FR3033000B1 - MACHINE FOR COMPRESSING AND RELAXING A FLUID AND USE THEREOF IN A THERMAL ENERGY RECOVERY SYSTEM - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une machine de compression et détente comportant un corps (12a) avec au moins une chambre (12) et des moyens tournants (13, 14a, 14b, 14c, 14d) divisant la chambre en cellules (15a, 15b, 15c, 15d) tournant avec les moyens tournants autour d'un axe de rotation, le corps et les moyens tournants étant configurés pour que, lors d'un tour de rotation, au moins une 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 fluide passant par cette cellule et au moins un deuxième cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de détente d'un deuxième flux de fluide passant par cette cellule.The invention relates to a compression and expansion machine comprising a body (12a) with at least one chamber (12) and rotating means (13, 14a, 14b, 14c, 14d) dividing the chamber into cells (15a, 15b, 15c , 15d) rotating with the rotating means about an axis of rotation, the body and the rotating means being configured so that, during a rotation turn, at least one cell (15a, 15b, 15c, 15d) performs at minus a first expansion / contraction cycle corresponding to a compression step of a first fluid flow passing through this cell and at least a second expansion / contraction cycle corresponding to a step of expansion of a second fluid flow going through this cell.
Description
Machine de compression et détente d’un fluide, ainsi que son utilisation dans un système de récupération d’énergie thermiqueCompression and expansion machine for a fluid, as well as its use in a thermal energy recovery system
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 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.The present invention applies to the field of transforming thermal energy into work. It is more particularly a compression and expansion machine intended to be used, in particular, in a system making work a fluid to enhance the thermal losses of an engine, for example to the exhaust or on any other hot source.
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.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.
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.Several types of systems using a working fluid heated by this hot source have been envisaged. In all cases, the fluid performs a cycle during which it must be pumped or compressed to enter an exchanger before it can then provide mechanical energy by a trigger.
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.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.
Un premier mode de réalisation, décrit dans WO12062591, 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 dans le cas d’une application à un cycle fermé.A first embodiment, described in WO12062591, 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. In addition, 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. In addition, the size of a suitable cooling system would be prohibitive for a small vehicle in the case of an application to a closed cycle.
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 dans cet exemple, 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. L’invention a pour but de proposer un moyen de réaliser les fonctions de compression et de détente du fluide de travail dans un encombrement minimal, avec des contraintes d’intégration réduites, notamment en ce qui concerne les vitesses de rotation ou la complexité mécanique, avec un taux de compression et un débit élevés.An alternative embodiment is inspired by the hot air piston engine and uses a Brayton cycle. Typically, in this case, the system operates with two pistons coupled to the same axis of rotation by their crankshaft. During a rotation in this example, the air is admitted from the outside into the first piston which lowers, it is then returned to the exchanger with the exhaust gas when the first piston rises, then it relaxes in the second piston which 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. On the other hand, pistons with their intake systems offer reduced flow sections to the working fluid. As a result, the size of the pistons must be large to pass the flow required to extract the power released by the exhaust. In addition, 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 converting thermal energy into mechanical energy. This leads to a complex system that is either cumbersome or has limited power. The object of the invention is to propose a means of carrying out the functions of compression and expansion of the working fluid in a minimum space requirement, with reduced integration constraints, in particular as regards rotation speeds or mechanical complexity, with high compression ratio and flow rate.
Présentation de l’invention : L’invention concerne une machine de compression et détente comportant un corps avec au moins une chambre et des moyens tournants divisant la chambre en cellules tournant avec les moyens tournants autour d’un axe de rotation, le corps et les moyens tournants étant configurés pour que, lors d’un tour de rotation, au moins une cellule effectue au moins un premier cycle d’expansion/contraction correspondant à une étape de compression d’un premier flux de fluide passant par cette cellule et au moins un deuxième cycle d’expansion/contraction correspondant à l’étape de détente d’un deuxième flux de fluide passant par cette cellule.Presentation of the invention: The invention relates to a compression and expansion machine comprising a body with at least one chamber and rotating means dividing the chamber into cells rotating with the rotating means about an axis of rotation, the body and the rotary means being configured so that, during a rotation turn, at least one cell performs at least a first expansion / contraction cycle corresponding to a compression step of a first fluid flow passing through this cell and at least one a second expansion / contraction cycle corresponding to the step of expansion of a second fluid flow passing through this cell.
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.The characteristics of the compression and expansion machine in flow and pressure favorably influence the efficiency of an energy recovery system in several ways. 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.
Avantageusement, les moyens tournants et le corps sont configurés pour qu’au moins deux desdites cellules permettent que les étapes de compression et de détente des flux aient lieu simultanément dans la même chambre, respectivement dans chacune des cellules. Cela permet d’avoir les deux flux passant simultanément dans la même chambre en gagnant en compacité.Advantageously, the rotating means and the body are configured so that at least two of said cells allow the compression and expansion steps of the streams to take place simultaneously in the same chamber, respectively in each of the cells. This makes it possible to have the two streams passing simultaneously in the same chamber while gaining compactness.
