeur de chaleur 3 entre ces gaz d'échappement et l'air, placé sur la ligne d'échappement 1 ;
- une machine 4 de compression et détente, effectuant d'une part la compression de l'air allant dans l'échangeur 3, d'autre part la détente de l'air chaud sortant de l'échangeur 3 ;
- des conduites 5 pour faire circuler l'air comprimé de la machine 4 vers l'échangeur 3 et des conduites 6 pour renvoyer l'air chauffé dans l'échangeur 3 vers la machine 4 ; - des conduites 7 pour aspirer l'air ambiant vers la machine 4 et des conduites 8 pour rejeter l'air ayant travaillé vers l'atmosphère ;
- un système 9 d'entraînement et de récupération d'énergie. Dans le mode de réalisation présenté sur la figure le système 9 d'entraînement et de récupération d'énergie est un moyen de transmission mécanique entre l'axe 10 de la machine 4 de compression et de détente et l'arbre 1 1 du moteur entraînant le véhicule, destiné à récupérer le supplément de couple apporté par l'axe 10. Dans une variante, ce système 9 peut être un moteur électrique relié à l'axe 10 de la machine 4, destiné à fonctionner en générateur sous l'action de l'axe 10.
Selon un premier mode de réalisation, en référence à la figure 2, la machine 4 ciseaux à pistons comprend un corps creux 12a formant une chambre 12 cylindrique de section transversale circulaire autour d'un axe L-L.
Le corps creux comporte quatre lumières formant des ouvertures 16, 17, 18, 19 dans la chambre 12. Sur l'exemple, ces ouvertures sont effectuées sur la paroi extérieure de la chambre 12. Elles peuvent être segmentées, ici en trois orifices, sur la longueur de la chambre 12 suivant l'axe de rotation, comme c'est représenté sur la figure 2. Elles ont une extension angulaire définie autour de l'axe de rotation et sont rapprochées deux par deux.
Sur l'exemple, en référence à la figure 2 et en tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre :
- une première ouverture 16 est située en bas et est destinée à être reliée à la conduite 7 aspirant l'air ambiant,
- une deuxième ouverture 1 7 est située en haut, sensiblement à la verticale de la première ouverture 16, et est destinée à être reliée à la conduite 5 envoyant l'air dans l'échangeur 3, - une troisième ouverture 18 est située également en haut, proche de la deuxième ouverture 17, et est destinée à être reliée à la conduite 6 amenant l'air sortant de l'échangeur 3,
- une quatrième ouverture 19 est située en bas, sensiblement à la verticale de la troisième ouverture 18 et proche de la première ouverture 16, et est destinée à être reliée à la conduite 8 rejetant l'air dans l'atmosphère.
Quatre pistons 14a, 14b, 14c, 14d tournant autour de l'axe L-L sont installés à l'intérieur de la chambre 12. Ils sont configurés pour occuper chacun une portion de secteur angulaire d'angle donné entre la paroi cylindrique extérieure de la chambre 12 et une surface cylindrique intérieure 1 3 de section transversale à l'axe de rotation L-L circulaire.
Ces pistons sont groupés en deux paires de pistons diamétralement opposés. Les pistons de chaque paire sont solidaires. Par contre, les deux paires de pistons peuvent tourner autour de l'axe de manière différente, en s'écartant ou se rapprochant. De cette manière, les quatre pistons définissent deux à deux et entre la paroi extérieure de la chambre 12 et la surface intérieure 1 3, quatre cellules 15a, 1 5b, 15c, 15d dont le volume peut augmenter ou diminuer.
