FR3055668A1 - MOTOR ASSEMBLY FOR MOTOR VEHICLE COMPRISING A THERMAL ENERGY RECOVERY DEVICE - Google Patents

MOTOR ASSEMBLY FOR MOTOR VEHICLE COMPRISING A THERMAL ENERGY RECOVERY DEVICE Download PDF

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Wissam Bou Nader
Toni Tahtouh
Olivier Guezet
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Peugeot Citroen Automobiles SA
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Abstract

L'invention concerne un ensemble moteur pour véhicule automobile comprenant un brûleur (3) de particules solides à brûler dans une chambre de combustion à volume fixe, la chambre de combustion étant reliée à une ligne (6) d'échappement des gaz de combustion et un système (5) de récupération des résidus solides issus de la combustion des particules, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de récupération d'énergie thermique dégagée par la combustion et de conversion de cette énergie récupérée en énergie électrique et/ ou mécanique.The invention relates to a motor assembly for a motor vehicle comprising a burner (3) of solid particles to be burned in a combustion chamber with a fixed volume, the combustion chamber being connected to a line (6) for exhausting the combustion gases and a system (5) for recovering solid residues resulting from the combustion of the particles, characterized in that it comprises a device for recovering thermal energy released by combustion and for converting this recovered energy into electrical and / or mechanical energy .

Description

Titulaire(s) : PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Société anonyme.Holder (s): PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Société anonyme.

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Mandataire(s) : PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Société anonyme.Agent (s): PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Public limited company.

ENSEMBLE MOTEUR POUR VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UN DISPOSITIF DE RECUPERATION D'ENERGIE THERMIQUE.MOTOR ASSEMBLY FOR A MOTOR VEHICLE COMPRISING A THERMAL ENERGY RECOVERY DEVICE.

FR 3 055 668 - A1 (5/y L'invention concerne un ensemble moteur pour véhicule automobile comprenant un brûleur (3) de particules solides à brûler dans une chambre de combustion à volume fixe, la chambre de combustion étant reliée à une ligne (6) d'échappement des gaz de combustion et un système (5) de récupération des résidus solides issus de la combustion des particules, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de récupération d'énergie thermique dégagée par la combustion et de conversion de cette énergie récupérée en énergie électrique et/ ou mécanique.FR 3 055 668 - A1 (5 / y The invention relates to an engine assembly for a motor vehicle comprising a burner (3) of solid particles to be burned in a combustion chamber with fixed volume, the combustion chamber being connected to a line ( 6) exhaust of combustion gases and a system (5) for recovering solid residues resulting from the combustion of particles, characterized in that it comprises a device for recovering thermal energy released by combustion and for converting this energy recovered into electrical and / or mechanical energy.

Figure FR3055668A1_D0001
Figure FR3055668A1_D0002

ENSEMBLE MOTEUR POUR VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UN DISPOSITIF DE RECUPERATION D’ENERGIE THERMIQUEMOTOR VEHICLE ASSEMBLY COMPRISING A THERMAL ENERGY RECOVERY DEVICE

La présente invention se rapporte se rapporte aux machines fonctionnant avec la combustion solide comme source chaude.The present invention relates to machines operating with solid combustion as a hot source.

La plupart des moteurs à combustion interne actuels utilisent un carburant liquide comprenant du carbone dont la combustion émet donc du CO2.Most current internal combustion engines use a liquid fuel comprising carbon, the combustion of which therefore emits CO 2 .

La combustion de particules solides dans un moteur est également connue par exemple du document US8100095B2 un moteur à piston utilisant la combustion de particules solides dans une chambre de combustion pour déplacer le piston et récupérer ainsi de l’énergie mécanique.The combustion of solid particles in an engine is also known, for example, from document US8100095B2, a piston engine using the combustion of solid particles in a combustion chamber to move the piston and thus recover mechanical energy.

La combustion de particules métalliques, comme détaillé dans l’article « Direct combustion of recyclable métal fuels for zero-carbon heat and power >> de la revue Applied Energy, 2015 est une solution évoquée pour produire une combustion sans émission de CO2, pour les véhicules automobiles.The combustion of metal particles, as detailed in the article "Direct combustion of recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power" of the journal Applied Energy, 2015 is a solution mentioned to produce combustion without emission of CO 2 , for motor vehicles.

Cependant la température adiabatique de combustion (de réaction d’oxydation) des particules solides, peut être supérieure (>2500°C)à celle des carburants conventionnels (essence, diesel, gaz naturel : ~2000°C), ce qui implique un rayonnement plus important vers les parois et en conséquence une importante perte d’énergie vers les parois, qui est perdue par transferts thermiques.However, the adiabatic combustion temperature (of the oxidation reaction) of solid particles can be higher (> 2500 ° C) than that of conventional fuels (petrol, diesel, natural gas: ~ 2000 ° C), which implies radiation more important towards the walls and consequently a significant loss of energy towards the walls, which is lost by heat transfers.

Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un ensemble moteur pour véhicule automobile comprenant un brûleur de particules solides à brûler dans une chambre de combustion à volume fixe, la chambre de combustion étant reliée à une ligne d’échappement des gaz de combustion et un système de récupération des résidus solides issus de la combustion des particules, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de récupération d’énergie thermique dégagée par la combustion et de conversion de cette énergie récupérée en énergie électrique et/ ou mécanique.To achieve this objective, there is provided according to the invention an engine assembly for a motor vehicle comprising a solid particle burner to be burned in a combustion chamber with fixed volume, the combustion chamber being connected to an exhaust line for the exhaust gases. combustion and a system for recovering solid residues resulting from the combustion of particles, characterized in that it comprises a device for recovering thermal energy released by combustion and for converting this recovered energy into electrical and / or mechanical energy.