De préférence les moyens tournants et le corps sont configurés pour que la contraction d’une première cellule dans l’étape de compression du premier flux soit synchronisée, au cours de la rotation des moyens tournants, avec l’expansion d’une deuxième cellule dans l’étape de détente du deuxième flux dans la même chambre. Cette caractéristique permet de faire en sorte que le flux se détendant dans la machine prenne la place de celui qui sort vers l’échangeur, au même moment, en sortant de l’étape de compression. Cela évite ainsi les fluctuations de pression.Preferably, the rotating means and the body are configured so that the contraction of a first cell in the compression step of the first flow is synchronized, during the rotation of the rotating means, with the expansion of a second cell in the step of relaxing the second flow in the same chamber. This feature makes it possible to ensure that the flow that relaxes in the machine takes the place of the one leaving the exchanger at the same time, leaving the compression step. This avoids pressure fluctuations.
De préférence également, les moyens tournants et le corps sont configurés pour que les étapes de compression du premier flux et de détente du second flux soient effectuées dans deux secteurs angulaires différents de la chambre au cours de la rotation des cellules. Cela permet de simplifier le circuit des canalisations alimentant la machine et concourt à l’amélioration des sections de passage du fluide de travail, diminuant les pertes de charge. Par ailleurs, chaque ouverture étant dédiée à un flux il n’est pas nécessaire d’avoir des systèmes de distribution alternant par exemple le rôle des entrées ou sorties.Also preferably, the rotating means and the body are configured so that the compression steps of the first flow and expansion of the second flow are performed in two different angular sectors of the chamber during the rotation of the cells. This simplifies the circuit of the pipes supplying the machine and contributes to the improvement of the passage sections of the working fluid, reducing the pressure drops. Moreover, each opening being dedicated to a flow it is not necessary to have distribution systems alternating for example the role of the inputs or outputs.
Un mode de réalisation particulier de l’invention concerne une machine à palette dont la chambre possède un axe de symétrie et dont l’axe de rotation des moyens tournant correspond à cet axe.A particular embodiment of the invention relates to a pallet machine whose chamber has an axis of symmetry and whose axis of rotation of the rotating means corresponds to this axis.
Avantageusement, cette machine comporte au moins quatre cellules dans la chambre.Advantageously, this machine comprises at least four cells in the chamber.
Avantageusement, la machine dispose d’au moins quatre ouvertures pour permettre le transfert du fluide. Il y en 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.Advantageously, the machine has at least four openings to allow the transfer of the fluid. There are at least two openings on the machine and communicating with the ambient air, and at least two other openings also provided on the machine and communicating with the exchanger. 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. In addition, 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.
Avantageusement, 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’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 détente, et étant configuré de telle sorte que, à un instant donné, le fluide de travail rentre dans une des cellules de la machine durant une phase d’admission et ressort d’une autre des cellules de la machine après avoir suivi une étape de compression. 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 détente, et 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 l’une des cellules de la machine et ressort simultanément de l’échangeur pour suivre l’étape de détente dans la même cellule ou dans une autre des cellules de la machine. 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 détente, et 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 l’une des cellules de la machine et ressorte de la machine de compression détente après avoir suivi une étape de détente. 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 détente, et étant configuré de telle sorte que, à un instant donné, le fluide de travail préalablement comprimé et chauffé rentre dans une cellule de la machine et ressort de la machine après avoir suivi une étape de détente dans une autre des cellules.Advantageously, the gap 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 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 relaxation compression machine, and being configured in such a way that at a given time, the working fluid enters one of the cells of the machine during an intake phase and emerges from another of the cells of the machine after having followed a compression step. 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 relaxation compression machine, and being configured in such a way 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 simultaneously leaves the exchanger to follow the relaxation step in the same cell or in another cell of the machine. 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 relaxation compression machine, and being configured in such a way 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 out of the compression compression machine after having followed a step of expansion. 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 relaxation compression machine, and being configured in such a way that at a given time, the previously compressed and heated working fluid enters a cell of the machine and leaves the machine after having followed a step of expansion in another of the cells.
De préférence, dans ce dispositif, le fluide ayant suivi l’étape de compression dans une chambre suit l’étape de détente dans la même chambre. Autrement dit, on utilise une machine à une seule chambre, ce qui permet de gagner en encombrement et aussi sur les pertes dues aux frottements dans la machine et sur la complexité de réalisation.Preferably, in this device, the fluid having followed the compression step in a chamber follows the expansion step in the same chamber. In other words, a single-chamber machine is used, which makes it possible to gain in size and also on the losses due to friction in the machine and on the complexity of production.
De préférence, le fluide qui travaille dans ce dispositif est un gaz dans l’étape de compression et dans l’étape de détente. On cherche ici la simplicité, un cycle diphasique, par exemple, serait complexe à traiter avec des phases liquides et gazeuses dans une seule et même machine.Preferably, the fluid that works in this device is a gas in the compression step and in the expansion step. Simplicity is sought here, a two-phase cycle, for example, would be complex to deal with liquid and gaseous phases in one and the same machine.