Le mouvement des deux paires de pistons est coordonné de telle sorte que chacune des quatre cellules 15a, 15b, 15c, 15d suive deux cycles d'expansion et de contraction tout en passant devant les quatre ouvertures 16, 17, 18, 1 9 de la chambre 12. Pour obtenir ce résultat, une première paire de pistons 14a, 14c est reliée à un premier arbre 20 qui réalise une portion de la surface intérieure cylindrique 13 sur environ une moitié de longueur suivant l'axe de rotation. Ce premier arbre 20, par exemple, est creux et laisse passer un deuxième arbre 21 qui réalise la surface cylindrique 13 sur la deuxième moitié de longueur suivant l'axe de rotation et auquel est fixé la deuxième paire de pistons 14b, 14d. De cette manière les deux paires de pistons 14a-14c, 14b- 14d, peuvent être entraînées séparément en rotation par les deux arbres 20, 21 . Les deux arbres traversent une face transversale de la paroi de la chambre 12 et sont couplés, à l'extérieur de cette chambre 12, entre eux et/ou avec l'arbre 10 sortant de la machine ciseaux 4, par un dispositif de coordination 22 de leurs mouvements qui leur permet de réaliser les cycles d'expansion/contraction des cellules 15a, 15b, 15c, 15d tandis que l'arbre 10 de la machine 4 suit un mouvement de rotation régulier. Ce dispositif de coordination des mouvements des pistons peut être réalisé, par exemple, par un mécanisme d'engrenage à train épicycloïdal. La traversée de la chambre 12 par les arbres 20, 21 est équipée d'un moyen d'étanchéité qui permet d'assurer que le lubrifiant utilisé pour les mécanismes du dispositif de coordination 22 des pistons 14a, 14b, 14c, 14d ne rentre pas dans la chambre 12. Cela évite ainsi que l'air passant dans les cellules puis rejeté dans l'atmosphère ne soit pollué par ce lubrifiant.
Chaque piston ayant une forme qui épouse celle de la paroi intérieure de la chambre 12 et de la surface cylindrique intérieure 1 3 réalisée par les deux arbres 20, 21 , les quatre cellules sont théoriquement séparées de telle sorte que l'air qu'elles contiennent soit comprimé ou détendu suivant leurs variations de volume quand elles ne passent pas devant une ouverture 16, 17, 18, 1 9.
Cependant les contacts d'un piston 14a, 14b, 14c, 14d avec les parois de la chambre 12 et la portion de surface cylindrique intérieure 13 réalisée par l'arbre 21 , 20 auquel il n'est pas relié, sont mobiles. L'étanchéité d'une cellule 15a, 15b, 15c, 15d entre les pistons 14a, 14b, 14c, 14d la délimitant est avantageusement assurée par des segments d'étanchéité 23 placés à la surface dudit piston et frottant contre les parois sur lesquelles il glisse.
Il est à noter que les pertes par frottement dans la machine ciseaux dus aux mouvements des pistons 14a, 14b, 14c, 14d dans la chambre sont de la sorte uniquement liées au glissement de ces segments 23 sur les parois. Il s'agit donc d'une technologie induisant un minimum de pertes, en particulier par le fait que les mouvements des pistons restent tangentiels aux parois contre lesquelles il s'agit d'assurer l'étanchéité. Sur l'exemple de la figure 2, le volume interne de la chambre 12 dans lequel se déplace les pistons 14a, 14b, 14c, 14d a la forme d'un tore de section rectangulaire. Un segment d'étanchéité 23 est donc formé de quatre portions rectilignes, deux suivant les parties du bord du piston glissant contre les faces planes délimitant axialement la chambre 12, une suivant la partie glissant contre la face cylindrique de la chambre 1 2 et une suivant la partie glissant sur l'arbre 20, 21 qui ne tourne pas en phase avec le piston.
Selon un deuxième mode de réalisation, en référence à la figure 3, le corps creux 1 2a est modifié de sorte que les parois transversales à l'axe L-L de la chambre 12 viennent rejoindre, avec une continuité de tangente, la paroi cylindrique périphérique de cette chambre. De plus, ces parois transversales se raccordent tangentiellement à la surface 13 cylindrique interne formée par la paroi externe des deux arbres 20, 21 auxquels sont attachés les pistons. Le volume dans lequel se déplace les pistons prend donc la forme d'un tore de section ovoïdale, avec une portion rectiligne de la section au niveau des arbres 20, 21 et de la partie extérieure.
