FR3029561A1

FR3029561A1 - Machine de detente a pistons

Info

Publication number: FR3029561A1
Application number: FR1462133A
Authority: FR
Inventors: Remi Daccord; Thiebaut Kientz
Original assignee: Exoes SAS
Current assignee: Exoes SAS
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-10
Anticipated expiration: 2034-12-09
Also published as: FR3029561B1

Abstract

L'invention concerne une machine (4) de détente à pistons comprenant : - une culasse d'admission d'un fluide de travail à l'état gazeux sous pression comprenant un orifice (40) d'admission dudit fluide de travail, - une zone d'expansion reliée à la culasse d'admission et comprenant une pluralité de cylindres, dans laquelle un piston coulissant dans chaque cylindre respectif est lié à un arbre (42) par une liaison mécanique, chaque cylindre comprenant au moins une lumière d'échappement (12) au travers de laquelle le fluide de travail à l'état gazeux détendu peut être évacué de la zone d'expansion, - un carter (17) destiné à contenir un lubrifiant à l'état liquide, dans lequel est disposée ladite liaison mécanique, - une cavité agencée dans la machine (4), reliée auxdites lumières d'échappement, débouchant sur un orifice d'échappement (41) du fluide de travail à l'état gazeux détendu de la machine, ladite cavité étant destinée à guider un écoulement du fluide de travail détendu entraînant une fraction de lubrifiant à l'état liquide, ladite cavité (43) présentant une paroi commune avec le carter (17) et étant adaptée pour favoriser la séparation de la fraction liquide de lubrifiant vis-à-vis du fluide de travail à l'état gazeux détendu.

Description

1 MACHINE DE DETENTE A PISTONS DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne une machine de détente à pistons, un système de conversion d'énergie thermique comprenant une telle machine et un procédé de séparation d'une fraction de lubrifiant à l'état liquide vis-à-vis d'un fluide de travail à l'état gazeux dans une telle machine de détente. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION On connaît des systèmes de conversion de la chaleur issue d'un moteur en énergie mécanique. De tels ensembles sont notamment connus pour la conversion de chaleur émise par des moteurs à combustion interne, qui est notamment dissipée lors de l'expulsion des gaz d'échappement et est donc perdue. De tels ensembles sont soumis à des contraintes de poids et d'encombrement exigeantes. Ils tendent ainsi à devenir de plus en plus compacts. Ces systèmes fonctionnent avec un fluide de travail que l'on soumet à un cycle thermodynamique de Rankine comprenant une compression, une évaporation complétée d'une éventuelle surchauffe, une détente dans une machine de détente et une condensation. La détente au sein de la machine de détente permet d'actionner des organes mobiles tels que des pistons afin d'obtenir de l'énergie mécanique. Ces machines de détente comprenant des pièces mobiles, elles nécessitent conventionnellement l'utilisation d'un lubrifiant au niveau des liaisons mécaniques entre les pièces mobiles telles que les roulements ou plus généralement les surfaces de contact.

On s'intéresse en particulier aux systèmes comprenant une machine de détente qui comprend une culasse d'admission d'un fluide de travail à l'état gazeux sous pression, une zone d'expansion comprenant une pluralité de cylindres, dans laquelle un piston coulissant dans chaque cylindre respectif est lié à un arbre par une liaison mécanique, un carter contenant un lubrifiant à l'état liquide, dans lequel est disposée ladite liaison mécanique. Le fluide de travail circule dans un circuit primaire, et le lubrifiant est quant à lui confiné dans le carter. Une problématique résultant de cette structure est liée à la possible migration de fluide de travail vers le carter et inversement du lubrifiant dans le circuit primaire.

En effet, la présence de fluide de travail au niveau des zones lubrifiées dans le carter entraîne une détérioration de la qualité de la lubrification. Le fluide de travail peut ainsi se condenser et diluer le lubrifiant dont la viscosité et les propriétés lubrifiantes seraient affectées.

3029561 2 De plus, la fuite de lubrifiant vers le circuit primaire présente plusieurs inconvénients. En premier lieu, on réduit la quantité de lubrifiant au niveau des liaisons mécaniques, ce qui peut provoquer une usure et une détérioration des pièces mobiles. Par ailleurs, les lubrifiants utilisés conventionnellement ne sont pas adaptés pour 5 être exposés à des températures élevées telles que celles auxquelles est exposé le fluide de travail, les gaz d'échappement d'un véhicule diesel pouvant par exemple atteindre une température de l'ordre de 500 °C. La température en certains points du circuit primaire peut ainsi présenter des températures élevées, par exemple de l'ordre de 250°C. Le lubrifiant est alors susceptible de se décomposer et risque ainsi de manquer au niveau de 10 la machine de détente. Sa décomposition peut également entraîner la formation de composés chimiques nuisibles au système. Il en découlera des maintenances fréquentes. Enfin, une importante quantité d'huile en circulation dans le circuit primaire détériorera les performances d'échange thermique au niveau des échangeurs de chaleur (évaporateur et condenseur) et augmentera les pertes de charge du circuit.