Avantageusement, le dispositif de récupération d’énergie utilise un cycle ouvert avec l’atmosphère ambiant. Le gaz 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 pas d’échangeur froid à placer dans la partie avant qui prélèverait une partie des calories de refroidissement utiles au cycle 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 du cycle fermé, le rendement global et l’intégration dans le véhicule sont meilleurs.Advantageously, the energy recovery device uses an open cycle with the ambient atmosphere. The gas used is therefore air. In the case of an application for a motor vehicle, for example, the open cycle has the advantage over a closed cycle that there is no cold exchanger to be placed in the front part that would take some of the calories coolers useful in the cycle of the engine. In addition, the cooling circuit requires taking some of the energy to operate. Thus, although the efficiency of an open cycle is intrinsically lower than that of the closed cycle, overall efficiency and integration into the vehicle are better.
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.In a particular application, the exhaust gases of a heat engine form the hot source. This will be advantageously the case for an installation on a motor vehicle.
Dans ce dispositif, le fluide de travail circule préférentiellement à contre courant des gaz d’échappement dans l’échangeur de chaleur.In this device, the working fluid preferentially flows against the current of the exhaust gases in the heat exchanger.
Description détaillée de l’invention :Detailed description of the 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. - les figures 2A et 2B présentent schématiquement un mode de réalisation de machine de compression et détente selon l’invention. - la figure 3 indique le cycle en pression et volume suivi par l’air dans un système utilisant l’invention. - la figure 4 montre l’effet d’une optimisation particulière de l’invention sur le cycle présenté dans la figure 3. - la figure 5 présente une variante de réalisation de la machine de compression et de détente selon l’invention. L’invention concerne une machine de compression et de détente destinée a être utilisée dans un système de récupération d’énergie faisant travailler un fluide suivant un cycle comprenant des phases d’admission, de compression, de chauffage, de détente puis d’échappement, comme cela 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.The present invention will be better understood and other details, characteristics and advantages of the present invention will emerge more clearly on reading the description which follows, with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 schematically shows the installation of a system according to the invention for recovering the energy of the exhaust gases of a heat engine. FIGS. 2A and 2B schematically show an embodiment of compression and expansion machine according to the invention. - Figure 3 shows the cycle pressure and volume followed by air in a system using the invention. - Figure 4 shows the effect of a particular optimization of the invention on the cycle shown in Figure 3. - Figure 5 shows an alternative embodiment of the compression and expansion machine according to the invention. The invention relates to a compression and expansion machine intended to be used in an energy recovery system making a fluid work in a cycle comprising intake, compression, heating, expansion and exhaust phases, as previously stated. 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. However, 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.
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.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. As explained above, 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.
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.The system described as an example comprises here: a hot source constituted by the exhaust gases flowing in the exhaust line 1 from the engine 2; a heat exchanger 3 between these exhaust gases and the air, placed on the exhaust line 1; a compression and expansion machine 4, effecting on the one hand the compression of the air going into the exchanger 3, on the other hand the expansion of the hot air leaving the exchanger 3; - Pipes 5 to circulate the compressed air from the machine 4 to the exchanger 3 and ducts 6 to return the heated air in the exchanger 3 to the machine 4; ducts 7 for drawing ambient air towards the machine 4 and ducts 8 for rejecting the air having worked towards the atmosphere; a system 9 for driving and recovering energy.
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 11 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.In the embodiment shown in the figure, the drive and energy recovery system 9 is a mechanical transmission means between the axis 10 of the compression and expansion machine 4 and the motor shaft 11 driving the motor. vehicle, intended to recover the extra torque provided by the axis 10. In a variant, 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.
Le fonctionnement d’un tel système, au démarrage, pourra commencer avec l’entraînement de la machine 4 de compression et de détente par le système 9 d’entraînement et de récupération d’énergie mécanique. L’air ambiant, est aspiré par la conduite 7 pour entrer dans la partie compresseur de la machine 4. Il y est comprimé jusqu’à une plage de pression de fonctionnement optimale, entre 3 et 12 bars dans l’application automobile présentée. L’air comprimé est ensuite acheminé par une seconde conduite 5 dans l’échangeur 3 de chaleur air/gaz d’échappement.The operation of such a system, at startup, can begin with the driving of the compression and expansion machine 4 by the system 9 for driving and recovering mechanical energy. The ambient air is sucked by the pipe 7 to enter the compressor part of the machine 4. It is compressed to an optimum operating pressure range between 3 and 12 bar in the automotive application presented. The compressed air is then conveyed by a second pipe 5 into the heat exchanger 3 air / exhaust gas.
Dans une variante de réalisation (non représentée), le système de récupération est en relation fluidique avec un air d’admission déjà comprimé, 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.In an alternative embodiment (not shown), the recovery system is in fluid relation with an already compressed inlet air, which makes it possible to reduce the size of the machine with iso performance, for example compressed air can be from a turbo compressor which uses the exhaust gas as a source of rotational drive of the compressor.