Dans une variante, le dispositif de récupération d’énergie thermique comprend un convertisseur thermo-acoustique relié, pour sa source chaude, à un échangeur de chaleur disposé sur la ligne d’échappement et/ou sur le système de récupération des résidus solides et/ou sur le brûleur.In a variant, the device for recovering thermal energy comprises a thermo-acoustic converter connected, for its hot source, to a heat exchanger disposed on the exhaust line and / or on the system for recovering solid residues and / or on the burner.

Avantageusement, le dispositif de récupération d’énergie thermique est un dispositif à boucle de Rankine.Advantageously, the thermal energy recovery device is a Rankine loop device.

Avantageusement encore, le dispositif de récupération d’énergie thermique à boucle de Rankine est relié, pour sa source chaude, à un échangeur de chaleur disposé sur la ligne d’échappement et/ou sur le système de récupération des résidus solides et/ou sur le brûleur (3).Advantageously also, the Rankine loop thermal energy recovery device is connected, for its hot source, to a heat exchanger disposed on the exhaust line and / or on the solid residue recovery system and / or on the burner (3).

Dans une autre variante, le dispositif de récupération d’énergie thermique est un dispositif à cycle de Brayton.In another variant, the thermal energy recovery device is a Brayton cycle device.

Avantageusement, le dispositif de récupération d’énergie thermique à cycle de Brayton est relié, pour sa source chaude, à un échangeur de chaleur disposé sur la ligne d’échappement et/ou sur le système de récupération des résidus solides et/ou sur le brûleur.Advantageously, the Brayton cycle thermal energy recovery device is connected, for its hot source, to a heat exchanger disposed on the exhaust line and / or on the solid residue recovery system and / or on the burner.

Avantageusement encore, l’ensemble moteur comprend deux étages de compression et un refroidisseur intermédiaire entre les deux étages de compression.Advantageously again, the engine assembly comprises two compression stages and an intermediate cooler between the two compression stages.

Dans une autre variante, le dispositif de récupération d’énergie thermique est une machine Stirling comprenant une tête chaude reliée, à un échangeur de chaleur disposé sur la ligne d’échappement et/ou sur au système de récupération des résidus solides et/ou au brûleur.In another variant, the thermal energy recovery device is a Stirling machine comprising a hot head connected to a heat exchanger disposed on the exhaust line and / or to the solid residue recovery system and / or to the burner.

Avantageusement, la machine Stirling comprend un régénérateur externe pour chauffer l’air admis dans le brûleur, ce régénérateur externe étant relié thermiquement à l’échangeur de chaleur disposé sur la ligne d’échappement.Advantageously, the Stirling machine comprises an external regenerator for heating the air admitted into the burner, this external regenerator being thermally connected to the heat exchanger disposed on the exhaust line.

Avantageusement encore, la machine Stirling comprend une tête chaude à plusieurs étages, chaque étage étant relié indépendamment à une des sources chaudes que sont l’échangeur de chaleur disposé sur la ligne d’échappement, le système de récupération des résidus solides, le brûleur.Advantageously also, the Stirling machine comprises a multi-stage hot head, each stage being independently connected to one of the hot sources that are the heat exchanger disposed on the exhaust line, the solid residue recovery system, the burner.

D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles :Other particularities and advantages will appear on reading the description below of a particular embodiment, without limitation of the invention, made with reference to the figures in which:

- La figure 1 est une représentation schématique d’un premier mode de réalisation de l’invention.- Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of the invention.

- La figure 2 est une représentation schématique d’une variante du premier mode de réalisation.- Figure 2 is a schematic representation of a variant of the first embodiment.

- La figure 3 est une représentation schématique d’un autre mode de réalisation de l’invention.- Figure 3 is a schematic representation of another embodiment of the invention.

- La figure 4 est une représentation schématique d’une variante du mode de réalisation illustré en figure 3.- Figure 4 is a schematic representation of a variant of the embodiment illustrated in Figure 3.

- La figure 5 est une représentation schématique d’une autre variante du mode de réalisation illustré en figure 3.- Figure 5 is a schematic representation of another variant of the embodiment illustrated in Figure 3.

- La figure 6 est une représentation schématique d’un autre mode de réalisation.- Figure 6 is a schematic representation of another embodiment.

- La figure 7 est une représentation schématique d’une variante du mode de réalisation illustré en figure 6.- Figure 7 is a schematic representation of a variant of the embodiment illustrated in Figure 6.

- La figure 8 est une représentation schématique d’une autre variante du mode de réalisation illustré en figure 6.- Figure 8 is a schematic representation of another variant of the embodiment illustrated in Figure 6.

- La figure 9 est une représentation schématique d’un autre mode de réalisation.- Figure 9 is a schematic representation of another embodiment.

- La figure 10 est une représentation schématique d’une variante du mode de réalisation illustré en figure 9.- Figure 10 is a schematic representation of a variant of the embodiment illustrated in Figure 9.

- La figure 11 est une représentation schématique d’une autre variante du mode de réalisation illustré en figure 9.- Figure 11 is a schematic representation of another variant of the embodiment illustrated in Figure 9.

