FR3057299A1 - Ensemble de motorisation a boucle de rankine - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un ensemble de motorisation comprenant : - un moteur (1) à combustion interne équipé d'un circuit de refroidissement destiné recevoir un liquide de refroidissement, une partie (2) de ce circuit de refroidissement étant interne au dit moteur (1), - une boucle de Rankine utilisant un fluide de travail et comprenant un échangeur (11) dit chaud entre le fluide de travail et le liquide de refroidissement du circuit de refroidissement comme source chaude, caractérisé en ce qu'il comprend de plus : - des moyens de refroidissement de gaz d'échappement recirculés du moteur comportant une entrée (E5) de liquide de refroidissement reliée à la sortie du circuit interne (2) et une sortie de liquide de refroidissement (S5) reliée à l'entrée (E11) de liquide de refroidissement de l'échangeur (11) chaud.

Description

Titulaire(s) : PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Société anonyme.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Société anonyme.
(04; ENSEMBLE DE MOTORISATION a BOUCLE DE RANKINE.
FR 3 057 299 - A1
L'invention concerne un ensemble de motorisation comprenant:
- un moteur (1) à combustion interne équipé d'un circuit de refroidissement destiné recevoir un liquide de refroidissement, une partie (2) de ce circuit de refroidissement étant interne au dit moteur (1),
- une boucle de Rankine utilisant un fluide de travail et comprenant un échangeur (11 ) dit chaud entre le fluide de travail et le liquide de refroidissement du circuit de refroidissement comme source chaude, caractérisé en ce qu'il comprend de plus:
- des moyens de refroidissement de gaz d'échappement recirculés du moteur comportant une entrée (E5) de liquide de refroidissement reliée à la sortie du circuit interne (2) et une sortie de liquide de refroidissement (S5) reliée à l'entrée (E11) de liquide de refroidissement de l'échangeur (11) chaud.
ENSEMBLE DE MOTORISATION A BOUCLE DE RANKINE
La présente invention se rapporte au domaine des moteurs à combustion interne comprenant un dispositif de récupération d’énergie thermique, plus particulièrement mettant en œuvre un cycle de Rankine.
La pression économique (prix des carburants) et environnementale (réglementation des émissions polluantes et des gaz à effet de serre) guide la tendance actuelle vers le développement de chaînes de traction à rendement sans cesse amélioré.
Les véhicules de type hybride-électrique apportent une première réponse. Ils comprennent au moins :
- une machine électrique de type motrice agencée dans le véhicule de sorte à fournir du couple à au moins un train de roues et capable de faire se mouvoir le véhicule pendant une durée et/ou une distance minimales en dehors du moteur thermique afin d’inhiber toute émission polluante ou pour augmenter les performances du moteur thermique par apport d’un surcroît de couple ou de puissance mécanique,
- et un stockeur d’énergie de traction, se présentant sous la forme de super-capacités ou d’une batterie haute tension de traction constituée d’au moins un module rassemblant un agencement de cellules associées en série et/ou en parallèle les unes par rapport aux autres, quelle qu’en soit la technologie : familles Li-ion, Ni-MH, Ni-Cd, ...
Dans le domaine des motorisations thermiques également, par exemple de type à combustion interne, les recherches se développent incessamment vers l’amélioration du rendement. Cependant, selon l’état de l’art actuel, dans leurs conditions d’utilisation les plus favorables, le rendement de telles motorisations dépasse rarement 40 à 45%. Ainsi, d’une façon générale et sur les points de fonctionnement de meilleure efficacité, l’énergie totale contenue dans le carburant se retrouve répartie entre, approximativement et en ordre de grandeur :
- 30% aux roues, pour faire se mouvoir le véhicule ;
- 35% par pertes thermiques dans le système de refroidissement et par convection et radiation ;
- 35% dans les gaz d’échappement.
Ce statut décrit la répartition les flux d’énergie sur les points de fonctionnement de meilleur rendement. En usage réel, seulement 10 à 20% de l’énergie totale contenue dans le carburant parvient aux roues ; ce peut même être 0%, par exemple lorsque le véhicule est à l’arrêt alors que son moteur tourne à son régime de ralenti.
A l’exemple des documents FR2868809B1 ou encore FR3028885A1, des voies d’amélioration se sont développées pour améliorer le rendement du moteur thermique, en particulier en utilisant la mise en œuvre de cycles thermodynamiques (Stirling, Ericsson, Rankine notamment) convertissant la chaleur contenue dans les gaz d’échappement en énergie mécanique ou thermique.
La mise en œuvre du cycle thermodynamique de Rankine avec les gaz d’échappement en tant que source chaude présente l’avantage, connu de l’homme du métier, d’une exergie élevée. Une telle mise en œuvre, avec les gaz d’échappement en tant que source chaude, pose toutefois de nombreuses contraintes.