Dans une autre variante de réalisation (non représentée) l’air d’admission, qu’il s’agit d’un air ambiant ou d’un air comprimé, est préalablement refroidit 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, d’augmenter son apport en calories et donc d’augmenter l’efficacité du dispositif de récupération d’énergie.In another alternative embodiment (not shown) the intake air, whether it is ambient air or compressed air, is previously cooled before entering the machine by an air cooler feeding, for example, this reduces the inlet temperature of the working fluid in the exchanger, increase its calorie intake and thus increase the efficiency of the energy recovery device.
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.To function optimally, 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.
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. A la sortie de l’échangeur 3, l’air comprimé est envoyé vers la partie détente de la machine 4 par une troisième conduite 6. La détente de l’air comprimé chaud entraîne les palettes en rotation autour d’un axe. Un arbre aussi nommé rotor est lié à rotation auxdites palettes, ce qui engendre une énergie mécanique. Celle-ci est récupérée sur l’axe de la machine 4. Une partie sert à entraîner la partie compression de la machine 4 pour continuer le cycle. Le restant est restitué au système 9 d’entraînement et de récupération d’énergie, qui fonctionne en mode récupération dès que l’énergie fournie par la détente est supérieure à l’énergie de compression et aux pertes du dispositif. A la fin de la détente, la pression et la température de l’air diminuent. L’air est enfin évacué vers l’extérieur par une quatrième conduite 8, à une température de l’ordre de 100°C.In the embodiment shown, the air passes through the exchanger 3 in the opposite direction of the exhaust gases inside specific pipes. This exchanger arrangement, 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. In addition, the high air pressure level in the circuit makes it possible to design a compact exchanger 3. At the outlet of the exchanger 3, the compressed air is sent to the expansion part of the machine 4 by a third pipe 6. The expansion of the hot compressed air drives the pallets in rotation about an axis. A shaft also called rotor is rotatably connected to said pallets, which generates a mechanical energy. This is recovered on the axis of the machine 4. A portion serves to drive the compression portion of the machine 4 to continue the cycle. The remainder is returned to the system 9 for training and energy recovery, which operates in recovery mode as soon as the energy provided by the trigger is greater than the compression energy and losses of the device. At the end of the relaxation, the pressure and the temperature of the air decrease. The air is finally discharged to the outside by a fourth pipe 8, at a temperature of the order of 100 ° C.
Comme indiqué sur les figures 2A, 2B et 5, l’invention utilise plus particulièrement une machine volumétrique rotative pour réaliser, dans une même chambre, les étapes de compression et de détente du gaz de travail. Dans un mode de réalisation particulier, il s’agit d’une machine de type machine à palettes.As indicated in FIGS. 2A, 2B and 5, the invention uses more particularly a rotary volumetric machine for producing, in the same chamber, the steps of compression and expansion of the working gas. In a particular embodiment, it is a machine of the vane machine type.
Selon un premier mode de réalisation, la machine 4 à palettes utilisée comprend un corps 12a creux formant une chambre 12 cylindrique de section ovale et de longueur déterminée. A l’intérieur de la chambre, un cylindre 13 de section circulaire tourne autour de l’axe de symétrie de la section ovale de la chambre. Ce cylindre est relié à l’axe 10 transmettant le couple entre la machine 4 et le système 9 d’entraînement et de récupération d’énergie.According to a first embodiment, the pallet machine 4 used comprises a hollow body 12a forming a cylindrical chamber 12 of oval section and of determined length. Inside the chamber, a cylinder 13 of circular section rotates about the axis of symmetry of the oval section of the chamber. This cylinder is connected to the axis 10 transmitting torque between the machine 4 and the system 9 for driving and energy recovery.
Sur l’exemple considéré, le cylindre 13 porte quatre palettes 14a, 14b, 14c, 14d, régulièrement réparties en circonférence. Ces palettes ont sensiblement la forme de plaques planes s’étendant radialement par rapport à l’axe de rotation, sur toute la longueur de la chambre 12. De plus elles peuvent se translater dans une direction sensiblement radiale par rapport au cylindre 13. Le diamètre du cylindre 13 est sensiblement égal au petit diamètre de la section ovale de la chambre 13 formant un pincement prédéterminé qui permet de contrôler le niveau de fuite dans la machine. Par ailleurs, la taille et le mouvement de translation radiale des palettes 14a, 14b, 14c, 14d, sont configurés de telle sorte que le bord de chaque palette reste en contact avec la paroi intérieure de la chambre 12 lors de la rotation du cylindre 13. De cette manière, le cylindre 13 équipé de ses palettes 14a, 14b, 14c, 14d, constitue un ensemble d’éléments tournants qui séparent la chambre 12 de la machine 4 en quatre cellules 15a, 15b, 15c, 15d, dont le volume augmente et diminue deux fois entre un maximum et minimum au cours d’un tour.In the example considered, the cylinder 13 carries four pallets 14a, 14b, 14c, 14d, regularly distributed in circumference. These pallets have substantially the form of flat plates extending radially relative to the axis of rotation, over the entire length of the chamber 12. Moreover they can translate in a substantially radial direction relative to the cylinder 13. The diameter the cylinder 13 is substantially equal to the small diameter of the oval section of the chamber 13 forming a predetermined nip which allows to control the level of leakage in the machine. Moreover, the size and the radial translation movement of the vanes 14a, 14b, 14c, 14d are configured such that the edge of each pallet remains in contact with the inner wall of the chamber 12 during the rotation of the cylinder 13 In this way, the cylinder 13 equipped with its vanes 14a, 14b, 14c, 14d, constitutes a set of rotating elements which separate the chamber 12 of the machine 4 into four cells 15a, 15b, 15c, 15d, whose volume increases and decreases twice between a maximum and minimum during a turn.