La figure 1 présente un premier mode de réalisation d’ensemble moteur selon l’invention. Un tel ensemble est basé sur la combustion de particules solides ne contenant pas de carbone. En conséquence, cette réaction de combustion ne produit pas de CO2. Un tel ensemble peut convenir à la motorisation de véhicules pour permettre leur déplacement, dont les émissions autorisées de CO2 sont de plus en plus restreintes.FIG. 1 shows a first embodiment of the engine assembly according to the invention. Such an assembly is based on the combustion of solid particles not containing carbon. Consequently, this combustion reaction does not produce CO 2 . Such an assembly may be suitable for the motorization of vehicles to allow their movement, whose authorized CO 2 emissions are more and more restricted.

L’air 1 et les particules solides 2 sont pré-mélangés pour ensuite brûler dans la chambre de combustion d’un brûleur 3. A la différence d’une combustion réalisée dans la chambre de combustion d’un moteur à combustion interne dont le volume varie en fonction du cycle, le brûleur 3 possède une chambre de combustion à volume fixe.The air 1 and the solid particles 2 are premixed and then burn in the combustion chamber of a burner 3. Unlike a combustion carried out in the combustion chamber of an internal combustion engine whose volume varies depending on the cycle, the burner 3 has a combustion chamber with fixed volume.

La quantité d’air dans le brûleur et donc la puissance de l’ensemble moteur peut être augmentée par l’usage d’un compresseur 4 d’air. Ce compresseur 4 a aussi pour fonction de vaincre les pertes de charge dans les différents composants.The amount of air in the burner and therefore the power of the engine assembly can be increased by the use of an air compressor 4. This compressor 4 also has the function of overcoming the pressure drops in the various components.

Un apport d’énergie extérieur permet d’amorcer la réaction d’oxydation du combustible solide. Cette réaction d’oxydation est une réaction exothermique et donc libère de l’énergie sous forme de la chaleur. Plusieurs paramètres permettent de contrôler la puissance du brûleur : Le débit d’air, le débit des particules solides, les conditions thermodynamique dans la chambre de combustion (pression, température), la géométrie du brûleur et de la chambre de combustion. En sortie de la chambre de combustion, le mélange passe par un système 5 de récupération des résidus solides issus de la combustion des particules qui permet la séparation des produits d’oxydation sous forme de particules solides et la partie gazeuse (air chaud et autres produits d’oxydation sous forme gazeuse) et la collecte dans un réservoir des résidus solides tandis que les gaz chauds continuent leur chemin dans une ligne 6 d’échappement.An external energy supply initiates the oxidation reaction of the solid fuel. This oxidation reaction is an exothermic reaction and therefore releases energy in the form of heat. Several parameters make it possible to control the power of the burner: The air flow, the flow of solid particles, the thermodynamic conditions in the combustion chamber (pressure, temperature), the geometry of the burner and of the combustion chamber. At the outlet of the combustion chamber, the mixture passes through a system 5 for recovering the solid residues resulting from the combustion of the particles which allows the separation of the oxidation products in the form of solid particles and the gaseous part (hot air and other products oxidation in gaseous form) and the collection in a tank of solid residues while the hot gases continue their way in an exhaust line 6.

Dans ce premier mode de réalisation, l’énergie thermique dégagée par la combustion des particules solides est récupérée par un convertisseur thermo-acoustique 7 pour être convertie en énergie électrique ou mécanique.In this first embodiment, the thermal energy released by the combustion of solid particles is recovered by a thermo-acoustic converter 7 to be converted into electrical or mechanical energy.

Le principe du convertisseur thermo-acoustique est le suivant : un gaz sous pression confiné dans un tube 8 est excité, on applique donc une puissance acoustique à l’entrée We. Les particules de gaz passent dans une structure poreuse 9 chauffée d’un côté 10 et refroidi de l’autre coté 11 et encore désignée « stack >> en anglais ou encore régénérateur. La particule de gaz décrit alors un cycle thermodynamique et l’onde acoustique appliquée à l’entrée sera amplifiée (Wac > We) par l’effet de la température. Cette onde amplifiée sera à son tour transformée en électricité ou en énergie mécanique par un convertisseur 12 approprié. La transformation en énergie mécanique peut être réalisée par une turbine bidirectionnelle. La transformation en énergie électrique peut être réalisée un dispositif électroacoustique.The principle of the thermal-acoustic converter is as follows: a pressurized gas confined in a tube 8 is excited, so an acoustic power is applied to the input We. The gas particles pass through a porous structure 9 heated on one side 10 and cooled on the other side 11 and also designated "stack" in English or also regenerative. The gas particle then describes a thermodynamic cycle and the acoustic wave applied to the input will be amplified (Wac> We) by the effect of temperature. This amplified wave will in turn be transformed into electricity or mechanical energy by an appropriate converter 12. The transformation into mechanical energy can be carried out by a bidirectional turbine. The transformation into electrical energy can be achieved by an electroacoustic device.

Les sources chaudes sont ici les endroits par lequel l’ensemble moteur perd de l’énergie : le brûleur 3 avec des pertes aux parois, le dispositif 5 de récupération en raison de la température élevée des particules oxydées et la ligne 6 d’échappement traversée par les gaz chauds de combustion.The hot springs are here the places through which the engine assembly loses energy: the burner 3 with losses at the walls, the device 5 for recovery due to the high temperature of the oxidized particles and the exhaust line 6 crossed by hot combustion gases.