En effet, l’utilisation des gaz d’échappement en tant que source chaude du cycle de Rankine n’est pas aussi pertinente pour les moteurs à auto-inflammation (ex : Diesel) et pour les groupes motopropulseur hybride-électrique (ex : dans le cas où le moteur thermique est à l’arrêt ou lorsque le moteur thermique est utilisé sur des points de fonctionnement à meilleur rendement) que pour les moteurs à allumage commandé (ex : injection indirecte ou directe d’essence, GPL, etc.), à cause d’une température des gaz d’échappement plus faible.
En outre, l’utilisation des gaz d’échappement en tant que source chaude du cycle de Rankine est en concurrence avec l’amorçage des organes de dépollution et la réduction des émissions polluantes : l’évaporateur est ainsi disposé en aval des organes de dépollution et est donc soumis à des températures de gaz plus faibles, donc réduisant d’autant le potentiel de récupération d’énergie.
De plus, l’utilisation des gaz d’échappement en tant que source chaude du cycle de Rankine est moins adaptée à une exploitation dans le domaine du véhicule automobile particulier que dans celui de l’usage stationnaire, du poids lourd ou des locomotives par exemple : les cycles d’usage sont beaucoup plus transitoires et avec des points de fonctionnement en majorité en zones de charge partielle et de faible charge, donc avec des niveaux de température et d’exergie disponibles sur les gaz d’échappement plus faibles.
Dans le cas de l’utilisation des gaz d’échappement en tant que source chaude du cycle de Rankine encore, les niveaux de température et de pression dans la boucle Rankine contraignent d’autant la conception, le dimensionnement des composants associés : évaporateur, condenseur, turbine, etc. et donc le coût du système.
Enfin, l’utilisation des gaz d’échappement en tant que source chaude du cycle de Rankine nécessite l’implantation de l’évaporateur sur la ligne d’échappement, ce qui constitue alors une contre-pression à l’échappement supplémentaire et dégrade d’autant le rendement intrinsèque du moteur thermique, contribuant alors à la mise en œuvre d’un conduit de court-circuit et d’une vanne de de court-circuit de l’évaporateur par les gaz d’échappement. L’utilisation des gaz d’échappement en tant que source chaude du cycle de Rankine requiert en outre le cheminement du fluide de travail en environnement sous caisse depuis l’environnement sous capot et en face avant du véhicule et génère le risque d’inflammabilité compte-tenu de la nature du fluide de Rankine et des températures et des pressions induites.
Par conséquent, le problème à la base de l’invention est d’améliorer la récupération d’énergie thermique sur un moteur thermique par une boucle de Rankine tout en s’affranchissant des problèmes dus à l’utilisation des gaz d’échappement en tant que source chaude du cycle de Rankine.
Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un ensemble de motorisation ensemble de motorisation comprenant :
- un moteur (1) à combustion interne équipé d’un circuit de refroidissement destiné recevoir un liquide de refroidissement, une partie (2) de ce circuit de refroidissement étant interne au dit moteur (1),
- une boucle de Rankine utilisant un fluide de travail et comprenant un échangeur (11) dit chaud entre le fluide de travail et le liquide de refroidissement du circuit de refroidissement comme source chaude, caractérisé en ce qu’il comprend de plus :
- des moyens de refroidissement de gaz d’échappement recirculés du moteur comportant une entrée (E5) de liquide de refroidissement reliée à la sortie du circuit interne (2) et une sortie de liquide de refroidissement (S5) reliée à l’entrée (E11) de liquide de refroidissement de l’échangeur (11) chaud.
L’effet technique est de récupérer l’énergie contenue dans le circuit caloporteur, certes à un niveau d’exergie (compte-tenu du niveau de température) plus faible que dans les gaz d’échappement (pourtant alors à un niveau énergétique sensiblement identique) mais est, par les niveaux de capacités thermiques mis en œuvre, davantage disponible et moins dépendant du niveau de charge du moteur tout en permettant de plus une transmission au fluide de travail de la boucle de Rankine des calories dissipées par les gaz d’échappement recirculés à la traversée des moyens de refroidissement de gaz d’échappement recirculés.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons :
Avantageusement, le circuit de refroidissement comprend un dispositif thermostatique comprenant :
- une entrée de liquide de refroidissement en provenance de la sortie de liquide de refroidissement d’échangeur de refroidissement de gaz d’échappement recirculés.
- une première sortie reliée fluidiquement à l’entrée de liquide de refroidissement de l’échangeur dit chaud,
- une seconde sortie reliée fluidiquement à une entrée d’une canalisation de retour du liquide de refroidissement au moteur.
