FR2899646A1 - Systeme de transformation de l'energie thermique des moteurs a combustion interne en electricite (turbidyn) - Google Patents
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Abstract
Les moteurs à combustion interne, communément appelés moteurs à explosion, représentent le principal type de motorisation pour les véhicules moteurs terrestres, marins et une grande proportion des avions. Le rendement en travail d'un moteur à combustion interne est de 30 à 40 % pour un moteur à essence, et de 40 à 50 % pour un moteur diesel. De plus, il n'excède pas en général 50% pour les autres types de carburants (alcool, gaz,...) . La majeure partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur. Une grande partie de la chaleur perdue se trouve au niveau des gaz d'échappement et du liquide de refroidissement dans le circuit de refroidissement des moteurs refroidis à l'eau ou par un autre fluide circulant. Cette chaleur représente une énergie potentielle importante transformable en électricité directement utilisable par un moteur électrique, couplé au moteur thermique, ou stockable dans des batteries. Cette transformation de l'énergie thermique en électricité est effectuée grâce à une ou deux turbines à gaz fonctionnant avec de la vapeur d'eau produite à partir de l'eau de refroidissement des moteurs à combustion interne et des gaz d'échappement. La ou les turbines (a) sont couplées par un axe commun (c) à un alternateur ou une dynamo (b) qui produit le courant électrique.
Description
En raison du problème que représente la raréfaction des énergies fossiles
et la pollution que 5 génèrent leurs combustions, différents procédés de propulsion hybride moteur électrique/moteur à explosion voient le jour. Ces propulsions hybrides sont :
/ Soit mixtes : le moteur à explosion et le moteur électrique participent à la propulsion dans des proportions variables. Le moteur à explosion sert en plus à 10 recharger les batteries, alimente le moteur électrique dans les phases où ce dernier fonctionne.
/ Soit simples : seul le moteur électrique sert à la propulsion. Le moteur à explosion sert uniquement à alimenter les batteries et/ou directement un moteur électrique. La production d'électricité est assurée par une dynamo ou un alternateur entraîné par le moteur thermique.
20 De nombreux procédés cherchent à améliorer le rendement des moteurs à explosion, en modifiant la nature des carburants, soit chimiquement, soit par des mélanges de différents composés, notamment en ajoutant de l'eau dans des proportions variables à des hydrocarbures. Nous pouvons citer à ce titre le réacteur Pantone qui permet de produire à la volée un 25 carburant, utilisable par pratiquement n'importe quel moteur à combustion interne, à partir d'un mélange d'eau et d'un hydrocarbure ou d'un autre type de chaîne carbonée. De même, nous pouvons citer les moteurs rotatifs capables de fonctionner avec une proportion d'eau dans son carburant afin d'améliorer le rendement du moteur.
30 Quelle que soit la nature du carburant et la conformation d'un moteur à combustion interne, la majeure partie de l'énergie est perdue sous forme calorifique. Nous proposons un procédé et un dispositif capables d'utiliser cette énergie calorifique pour produire du courant électrique à partir de la chaleur produite par un moteur à combustion interne. 35 Ce dispositif peut être utilisé : / Comme générateur de courant pour l'alimentation des appareils électriques sur les véhicules motorisés par un moteur à combustion interne de n'importe quelle sorte pour n'importe quel type de carburant, dès qu'il y a perte de chaleur par le moteur. 40 / Comme générateur de courant pour charger ou recharger plus rapidement et sans coût énergétique supplémentaire les batteries d'un véhicule à propulsion hybride (électrique/thermique) durant la phase où le moteur à combustion interne fonctionne. Le moteur à combustion interne de la propulsion hybride peut être de toute nature et fonctionner avec tout type de carburant. 45 / Dans un groupe électrogène animé par un moteur à combustion interne.
D'une manière générale, le procédé peut être utilisé dans le but d'une cogénération d'un courant électrique. 15 50 Principe de fonctionnement A -Dans ce mode de réalisation Figl, le procédé consiste à :
1) Récupérer dans une durite ou un tuyau rigide, le fluide de refroidissement après sa circulation à travers les cheminées d'eau du bloc-moteur, d'où il sort sous forme vapeur. 10 2) Diriger le fluide de refroidissement par l'intermédiaire de la durite ou du tuyau rigide 1 à l'entrée d'une turbine à gaz à un étage 4, reliée par un arbre (axe de rotation) commun 5 avec un alternateur ou une dynamo 14. La turbine transforme l'énergie de la vapeur d'eau en sortie du bloc-moteur en énergie de rotation qui sera transformée en courant électrique 15 continu ou alternatif par la dynamo ou l'alternateur qui tourne à la même vitesse que la turbine.