Dans ce mode de réalisation, afin de réaliser le transfert de chaleur des gaz d’échappement vers le coté 10 chaud de la structure 9 du convertisseur 7 thermoacoustique, l’ensemble moteur comprend une première boucle d’échange thermique 13 à l’intérieur de laquelle circule un fluide caloporteur. Une pompe peut être prévue pour assister la circulation du fluide à l’intérieur de cette boucle d’échange thermique 13.In this embodiment, in order to carry out the heat transfer from the exhaust gases to the hot side 10 of the structure 9 of the thermoacoustic converter 7, the engine assembly comprises a first heat exchange loop 13 inside which circulates a heat transfer fluid. A pump can be provided to assist the circulation of the fluid inside this heat exchange loop 13.

Afin de réaliser l’évacuation de chaleur du coté 11 froid de la structure 9 du convertisseur 7 thermo-acoustique, l’ensemble moteur comprend une seconde boucle d’échange thermique 14 à l’intérieur de laquelle circule un fluide caloporteur. Une pompe peut également être prévue pour assister la circulation du fluide à l’intérieur de cette boucle d’échange thermique 14.In order to carry out the heat dissipation from the cold side 11 of the structure 9 of the thermo-acoustic converter 7, the motor assembly comprises a second heat exchange loop 14 inside which circulates a heat transfer fluid. A pump can also be provided to assist the circulation of the fluid inside this heat exchange loop 14.

Un premier échangeur thermique 15 est disposé dans la boucle d’échange thermique 13, en contact thermique avec la ligne 6 d’échappement comme source chaude de sorte à capter les calories véhiculées par les gaz d’échappement pour les transférer au fluide caloporteur. Ce premier échangeur thermique 15 destiné à transférer la chaleur de la ligne d’échappement vers le fluide caloporteur. Cette boucle d’échange thermique 13 peut se présenter sous la forme d’un caloduc.A first heat exchanger 15 is disposed in the heat exchange loop 13, in thermal contact with the exhaust line 6 as a hot source so as to capture the calories conveyed by the exhaust gases to transfer them to the heat transfer fluid. This first heat exchanger 15 intended to transfer heat from the exhaust line to the heat transfer fluid. This heat exchange loop 13 can be in the form of a heat pipe.

Un second échangeur thermique 16 est disposé dans la boucle d’échange thermique 13, en contact thermique avec le coté 3 chaud de la structure 9 poreuse du convertisseur thermo-acoustique de sorte à restituer les calories véhiculées par le fluide caloporteur au côté 3 chaud. Il sert à chauffer le gaz excité, pour amplifier l’onde acoustique.A second heat exchanger 16 is disposed in the heat exchange loop 13, in thermal contact with the hot side 3 of the porous structure 9 of the thermal-acoustic converter so as to restore the calories conveyed by the heat transfer fluid to the hot side 3. It is used to heat the excited gas, to amplify the acoustic wave.

Un troisième échangeur thermique 17 est disposé dans la seconde boucle d’échange thermique 14, en contact thermique avec le côté 4 froid à refroidir de sorte à en capter les calories non transformée en travail utile pour les transférer au fluide caloporteur.A third heat exchanger 17 is arranged in the second heat exchange loop 14, in thermal contact with the cold side 4 to be cooled so as to capture the calories not transformed into useful work to transfer them to the heat transfer fluid.

Un quatrième échangeur thermique 18 est disposé dans la seconde boucle d’échange thermique 14, en contact thermique avec une circulation de liquide de refroidissement ou d’air ambiant comme source froide de sorte à évacuer les calories véhiculées par le fluide caloporteur par cette source froide.A fourth heat exchanger 18 is disposed in the second heat exchange loop 14, in thermal contact with a circulation of coolant or ambient air as a cold source so as to evacuate the calories conveyed by the heat transfer fluid by this cold source .

Afin d’améliorer la récupération d’énergie des gaz chauds traversant la ligne 6 d’échappement, on peut prévoir au moins un autre module 9a dont le côté chaud 10a est relié par une boucle d’échange thermique 13a à la ligne 6 d’échappement. L’échangeur thermique captant les calories véhiculées par les gaz d’échappement pour les transférer au fluide caloporteur peut être commun au premier échangeur thermique 15. Le côté froid 11a est relié par une boucle d’échange thermique 14a à la source froide. L’échangeur thermique évacuant les calories véhiculées par le fluide caloporteur par cette source froide peut être commun au quatrième échangeur thermique 18.In order to improve the recovery of energy from the hot gases passing through the exhaust line 6, at least one other module 9a can be provided, the hot side 10a of which is connected by a heat exchange loop 13a to the line 6 of exhaust. The heat exchanger capturing the calories conveyed by the exhaust gases to transfer them to the heat transfer fluid may be common to the first heat exchanger 15. The cold side 11a is connected by a heat exchange loop 14a to the cold source. The heat exchanger evacuating the calories conveyed by the heat transfer fluid by this cold source may be common to the fourth heat exchanger 18.

Afin d’améliorer encore la récupération d’énergie, on peut prévoir au moins un autre module 9b dont le côté chaud 10b est relié par une boucle d’échange thermique 13b au système 5 de récupération des résidus solides. Le côté froid 11b est relié par une boucle d’échange thermique 14b à la source froide. L’échangeur thermique évacuant les calories véhiculées par le fluide caloporteur par cette source froide peut être commun au quatrième échangeur thermique 18.In order to further improve energy recovery, at least one other module 9b can be provided, the hot side 10b of which is connected by a heat exchange loop 13b to the system 5 for recovering solid residues. The cold side 11b is connected by a heat exchange loop 14b to the cold source. The heat exchanger evacuating the calories conveyed by the heat transfer fluid by this cold source may be common to the fourth heat exchanger 18.