Ce mode de réalisation permet de réaliser des segments d'étanchéité d'un seul tenant, sans raccord entre deux portions rectilignes.
Selon un troisième mode de réalisation, en référence à la figure 4, le corps creux 1 2a et les parois externes des deux arbres 20, 21 sont conçus de manière à ce que le volume dans lequel se déplacent les pistons prenne la forme d'un tore de section circulaire. Cette forme permet d'utiliser des segments d'étanchéité 23 de forme circulaire. La surface intérieure 13 formées par les parois des arbres 20, 21 entraînant les pistons n'est plus cylindrique mais a une forme de révolution engendrées par la portion de cercle correspondante. Cette forme permet d'obtenir une meilleure tenue des segments et d'assurer une meilleure étanchéité entre les pistons et les parois de la chambre 12. En référence à la figure 5, les pistons 14a, 14b, 14c, 14d tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, la machine ciseaux 4 fait circuler l'air de manière discontinue dans le système, par aspiration/refoulement de bouffées de gaz correspondant au passage des cellules 15a, 15b, 15c, 15d devant les ouvertures 16, 17, 18, 19, de la chambre 12.
Les pistons 14a, 14b, 14c, 14d sont identiques en taille et les deux paires de pistons 14a-14c, 14b-14d suivent le même mouvement de manière déphasée. Les quatre cellules 15a, 15b, 1 5c, 15d suivent donc un cycle identique au cours d'une rotation complète, qui est décrit ci-après pour indiquer comment la machine fait circuler l'air.
Une paire de pistons 14a-14c ralentit lorsqu'elle est proche de la verticale, sur la figure 5, l'un des pistons 14a se trouvant entre les ouvertures d'aspiration 16 de l'air ambiant et de refoulement 19 vers l'atmosphère. Pendant ce temps, l'autre paire de pistons 14b- 14d accélère de telle sorte que le piston 14b qui vient de passer devant l'ouverture d'aspiration 1 6 rattrape le piston 14c de la première paire, placé en haut, et que le piston 14d, qui vient de passer devant l'ouverture dédiée au gaz revenant de l'échangeur 3, rattrape le piston 14a de la première paire, situé en bas.
De cette manière, la cellule 15a située entre le piston 14a presque arrêté vers le bas et le piston 14b qui s'en éloigne aspire l'air ambiant par l'ouverture 1 6. Le piston 14a situé vers le bas, en s'interposant entre les ouvertures du bas 16, 19, empêche que cette cellule 15a n'aspire de l'air extérieur par l'ouverture 19 de refoulement. Pendant ce temps, la cellule 15b située entre le piston 14c presque arrêté vers le haut et le piston 14b qui s'en rapproche comprime l'air qu'elle contient et qui vient d'être aspiré dans l'air ambiant. A un moment donné, bien que son mouvement soit lent, le piston 14c avance et dégage l'ouverture 17 dédiée à la communication avec l'échangeur 3 et l'air comprimé dans la cellule 15b peut s'échapper vers l'échangeur. Par ce mécanisme, en référence à la figure 5 la machine aspire donc de l'air ambiant basse pression par l'ouverture 16 basse de droite et rejette de l'air haute pression par l'ouverture 1 7 haute de droite. Par un mécanisme symétrique et simultanément, la machine aspire de l'air haute pression, provenant de l'échangeur 3, par l'ouverture haute de gauche 1 8 et renvoie de l'air détendu à basse pression vers l'atmosphère par l'ouverture 19 basse de gauche.