3) En sortie de turbine 3, le fluide sous forme de vapeur est dirigé à travers une durite ou un tuyau rigide au réservoir supérieur d'un radiateur. L'air qui circule entre les tubes du 20 radiateur refroidit la vapeur d'eau qui se condense en liquide durant la migration. Le fluide refroidi est récupéré dans le réservoir inférieur et peut alors recommencer un cycle à travers le moteur.
25 Selon le type de moteur thermique, la température de fonctionnement du moteur peut ne pas être suffisante pour produire, au cours du cycle de refroidissement du moteur, la vapeur nécessaire pour entraîner la turbine à vapeur ou à gaz. Ce problème est résolu par un autre mode de réalisation.
30 B û Ce mode de réalisation consiste à récupérer le fluide de refroidissement après sa circulation à travers les cheminées d'eau du bloc-moteur, d'où il sort sous forme vapeur (ou d'un liquide très échauffé de température supérieure à 70 C ), puis à le diriger et à le faire circuler dans un échangeur thermique 16 qui fonctionne avec les gaz d'échappement 35 en sortie du moteur. L'échangeur sera constitué de deux tuyaux de métal ( laiton, acier, cuivre, fer, alliage de titane, alliage de nickel, aluminium, oxyde d'aluminium, céramique ) accolés sur une longueur assez importante (5 à 50 cm) à un autre tuyau de même matériau. Le fluide de refroidissement circule dans un tuyau Fig2A 34 et les gaz d'échappement circulent dans le deuxième Fig2A 33. En circulant, les gaz d'échappement 40 échauffent le fluide de refroidissement à travers les parois des tuyaux en apportant l'énergie nécessaire pour réaliser le changement de phase liquide vers la phase vapeur du fluide de refroidissement et/ou d'augmenter la température de fluide de refroidissement sous forme vapeur.
45 C - Dans une autre configuration, l'échangeur thermique sera constitué de deux tuyaux de métal (laiton, acier, fer, cuivre, alliage de titane, alliage de nickel, aluminium, oxyde d'aluminium, céramique ...) emboîtés l'un dans l'autre sur 5 à 50 cm de longueur. Le fluide de refroidissement circulera dans le tuyau intérieur Fig2B 31, Fig2B 34 alors que les 50 gaz d'échappement circuleront autour dans le tuyau extérieur Fig2B 32, Fig2B 33.5 En circulant autour du tuyau intérieur du fluide de refroidissement, les gaz d'échappement apportent l'énergie nécessaire pour réaliser le changement de la phase liquide vers la phase vapeur du fluide de refroidissement et/ou augmenter la température du fluide de refroidissement sous forme vapeur. En sortie de l'échangeur, le fluide de refroidissement sous forme de vapeur est dirigé vers l'entrée de la turbine à gaz décrite au paragraphe A-2 pour effectuer les étapes A-2 et A-3 successivement. La taille des tuyaux sera éventuellement réglée pour limiter un trop grand échauffement des vapeurs du fluide de refroidissement (entre 150 et 300 C ) afin de permettre d'une part, une condensation et un refroidissement plus aisé de la vapeur dans le radiateur et d'autre part, l'utilisation de matériaux moins onéreux pour réaliser la turbine et l'alternateur ou la dynamo couplés. Toutefois, en utilisant des alliages convenables (nickel, titane, oxyde d'aluminium), les gaz et les vapeurs utilisés peuvent atteindre plus de 300 C (typiquement entre 800 et 1000 C). Dans certaines configurations, le tuyau de circulation du gaz d'échappement peut être le tuyau interne, ceci permet un échauffement moins important de la vapeur d'eau. En sortie de l'échangeur, les gaz d'échappement sont dirigés vers la détente du pot d'échappement pour être libérés dans l'atmosphère.