Afin d’améliorer encore la récupération d’énergie, on peut prévoir au moins un autre module 9c dont le côté chaud 10c est relié par une boucle d’échange thermique 13c au brûleur 5. Le côté froid 11c est relié par une boucle d’échange thermique 14c à la source froide. L’échangeur thermique évacuant les calories véhiculées par le fluide caloporteur par cette source froide peut être commun au quatrième échangeur thermique 18.In order to further improve energy recovery, at least one other module 9c can be provided, the hot side 10c of which is connected by a heat exchange loop 13c to the burner 5. The cold side 11c is connected by a loop of heat exchange 14c at the cold source. The heat exchanger evacuating the calories conveyed by the heat transfer fluid by this cold source may be common to the fourth heat exchanger 18.

La figure 2 présente une variante du précédent mode de réalisation dans laquelle les deux structures 9b et 9c sont remplacées par une seule structure 9d dont le côté chaud 10d est relié par une boucle d’échange thermique 13d passant en série par le brûleur 3 et le système 5 de récupération des résidus solides. Cette variante, plus économique, permet de récupérer à la fois l’énergie du rayonnement sur les parois de la chambre de combustion du brûleur mais aussi l’énergie des résidus solides. Le côté froid 11d est relié par une boucle d’échange thermique 14d à la source froide. L’échangeur thermique évacuant les calories véhiculées par le fluide caloporteur par cette source froide peut être commun au quatrième échangeur thermique 18.FIG. 2 shows a variant of the previous embodiment in which the two structures 9b and 9c are replaced by a single structure 9d whose hot side 10d is connected by a heat exchange loop 13d passing in series through the burner 3 and the solid residue recovery system 5. This more economical variant makes it possible to recover both the energy of the radiation on the walls of the combustion chamber of the burner but also the energy of solid residues. The cold side 11d is connected by a heat exchange loop 14d to the cold source. The heat exchanger evacuating the calories conveyed by the heat transfer fluid by this cold source may be common to the fourth heat exchanger 18.

La figure 3 présente un autre mode de réalisation d’ensemble moteur selon l’invention. Dans ce nouveau mode de réalisation, l’énergie thermique dégagée par la combustion des particules solides est récupérée cette fois par un dispositif à boucle thermodynamique de Rankine.FIG. 3 shows another embodiment of the engine assembly according to the invention. In this new embodiment, the thermal energy released by the combustion of solid particles is recovered this time by a Rankine thermodynamic loop device.

Dans ce mode de réalisation, le dispositif de récupération d’énergie à boucle de Rankine comprend une boucle d’échange thermique 20 à l’intérieur de laquelle circule un fluide de travail. Un échangeur thermique 15, encore nommée évaporateur, est disposé dans la boucle d’échange thermique 20, en contact thermique avec la ligne 6 d’échappement comme source chaude de sorte à capter les calories véhiculées par les gaz chauds pour les transférer au fluide de travail.In this embodiment, the Rankine loop energy recovery device comprises a heat exchange loop 20 inside which a working fluid circulates. A heat exchanger 15, also called an evaporator, is disposed in the heat exchange loop 20, in thermal contact with the exhaust line 6 as a hot source so as to capture the calories conveyed by the hot gases to transfer them to the fluid of job.

A partir de l’échangeur thermique 5, selon un sens d’écoulement du fluide 7 à l’intérieur de la boucle d’échange thermique 20, le dispositif de récupération d’énergie comprend encore un organe 21 de détente apte à transformer de l’énergie provenant de la détente du fluide en couple mécanique vers les roues du véhicule ou pour entraîner une génératrice pour produire de l’électricité, un condenseur 22 à l’intérieur duquel le fluide se condense et une pompe 23 pour mettre en circulation le fluide à l’intérieur de la boucle d’échange thermique 20.From the heat exchanger 5, in a direction of flow of the fluid 7 inside the heat exchange loop 20, the energy recovery device further comprises an expansion member 21 capable of transforming the energy from the expansion of the fluid in mechanical torque to the wheels of the vehicle or to drive a generator to produce electricity, a condenser 22 inside which the fluid condenses and a pump 23 to circulate the fluid inside the heat exchange loop 20.

Afin d’améliorer encore la récupération d’énergie, on peut prévoir une autre boucle d’échange thermique 20’, indépendante de la précédente boucle d’échange thermique 20, et dont la source chaude est le système 5 de récupération des résidus solides. La boucle d’échange thermique 20’ comprend son propre organe 21’ de détente, condenseur 22’ et pompe 23’.In order to further improve energy recovery, one can provide another heat exchange loop 20 ′, independent of the previous heat exchange loop 20, and the hot source of which is the system 5 for recovering solid residues. The 20 ’heat exchange loop includes its own expansion 21’, condenser 22 ’and pump 23’.

Afin d’améliorer encore la récupération d’énergie, on peut prévoir une autre boucle d’échange thermique 20”, indépendante des précédente boucles d’échange thermique 20, 20’ et dont la source chaude est le brûleur 3. La boucle d’échange thermique 20” comprend son propre organe 21” de détente, condenseur 22” et pompe 23”. Les fluides de travail dans les différentes boucles de Rankine ne sont pas nécessairement les mêmes. Les fluides de travail peuvent être adaptés au niveau de température dans les différentes branches afin d’améliorer le rendement.In order to further improve energy recovery, we can provide another heat exchange loop 20 ”, independent of the previous heat exchange loops 20, 20 'and whose hot source is the burner 3. The heat loop 20 ”heat exchange includes its own 21” expansion valve, 22 ”condenser and 23” pump. The working fluids in the different Rankine loops are not necessarily the same. The working fluids can be adapted to the temperature level in the different branches in order to improve the yield.