15 Les exigences croissantes en termes de compacité entraînent une réduction des zones séparant le fluide de travail du lubrifiant, ce qui accroît cette problématique. La proportion de lubrifiant dans le circuit primaire est définie par le taux d'OCR (acronyme du terme anglo-saxon « Oil Circulation Rate »). Pour diminuer le taux d'OCR, il est connu d'installer un séparateur à la sortie de la 20 machine de détente, en vue de récupérer, à l'échappement de cette machine, la portion liquide contenue dans le fluide de travail, cette portion liquide étant principalement du lubrifiant. Cependant, un tel séparateur pénalise la compacité du système. De plus, un tel séparateur est coûteux.

25 BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Un but de l'invention est de concevoir une machine de détente qui permette de réduire le taux d'OCR. Conformément à l'invention, il est proposé une machine de détente à pistons 30 comprenant : - une culasse d'admission d'un fluide de travail à l'état gazeux sous pression comprenant un orifice d'admission dudit fluide de travail, - une zone d'expansion reliée à la culasse d'admission et comprenant une pluralité de cylindres, dans laquelle un piston coulissant dans chaque cylindre respectif est lié à un 35 arbre par une liaison mécanique, chaque cylindre comprenant au moins une lumière d'échappement au travers de laquelle le fluide de travail à l'état gazeux détendu peut être évacué de la zone d'expansion, 3029561 3 - un carter destiné à contenir un lubrifiant à l'état liquide, dans lequel est disposée ladite liaison mécanique, - une cavité agencée dans la machine, reliée auxdites lumières d'échappement, débouchant sur un orifice d'échappement du fluide de travail à l'état gazeux détendu de la 5 machine, ladite cavité étant destinée à guider un écoulement du fluide de travail détendu entraînant une fraction de lubrifiant à l'état liquide, ladite cavité présentant une paroi commune avec le carter. Ladite cavité favorise la séparation de la fraction liquide de lubrifiant vis-à-vis du fluide de travail à l'état gazeux détendu.

10 Dans le présent texte, les termes « partie supérieure », « au-dessus » ou « point haut » et inversement « partie inférieure », « en-dessous » ou « point bas » doivent être compris relativement à la position normale d'utilisation de la machine de détente. Le terme « longueur de la machine » s'entend comme étant la dimension parallèle à l'arbre lié aux pistons.

15 De manière particulièrement avantageuse, la cavité comprend des moyens mécaniques de séparation du lubrifiant à l'état liquide vis-à-vis du fluide de travail à l'état gazeux. Lesdits moyens de séparation peuvent comprendre au moins : un système adapté pour provoquer une rotation et/ou une turbulence de l'écoulement, un coalesceur, un déflecteur et/ou une chicane.

20 Selon un mode de réalisation, lesdits moyens mécaniques de séparation comprennent un coalesceur formant partie intégrante de la cavité. De manière particulièrement avantageuse, la cavité est en outre conformée de sorte à ralentir l'écoulement du fluide de travail à l'état gazeux détendu. Selon un mode de réalisation, la cavité est divisée longitudinalement en deux 25 chambres distinctes. Par ailleurs, la cavité peut avantageusement comprendre des moyens de refroidissement de la paroi commune avec le carter. Lesdits moyens de refroidissement peuvent comprendre des ailettes s'étendant dans la cavité depuis la paroi commune avec le carter.

30 Selon un mode de réalisation, ladite machine de détente est axiale, la liaison mécanique entre chaque piston et l'arbre comprenant un plateau incliné, chaque piston étant parallèle audit arbre. Selon une forme d'exécution de cette machine de détente axiale, les pistons sont à double effet, la machine comprend deux zones d'expansion de part et d'autre de la 35 machine et un unique orifice d'échappement du fluide de travail détendu et la cavité est reliée aux lumières d'échappement des deux zones d'expansion et à l'orifice d'échappement.