D - Dans un autre mode de réalisation pour améliorer encore le rendement, les gaz d'échappement sont dirigés à la sortie de l'échangeur thermique à l'entrée 19 d'une deuxième turbine à gaz couplée à la première turbine par un axe commun 22. En sortie de turbine, les gaz d'échappement sont alors dirigés vers la détente du pot d'échappement pour être libérés dans l'atmosphère. Cet axe sera aussi commun à l'alternateur ou à la dynamo génératrice de courant. L'axe commun des turbines et de l'alternateur peut être remplacé par différents axes reliés entre eux par un système de poulies et de courroies. De Même les axes des différents éléments peuvent être couplés entre eux par des systèmes de cardans.
E - Dans certains modes de réalisation, le fluide entraînant la turbine à gaz pourra être distinct du fluide de refroidissement. Dans ce cas, le fluide entraînant la turbine à gaz aura son propre circuit. Le fluide entraînant la turbine sera injecté dans un échangeur thermique tel que décrit dans les paragraphes B et C, grâce, soit à une pompe entraînée par le moteur thermique, soit une pompe électrique. La vapeur générée en sortie de l'échangeur thermique sera dirigée à l'entrée d'une turbine à gaz pour entraîner l'axe commun de la turbine et de l'alternateur ou de la dynamo. En sortie de turbine, le fluide sous forme vapeur sera dirigé vers son propre radiateur pour être condensé en liquide afin de recommencer un cycle.
F - Différents modes de réalisations sont envisageables, dans lesquels des éléments du circuit de refroidissement (pompe de circulation du fluide de refroidissement, radiateur, tuyaux et durites) seraient complètement ou partiellement partagés (mis en commun) avec le circuit mettant en jeu la turbine à gaz couplée à l'alternateur ou à la dynamo.
G - Dans un autre mode de réalisation, la turbine à gaz est uniquement entraînée par les gaz d'échappement du moteur thermique. En sortie de cylindre, les gaz d'échappement sont dirigés par des durites ou des tuyaux à l'entrée d'une turbine à gaz, permettant ainsi d'entraîner à eux seuls le rotor de la turbine, reliée par un axe commun à un alternateur ou une dynamo. Dans ce mode de réalisation, les gaz d'échappement conduisent à une très grande élévation de la température du système (turbine alternateur) qui peut atteindre 900 C. Ce mode de réalisation entraîne une contrainte importante pour la réalisation de l'alternateur qui doit pouvoir résister a cette température. Une solution retenue est d'introduire sur l'axe commun une jonction en matériau faiblement conducteur thermiquement, tel que les céramiques, Kapton, poly imide ... De plus, la jonction sera refroidie par une circulation d'huile. De même, le carénage de la turbine et celui de l'alternateur ou de la dynamo seront séparés par un joint thermique afin que l'alternateur ne soit pas trop échauffé. Ces procédés d'isolation thermique 10, entre la turbine et l'alternateur ou la dynamo, pourront également être appliqués pour tous les autres systèmes décrits aux sections A,B,C,D,E,F. Toutefois, les systèmes utilisant un fluide chauffé par les moteurs et/ou les gaz d'échappement, pour entraîner la turbine, fonctionnent à température plus faible.
H - Dans un autre mode de réalisation Fig4, deux turbines sont reliées par un axe commun 22. La première turbine fonctionne à partir de la vapeur d'eau provenant des cheminées de refroidissement du moteur et de l'échangeur thermique (eau de refroidissement/gaz d'échappement). La seconde turbine fonctionne à partir des gaz d'échappement, après leur passage dans l'échangeur thermique. L'axe commun des deux turbines est refroidi par un circuit à huile qui est mis à profit pour transmettre le mouvement produit par les turbines à un alternateur ou à une dynamo 30, et éventuellement à un compresseur à air 29 monté sur un axe commun à celui de la dynamo ou de l'alternateur. Une cavité (cavité d'axe turbine) 25, 26 est aménagée autour de l'axe reliant les deux turbines ; cette cavité comprend deux orifices, en dessous et au-dessus de l'axe, permettant l'entrée et la sortie de l'huile (ou d'un autre fluide de refroidissement). La portion de l'axe comprise dans cette cavité est munie de petites aubes (ailettes) 13 permettant, quand l'axe tourne, d'aspirer l'huile à travers un des orifices (par exemple supérieur) et de la refouler dans l'autre orifice (par exemple l'orifice inférieur). L'orifice par lequel est refoulée l'huile est relié à une cavité similaire (cavité d'axe d'alternateur) 27,28 qui entoure une portion de l'axe de la dynamo ou de l'alternateur éventuellement couplé à un compresseur. Cette seconde cavité comporte également deux orifices au-dessus 23 et en dessous 24 de l'axe de dynamo ou d'alternateur, de telle sorte que l'orifice supérieur de cette cavité relie entre elles les deux cavités 26,27. La partie