Avantageusement, le dispositif thermostatique est conçu de sorte que :
- pour une température de liquide de refroidissement inférieure à un seuil de température pour lequel il est jugé que la chaleur transférable à travers l’échangeur dit chaud est trop faible pour tirer profit de la boucle Rankine, le dispositif thermostatique empêche la circulation de liquide de refroidissement à travers l’échangeur dit chaud en fermant sa première sortie et autorise la circulation de liquide de refroidissement dans la canalisation de retour en ouvrant sa seconde sortie,
- pour une température de liquide de refroidissement supérieure à ce seuil de température, le dispositif thermostatique empêche la circulation de liquide de refroidissement dans la canalisation de retour en fermant sa seconde sortie et autorise la circulation de liquide de refroidissement à travers l’échangeur dit chaud en ouvrant sa première sortie.
Avantageusement, le circuit de refroidissement comprend une boucle comportant un radiateur et un thermostat conçu pour autoriser la circulation du liquide de refroidissement dans la boucle comportant ce radiateur lorsque la température du liquide de refroidissement est supérieur à un seuil de température de régulation du moteur, le seuil de température pour lequel il est jugé que la chaleur transférable à travers l’échangeur dit chaud est trop faible pour tirer profit de la boucle Rankine étant inférieur au seuil de température de régulation du moteur.
Avantageusement, l’ensemble de motorisation comprend un aérotherme comportant une entrée de liquide de refroidissement reliée à la sortie du circuit interne et une sortie de liquide de refroidissement reliée à l’entrée de liquide de refroidissement de l’échangeur dit chaud, l’aérotherme et échangeur dit chaud étant reliés en parallèle ou en série dans cet ordre, relativement au sens de circulation du liquide de refroidissement, dans le circuit de refroidissement.
Avantageusement, le dispositif thermostatique est un thermostat piloté électriquement ou une électrovanne pilotée électriquement en fonction de la température du liquide de refroidissement, de l’aérotherme et des moyens de refroidissement de gaz d’échappement recirculés.
Avantageusement, l’ensemble de motorisation comprend un second circuit de refroidissement destiné recevoir un liquide de refroidissement, indépendant du circuit de refroidissement du moteur, et la boucle de Rankine comprend un échangeur dit froid entre le fluide de travail et le liquide de refroidissement de ce second circuit de refroidissement comme source froide.
Avantageusement, l’ensemble de motorisation comprend un turbocompresseur et un refroidisseur de l’air comprimé par ce turbocompresseur, ce refroidisseur étant disposé en parallèle de l’échangeur dit froid dans le second circuit de refroidissement.
Avantageusement, les moyens de refroidissement de gaz d’échappement recirculés du moteur comprend un passage des gaz d’échappement recirculés en interne du moteur à combustion interne et/ou est intégré en tout ou partie à un collecteur d’échappement intégré à une culasse de ce moteur.
L’invention a également pour objet un véhicule caractérisé en ce qu’il est équipé d’un ensemble de motorisation selon l’une quelconque des variantes précédemment décrites.
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 :
- La figure 1 est une représentation schématique d’un premier mode de réalisation de l’invention pour un premier état de fonctionnement.
- La figure 2 est une représentation schématique du premier mode de réalisation de l’invention pour un second état de fonctionnement.
- La figure 3 est une représentation schématique du premier mode de réalisation de l’invention pour un troisième état de fonctionnement.
- La figure 4 est une représentation schématique d’un second mode de réalisation de l’invention dans le premier état de fonctionnement.
- La figure 5 est une représentation schématique du second mode de réalisation de l’invention dans le second état de fonctionnement.
- La figure 6 est une représentation schématique du second mode de réalisation de l’invention dans le troisième état de fonctionnement.
La figure 1 présente un premier mode de réalisation de l’ensemble de motorisation de l’invention.
L’ensemble de motorisation comprend un moteur thermique 1. Le moteur thermique 1 peut être par exemple un moteur à combustion interne à allumage commandé ou un moteur à combustion interne à allumage par compression. Un tel ensemble de motorisation équipe de préférence un véhicule, en particulier automobile, pour permettre un déplacement de celui-ci, mais peut également convenir à une installation stationnaire.
Le moteur thermique 1 est pourvu d’un circuit de refroidissement à l’intérieur duquel circule un liquide de refroidissement, tel qu’un mélange d’eau et de mono-éthylène glycol par exemple.
Le circuit de refroidissement comprend un circuit interne de circulation du liquide de refroidissement à l’intérieur du moteur thermique. Le circuit de refroidissement est destiné à prélever les calories générées par le moteur thermique et à évacuer ces dernières pour maintenir le moteur thermique à une température de fonctionnement acceptable.
Les entrées et sorties des différents organes disposés dans le circuit de refroidissement sont définies relativement au sens de circulation du liquide de refroidissement.
Le moteur thermique 1 est relié en sortie S2 du circuit interne 2 à une entrée E31 d’un boîtier 3 de sortie du liquide de refroidissement. Le boîtier 3 est destiné à répartir le liquide de refroidissement à l’intérieur de diverses branches du circuit de refroidissement.