Par un mécanisme décalé, les instants d'aspirations de l'air haute pression provenant de l'échangeur 3, par l'ouverture haute de gauche 18, et de renvoi de l'air détendu à basse pression vers l'atmosphère, par l'ouverture 19 basse de gauche, sont décalés dans le temps. Cela permet d'améliorer le rendement de la machine. En effet, la cellule 15c, située entre le piston 14c presque arrêté vers le haut et le piston 14d qui s'en éloigne, est le siège d'une détente de l'air qu'elle contient. Cet air provient de l'ouverture 18 relié à la sortie de l'échangeur 3 lorsque le piston 14c du haut n'occultait pas l'ouverture d'arrivée d'air 18.
De manière similaire à ce qui se passe entre les deux ouvertures 19, 18 du bas, le mouvement du piston 14c et sa taille angulaire sont déterminés de manière à ce qu'il s'interpose entre l'ouverture de sortie 1 7 de l'air haute pression et l'ouverture d'entrée 18 de l'air chauffé haute pression. De cette manière, il n'y a pas de mélange entre l'air traversant la machine 4 par la droite pour aller vers l'échangeur 3 et l'air traversant la machine 4 par la gauche en sortant de l'échangeur. Le circuit de retour se termine dans la cellule 15d située entre le piston 14a presque arrêté vers le bas et le piston 14d qui le rattrape. En se contractant la cellule 15 refoule l'air détendu vers l'atmosphère par l'ouverture 19.
On peut également noter que ce mode de fonctionnement sépare la machine ciseaux 4 à pistons approximativement en une zone haute pression dans la moitié supérieure et une zone basse pression dans la moitié inférieure, en référence à la figure 5. Les ouvertures 16, 19 de la zone basse pression seront avantageusement adaptées pour laisser passer le même débit que les ouvertures 1 7, 18 qui leurs correspondent dans le circuit d'air mais placées dans la zone haute pression de masse volumique plus grande,. Les ouvertures 16, 1 9 de la zone basse pression sont donc avantageusement plus larges que celles de la zone haute pression car le volume massique de l'air qui les traverse est plus grand. Cela permet d'avoir un débit de passage important au travers de la machine ciseaux 4 et de ne pas créer de pertes de charges parasites au niveau des ouvertures basses pression.
On peut noter sur l'exemple de réalisation présenté, en référence à la figure 5, une différence entre les ouvertures 16-19 de la zone basse pression et les ouvertures 17-18 de la zone haute pression. La taille importante des ouvertures 1 6-19 de la zone basse pression par rapport à l'extension angulaire du piston 14a qui est placé entre elles, entraîne le fait que l'aspiration d'air dans la cellule 15 a de droite et le refoulement de l'air dans la cellule 15d de gauche peuvent avoir lieu simultanément sur un intervalle de temps dans le cycle de fonctionnement de la machine. Ce phénomène peut être intéressant pour favoriser la circulation de l'air et augmenter le débit traversant la machine.
Au contraire, sur l'exemple, la taille relative du piston 14c passant par le haut et des ouvertures 17-18 de la zone haute pression fait qu'à un moment donné le piston 14c bloque toute communication de l'une de ces ouvertures 17, 18 avec l'une quelconque des cellules 1 5b, 15c passant devant elles. Dans cet exemple, les phases d'aspiration de l'air provenant de l'échangeur 3 dans une première cellule 15c par l'ouverture d'arrivée 18 et de refoulement par l'ouverture de sortie 17 de l'air comprimé dans la cellule 15b qui suit la première cellule 15c dans le mouvement de rotation se passent à deux instant successifs disjoints. Des variantes de fonctionnement peuvent être envisagées suivant les tailles relatives des ouvertures et des pistons ainsi que de la position des ouvertures. Cependant, les pistons présentent tous la même envergure angulaire.
D'autres modes de réalisation sont également envisageables en faisant varier le nombre de pistons et d'ouvertures dans la chambre 12. Cependant le nombre de pistons et d'ouvertures sera a priori un multiple de quatre, pour faire en sorte qu'à chaque circuit aspirant l'air pour l'envoyer vers l'échangeur corresponde un circuit recevant l'air de l'échangeur pour le rejeter vers l'atmosphère. Le fonctionnement du système de récupération d'énergie, au démarrage, pourra commencer avec l'entraînement de la machine ciseaux 4 par le système 9 d'entraînement et de récupération d'énergie mécanique.