3029561 4 Selon une autre forme d'exécution de la machine de détente axiale, les pistons sont à double effet, la machine comprend deux zones d'expansion de part et d'autre de la machine et deux orifices d'échappement du fluide de travail détendu et la cavité est divisée longitudinalement en deux chambres distinctes, chaque chambre étant reliée aux 5 deux zones d'expansion et à un orifice d'échappement. Selon une autre forme d'exécution de la machine de détente axiale, les pistons sont à double effet, la machine comprend deux zones d'expansion de part et d'autre de la machine et deux orifices d'échappement du fluide de travail détendu et chaque chambre est reliée aux lumières d'échappement d'une zone d'expansion respective et à l'orifice 10 d'échappement opposé à ladite zone d'expansion. De manière préférée, les pistons sont des pistons à crosse, chaque crosse étant guidée par un guide agencé dans une paroi du carter réalisant une cloison entre la zone d'échappement et le carter. De préférence, la cavité comprend au moins un orifice destiné à permettre le retour 15 du lubrifiant à l'état liquide vers le carter. Par ailleurs, le carter comprend avantageusement un orifice d'évacuation du fluide de travail à l'état gazeux vers l'orifice d'échappement. Un autre objet concerne un système de conversion d'énergie thermique issue d'un moteur à combustion comprenant une machine de détente telle que décrite ci-dessus et 20 un unique dispositif de séparation du lubrifiant vis-à-vis du fluide de travail, ledit dispositif étant agencé dans la cavité de la machine de détente. Un autre objet concerne un procédé de séparation d'une fraction de lubrifiant à l'état liquide vis-à-vis d'un fluide de travail à l'état gazeux dans une machine de détente à pistons, comprenant : 25 - l'admission du fluide de travail à l'état gazeux sous pression dans une culasse d'admission au travers d'un orifice d'admission, - l'expansion dudit fluide de travail à l'état gazeux dans une zone d'expansion reliée à la culasse d'admission et comprenant une pluralité de cylindres, dans laquelle un piston coulissant dans chaque cylindre respectif est lié à un arbre par une liaison mécanique 30 lubrifiée par le lubrifiant à l'état liquide, - l'évacuation du fluide de travail à l'état gazeux détendu au travers d'au moins une lumière d'échappement agencée dans chaque cylindre, - l'écoulement, dans une cavité agencée dans la machine reliée auxdites lumières d'échappement et débouchant sur un orifice d'échappement du fluide de travail à l'état 35 gazeux détendu de la machine, d'un écoulement du fluide de travail détendu entraînant une fraction de lubrifiant à l'état liquide, et la séparation, dans ladite cavité, de la fraction liquide de lubrifiant vis-à-vis du fluide de travail à l'état gazeux détendu.

3029561 5 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma de principe d'un circuit de Rankine, 5 - la figure 2 est une vue en perspective de l'extérieur d'une machine de détente axiale selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale de l'intérieur de la machine de détente axiale de la figure 2, - la figure 4 est une vue en coupe transversale des cavités de séparation 10 agencées dans ladite machine axiale, - les figures 5A et 5B sont des vues en perspective de l'extérieur d'une machine de détente axiale avec pistons à double effet selon deux variantes de réalisation de l'invention, - les figures 6A et 6B sont des vues en perspective de l'extérieur d'une machine 15 de détente axiale avec pistons à simple effet selon deux variantes de réalisation de l'invention, - les figures 7A et 7B sont respectivement une vue en coupe transversale et une vue en coupe longitudinale d'une machine de détente présentant une architecture à deux cylindres en ligne.

20 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 représente un circuit opérant un cycle thermodynamique de Rankine. On représente sur cette figure un circuit 1 contenant un fluide de travail, le circuit 1 comprenant : 25 - une pompe 2, typiquement une pompe adaptée pour délivrer un débit de fluide de travail ce qui établit une pression de 40 bars à son refoulement ; - un premier échangeur thermique 3 que l'on désignera dans la suite du texte par « évaporateur » ; - une machine de détente 4 ; 30 - un second échangeur thermique 5, que l'on désignera dans la suite du texte par « condenseur » ; - un dispositif de dérivation 6. La pompe 2 alimente l'évaporateur 3 en fluide de travail à l'état liquide sous pression, typiquement de l'ordre de 40 bars.

35 L'évaporateur 3 est disposé dans un milieu à température élevée, et réalise ainsi un transfert thermique entre ce milieu à température élevée et le fluide de travail de sorte que ce dernier soit vaporisé et passe à l'état gazeux.

3029561 6 Le fluide de travail en sortie de l'évaporateur 3 est donc à l'état gazeux et sous pression. Le fluide de travail passe ensuite par la machine de détente 4, dans laquelle se produit une détente.

5 La détente du fluide de travail dans la machine de détente 4 entraîne des moyens mobiles tels qu'un arbre mécanique tournant, permettant ainsi de récupérer l'énergie de la détente du fluide de travail. Les moyens mobiles sont avantageusement couplés à l'arbre du moteur à combustion interne, de manière à réinjecter un couple mécanique. Les moyens mobiles 10 peuvent également être couplés à des moyens de conversion d'énergie tels qu'une génératrice électrique, de manière à permettre une conversion de l'énergie résultant de la détente en énergie électrique. Le fluide de travail en sortie de la machine de détente 4 est donc à l'état gazeux, et à pression faible, typiquement de l'ordre de 2,2 bars.