Le dispositif de récupération d’énergie utilisant une machine à palettes fonctionne avantageusement avec un nombre de palettes allant de 4 à 12.The energy recovery device using a vane machine advantageously operates with a number of pallets ranging from 4 to 12.
Dans le cas d’une machine à 4 ou 5 palettes, un système d’étanchéité 22, 23 est prévu entre les orifices dédiés au passage du fluide de travail à haute pression ainsi qu’entre les orifices dédiés au fluide de travail à basse pression (voir les figures 2A et 2B) afin d’éviter au fluide de travail une circulation directe entre les orifices.In the case of a machine with 4 or 5 pallets, a sealing system 22, 23 is provided between the orifices dedicated to the passage of the high-pressure working fluid and between the orifices dedicated to the low-pressure working fluid. (See Figures 2A and 2B) to prevent the working fluid a direct flow between the orifices.
De préférence, un tel système d’étanchéité se compose d’au moins un élément mobile en translation, de manière sensiblement radiale au cylindre 13. Chaque élément mobile est apte à se déplacer d’une position de retrait vers une position en saillie hors de la paroi intérieure de la chambre 12. Chaque élément mobile est lié au corps 12a de la machine via un ressort (non représenté) travaillant en compression, qui rend apte l’appui en continu de l’élément mobile contre le cylindre 13.Preferably, such a sealing system consists of at least one member movable in translation, substantially radially to the cylinder 13. Each movable member is able to move from a retracted position to a projecting position out of the inner wall of the chamber 12. Each movable element is connected to the body 12a of the machine via a spring (not shown) working in compression, which makes it possible for the continuous support of the movable element against the cylinder 13.
La figure 5 représente, selon une variante de réalisation de l’invention, une machine volumétrique rotative munie de 6 palettes. Une machine comportant au moins 6 palettes permet de s’affranchir dudit système d’étanchéité 22, 23 susmentionné (voir figure 5).FIG. 5 represents, according to an alternative embodiment of the invention, a rotary volumetric machine provided with 6 pallets. A machine comprising at least 6 pallets makes it possible to overcome the aforementioned sealing system 22, 23 (see FIG. 5).
De manière générale, la machine volumétrique rotative comporte tout au plus un nombre de palettes inférieur ou égale à 12 palettes. Au-delà, les pertes par frottement dans la machine deviennent trop importantes pour obtenir un gain substantiel en terme de rendement.In general, the rotary volumetric machine comprises at most a number of pallets less than or equal to 12 pallets. Beyond this, the friction losses in the machine become too great to obtain a substantial gain in terms of efficiency.
En référence à la figure 2, le cylindre 13 tournant dans le sens des aiguilles d’une montre, un premier côté, ici le côté gauche, de la machine 4 est consacré à l’étape de compression de l’air devant entrer dans l’échangeur 3. Pour cela une ouverture 16 d’entrée du gaz aspiré dans l’atmosphère est pratiquée dans un premier quart de la chambre 12, où les cellules 15a augmentent de volume, et une ouverture 17 de sortie vers l’échangeur 3 est pratiquée dans un second quart, adjacent au premier quart, où les cellules 15b diminuent de volume. Le second côté de la machine, donc ici côté droit, est consacré à l’étape de détente de l’air chaud à haute pression venant de l’échangeur 3. Pour cela une ouverture 18 d’entrée de l’air venant de l’échangeur est pratiquée dans un troisième quart de la chambre, adjacent au deuxième quart, où les cellules 15c augmentent de volume, et une ouverture 19 de sortie vers l’atmosphère est pratiquée dans un quatrième quart, adjacent au troisième et au premier quart, où les cellules 15d diminuent de volume. Les ouvertures 16, 19, du premier et du quatrième quart doivent être adaptées pour laisser passer le même débit aux fuites près que celles 17, 18, du second et du troisième quart mais pour un air de pression plus faible, donc de volume massique plus grand. Les ouvertures 16, 19 sont donc avantageusement plus larges. Une telle caractéristique pourra bien sûr être adaptée à des chambres présentant un nombre différent de cellules.Referring to Figure 2, the cylinder 13 rotating in the direction of clockwise, a first side, here the left side, of the machine 4 is devoted to the step of compressing the air to enter the door. For this purpose, an inlet opening 16 for the gas sucked into the atmosphere is made in a first quarter of the chamber 12, where the cells 15a increase in volume, and an outlet opening 17 to the exchanger 3 is practiced in a second quarter, adjacent to the first quarter, where the cells 15b decrease in volume. The second side of the machine, thus here right side, is dedicated to the step of relaxing the hot air at high pressure from the exchanger 3. For this an opening 18 of the air inlet coming from the exchanger is made in a third quarter of the chamber, adjacent to the second quarter, where the cells 15c increase in volume, and an outlet opening 19 to the atmosphere is made in a fourth quarter, adjacent to the third and the first quarter, where the cells 15d decrease in volume. The openings 16, 19, of the first and of the fourth quarter must be adapted to let the same leak flow near that those 17, 18, the second and third quarter but for lower pressure air, therefore more specific volume. great. The openings 16, 19 are therefore advantageously wider. Such a characteristic can of course be adapted to rooms having a different number of cells.