Lorsque le fonctionnement du système est amorcé, le cycle global de cinq temps peut être décrit en suivant une des bouffées d'air passant dans la machine ciseaux 4.
Dans un premier temps, une cellule 1 5a passant devant l'ouverture 16 du bas à droite aspire cette bouffée d'air, prise dans l'atmosphère au moyen de la conduite 7 et fait augmenter son volume à pression constante.
Dans un deuxième temps, la cellule 15b se contracte en volume en tournant, comprime cette bouffée d'air et la pousse dans la canalisation 5 au travers de l'ouverture 17. La compression peut se faire jusqu'à une plage de pression de fonctionnement optimale, entre 3 et 1 2 bars dans l'application automobile présentée.
Dans un troisième temps, cette bouffée d'air est transférée vers l'échangeur chaleur air/gaz d'échappement 3 par la canalisation 5. Par l'énergie thermique qu'elle reçoit sa température augmente et sa pression également, Dans le mode de réalisation présenté, l'air traverse l'échangeur 3 dans le sens opposé des gaz d'échappement à l'intérieur de canalisations spécifiques. Cette disposition d'échangeur, adaptée à la configuration de la ligne d'échappement 1 , optimise les échanges thermiques pour une distance de contact donnée entre l'écoulement des gaz d'échappement et le flux d'air de travail. De plus le niveau de pression élevé de l'air dans le circuit permet de concevoir un échangeur 3 compact.
Dans un quatrième temps, une bouffée d'air chauffé et comprimé est renvoyée vers la machine ciseaux 4 par le troisième conduit 6. L'air entre dans la machine 4 par l'ouverture 18 du haut et se détend dans une cellule 15c qui augmente de volume en tournant.
En référence à nouveau à la figure 5, la détente de l'air comprimé chaud entraine la première paire de pistons 14a-14d en rotation autour de l'axe L-L et engendre une énergie mécanique. Le dispositif de coordination 22 des pistons utilise une partie de cette énergie pour faire bouger également la deuxième paire de pistons 14b-14-d et faire effectuer à la machine ciseaux 4 les deux premier temps comprimant les bouffées d'air arrivant dans l'échangeur. Le dispositif de coordination 22 des pistons restitue l'énergie restante sur l'arbre 10 tournant sortant de la machine ciseaux 4. Le système fonctionne en mode récupération dès que l'énergie fournie par la détente est supérieure à l'énergie de compression et aux pertes du dispositif.
Dans le cinquième temps, en continuant sa rotation et en se contractant la cellule 15d expulse la bouffée d'air vers la conduite 8 de rejet vers l'atmosphère au travers de l'ouverture 19 du bas. A la fin de la détente, la pression et la température de l'air diminuent. L'air est évacué vers l'extérieur à une température de l'ordre de 100 .
L'étape de compression de l'air dans la machine 4 correspond aux deux premiers temps du cycle, d'aspiration puis compression, tandis que l'étape de détente correspond aux quatrième et cinquième temps, de détente puis échappement. Une machine ciseaux 4 permet d'atteindre des pressions de l'ordre de 3 à 20 bars avec des vitesses de rotation inférieure à 10000 tours /min. En ce qui concerne le débit, il y a dans l'exemple quatre cellules 15a, 15b, 1 5c, 15d, qui passent en continu devant les ouvertures 14a, 14b, 14c, 14d, de la chambre 12. Donc, le premier temps d'un cycle démarre immédiatement à la suite du premier temps du cycle précédent. Il n'est ainsi pas nécessaire de laisser passer un temps comme sur une machine à quatre temps à pistons alternatifs. De plus, les quatre temps se passent dans la même chambre 12, alors que, en comparaison, dans une machine alternative, on utiliserait un piston pour l'étape d'aspiration/compression de l'air venant de l'atmosphère et un piston pour l'étape de détente/échappement de l'air chauffé. La machine est donc beaucoup plus compacte qu'une machine à pistons à mouvement alternatif pour un même débit.