La figure 4 présente une variante du précédent mode de réalisation dans laquelle les deux boucles d’échange thermique 20’, 20” sont remplacées par une seule boucle d’échange thermique 20a dont la source chaude est un passage en série par le brûleur 3 et le système 5 de récupération des résidus solides. Cette boucle d’échange thermique 20a comprend son propre organe 21 a de détente, condenseur 22a et pompe 23a.FIG. 4 presents a variant of the previous embodiment in which the two heat exchange loops 20 ′, 20 ”are replaced by a single heat exchange loop 20a whose hot source is a passage in series by the burner 3 and the solid residue recovery system 5. This heat exchange loop 20a includes its own expansion member 21a, condenser 22a and pump 23a.

La figure 5 présente une autre variante du mode de réalisation présenté en figure 3 dans laquelle les trois boucles d’échanges 20, 20’, 20” sont remplacées par une unique boucle d’échange thermique 20b dont la source chaude est constitué d’un passage en série par le brûleur, le système 5 de récupération des résidus solides et l’échangeur 15 thermique 15, en contact thermique avec la ligne 6 d’échappement. Cette boucle d’échange thermique 20b comprend son propre organe 21b de détente, condenseur 22b et pompe 23b.FIG. 5 presents another variant of the embodiment presented in FIG. 3 in which the three exchange loops 20, 20 ′, 20 ”are replaced by a single heat exchange loop 20b, the hot source of which consists of a passage in series through the burner, the system 5 for recovering solid residues and the heat exchanger 15, in thermal contact with the exhaust line 6. This heat exchange loop 20b includes its own expansion member 21b, condenser 22b and pump 23b.

La figure 6 présente un autre mode de réalisation d’ensemble moteur selon l’invention. Dans ce nouveau mode de réalisation, l’énergie thermique dégagée par la combustion des particules solides est récupérée cette fois par un dispositif à boucle thermodynamique de Brayton.FIG. 6 shows another embodiment of the engine assembly according to the invention. In this new embodiment, the thermal energy released by the combustion of solid particles is recovered this time by a Brayton thermodynamic loop device.

Le cycle de Brayton est une technologie qui utilise un fluide de travail gaz (par exemple de l’air si la boucle est ouverte, c’est-à-dire sans condenseur) pour produire de l’énergie. Le cycle est constitué d’un compresseur qui comprime le gaz, donc augmente sa température et sa pression. Le gaz comprimé passe dans un échangeur de chaleur qui échange avec une source chaude et subit un ajout de chaleur à pression constante, ce qui va augmenter sa pression et sa température, donc son enthalpie. Le gaz passe ensuite dans une turbine, productrice de travail. Une partie du travail mécanique récupérée servira a entraîné le compresseur, le reste servira pour entraîner un générateur électrique pour produire de l’électricité.The Brayton cycle is a technology that uses a working gas gas (e.g. air if the loop is open, i.e. without condenser) to produce energy. The cycle consists of a compressor which compresses the gas, thus increasing its temperature and pressure. The compressed gas passes through a heat exchanger which exchanges with a hot source and undergoes heat addition at constant pressure, which will increase its pressure and its temperature, therefore its enthalpy. The gas then passes through a work-producing turbine. Part of the recovered mechanical work will be used to drive the compressor, the rest will be used to drive an electric generator to generate electricity.

Dans ce mode de réalisation, le dispositif de récupération d’énergie à cycle de Brayton comprend une boucle d’échange thermique 30 à l’intérieur de laquelle circule le gaz de travail. La boucle de Brayton est ici ouverte, sans condenseur. Le dispositif de récupération d’énergie comprend un compresseur 33 qui comprime le gaz. L’air en sortie du compresseur 33 échange, avec comme première source chaude, le système 5 de récupération des résidus solides, puis avec comme seconde source chaude, le brûleur 3 et enfin comme troisième source chaude avec l’échangeur 15 thermique de la ligne 6 d’échappement. En sortie de l’échangeur 15 thermique l’air chauffé réalise une expansion dans la turbine 31 en produisant un travail, donc un couple mécanique qui sera renvoyé aux pneus où bien entraîne un générateur électrique. Le reste de l’énergie qui n’a pas pu être transformé en travail utile, sera évacuée vers l’extérieur à la sortie de la turbine 31.In this embodiment, the Brayton cycle energy recovery device comprises a heat exchange loop 30 inside which the working gas circulates. The Brayton loop is here open, without condenser. The energy recovery device comprises a compressor 33 which compresses the gas. The air at the outlet of the compressor 33 exchanges, with the first hot source, the system 5 for recovering solid residues, then with the second hot source, the burner 3 and finally as the third hot source with the heat exchanger 15 of the line. 6 exhaust. At the outlet of the heat exchanger 15, the heated air expands in the turbine 31 by producing work, therefore a mechanical torque which will be returned to the tires where well an electric generator is driven. The rest of the energy which could not be transformed into useful work will be evacuated outside at the outlet of turbine 31.