15 Le fluide de travail passe ensuite par le condenseur 5, qui est disposé dans un milieu à température faible afin de réaliser un échange thermique entre le fluide de travail et ce milieu à température faible pour abaisser la température du fluide de travail et le ramener à l'état liquide. Le fluide de travail en sortie du condenseur 5 est donc à l'état liquide et à pression 20 faible, de l'ordre de 2,2 bars. Il est ensuite réinjecté dans le circuit 1 par la pompe 2 et réalise à nouveau le cycle décrit précédemment. Le circuit 1 présenté comprend en outre un dispositif de dérivation 6 adapté pour permettre de prélever tout ou partie du fluide de travail en amont de la machine de détente 4 et de le réinjecter dans le circuit 1 en aval de la machine de détente 4, réalisant 25 ainsi une fonction de court-circuit de la machine de détente 4. On qualifie communément un tel dispositif selon l'appellation anglaise « bypass ». Un tel dispositif de dérivation 6 est avantageusement utilisé en phase d'initiation du circuit 1 afin de permettre l'établissement des conditions de température et de pression dans le circuit 1 et/ou afin de réaliser une montée en température du carter 17, ou en cas 30 de nécessité de modulation du fonctionnement du circuit 1. La figure 2 présente une vue en perspective de la machine de détente 4. Sur les figures 2 à 3, la machine de détente est une machine de détente axiale comprenant des pistons à double effet, c'est-à-dire travaillant des deux côtés, entraînant un arbre 42. Dans cet exemple non limitatif, la machine de détente comprend deux 35 orifices 40 d'admission du fluide de travail à l'état gazeux sous pression, situés à deux extrémités opposées de la machine, et deux orifices 41 d'échappement du fluide de travail à l'état gazeux détendu, qui sont situés sur un point haut de la machine.

3029561 7 L'invention s'applique cependant également à une machine de détente axiale comprenant des pistons à simple effet, et présentant donc dans ce cas un orifice d'admission du fluide de travail à l'état gazeux sous pression et un ou deux orifices d'échappement du fluide de travail à l'état gazeux détendu.

5 L'invention n'est par ailleurs pas limitée aux machines de détente axiale mais s'applique plus généralement à toute machine de détente comprenant des pistons coulissant dans des cylindres et liés à un arbre par une liaison mécanique lubrifiée, par exemple une machine de détente présentant une architecture à deux cylindres en ligne. En général, tous les pistons sont liés à un même arbre.

10 La figure 3 présente un exemple de structure de la machine de détente axiale 4. Le fluide de travail à pression élevée est amené dans une culasse 9 de la machine de détente 4 dont la structure intérieure n'a pas été représentée au travers de chaque orifice d'admission 40, puis passe par un dispositif d'admission pour atteindre une zone d'expansion 11. Cette zone d'expansion 11 comprend un cylindre 13 dans lequel est logé 15 un piston 14 muni d'éléments d'étanchéité 15 sur sa périphérie. Le piston 14 est lié à un plateau incliné 16 lié en rotation à un arbre, de manière à définir un point mort haut et un point mort bas pour le piston en fonction de la rotation de l'arbre et du plateau incliné 16, correspondant respectivement à la position dans laquelle il est le plus rétracté dans son logement 13, et à la position dans laquelle il est le plus sorti 20 de son logement 13. On définit un volume interne de la zone d'expansion 11, qui varie en fonction de la position du piston 14. Ce volume interne est à sa valeur minimale lorsque le piston 14 est au point mort haut, et à sa valeur maximale lorsque le piston 14 est au point mort bas. Le dispositif d'admission est configuré de manière à ce que le fluide de travail sous 25 pression et à l'état gazeux soit injecté lorsque le piston 14 est sensiblement à son point mort haut. Le volume de la zone d'expansion 11 est alors à son minimum. La détente du fluide de travail à l'état gazeux entraîne une augmentation du volume de la zone d'expansion 11 et donc un déplacement du piston 14 ce qui entraîne la rotation du plateau incliné 16 30 jusqu'à ce que le piston 14 atteigne son point mort bas. Une fois le point mort bas atteint, le fluide de travail à l'état gazeux et désormais à faible pression est évacué au moyen de lumières 12 aménagées dans la zone d'expansion 11 et liées à un conduit de refoulement 21, ces lumières 12 n'étant avantageusement accessibles que lorsque le piston 14 est au point mort bas.