De plus, de part la conception de la circulation d'air dans la machine, les ouvertures peuvent être optimisées. Du fait que ces ouvertures concernent des zones différentes de la chambre et aussi que les moyens tournants ont un mouvement continu en passant devant, la géométrie de la machine permet d'optimiser les sections de passage. Ces sections de passage permettent de diminuer les pertes de charge. Par comparaison avec une machine utilisant des pistons à mouvement alternatif, une telle machine permet de gagner ainsi plusieurs facteurs dans le débit passé avec moins de pertes de charges, ce qui améliore le rendement du système.
Par ailleurs, comparée à une machine à palettes, qui constitue un autre type de machine volumétrique rotative, la configuration permet, entre autres avantages, de mieux contrôler le taux de compression et de détente des cellules, donc d'obtenir des performances équivalentes avec un volume moindre.
Dans une variante de réalisation (non représentée), un air d'admission déjà comprimé passe dans la conduite 7 pour être aspiré dans une cellule 15a au cours du premier temps du cycle , ce qui permet de réduire la taille de la machine à iso performance, A titre d'exemple l'air comprimé peut être issu d'un turbo compresseur qui utilise les gaz d'échappement comme source d'entraînement en rotation du compresseur. Dans une autre variante de réalisation (non représentée) l'air d'admission, qu'il s'agisse d'un air ambiant ou d'un air comprimé, est préalablement refroidi avant son entrée dans la machine par un refroidisseur d'air d'alimentation par exemple, cela permet de réduire la température d'entrée du fluide de travail dans l'échangeur et donc d'augmenter l'efficacité du dispositif de récupération d'énergie.
En effet, pour fonctionner de manière optimale, la température du fluide de travail à l'entrée de l'échangeur doit être inférieure à la température de la source chaude circulant dans l'échangeur.
Dans le cadre d'une application à un véhicule propulsé par un moteur thermique, le système sera de plus avantageusement adapté aux variations de régimes ou de conditions atmosphériques, par exemple en introduisant des systèmes de type by-pass sur le circuit d'air et sur la ligne d'échappement des gaz moteur avant l'échangeur de chaleur, pour adapter les flux à l'énergie qui peut être récupérée. Par ailleurs, dans une variante en vue d'optimiser le rendement, un refroidissement additionnel de la machine volumétrique rotative par un circuit d'eau, d'air ou via des ailettes, permet d'empêcher un réchauffement trop important de celle-ci, par les frottements et le fluide de travail venant de l'échangeur.

Claims

Revendications
1. Machine de compression et détente comportant un corps (12a) avec au moins une chambre (12) de révolution autour d'un axe de symétrie et des pistons tournant (14a, 14b, 14c, 14d) autour de l'axe de symétrie et divisant la chambre en cellules (15a, 15b, 15c, 15d) tournant avec les pistons, ladite machine comprenant en outre un dispositif de coordination (22) du mouvement desdits pistons, le dispositif de coordination (22) étant configuré pour que, lors d'un tour de rotation, chaque cellule (15a, 15b, 15c, 15d) effectue au moins un premier cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de compression d'un premier flux de gaz passant par cette cellule et au moins un deuxième cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de détente d'un deuxième flux de gaz passant par cette cellule.
2. Machine de compression et détente selon la revendication précédente, dans laquelle le dispositif de coordination (22) est configuré pour que chaque cellule (15a, 15b,
15c, 15d) effectue le même nombre de premiers cycles d'expansion/contraction correspondant à une étape de détente de gaz que de deuxièmes cycles d'expansion/contraction correspondant à une étape de compression de gaz.