Le boîtier 3 comprend une première sortie S31 de liquide de refroidissement reliée fluidiquement, au moyen par exemple d’une canalisation, a une entrée E4 d’un aérotherme 4. L’aérotherme 4 est traversé par un flux d’air interne et/ou externe qui est destiné à être délivré à l’intérieur d’un habitacle du véhicule automobile pour réchauffer un air présent à l’intérieur de l’habitacle. L’aérotherme 4 est préférentiellement logé à l’intérieur d’une installation de chauffage du véhicule. L’aérotherme comprend une sortie S4 de liquide de refroidissement reliée fluidiquement, au moyen par exemple d’une canalisation, à une entrée E5 d’un échangeur 5, encore désigné échangeur EGR, de refroidissement des gaz d’échappement recirculés vers l’admission du moteur 1. Dans ce mode réalisation l’aérotherme 4 et l’échangeur EGR 5 sont en série dans cet ordre. Les gaz d’échappement recirculés peuvent indifféremment être prélevés en amont ou en aval d’organes de dépollution des gaz d’échappement (recirculation des gaz d’échappement haute pression dite EGR HP ou recirculation des gaz d’échappement basse pression dite EGR BP selon que le prélèvement est respectivement en amont ou en aval des organes de dépollution, le sens amont et aval étant défini ici relativement au sens de circulation des gaz d’échappement). En variante, l’échangeur EGR 5 peut être complété ou remplacé par un collecteur d’échappement intégré à la culasse ou par un passage des gaz d’échappement recirculés en interne du moteur thermique, par exemple au sein de la culasse.
Le circuit de refroidissement comprend encore un dispositif thermostatique 6 comprenant une entrée E6 de liquide de refroidissement reliée fluidiquement, au moyen par exemple d’une canalisation, à une sortie S5 de l’échangeur EGR 5. Le dispositif thermostatique 6 comprend également une première sortie, S61, et une seconde sortie, S62, de liquide de refroidissement. Le dispositif thermostatique 6 distribue le liquide de refroidissement en fonction de sa température vers les sorties S61 et / ou S62.
Le boîtier 3 comprend une seconde sortie S32 de liquide de refroidissement reliée fluidiquement, au moyen par exemple d’une canalisation 7 à une entrée E8 d’une pompe à liquide de refroidissement. La pompe 8 à liquide de refroidissement comprend une sortie S8 reliée à une entrée E2 du circuit interne 2 au moteur thermique 1. La canalisation 7 est une canalisation de retour direct de liquide de refroidissement au circuit interne 2 du moteur 1 via la pompe 8 (classiquement désigné by-pass en anglais). La canalisation 7 permet d’assurer un débit minimal au sein du moteur thermique 1 qui serait insatisfait par la circulation de liquide de refroidissement au sein des seuls aérotherme 4 et échangeur EGR 5.
Le boîtier 3 comprend une troisième sortie S33 de liquide de refroidissement reliée fluidiquement, au moyen par exemple d’une canalisation, à une entrée E9 d’un radiateur 9. Le radiateur 9 est traversé par un flux d’air externe pour refroidir le liquide de refroidissement à l’intérieur du radiateur 9. Le radiateur est préférentiellement logé à l’intérieur d’une façade avant du véhicule automobile pour faciliter un échange de chaleur entre le flux d’air externe et le liquide de refroidissement à l’intérieur du radiateur 9. Le boîtier 3 comprend encore un thermostat 19, qui peut être piloté et dont la fonction est de distribuer le liquide de refroidissement en fonction de sa température vers les sorties S32, S33.
Le radiateur 9 comprend une sortie S9 de liquide de refroidissement reliée fluidiquement, à une seconde entrée E32 du boîtier 3. Cette seconde entrée E32 est reliée fluidiquement, par exemple par un conduit interne au sein du boîtier 3, à la seconde sortie S32 de liquide de refroidissement du boîtier 3.
L’ensemble de motorisation de l’invention comprend encore un dispositif de récupération d’énergie mettant en œuvre un cycle de Rankine. Ce dispositif de récupération d’énergie comprend une boucle 10 d’échange thermique à l’intérieur de laquelle circule un fluide de travail. Un échangeur thermique 11 est disposé dans la boucle d’échange thermique 10, en contact thermique avec le circuit de refroidissement du moteur 1 comme source chaude de sorte à capter les calories véhiculées par le liquide de refroidissement pour les transférer au fluide de travail. Cet échangeur thermique 11 est dit chaud car il est relié à la source chaude. Cet échangeur thermique 11 constitue préférentiellement un évaporateur pour le fluide de travail, de telle sorte que ce dernier passe d’un état liquide en entrée de l’échangeur thermique 11 à un état vapeur à en sortie de l’échangeur thermique 11.
A partir de l’échangeur thermique 11, selon un sens d’écoulement du fluide à l’intérieur de la boucle 10 d’échange thermique, celle-ci comprend encore :
- un organe de détente 12, encore désigné turbine ou détendeur, apte à transformer de l’énergie provenant de la détente du fluide de travail en énergie mécanique. A l’intérieur de l’organe de détente 12 le fluide subit une détente qui fait s’abaisser la température et la pression du fluide de travail.