La figure 7 présente une variante du précédent mode de réalisation. Cette variante diffère du précédent mode de réalisation en ce que le dispositif de récupération d’énergie à cycle de Brayton comprend deux étages de compression avec un deuxième compresseur 33a, et un refroidisseur 34 intermédiaire. L’intérêt de mettre deux étages de compression avec un refroidissement intermédiaire est de mieux récupérer l’énergie disponible ce qui permet d’optimiser le rendement global et de réduire le travail de compression, donc d’améliorer le travail total net.FIG. 7 presents a variant of the previous embodiment. This variant differs from the previous embodiment in that the Brayton cycle energy recovery device comprises two compression stages with a second compressor 33a, and an intermediate cooler 34. The advantage of using two stages of compression with intermediate cooling is to better recover the energy available, which makes it possible to optimize the overall efficiency and reduce the compression work, thus improving the total net work.

La figure 8 présente une autre variante du mode de réalisation présenté en figure 6 dans laquelle la boucle d’échange thermique 30a dispose de deux étages de compression avec un deuxième compresseur 33a, et un refroidisseur 34 intermédiaire et on récupère en premier lieu l’énergie au niveau du brûleur 3, puis l’énergie au niveau du système 5 de récupération des résidus solides, puis au niveau de 'échangeur 15 thermique de la ligne 6 d’échappement. Le choix de l’ordre de passage des sources chaudes est fonction de leurs niveaux de température.FIG. 8 presents another variant of the embodiment presented in FIG. 6 in which the heat exchange loop 30a has two compression stages with a second compressor 33a, and an intermediate cooler 34 and the energy is recovered first. at the level of the burner 3, then the energy at the level of the system 5 for recovering solid residues, then at the level of the heat exchanger 15 of the exhaust line 6. The choice of the order of passage of the hot springs depends on their temperature levels.

La figure 9 présente un autre mode de réalisation d’ensemble moteur selon l’invention. Dans ce nouveau mode de réalisation, l’énergie thermique dégagée par la combustion des particules solides est récupérée cette fois par une machine Stirling 40.FIG. 9 shows another embodiment of the engine assembly according to the invention. In this new embodiment, the thermal energy released by the combustion of solid particles is recovered this time by a Stirling 40 machine.

Dans ce mode de réalisation, la machine Stirling 40 comprend une tête chaude reliée, en source chaude, à l’échangeur 15 de chaleur de la ligne 6 d’échappement. Elle pourrait également être reliée en source chaude, seul ou en combinaison avec le brûleur 3 et / ou le système 5 de récupération des résidus solides.In this embodiment, the Stirling 40 machine comprises a hot head connected, as a hot source, to the heat exchanger 15 of the exhaust line 6. It could also be connected to a hot source, alone or in combination with the burner 3 and / or the system 5 for recovering solid residues.

La figure 10 présente une variante du précédent mode de réalisation. Cette variante diffère du précédent mode de réalisation en ce que la tête chaude 42 de la machine Stirling 40 est reliée, pour sa source chaude, à l’échangeur 15 de chaleur de la ligne 6 d’échappement, au brûleur 3 et au système 5 de récupération des résidus solides. Cette variante diffère encore du précédent mode de réalisation en ce que la machine Stirling 40 comprend un régénérateur 41 externe relié à l’échangeur 15 pour chauffer l’air destiné à entrer dans le brûleur 3, ce qui permet de réduire l’apport de chaleur dans ma chambre de combustion et donc la consommation en carburant solide. Dans cette variante le régénérateur 41 est en amont du compresseur 4 d’air d’admission, mais dans une variante non représentée, ce régénérateur 41 pourrait être relié à l’échangeur 15, tout en étant disposé entre le compresseur 4 et l’entrée du brûleur 3.FIG. 10 presents a variant of the previous embodiment. This variant differs from the previous embodiment in that the hot head 42 of the Stirling machine 40 is connected, for its hot source, to the heat exchanger 15 of the exhaust line 6, to the burner 3 and to the system 5 solid residue recovery. This variant still differs from the previous embodiment in that the Stirling machine 40 comprises an external regenerator 41 connected to the exchanger 15 to heat the air intended to enter the burner 3, which makes it possible to reduce the supply of heat. in my combustion chamber and therefore the solid fuel consumption. In this variant the regenerator 41 is upstream of the intake air compressor 4, but in a variant not shown, this regenerator 41 could be connected to the exchanger 15, while being disposed between the compressor 4 and the inlet of the burner 3.

La figure 11 présente une autre variante du mode de réalisation présenté en figure 9. Dans cette variante, la tête chaude de la machine Stirling 40 comprend plusieurs étages, ici trois, 42a, 42b et 42c, chacun étant relié indépendamment à l’une des trois sources chaudes constituées par le brûleur 3, le système 5 de récupération des résidus solides, l’échangeur 5 de chaleur de la ligne 6 d’échappement. Avoir une tête chaude à plusieurs étages permet d’apporter de la chaleur à plusieurs niveaux de température différents sur la machine Stirling 40, ce qui évite de mixer les trois sources en amont et de perdre un potentiel de travail.FIG. 11 shows another variant of the embodiment presented in FIG. 9. In this variant, the hot head of the Stirling machine 40 comprises several stages, here three, 42a, 42b and 42c, each one being independently connected to one of the three hot springs constituted by the burner 3, the system 5 for recovering solid residues, the heat exchanger 5 of the exhaust line 6. Having a multi-stage hot head makes it possible to bring heat at several different temperature levels to the Stirling 40 machine, which avoids mixing the three sources upstream and losing work potential.