35 Dans le mode de réalisation représenté, le plateau incliné 16 est lié au piston 14 de manière à former un plateau cyclique, communément désigné par l'appellation en langue anglaise « swashplate ». Cette liaison permet de transformer le mouvement de translation 3029561 8 alternatif du piston 14 en mouvement de rotation du plateau incliné 16 et donc de l'arbre 42 qui lui est lié. Ce plateau cyclique est disposé dans un carter 17 de la machine de détente 4, comprenant du lubrifiant liquide afin d'assurer la lubrification de la liaison entre le piston 5 14 et le plateau incliné 16, et également la lubrification de paliers mécaniques permettant la rotation de l'arbre et du plateau incliné 16. Un volume de lubrifiant liquide est disposé dans le fond du carter 17, ce qui permet d'assurer une lubrification continue par circulation d'huile au moyen d'une pompe qui alimente les zones mécaniques à lubrifier ; l'huile tombe ensuite par gravité dans le fond 10 du carter 17 puis est réinjectée par la pompe. Des fuites de vapeur de fluide de travail dans le carter 17, et inversement des fuites du lubrifiant dans la zone d'expansion 11 ou la zone d'échappement située en aval des lumières 12 surviennent. Afin de répondre aux problématiques découlant de telles fuites, le carter 17 est muni 15 d'un orifice d'évacuation 18 permettant à de la vapeur de fluide de travail se trouvant dans le carter 17 de pouvoir circuler du carter 17 vers les orifices d'échappement 41 par un équilibre des pressions entre ces deux zones grâce à l'orifice d'évacuation 18. Cet orifice ainsi que le maintien de l'huile à une température supérieure à la température de condensation du fluide de travail évitent ainsi une accumulation de vapeur de fluide de 20 travail dans le carter, sa condensation dans le lubrifiant et les problèmes qui en découlent évoqués précédemment. L'orifice d'évacuation 18 peut être formé d'un perçage dans le carter 17. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, les pistons sont des pistons à crosse. Chaque côté du piston 14 comprend une tête 14a ayant une forme générale de 25 disque d'épaisseur faible, le corps 14b du piston 14 étant une tige présentant un diamètre inférieur à celui de la tête. Ladite tige est guidée en translation par un guide 19 situé dans une paroi du carter 17. Le guidage de la tige du piston étant réalisé sur un plus faible diamètre, cela permet de limiter la quantité de lubrifiant fuyant du carter par rapport à un piston à fourreau, par exemple. Les fuites éventuelles de lubrifiant du carter 17 via les 30 guides de tige 19 débouchent dans le conduit de refoulement 21. Celui-ci est muni sur un point inférieur, d'un canal 20 de récupération du lubrifiant vers le fond du carter 17. Une partie du lubrifiant ayant fui va être récoltée directement dans le conduit de refoulement 21, une partie va être entraînée par la vapeur d'échappement. Les pistons à crosse sont donc préférés pour cette raison, mais l'homme du métier pourra employer d'autres types 35 de piston sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Les pistons à crosse ne bénéficient ainsi pas d'une ample lubrification et seront avantageusement munis de moyens d'étanchéité 15 sous la forme de segments en céramique ou polymère.

3029561 9 Par ailleurs, pour permettre de séparer le lubrifiant ayant fui du carter vis-à-vis du fluide de travail détendu, la machine de détente comprend une cavité 43 en liaison fluidique avec les lumières d'échappement et débouchant dans les orifices d'échappement 41. La cavité 43 s'étend avantageusement sur la longueur de la machine.

5 Les conditions de fonctionnement de la machine sont choisies de telle sorte que dans cette cavité 43 s'écoule le fluide de travail F détendu contenant une part gazeuse (principalement constituée du fluide de travail) et une part liquide (principalement constituée du lubrifiant L). Lorsque le fluide de travail est de l'éthanol, la vapeur d'éthanol en sortie des lumières d'échappement est typiquement à une pression de 2,2 bars et à 10 une température de 115°C. Dans ces conditions, la vapeur d'éthanol est dite surchauffée et ne présente pas de gouttelettes liquides d'éthanol. Le lubrifiant circule quant à lui typiquement à une température de 130°C. De cette manière, la vapeur d'éthanol ne se condense pas au contact du lubrifiant. Les conditions de fonctionnement imposées maintiennent la vapeur d'échappement dans un état de surchauffe et le lubrifiant à une 15 température supérieure à la température de saturation de la vapeur à la pression considérée. La cavité 43 est configurée de sorte à séparer le lubrifiant de l'écoulement de vapeur en mettant à profit la différence de densité entre le fluide de travail gazeux et le lubrifiant liquide.

20 La cavité 43 peut comprendre des moyens mécaniques de séparation permettant de séparer la phase liquide la phase gazeuse. Parmi ces moyens de séparation, on peut citer les systèmes cycloniques où le flux entrant arrivant tangentiellement à la paroi de la cavité, un vortex est créé qui centrifuge les particules liquides dont la densité est plus grande que la vapeur. Selon un principe similaire on peut citer les systèmes à hélices qui 25 imposent au flux un mouvement de vortex par changement de direction de l'écoulement. On peut également citer les systèmes par chicanes ou déflecteurs, qui imposent à l'écoulement un ou plusieurs changements de direction. Les particules liquides ayant une densité plus élevée, leur inertie est plus grande et sont moins adaptées à des changements brusques de directions, ces particules viennent alors impacter les parois et 30 s'en écoule. Les systèmes coalesceurs représentent encore une possibilité en termes de séparation. Ils sont constitués d'un filtre poreux que traverse l'écoulement. Les gouttelettes liquides les plus grosses viennent impacter l'entrée du filtre, les gouttelettes les plus fines entrent dans le filtre avec la vapeur qui s'écoule suivant un chemin tortueux.