- un échangeur thermique 13 dit froid car il est relié thermiquement à une source froide. Cet échangeur thermique 13 constitue préférentiellement un condenseur 13 à l’intérieur duquel le fluide de travail se condense en cédant sa chaleur à pression sensiblement constante à la source froide, et
- un compresseur ou une pompe 14 pour augmenter la pression du fluide de travail et pour mettre en circulation le fluide à l’intérieur de la boucle d’échange thermique 10.
L’énergie mécanique ainsi produite à partir de l’énergie thermique dégagée par la détente du fluide de travail peut ensuite être, soit communiqué directement, par au moins un engrenage de pignons débrayable, en sortie du vilebrequin du moteur thermique, soit préférentiellement transformé par une génératrice ou un alternateur en énergie électrique
- stockée dans une batterie haute tension de traction ou une batterie 48V d’un véhicule hybride-électrique
- ou utilisée pour faciliter ou seconder la génération d’énergie électrique au niveau d’un alternateur d’une chaîne de traction conventionnelle ou micro-hybridée (par exemple de type à arrêt et redémarrage automatique encore désigné « stop & start » en anglais) où l’alternateur est usuellement entraîné par le moteur thermique.
L’échangeur thermique 11 dit chaud comprend une entrée E11 de liquide de refroidissement reliée fluidiquement à la première sortie, S61, du dispositif thermostatique 6. L’échangeur thermique 11 est ainsi relié fluidiquement au circuit de refroidissement du moteur thermique 1 sur la branche aérotherme de ce circuit, en sortie de l’échangeur EGR 5 qui lui est associé en série par l’intermédiaire de la première sortie S61 du dispositif thermostatique 6. L’échangeur thermique 11 comprend encore une sortie S11 de liquide de refroidissement reliée fluidiquement à une entrée E7 de la canalisation 7 reliant le boitier 3 à la pompe 8.
La seconde sortie, S62, du dispositif thermostatique 6 est également relié fluidiquement à l’entrée E7 de la canalisation 7.
L’échangeur thermique 13 dit froid de la boucle 10 d’échange thermique décrivant un cycle de Rankine est relié thermiquement à un second circuit de refroidissement, indépendant du circuit de refroidissement du moteur 1, à l’intérieur duquel circule un liquide de refroidissement, tel qu’un mélange d’eau et de mono-éthylène glycol par exemple. Ce second circuit de refroidissement comprend une pompe 15, un radiateur 16. Le radiateur 16 est traversé par un flux d’air externe pour refroidir le liquide de refroidissement à l’intérieur du radiateur 16. Le radiateur est préférentiellement logé à l’intérieur d’une façade avant du véhicule automobile pour faciliter un échange de chaleur entre le flux d’air externe et le liquide de refroidissement à l’intérieur du radiateur 16, et préférentiellement en amont ou en parallèle du radiateur 9 compte-tenu du sens de circulation du flux d’air externe depuis l’environnement extérieur à l’avant du véhicule vers l’environnement du sous-capot moteur du véhicule. Dans cette variante, l’échangeur 13 froid est un condenseur de type indirect ou à eau. II peut comprendre alors notamment :
- un réservoir de fluide de travail, qui stocke la quantité de fluide de travail non circulante et sépare la phase minoritaire gazeuse de la phase majoritaire liquide du fluide de travail sortant du condenseur,
- un sous-refroidisseur, soumis à un débit de liquide de refroidissement du second circuit de refroidissement et qui assure un échange thermique entre le fluide de travail et le liquide de refroidissement du second circuit, pour amener le fluide de travail à une température inférieure à sa température de condensation. Cette disposition permet de garantir que le fluide de travail soit totalement en phase liquide en entrée de la pompe ou du compresseur 14 afin de s’affranchir de tout risque de cavitation pouvant provoquer la détérioration ou la ruine de la pompe ou du compresseur 14.
Le radiateur 16 comprend une sortie S16 de liquide de refroidissement reliée fluidiquement à la pompe 15 qui est elle-même reliée à une entrée E13 de liquide de refroidissement que comprend l’échangeur 13 froid. L’échangeur 13 froid comprend encore une sortie S13 de liquide de refroidissement.
Le moteur peut encore comprendre un turbocompresseur 17 et un refroidisseur 18 d’air de suralimentation pour le refroidissement de l’air d’admission en sortie du turbocompresseur 17 et avant son entrée dans les chambres de combustion du moteur 1.
Le refroidisseur 18 d’air de suralimentation est relié au second circuit de refroidissement préférentiellement en parallèle de l’échangeur 13 froid pour ne pas additionner leurs pertes de charge.