de l'axe de la dynamo ou de l'alternateur qui est enfermée dans la cavité, comporte de petites aubes 13 pouvant entraîner cet axe. Lorsque l'axe des turbines tourne, il refoule l'huile de la cavité des turbines à travers son orifice inférieur vers la seconde cavité, l'huile entrant dans la cavité des alternateurs par l'orifice supérieur entraîne alors l'axe de la dynamo ou de l'alternateur et éventuellement du compresseur. Le mouvement de rotation de cet axe permet alors de produire du courant électrique grâce à l'alternateur ou à la dynamo et éventuellement à comprimer l'air pour l'injecter dans le moteur grâce au compresseur. L'huile est alors évacuée de la cavité d'axe d'alternateur par son orifice inférieur. L'huile se dirige ensuite à travers un tuyau ou une durite jusqu'à l'entrée d'un radiateur pour huile où elle se refroidit. En sortie de radiateur, l'huile est de nouveau aspirée à travers l'orifice supérieur de la cavité de l'axe des turbines grâce à un tuyau ou à une durite reliant la sortie du radiateur à l'orifice supérieur de la cavité de l'axe turbine.
Les procédés et/ou les montages décrits aux paragraphes A, B, C, D, E, F, G, H sont regroupés sous le nom de TurbiDyn.
Le système TurbiDyn peut être utilisé pour générer l'électricité dans un véhicule hybride électrique/combustion interne à propulsion mixte électrique/thermique ou propulsion 5 simple électrique.
Dans un exemple de propulsion mixte, l'implantation de la motorisation peut être décrit de la manière suivante: Un moteur thermique est implanté sous le capot avant d'une voiture. Ce moteur est 10 combiné avec un des systèmes de TurbiDyn décrit en A, B, C, D, E, F, G, H. Le moteur thermique peut éventuellement ne pas posséder de démarreur. Le moteur thermique assure la traction de la voiture. Le système TurbiDyn assure la recharge des batteries pendant les phases où le moteur thermique fonctionne. Afin de minimiser l'encombrement, les batteries (nickel cadmium, nickel polymère ou autre type de batteries) seront par exemple 15 intégrées sous les sièges ou dans leur partie basse, ou encore dans le châssis. Deux moteurs électriques peuvent être intégrés au niveau des roues arrières, ils assurent la propulsion du véhicule durant les phases de motorisation électrique et participe à la motorisation durant les phases de motorisation mixte. L'alimentation des moteurs électriques est assurée par les batteries durant les phases de motorisation électrique et durant les phases de motorisation 20 mixte, par les batteries et le système TurbiDyn. Le régime des différents moteurs est assuré par une ou deux boîtes d'embrayage automatique et d'un calculateur.
6 LEGENDES DE L'ENSEMBLE DES FIGURES 1) Tuyau ou durite d'arrivée de vapeur d'eau 2) Carénage de confinement de la vapeur d'eau 3) Tuyau ou durite de sortie de la vapeur d'eau 4) Pales du rotor entraînant l'axe commun sous l'action de la vapeur d'eau 5) Rotor commun 6) Eléments de dynamo ou d'alternateur (aimant et/ou bobine et/ou électroaimant) solidaires à l'axe de rotation 7) Eléments de dynamo ou d'alternateur (aimant et/ou bobine et/ou électroaimant) fixes 8) Diode de redressement du courant 9) Alternateur ou dynamo 10) Joint thermique (Kapton, céramique...) 11) Entrée d'huile de refroidissement 12) Sortie d'huile de refroidissement 13) Roue à aubes ou à ailettes pour faire circuler l'huile 14) Exemple de dynamo couplée à une turbine à vapeur 15) Pales de refroidissement 16) Echangeur thermique 17) Arrivée d'eau ou de vapeur d'eau en sortie de cheminée de refroidissement d'un moteur à combustion interne 18) Arrivée des gaz d'échappement 19) Entrée de gaz d'échappement dans la turbine 20) Pales du rotor à gaz d'échappement entraînant l'axe commun des deux turbines 21) Pales du rotor à vapeur d'eau entraînant l'axe commun des deux turbines 22) Axe commun aux deux turbines 23) Orifice d'entrée de cavité d'axe d'alternateur 24) Orifice de sortie de cavité d'axe d'alternateur 25) Cavité supérieure d'axe turbine 26) Cavité inférieure d'axe turbine 27) Cavité supérieure d'axe alternateur 28) Cavité inférieure d'axe alternateur 29) Compresseur à air (alimente un moteur thermique en air comprimé) 30) Dynamo ou alternateur 31) Entrée de vapeur d'eau ou d'eau chaude en sortie de cheminée de refroidissement d'un moteur à combustion interne 32) Entrée de gaz d'échappement 33) Sortie de gaz d'échappement 34) Sortie de vapeur d'eau
Claims (14)
1) Procédé caractérisé en ce qu'il permet de produire du courant électrique à partir de la chaleur produite par un moteur à combustion interne, en récupérant cette chaleur pour produire de la vapeur d'eau. 10
2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il permet d'actionner une turbine à gaz à partir de la vapeur d'eau dégagée en sortie des cheminées de refroidissement d'un moteur à combustion interne.
3) Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il permet d'alimenter une 15 turbine à gaz par de la vapeur d'eau produite par la circulation d'eau et/ou de vapeur d'eau à travers les cheminées de refroidissement d'un moteur à combustion interne et un échangeur thermique à vapeur d'eau ou à eau /gaz d'échappement (16), tel que l'échangeur est constitué de deux tuyaux métalliques accolés (Fig2A 33), (Fig2A 34) ou emboîtés (Fig2B 31), (Fig2B 32), (Fig2B 33), (Fig2B 34) , dans lesquels circulent d'une part, l'eau 20 et/ou de la vapeur d'eau, et d'autre part, les gaz d'échappement.
4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les gaz d'échappement sont récupérés en sortie de l'échangeur thermique (16) pour alimenter une deuxième turbine à gaz dont l'axe de rotation (22) est commun à la première turbine à gaz alimentée par la 25 vapeur d'eau produite.
5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la ou les turbines à gaz sont jumelées à un alternateur pour produire du courant électrique. 30
6) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la ou les turbines à gaz sont jumelées à une dynamo pour produire du courant électrique.
7) Procédé selon l'une quelconque des revendications 5, 6, caractérisé en ce que le jumelage entre la ou les turbines à gaz et l'alternateur et/ou la dynamo se fait par un axe 35 commun (22) ou par un système de cardans solidaires à l'axe de la ou des turbines. La rotation de l'axe commun ou du système de cardans est assurée par la ou les turbines.
8) Procédé selon l'une quelconque des revendications 5, 6 caractérisé en ce que le jumelage de la ou des turbines à gaz et de la dynamo ou de l'alternateur est assuré par un 40 circuit hydraulique dans lequel circule de l'huile sous l'action de la rotation de l'axe de la ou des turbines (22). Les aubes (ou ailettes) (13) fixées sur l'axe de rotation de la ou des turbines entraînent, lors de la rotation de cet axe, un mouvement de l'huile qui à son tour le transmet à l'axe de rotation de la dynamo ou de l'alternateur grâce à un jeu d'ailettes ou d'aubes fixées sur ce dernier axe. 45
9) Procédé selon l'une quelconque des revendications 5, 6 caractérisé en ce que le jumelage de la ou des turbines à gaz et de la dynamo ou de l'alternateur est assuré par un système de poulies et de courroies.5
10) Procédé caractérisé en ce qu'il permet de produire du courant électrique à partir des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne entraînant une turbine à gaz, l'axe de la turbine étant couplé à une dynamo ou à un alternateur.
11) Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 10 caractérisé en ce que l'axe de la dynamo ou de l'alternateur est commun avec l'axe d'un compresseur permettant de compresser l'air pour l'injecter dans un moteur. 10
12) Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 11 caractérisé en ce que la dynamo ou l'alternateur alimente un système de batteries ou de piles électriques pour les recharger.
13) Procédé selon l'une quelconque des revendications de 5 à 11 caractérisé en ce que la 15 dynamo ou l'alternateur alimente un moteur électrique.
14) Procédé selon l'une quelconque des revendications de 5 à 11 caractérisé en ce que la dynamo ou l'alternateur alimente un moteur électrique et des batteries ou des piles électriques. 20
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