35 Les gouttelettes les plus fines finissent par impacter le filtre. Au fur et à mesure que des gouttelettes de lubrifiant s'accumulent dans le filtre, celles-ci fusionnent puis se détachent et tombent par gravité.

3029561 10 La cavité 43 est située sur une zone de la machine de détente 4 au-dessus du niveau liquide d'huile dans le carter 17, de sorte que la part liquide séparée s'écoule vers l'amont de l'écoulement. Un orifice 44 est avantageusement agencé dans un point bas de la cavité 43 pour permettre le retour du lubrifiant L vers le carter 17.

5 Par ailleurs, la surface de passage de la cavité 43 est avantageusement la plus grande possible de manière à, pour un débit de vapeur d'échappement donné, abaisser la vitesse de l'écoulement. De manière avantageuse, la cavité 43 est conformée de telle sorte que la longueur de parcours du fluide de travail dans la cavité soit la plus longue possible, afin d'une part 10 de pouvoir insérer des moyens mécaniques de séparation plus efficaces et d'autre part d'augmenter le temps de passage de l'écoulement dans ladite cavité de séparation. L'homme du métier pourra employer tout moyen de séparation connu, éventuellement en combinant plusieurs moyens, selon la qualité de séparation attendue. Par ailleurs, comme illustré sur la figure 4, la séparation peut être améliorée en 15 divisant la cavité 43 en deux chambres 43a, 43b distinctes agencées chacune sur la longueur de la machine 4. Par rapport à une cavité unique, les deux chambres offrent un espace agrandi pour insérer des moyens mécaniques de séparation et une surface de passage plus importante et donc un effet de ralentissement plus grand. Selon un mode de réalisation, ces deux chambres peuvent être reliées aux deux 20 zones d'expansion de la machine, chaque chambre débouchant dans un orifice d'échappement respectif. Selon un mode de réalisation préféré, chaque chambre est reliée à une zone d'expansion respective et à un orifice d'échappement respectif. Dans ce cas, on fait avantageusement en sorte que les orifices d'échappement soient situés au voisinage de 25 chaque extrémité de la machine et que chaque chambre soit reliée aux lumières de la zone d'expansion située du côté opposé à l'orifice d'échappement. Ainsi, on maximise la longueur parcourue par le fluide de travail détendu, comme schématisé par les flèches sur la figure 2. Selon un mode de réalisation, la séparation est réalisée ou assistée par la présence 30 d'un filtre coalesceur 45 métallique (cf. figure 3). De manière avantageuse, ce filtre 45, la cavité 43 et le carter 17 constituent une pièce unique, réalisée par fonderie. Le filtre coalesceur est ainsi une mousse métallique intégrée à la structure. Selon un mode de réalisation, la séparation est réalisée ou assistée par la présence d'un vortex. Ce vortex peut être créé par un écoulement entrant tangentiellement à la 35 paroi de la cavité (cyclone) ou par la disposition d'une pièce hélicoïdale 46 agencée à l'entrée de la cavité (cf. figure 3).

3029561 11 Selon un mode de réalisation, la séparation est réalisée ou assistée par la présence de déflecteurs (non illustrés) qui modifient la trajectoire du flux de vapeur et collectent les gouttelettes de lubrifiant qui les impactent. Un autre effet de la cavité 43 est que, cette cavité présentant une paroi 47 commune 5 avec le carter 17 et entourant au moins une partie du carter, le fluide de travail détendu circulant dans la cavité permet de refroidir l'huile contenue dans le carter 17 par échange thermique au travers de cette paroi 47. Par exemple, lorsque le fluide de travail est de l'éthanol, sa température à l'état détendu lors de son passage dans la cavité est de l'ordre de 115°C. Le lubrifiant présent dans le carter est quant à lui susceptible de monter à une 10 température de 140°C en raison notamment des frottements, mais la paroi 47 thermostatée par la vapeur d'éthanol permet de réduire cette température. Cet effet de refroidissement est d'autant plus grand que la surface de la paroi commune 47 est grande. Par conséquent, le mode de réalisation dans lequel, comme sur la figure 4, la cavité 43 est divisée en deux chambres 43a, 43b distinctes est également 15 avantageux de ce point de vue. Eventuellement, on peut encore renforcer l'effet de refroidissement en agençant dans la cavité des moyens complémentaires de refroidissement. Par exemple, ces moyens complémentaires peuvent comprendre des ailettes 48 (cf. figure 4) s'étendant à partir de la paroi commune avec le carter, qui augmentent la surface 20 d'échange thermique. Ces moyens complémentaires peuvent remplir à la fois une fonction de séparation et une fonction de refroidissement. Des chicanes peuvent ainsi avoir une fonction d'ailettes de refroidissement ; de même, un filtre coalesceur métallique développe une surface d'échange thermique importante.