Dans une variante, l’échangeur 13 froid est un condenseur de type direct ou à air, préférentiellement logé à l’intérieur d’une façade avant du véhicule automobile pour faciliter un échange de chaleur entre le flux d’air externe et le fluide de travail à l’intérieur de l’échangeur 13 froid, et préférentiellement en amont ou en parallèle du radiateur 9 compte-tenu du sens de circulation du flux d’air externe.
Le fonctionnement est le suivant :
Dans la configuration illustrée en figure 1 le moteur thermique 1 est en régime thermique transitoire, dans une première phase de montée en température :
Lorsque la circulation du liquide de refroidissement au sein du moteur thermique 1 est établie (car elle peut être transitoirement coupée, soit au niveau de la pompe 8, soit au niveau du boîtier 3, pour accélérer la montée en température du moteur thermique 1), elle s’effectue au sein du circuit interne 2 au moteur thermique 1 puis débouche en entrée E31 du boîtier 3. Le moteur 1 thermique n’a pas encore atteint sa température de régulation et son thermostat 19 ferme la sortie S33. De préférence, pour un fonctionnement acceptable du moteur 1, la température de régulation, correspondant à la température du liquide de refroidissement provoquant un début d’ouverture du thermostat 19, est de préférence comprise entre 75 et 105°C.
Le thermostat 19 étant fermé, le liquide de refroidissement en sortie moteur se dirige, par la sortie S31 du boitier 3, vers l’aérotherme 4 et l’échangeur EGR 5 et, par la sortie S32 du boitier 3, à travers la canalisation 7 avant d’être aspiré par l’admission E8 de la pompe à eau 8 et d’en être refoulé en entrée E2 du moteur thermique 1.
La température du liquide de refroidissement irriguant l’élément thermosensible du dispositif thermostatique 6 est inférieure à un seuil prédéfini, Sr, pour lequel il est jugé que la température et la chaleur transférables à travers l’échangeur 11 sont trop faibles pour tirer profit de la boucle Rankine et la priorité est donnée à la montée en température du moteur thermique 1 et au chauffage de l’habitacle, via l’aérotherme 4. Le seuil prédéfini, Sr, est inférieur à la température de régulation et de préférence compris entre 40 et 70°C.
Le dispositif thermostatique 6 disposé en sortie de l’échangeur 5 EGR ferme la première sortie S61 pour empêcher la circulation du liquide de refroidissement dans l’échangeur 11 dit chaud, mais laisse la seconde sortie S62 ouverte.
Le liquide de refroidissement ayant traversé l’échangeur 5 EGR est dirigé par la seconde sortie S62 du dispositif thermostatique 6 vers la canalisation 7 et l’entrée de la pompe à eau 8. La boucle Rankine est donc alors désactivée : la pompe à fluide ou compresseur 14 et l’organe de détente 12 sont ici inopérants.
L’échangeur 13 dit froid de la boucle Rankine est irrigué par le liquide de refroidissement du second circuit de refroidissement si la pompe 15 associée est activée. Une alternative possible propose de s’affranchir de la circulation de liquide de refroidissement dans le second circuit de refroidissement et donc au sein de l’échangeur 13 dit froid, inutile puisque la boucle Rankine est alors désactivée. Cette circulation de liquide de refroidissement au sein de l’échangeur 13 dit froid alors inopérant permet toutefois par conduction de le mettre à une température déjà propice afin de garantir une rapide mise à disposition de la source froide.
La figure 2 présente le premier mode de réalisation dans une seconde phase de fonctionnement dans laquelle le moteur thermique 1 est toujours en régime thermique transitoire, dans une seconde phase de montée en température.
Dans cette seconde phase, le moteur thermique n’a pas encore atteint sa température de régulation et son thermostat 19 garde la sortie S33 fermée.
Toutefois, dans cette seconde phase, la phase de convergence du confort thermique habitacle en mode chauffage est terminée et la température et la chaleur transférables à travers l’échangeur chaud 11 sont désormais suffisantes pour tirer profit de la boucle Rankine : la boucle Rankine est alors activée et la pompe 14 et l’organe de détente 12 fonctionnent désormais.
La température du liquide de refroidissement irriguant l’élément thermosensible du dispositif thermostatique 6 étant supérieure au seuil prédéfini, Sr, le dispositif thermostatique 6 disposé en sortie de l’échangeur 5 EGR ferme la seconde sortie S62 pour empêcher le retour direct du liquide de refroidissement vers la canalisation 7, mais laisse la première sortie S61 ouverte pour permettre le passage du liquide de refroidissement dans l’échangeur 11 dit chaud.