Le dispositif de récupération d’énergie fonctionne avantageusement lorsque les ouvertures du second et du troisième quart 16 et 19 coté basse pression sont conçues de telle façon que leur section de passage est plus grande que la section de passage des ouvertures 17 et 18 coté haute pression. L’ouverture 18 du troisième quart, sortie échangeur entrée machine, a avantageusement une section de passage qui est plus petite que celle de l’ouverture 17 du deuxième quart, sortie machine entrée échangeur.The energy recovery device operates advantageously when the openings of the second and third quarter 16 and 19 side low pressure are designed so that their passage section is larger than the passage section of the openings 17 and 18 high pressure side . The opening 18 of the third quarter, exchanger output machine inlet, advantageously has a passage section which is smaller than that of the opening 17 of the second quarter, machine output inlet exchanger.
Le volume d’air présent dans une cellule est plus grand avant la phase de compression et après la phase de détente. La pression dans une cellule est quand à elle inversement proportionnelle au volume de celle-ci.The volume of air present in a cell is larger before the compression phase and after the expansion phase. The pressure in a cell is inversely proportional to the volume of the cell.
Il est à noter qu’une telle machine 4 fait circuler l’air de manière discontinue dans le système, par aspiration/refoulement de bouffées de fluide correspondant au passage des cellules 15a, 15b, 15c, 15d devant les ouvertures 16, 17, 18, 19, de la chambre 12. Si l’on suit une des bouffées d’air qui reste dans la machine, elle suit dans le système un cycle global de cinq temps, illustré sur un diagramme P (pression) V (volume) en figure 3: - dans un premier temps (de A à B), une cellule 15a passant devant l’ouverture 16 du bas à gauche aspire cette bouffée d’air et fait augmenter son volume à pression constante ; - dans un deuxième temps (de B à C), 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 ; - dans un troisième temps (de C à D), cette bouffée d’air est transférée vers l’échangeur 3. Par l’énergie thermique qu’elle reçoit sa température augmente et sa pression également, - dans un quatrième temps (de D à E), une bouffée d’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 ; - dans le cinquième temps (de E à A), 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. 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.It should be noted that such a machine 4 circulates the air discontinuously in the system, by suction / discharge of fluid puffs corresponding to the passage of the cells 15a, 15b, 15c, 15d in front of the openings 16, 17, 18 19, of the chamber 12. If one of the air bubbles remaining in the machine is followed, it follows in the system a global cycle of five times, illustrated on a diagram P (pressure) V (volume) in Figure 3: - in a first step (A to B), a cell 15a passing in front of the opening 16 of the bottom left sucks this breath of air and increases its volume at constant pressure; in a second step (from B to C), the cell 15b contracts in volume by turning, compresses this puff of air and pushes it into the duct 5 through the opening 17; in a third step (from C to D), this burst of air is transferred to the exchanger 3. By the thermal energy that it receives its temperature increases and its pressure also, in a fourth time (from D at E), a puff of air enters the machine 4 through the opening 18 of the top and expands into a cell 15c which increases in volume by turning; - In the fifth time (from E to A), continuing its rotation and by contracting the cell 15d expels the breath of air to the outlet pipe 8 to the atmosphere through the opening 19 of the bottom. 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.