25 La machine de détente 4 peut être réalisée sous la forme de deux demi-coques 4a, 4b reliées selon un plan P transversal à la machine, chaque demi-coque comprenant une zone d'admission 40 et un orifice d'échappement 41. En d'autres termes, la cavité décrite ci-dessus constitue donc un organe de séparation intégré à la machine.

30 Il n'est donc pas nécessaire, dans le système de conversion d'énergie thermique, de prévoir un organe de séparation distinct. Ainsi, la compacité du système de conversion d'énergie thermique est préservée. D'autre part, le fait que la séparation soit intégrée à la machine de détente permet également de réduire le coût du système.

35 Enfin, cet agencement permet également de refroidir le lubrifiant et de préserver son intégrité ainsi que garantir un fonctionnement à une viscosité stable et connue. Les figures 5A à 6B illustrent d'autres modes de réalisation d'une machine de détente axiale selon l'invention. Les flèches représentent l'écoulement dans la cavité vers 3029561 12 le ou les orifice(s) d'échappement. Quel que soit le nombre d'orifices d'admission ou d'échappement, la machine peut être réalisée en deux demi-coques selon un plan transversal. Les figures 5A et 5B illustrent deux autres modes de réalisation d'une machine de 5 détente axiale comprenant des pistons à double effet. Dans une telle machine, il existe deux orifices 40 d'admission de fluide de travail sous pression, situés aux deux extrémités opposées de la machine. Dans le cas de la figure 5A, il existe un unique orifice d'échappement 41 situé sensiblement dans une partie centrale de la machine. La cavité 43 (non représentée) 10 s'étend entre les lumières d'échappement des deux zones d'expansion situées à chaque extrémité de la machine et l'orifice d'échappement 41. La distance parcourue par le fluide de travail détendu est donc sensiblement la même quel que soit la zone d'expansion dont il provient. Dans le cas de la figure 5B, il existe deux orifices d'échappement 41 situés 15 sensiblement dans une partie centrale de la machine. La cavité est divisée en deux chambres longitudinales s'étendant entre les lumières d'échappement des deux zones d'expansion situées à chaque extrémité de la machine et débouchant chacune dans un orifice d'échappement 41 respectif. Les figures 6A et 6B illustrent deux modes de réalisation d'une machine de détente 20 axiale comprenant des pistons à simple effet. Dans une telle machine, il existe un unique orifice 40 d'admission de fluide de travail sous pression, situé à une première extrémité de la machine. Dans le cas de la figure 6A, il existe un unique orifice d'échappement 41, situé de préférence à la seconde extrémité de la machine, opposée à la première. La cavité 43 25 (non représentée) s'étend entre les lumières d'échappement de la zone d'expansion située du côté de la première extrémité et l'orifice d'échappement situé à la seconde extrémité. Dans le cas de la figure 6B, il existe deux orifices d'échappement 41, situés tous deux à la seconde extrémité de la machine. La cavité est divisée en deux chambres 30 longitudinales débouchant chacune dans un orifice d'échappement 41. Selon un autre mode de réalisation, illustré sur les figures 7A et 7B, la machine de détente 4 présente une architecture à deux cylindres en ligne, les pistons étant reliés à l'arbre moteur par une liaison classique de type bielle-vilebrequin. Ladite liaison est contenue dans un carter 17 contenant le lubrifiant à l'état liquide. La cavité de séparation 35 43 est organisée suivant la longueur de la machine de détente, c'est-à-dire parallèle à l'axe du vilebrequin. Cette cavité 43 est connectée aux lumières d'échappement 12 et débouche sur un point haut de la machine, au niveau de l'orifice 41 d'échappement de la machine.

3029561 13 La cavité 43 peut comprendre des moyens mécaniques de séparation (non illustrés) tels des déflecteurs, chicanes ou une hélice à effet Venturi. Des canaux 44 permettent au lubrifiant s'étant déposé sur les parois de ladite cavité et accumulé par gravité en un point bas, de s'écouler vers le carter d'huile.

5 Un canal 49 est par ailleurs aménagé entre le carter 17 du vilebrequin et la cavité de séparation 43, permettant un équilibre des pressions dans ces deux zones et à la vapeur de fluide de travail de s'écouler vers l'orifice d'échappement, évitant ainsi son accumulation dans le carter. 10