Le liquide de refroidissement ayant traversé l’échangeur 5 EGR est dirigé par la première sortie S61 du dispositif thermostatique 6 l’échangeur 11, qu’il traverse avant de rejoindre la canalisation 7 et l’entrée de la pompe 8. A la traversée de l’échangeur 11, le liquide de refroidissement en sortie moteur, ayant éventuellement cédé une partie de ses calories à l’air habitacle à travers l’aérotherme 4 puis réchauffé à la traversée de l’échangeur 5 EGR et optionnellement de la vanne EGR, non représentée, cède des calories à travers l’échangeur 11 au fluide de travail de la boucle de Rankine dont il augmente ainsi la température avant la détente à travers l’organe détente 12. Cette disposition, où l’aérotherme 4, l’échangeur 5 EGR et l’échangeur 11 sont disposés en série et dans cet ordre compte-tenu du sens de circulation du liquide de refroidissement en sortie moteur, permet de compenser par les calories dissipées par les gaz recirculés les calories éventuellement perdues à la traversée de l’aérotherme 4 et de transmettre au fluide de travail les calories dissipées par les gaz recyclés à la traversée de l’échangeur 5 EGR.
Préférentiellement, le dispositif thermostatique 6 est de type piloté : un élément électrique piloté par un calculateur du véhicule est intégré au dispositif thermostatique 6 et permet d’en provoquer l’ouverture à une température du liquide de refroidissement différente de son seuil de début d’ouverture passive. L’actionnement du dispositif thermostatique 6 est mis en oeuvre par une loi de commande enregistrée dans un espace mémoire du calculateur, en fonction notamment de la température du liquide de refroidissement en sortie du moteur thermique, de l’aérotherme 4 et de l’échangeur 5 EGR. En alternative, le dispositif thermostatique 6 peut être remplacé par un actionneur de type électrovanne on/off ou proportionnelle, par exemple à solénoïde.
La température du liquide de refroidissement en sortie de l’aérotherme 4 est estimée à partir de la température du liquide de refroidissement en sortie du moteur thermique 1, du régime de rotation du moteur thermique 1 et de données d’entrée connues de la fonction régulant le confort thermique habitacle telles que la température ambiante extérieure, la vitesse de rotation du pulseur d’air dans l’habitacle, la position des volets de distribution d’air à travers le groupe de climatisation du véhicule, les températures d’air en entrée et en sortie de l’aérotherme 4 et la température de consigne de l’air dans l’habitacle. En effet, dans certaines situations, notamment lorsque la température du liquide de refroidissement en sortie du moteur thermique 1 est supérieure à une température donnée et que l’aérotherme ne refroidit pas ou peu le liquide de refroidissement, la température du liquide de refroidissement en sortie de l’aérotherme 4 est alors de très peu inférieure à sa température en sortie du moteur thermique 1.
De même, dans le cadre de la présente architecture de circuit de refroidissement où l’aérotherme 4 et l’échangeur 5 EGR sont disposés en série et dans cet ordre comptetenu du sens de circulation du liquide de refroidissement en sortie moteur, la température du liquide de refroidissement en sortie de l’échangeur 5 EGR est estimée à partir des températures de liquide de refroidissement en sortie du moteur thermique 1 et de l’aérotherme 4, du taux de recirculation des gaz d’échappement recirculés (par exemple via l’ouverture de la vanne de dosage de gaz d’échappement recirculés), du point de fonctionnement du moteur thermique (régime de rotation et charge), des température d’admission en aval et en amont de l’arrivée des gaz d’échappement recirculés dans le circuit d’admission, par exemple juste en amont des chambres de combustion, et des température des gaz d’échappement estimées ou mesurées au lieu de prélèvement des gaz d’échappement recirculés.
Le calculateur commande alors l’actionnement électrique du dispositif thermostatique 6, ou en alternative de l’électrovanne, pour autoriser la traversée de l’échangeur 11 par le liquide de refroidissement en sortie de l’aérotherme 4 puis de l’échangeur 5 EGR.
La figure 3 présente le premier mode de réalisation pour une troisième phase de fonctionnement dans laquelle le moteur thermique 1 est en régime thermique établi. Dans cette troisième phase, le moteur 1 thermique a atteint sa température de régulation et son thermostat 19 est en régulation (entre-ouvert) ou en pleine ouverture.
En faible ouverture, le thermostat 19 dirige vers le radiateur 9 une faible partie du débit de liquide de refroidissement issu du moteur thermique 1. Le boitier 3 est conçu de sorte que le débit de liquide de refroidissement issu du moteur thermique 1 dirigé vers le circuit aérotherme 4 est indépendant de la position du thermostat 19 pour un régime moteur donné. Le reste du débit de liquide de refroidissement issu du moteur thermique 1 est donc dirigé par la voie interne S34 du boitier 3 vers la seconde sortie S32 et la canalisation 7 et la pompe 8.
A mesure que l’ouverture du thermostat 19 augmente, la voie interne S34 du boitier 3 vers la canalisation 7 se referme : en conséquence, la proportion de liquide de refroidissement issue du radiateur 9 dans la canalisation 7 augmente. A l’inverse, à mesure que le thermostat 19 se referme, la voie interne S34 du boitier 3 vers la canalisation 7 se rouvre : la proportion de liquide de refroidissement issue du radiateur 9 dans la canalisation 7 diminue alors en conséquence.