Il faut noter également que la machine 4 à palettes est adaptée à ce cycle dans le sens où une cellule 15c est disponible sur le côté droit pour le temps de détente de la bouffée d’air chauffé dans l’échangeur 3 au moment où la cellule 15b du côté gauche, en fin du deuxième temps, pousse l’air comprimé dans le circuit vers l’échangeur 3 pour prendre sa place. Cela simplifie la conception du circuit en minimisant les fluctuations de pression. C’est le quatrième temps, la détente du fluide chaud qui fait tourner la machine et permet la réalisation des autres temps. Le couple créé par la différence de surface exposée entre la palette 14d, en avant de la cellule 15c dans le sens des aiguilles d’une montre sur l’exemple, et la palette 14c en arrière de cette même cellule 15c, qui entraîne le cylindre 13, lui-même solidaire de l’arbre 10. Dans ce type de machine 4 à palettes, c’est parce que la rotation de chaque palette 14a, 14b, 14c, 14d est rendue solidaire du cylindre 13 que la palette 14d entraîne ledit cylindre 13 et donc les autres palettes 14a, 14b, 14c. Ce cylindre 13 entraîne donc d’une part le fluide de travail dans l’étape de compression et, d’autre part, l’arbre 10 qui tourne ici autour du même axe de rotation que le cylindre 13 et qui récupère l’énergie restante.It should also be noted that the vane machine 4 is adapted to this cycle in the sense that a cell 15c is available on the right side for the relaxation time of the hot air puff in the exchanger 3 at the moment the cell 15b on the left side, at the end of the second stage, pushes the compressed air into the circuit towards the exchanger 3 to take its place. This simplifies circuit design by minimizing pressure fluctuations. This is the fourth time, the relaxation of the hot fluid that turns the machine and allows the realization of other times. The torque created by the surface difference exposed between the pallet 14d, in front of the cell 15c in the direction of clockwise on the example, and the pallet 14c behind this same cell 15c, which drives the cylinder 13, itself secured to the shaft 10. In this type of machine 4 vane, it is because the rotation of each pallet 14a, 14b, 14c, 14d is secured to the cylinder 13 that the pallet 14d drives said cylinder 13 and therefore the other pallets 14a, 14b, 14c. This cylinder 13 therefore drives on the one hand the working fluid in the compression step and, on the other hand, the shaft 10 which rotates around the same axis of rotation as the cylinder 13 and which recovers the remaining energy. .
Le cycle en pression et volume permet de visualiser l’efficacité de la machine 4 dans le sens où le travail effectué par l’air est représenté par l’aire de la surface à l’intérieur de la courbe du cycle. Il est donc avantageux que la pression à laquelle démarre le quatrième temps (de D à E) soit la plus élevée possible. Comme on peut le voir sur la figure 3, les pertes de charges dans le circuit font que la pression et la température de retour au début du temps de détente (D à E) dans la machine 4 ne sont pas égales aux maxima théoriques permis. Cela se traduit par la perte de pression en fin du troisième temps (C à D) sur le graphique.The pressure and volume cycle makes it possible to visualize the efficiency of the machine 4 in the sense that the work done by the air is represented by the area of the surface inside the cycle curve. It is therefore advantageous that the pressure at which the fourth time starts (from D to E) is as high as possible. As can be seen in FIG. 3, the pressure drops in the circuit cause the pressure and the return temperature at the beginning of the expansion time (D to E) in the machine 4 to be not equal to the theoretical maxima allowed. This results in the loss of pressure at the end of the third beat (C to D) on the graph.
Par ailleurs, il reste toujours dans le temps de compression (B à C), lorsque la cellule 15b passe devant l’ouverture 17 de sortie vers l’échangeur, un volume mort d’air qui ne peut être évacué, ce qui limite le taux de compression. Une optimisation de la machine permet de diminuer ce volume mort. Comme c’est illustré sur la figure 4, la pression maximale atteinte par l’air au début du temps de détente (C à D) est moins forte lors du cycle 20 obtenu en utilisant une machine donnée que lors de celui 21 obtenu avec une machine de même taille ayant un volume mort réduit. Ce type de machine permet d’atteindre des pressions de l’ordre de 3 à 20 bars avec des vitesses de rotation inférieure à 10000 tours /min.Furthermore, it still remains in the compression time (B to C), when the cell 15b passes in front of the outlet opening 17 to the exchanger, a dead volume of air that can not be evacuated, which limits the compression ratio. An optimization of the machine makes it possible to decrease this dead volume. As is illustrated in FIG. 4, the maximum pressure reached by the air at the beginning of the expansion time (C to D) is less strong during the cycle obtained using a given machine than during that obtained with a machine. machine of the same size having a reduced dead volume. This type of machine makes it possible to achieve pressures of the order of 3 to 20 bar with rotation speeds of less than 10,000 rpm.
En ce qui concerne le débit, il y a quatre cellules 15a, 15b, 15c, 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. Contrairement à une machine à pistons alternative à deux temps, la machine à palettes permet de faire un nombre N de cycles de compressions et de détentes par tour de l’arbre. Ce qui correspond à un moteur comportant N pistons alternatifs.As regards the flow rate, there are four cells 15a, 15b, 15c, 15d, which pass continuously in front of the openings 14a, 14b, 14c, 14d, of the chamber 12. Thus, the first time of a cycle starts immediately following the first beat of the previous cycle. It is thus not necessary to let a time pass as on a four-stroke reciprocating machine. Moreover, the four times take place in the same chamber 12, whereas, in comparison, in an alternative machine, a piston would be used for the suction / compression stage of the air coming from the atmosphere and a piston for the relaxation / exhaust stage of the heated air. Unlike a reciprocating two-stroke piston machine, the vane machine makes it possible to make a number N of compression and relaxation cycles per revolution of the shaft. Which corresponds to a motor comprising N alternative pistons.