L’invention ne se limite pas aux exemples décrits. En variante, d’autres combinaisons 5 reliant le dispositif de récupération thermique aux sources chaudes que sont le brûleur 3, le système 5 de récupération d’énergie et l’échangeur 15 thermique peuvent être envisagées.The invention is not limited to the examples described. As a variant, other combinations 5 connecting the heat recovery device to the hot sources that are the burner 3, the energy recovery system 5 and the heat exchanger 15 can be envisaged.

Cette invention permet de maximiser le rendement global d’un convertisseur 10 thermodynamique fonctionnant avec des particules solides.This invention maximizes the overall efficiency of a thermodynamic converter 10 operating with solid particles.

Claims (10)

RevendicationsClaims 1. Ensemble moteur pour véhicule automobile comprenant un brûleur (3) de particules solides à brûler dans une chambre de combustion à volume fixe, la chambre de combustion étant reliée à une ligne (6) d’échappement des gaz de combustion et un système (5) de récupération des résidus solides issus de la combustion des particules, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif (7) de récupération d’énergie thermique dégagée par la combustion et de conversion de cette énergie récupérée en énergie électrique et/ ou mécanique.1. Engine assembly for a motor vehicle comprising a burner (3) of solid particles to be burned in a combustion chamber with fixed volume, the combustion chamber being connected to a line (6) for exhausting the combustion gases and a system ( 5) for recovering solid residues from the combustion of particles, characterized in that it comprises a device (7) for recovering thermal energy released by combustion and for converting this recovered energy into electrical and / or mechanical energy . 2. Ensemble moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d’énergie thermique comprend un convertisseur (7) thermo-acoustique relié, pour sa source chaude, à un échangeur (15) de chaleur disposé sur la ligne (6) d’échappement et/ou sur le système (5) de récupération des résidus solides et/ou sur le brûleur (3).2. Motor assembly according to claim 1, characterized in that the thermal energy recovery device comprises a thermo-acoustic converter (7) connected, for its hot source, to a heat exchanger (15) arranged on the line ( 6) exhaust and / or on the system (5) for recovering solid residues and / or on the burner (3). 3. Ensemble moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d’énergie thermique est un dispositif à boucle de Rankine (20, 20’, 20”).3. Motor assembly according to claim 1, characterized in that the thermal energy recovery device is a Rankine loop device (20, 20 ’, 20”). 4. Ensemble moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d’énergie thermique à boucle de Rankine est relié, pour sa source chaude, à un échangeur (15) de chaleur disposé sur la ligne (6) d’échappement et/ou sur le système (5) de récupération des résidus solides et/ou sur le brûleur (3).4. Motor assembly according to claim 3, characterized in that the Rankine loop thermal energy recovery device is connected, for its hot source, to a heat exchanger (15) disposed on the line (6) of exhaust and / or on the solid residue recovery system (5) and / or on the burner (3). 5. Ensemble moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d’énergie thermique est un dispositif à cycle de Brayton (30).5. Motor assembly according to claim 1, characterized in that the thermal energy recovery device is a Brayton cycle device (30). 6. Ensemble moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d’énergie thermique à cycle de Brayton (30) est relié, pour sa source chaude, à un échangeur (15) de chaleur disposé sur la ligne (6) d’échappement et/ou sur le système (5) de récupération des résidus solides et/ou sur le brûleur (3).6. Motor assembly according to claim 5, characterized in that the Brayton cycle thermal energy recovery device (30) is connected, for its hot source, to a heat exchanger (15) disposed on the line (6 ) exhaust and / or on the solid residue recovery system (5) and / or on the burner (3). 7. Ensemble moteur selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce qu’il comprend deux étages de compression (33, 33a) et un refroidisseur (34) intermédiaire entre les deux étages de compression (33, 33a).7. Motor assembly according to claim 5 or claim 6, characterized in that it comprises two compression stages (33, 33a) and a cooler (34) intermediate between the two compression stages (33, 33a). 8. Ensemble moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de récupération d’énergie thermique est une machine Stirling (40) comprenant une tête chaude (42) reliée, à un échangeur (15) de chaleur disposé sur la ligne (6) d’échappement et/ou sur au système (5) de récupération des résidus solides et/ou au brûleur (3).8. An engine assembly according to claim 1, characterized in that the thermal energy recovery device is a Stirling machine (40) comprising a hot head (42) connected to a heat exchanger (15) disposed on the line ( 6) exhaust and / or to the system (5) for recovering solid residues and / or to the burner (3). 9. Ensemble moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la machine Stirling (40) comprend un régénérateur (41) externe pour chauffer l’air admis dans le brûleur, ce9. Engine assembly according to claim 8, characterized in that the Stirling machine (40) comprises an external regenerator (41) for heating the air admitted into the burner, this 5 régénérateur (41) externe étant relié thermiquement à l’échangeur (15) de chaleur disposé sur la ligne (6) d’échappement.5 external regenerator (41) being thermally connected to the heat exchanger (15) arranged on the exhaust line (6). 10. Ensemble moteur selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce que la machine Stirling (40) comprend une tête chaude à plusieurs étages, chaque étage (42a, 42b, 42c) étant relié indépendamment à une des sources chaudes que sont10. Engine assembly according to claim 8 or claim 9, characterized in that the Stirling machine (40) comprises a hot head with several stages, each stage (42a, 42b, 42c) being independently connected to one of the hot sources that are 10 l’échangeur (15) de chaleur disposé sur la ligne (6) d’échappement, le système (5) de récupération des résidus solides, le brûleur (3).10 the heat exchanger (15) disposed on the exhaust line (6), the system (5) for recovering solid residues, the burner (3). 1/51/5
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