Claims

REVENDICATIONS1. Machine (4) de détente à pistons comprenant : - une culasse d'admission d'un fluide de travail à l'état gazeux sous pression comprenant un orifice (40) d'admission dudit fluide de travail, - une zone d'expansion reliée à la culasse d'admission et comprenant une pluralité de cylindres, dans laquelle un piston coulissant dans chaque cylindre respectif est lié à un arbre (42) par une liaison mécanique, chaque cylindre comprenant au moins une lumière d'échappement (12) au travers de laquelle le fluide de travail à l'état gazeux détendu peut être évacué de la zone d'expansion, - un carter (17) destiné à contenir un lubrifiant à l'état liquide, dans lequel est disposée ladite liaison mécanique, - une cavité agencée dans la machine (4), reliée auxdites lumières d'échappement, débouchant sur un orifice d'échappement (41) du fluide de travail à l'état gazeux détendu de la machine, ladite cavité étant destinée à guider un écoulement du fluide de travail détendu entraînant une fraction de lubrifiant à l'état liquide, ladite cavité (43) présentant une paroi commune avec le carter (17) et étant adaptée pour favoriser la séparation de la fraction liquide de lubrifiant vis-à-vis du fluide de travail à l'état gazeux détendu.
2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cavité comprend des moyens mécaniques de séparation du lubrifiant à l'état liquide vis-à-vis du fluide de travail à l'état gazeux.
3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de séparation comprennent au moins : un système adapté pour provoquer une rotation et/ou une turbulence de l'écoulement, un coalesceur, un déflecteur et/ou une chicane.
4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens mécaniques de séparation comprennent un coalesceur formant partie intégrante de la cavité (43).
5. Machine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la cavité (43) est conformée de sorte à ralentir l'écoulement du fluide de travail à l'état gazeux détendu.
6. Machine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la cavité (43) est divisée longitudinalement en deux chambres (43a, 43b) distinctes. 3029561 15
7. Machine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la cavité (43) comprend des moyens de refroidissement de la paroi commune (47) avec le carter (17).
8. Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits moyens de refroidissement comprennent des ailettes (48) s'étendant dans la cavité (47) depuis la paroi commune avec le carter. 10
9. Machine selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ladite machine est axiale, la liaison mécanique entre chaque piston et l'arbre (42) comprenant un plateau incliné (16), chaque piston étant parallèle audit arbre.
10. Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que les pistons sont à 15 double effet, la machine comprend deux zones d'expansion de part et d'autre de la machine et un unique orifice d'échappement du fluide de travail détendu et en ce que la cavité est reliée aux lumières d'échappement des deux zones d'expansion et à l'orifice d'échappement. 20
11. Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que les pistons sont à double effet, la machine comprend deux zones d'expansion de part et d'autre de la machine et deux orifices d'échappement du fluide de travail détendu et en ce que la cavité est divisée longitudinalement en deux chambres distinctes, chaque chambre est reliée aux deux zones d'expansion et à un orifice d'échappement. 25
12. Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que les pistons sont à double effet, la machine comprend deux zones d'expansion de part et d'autre de la machine et deux orifices d'échappement du fluide de travail détendu et en ce que la cavité est divisée longitudinalement en deux chambres distinctes, chaque chambre est reliée 30 aux lumières d'échappement d'une zone d'expansion respective et à l'orifice d'échappement opposé à ladite zone d'expansion.
13. Machine selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que les pistons sont des pistons à crosse, chaque crosse étant guidée par un guide agencé dans 35 une paroi du carter réalisant une cloison entre la zone d'échappement et le carter.
14. Machine selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que la cavité (43) comprend au moins un orifice destiné à permettre le retour du lubrifiant à l'état liquide vers le carter (17). 3029561 16
15. Machine selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que le carter (17) comprend un orifice (18) d'évacuation du fluide de travail à l'état gazeux vers l'orifice d'échappement (41). 5
16. Système de conversion d'énergie thermique issue d'un moteur à combustion comprenant une machine de détente selon l'une des revendications 1 à 15 et un unique dispositif de séparation du lubrifiant vis-à-vis du fluide de travail, ledit dispositif étant agencé dans la cavité (43) de la machine de détente. 10
17. Procédé de séparation d'une fraction de lubrifiant à l'état liquide vis-à-vis d'un fluide de travail à l'état gazeux dans une machine (4) de détente à pistons, comprenant : - l'admission du fluide de travail à l'état gazeux sous pression dans une culasse d'admission au travers d'un orifice (40) d'admission, - l'expansion dudit fluide de travail à l'état gazeux dans une zone d'expansion reliée 15 à la culasse d'admission et comprenant une pluralité de cylindres, dans laquelle un piston coulissant dans chaque cylindre respectif est lié à un arbre (42) par une liaison mécanique lubrifiée par le lubrifiant à l'état liquide, - l'évacuation du fluide de travail à l'état gazeux détendu au travers d'au moins une lumière d'échappement (12) agencée dans chaque cylindre, 20 - l'écoulement, dans une cavité agencée dans la machine (4), reliée auxdites lumières d'échappement et débouchant sur un orifice d'échappement (41) du fluide de travail à l'état gazeux détendu de la machine, d'un écoulement du fluide de travail détendu entraînant une fraction de lubrifiant à l'état liquide, et la séparation, dans ladite cavité, de la fraction liquide de lubrifiant vis-à-vis du fluide de travail à l'état gazeux 25 détendu.