La machine est donc beaucoup plus compacte qu’une machine à pistons à mouvement alternatif pour un même débit.The machine is therefore much more compact than a piston reciprocating machine for the same flow.
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 plus grandes 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. L’invention ne se limite pas à un système avec une machine à quatre palettes dont le fonctionnement vient d’être sommairement décrit. Dans une première variante, une machine à six palettes peut être utilisée. Les cellules d’une telle machine reproduisent exactement les mêmes cycles que la machine qui vient d’être décrite. Elles autorisent un rapport plus élevé entre volume mort et volume maximal. Dans une configuration ou le nombre de palettes est supérieur ou égale à six palettes, illustrée sur la figure 5, la machine s’affranchit des dispositifs d’étanchéités 20 et 21 décrient précédemment (Figure 2a, et 2b). En outre par un nombre supérieur ou égale à six palettes, la différence de pression entre deux cellules adjacentes est réduite ce qui permet de limiter l’effet d’acyclisme vu par l’arbre. En contrepartie, les frottements augmentent avec le nombre de palettes. D’une manière plus générale, on comprend qu’une machine de compression/détente correspondant à l’invention comprend un corps à l’intérieur duquel est constitué une chambre et des moyens tournants, avantageusement reliés à un arbre rotatif 10, configurés pour diviser la chambre en au moins deux cellules qui, en tournant avec les moyens tournants autour de l’axe de l’arbre, se contractent et se dilatent au moins deux fois sur un tour. Par ailleurs, la chambre est munie d’ouvertures qui sont agencées pour que, sur un tour, au moins une première étape de compression du fluide froid ait lieu par admission puis expulsion au cours d’un premier cycle de contraction/expansion de chaque cellule, et au moins une deuxième étape de détente du fluide chaud ait lieu par admission puis expulsion au cours d’un deuxième cycle de contraction/expansion de la même cellule.Moreover, due to the design of the air circulation in the 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 larger sections of passage make it possible to reduce the losses of load. 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 invention is not limited to a system with a four-pallet machine whose operation has just been briefly described. In a first variant, a six-pallet machine can be used. The cells of such a machine reproduce exactly the same cycles as the machine just described. They allow a higher ratio between dead volume and maximum volume. In a configuration where the number of pallets is greater than or equal to six pallets, illustrated in FIG. 5, the machine is freed from the sealing devices 20 and 21 previously described (FIGS. 2a and 2b). In addition to a number greater than or equal to six pallets, the pressure difference between two adjacent cells is reduced, which limits the effect of acyclism seen by the tree. In return, the friction increases with the number of pallets. In a more general manner, it is understood that a compression / expansion machine corresponding to the invention comprises a body inside which is constituted a chamber and rotating means, advantageously connected to a rotary shaft 10, configured to divide the chamber in at least two cells which, rotating with the rotating means about the axis of the shaft, contract and expand at least twice on a turn. Furthermore, the chamber is provided with openings that are arranged so that, on a lathe, at least a first cold fluid compression step takes place by admission and expulsion during a first cycle of contraction / expansion of each cell. , and at least a second step of relaxing the hot fluid takes place by admission and expulsion during a second cycle of contraction / expansion of the same cell.
Dans certaines réalisations, le mouvement des différents moyens tournants autour de l’axe de l’arbre rotatif 10 peut être différent de celui des palettes dans la machine décrite ici. De façon avantageuse, ce mouvement reste cinématiquement lié à la rotation de l’arbre 10 qui récupère l’énergie de la machine 4.In some embodiments, the movement of the various rotating means about the axis of the rotary shaft 10 may be different from that of the pallets in the machine described herein. Advantageously, this movement remains kinematically linked to the rotation of the shaft 10 which recovers the energy of the machine 4.
Ainsi, d’autres variantes concernent l’utilisation de machines dites machines à ciseaux ou des machines utilisant la chambre d’un moteur Wankel. Dans tous ces cas, ces machines comportent des éléments tournants qui délimitent, dans une chambre fixe, des cellules dont la variation de volume, qui effectue deux oscillations entre un volume minimal et un volume maximal sur un tour, est utilisée pour effectuer les quatre temps évoqués plus haut, sur un tour. L’utilisation de ces machines volumétriques rotatives dans l’invention consiste à adapter les ouvertures de la chambre pour que le fluide utilise sur un tour deux temps pour l’étape de compression et deux temps pour l’étape de détente.Thus, other variants relate to the use of machines called scissors machines or machines using the chamber of a Wankel engine. In all these cases, these machines comprise rotating elements which delimit, in a fixed chamber, cells whose variation of volume, which effects two oscillations between a minimum volume and a maximum volume on a turn, is used to perform the four times mentioned above, on a tour. The use of these rotary volumetric machines in the invention consists in adapting the openings of the chamber so that the fluid uses in one turn two times for the compression step and two times for the expansion step.
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.In the context of an application to a vehicle propelled by a heat engine, 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. Furthermore, in a variant for the purpose of optimizing the efficiency, 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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