3. Machine de compression et détente selon la revendication 1 ou 2, comportant dans le corps (12a) des ouvertures d'entrée (16, 18) et de sortie (17, 19) du gaz pour chaque cycle d'expansion/contraction des cellules (15a, 15b, 15c, 15d) et dans laquelle la section de passage de l'ouverture d'entrée (16) du gaz est supérieure à la section de passage de l'ouverture de sortie (17) sur le ou les premiers cycles et la section de passage de l'ouverture d'entrée (18) du gaz est inférieure à la section de passage de l'ouverture de sortie (19) sur le ou les deuxièmes cycles.
4. Machine de compression et détente selon la revendication 3, dans laquelle l'ouverture d'entrée (16) du premier cycle est à proximité de l'ouverture de sortie (19) du deuxième cycle.
5. Machine de compression et détente selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle l'ouverture de sortie (1 7) du premier cycle est à proximité de l'ouverture d'entrée (18) du deuxième cycle.
6. Machine de compression et détente selon l'une des revendications 3 à 5, dans laquelle les ouvertures d'entrée (16) du premier cycle et de sortie (19) du deuxième cycle sont respectivement diamétralement opposées par rapport aux ouvertures d'entrée (1 8) du deuxième cycle et de sortie (17) du premier cycle.
7. Machine de compression et détente selon l'une des revendications 3 à 6, dans laquelle les ouvertures d'entrée (16) du premier cycle et de sortie (19) du deuxième cycle présentent une section plus importante que les ouvertures de sortie (17) du premier cycle et d'entrée (18) du deuxième cycle.
8. Machine de compression et détente selon l'une des revendications précédentes, comprenant deux paires de pistons (14a-14c, 14b-14d) et dans laquelle chaque cellule (15a, 15b, 15c, 15d) effectue lors d'un tour de rotation, un et un seul premier cycle et un et un seul deuxième cycle, une étape d'admission du premier cycle sur une cellule (15a) ayant un intervalle de temps commun avec une étape d'échappement du deuxième cycle sur la cellule (15d) qui la suit dans le mouvement de rotation.
9. Machine de compression et détente selon la revendication précédente, dans laquelle l'admission du premier cycle sur une cellule (15a) est décalée en temps par rapport à l'échappement du deuxième cycle sur la cellule (15b) qui la suit dans le mouvement de rotation.
10. Machine de compression et détente selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de coordination (22) comporte des moyens de coordination du mouvement des pistons (14a, 14b, 14c, 14d), séparés fluidiquement de la chambre (12) de révolution.
11. Machine de compression et détente selon l'une des revendications précédente, comprenant des moyens d'étanchéité (23) entre les pistons (14a, 14b, 14c, 14d) et la paroi interne de la chambre (12), conçus pour séparer les cellules (15a, 15b, 15c, 15d) et permettre un frottement à sec sur les parois de la chambre (12).
12. Machine de compression et détente selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la section de la chambre (12) suivant un plan axial est arrondie.
13. Dispositif de récupération d'énergie d'une source thermique chaude (1 ), ledit dispositif comportant un échangeur de chaleur (3) entre un fluide de travail et la source chaude ainsi qu'une machine de compression (4) et de détente selon l'une des revendications précédentes, et ledit dispositif étant configuré de telle sorte que, à un instant donné, le fluide de travail rentre dans l'échangeur (3) après avoir suivi l'étape de compression dans un premier cycle de la machine (4) et ressorte de l'échangeur (3) pour suivre l'étape de détente dans un deuxième cycle la machine (4).
14. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel tout le flux de fluide de travail passant par l'un des premiers cycles est traité par un seul des deuxièmes cycles de la machine (4).
15. Dispositif de récupération d'énergie selon l'une des revendications 13 ou 14, utilisant un cycle ouvert avec l'atmosphère ambiant.
16. Dispositif de récupération d'énergie selon l'une des revendications 13 à 15 dans lequel les gaz d'échappement (1 ) d'un moteur thermique (2) forment la source chaude.
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