En pleine ouverture, le thermostat 19 oriente vers le radiateur 9 la totalité du débit de liquide de refroidissement issu du moteur thermique 1 n’ayant pas été dirigé, par la conception du boitier 3, vers le circuit aérotherme 4. La voie interne S34 du boitier 3 est alors complètement fermée et la totalité du débit de liquide de refroidissement issu du radiateur 9 est dirigé à travers la seconde sortie S32 du boitier vers la canalisation 7 et la pompe 8.
De son côté, le dispositif thermostatique 6 maintient la première sortie S61 ouverte et la seconde sortie S62 fermée, préférentiellement sans qu’il soit nécessaire d’en activer l’alimentation électrique : le liquide de refroidissement en sortie moteur dirigé dans l’aérotherme 4 traverse celui-ci puis l’échangeur 5 EGR avant d’irriguer l’échangeur 11 et lui céder sa chaleur.
La pompe 8 aspire par son entrée E8 le liquide de refroidissement en sortie de la canalisation 7 et des échangeurs (radiateur 9, aérotherme 4, échangeur EGR 5, échangeur 11) et le refoule en entrée E2 du moteur thermique 1.
La figure 4 présente maintenant un second mode de réalisation de l’invention qui diffère du premier mode en ce que l’aérotherme 4 et l’échangeur 5 EGR sont disposés en parallèle en sortie du moteur thermique 1. La figure 4 présente également la configuration dans laquelle le moteur thermique 1 est en régime thermique transitoire, dans la première phase de montée en température.
Dans ce second mode de réalisation, l’entrée E6 du dispositif thermostatique 6 de liquide de refroidissement est reliée fluidiquement, au moyen par exemple d’une canalisation, à la sortie S5 de l’échangeur 5 EGR. La première sortie, S61, du dispositif thermostatique 6 est reliée à l’entrée E11 de l’échangeur 11 tandis que la seconde sortie, S62 est reliée fluidiquemement à la canalisation 7. La sortie S4 de l’aérotherme rejoint la liaison fluidique de la seconde sortie S62 vers la canalisation 7.
Comme l’illustre la figure 4, en régime thermique transitoire, alors que le moteur thermique est en phase de montée en température et que la température du liquide de refroidissement irriguant l’élément thermosensible du dispositif thermostatique 6 est inférieure au seuil prédéfini Sr pour lequel il est jugé que la température et la chaleur transférables à travers l’échangeur 11 sont trop faibles pour tirer profit de la boucle Rankine, la priorité est donnée à la montée en température du moteur thermique 1 et au chauffage de l’habitacle, via l’aérotherme 4. La boucle Rankine est donc alors désactivée : la pompe à fluide ou compresseur 14 et l’organe de détente 12 sont ici inopérants.
Le liquide de refroidissement en sortie du moteur 1 traverse l’aérotherme 4 et l’échangeur 5 EGR disposés en parallèle l’un de l’autre. Le dispositif thermostatique 6 disposé en sortie de l’échangeur 5 EGR maintien la première sortie S61 fermée et dirige le liquide de refroidissement ayant traversé l’échangeur 5 EGR vers la seconde sortie S62 vers la canalisation 7 qui mène à la pompe 8. L’échangeur 11 n’est pas alors traversé par le liquide de refroidissement issu de l’échangeur 5 EGR.
La figure 5 présente maintenant le second mode de réalisation dans la seconde phase de fonctionnement dans laquelle le moteur thermique 1 est toujours en régime thermique transitoire, dans une seconde phase de montée en température. Dans cette seconde phase, le moteur thermique n’a pas encore atteint sa température de régulation et son thermostat 19 garde la sortie S33 fermée.
Toutefois, dans cette seconde phase, la phase de convergence du confort thermique habitacle en mode chauffage est terminée et la température et la chaleur transférables à travers l’échangeur chaud 11 sont désormais suffisantes pour tirer profit de la boucle Rankine : la boucle Rankine est alors activée et la pompe 14 et l’organe de détente 12 fonctionnent désormais.
Dans cette seconde phase, la température du liquide de refroidissement irriguant l’élément thermosensible du dispositif thermostatique 6 étant supérieure au seuil prédéfini Sr, le dispositif thermostatique 6 disposé en sortie de l’échangeur 5 EGR ferme la seconde sortie S62 pour empêcher le retour du liquide de refroidissement en sortie de l’échangeur 5 EGR directement vers la canalisation 7 et laisse la première sortie S61 ouverte pour permettre le passage du liquide de refroidissement en sortie de l’échangeur 5 EGR dans l’échangeur 11 dit chaud.
A la traversée de l’échangeur 11, le liquide de refroidissement en sortie moteur, réchauffé à la traversée de l’échangeur 5 EGR et optionnellement de la vanne de dosage des gaz d’échappement recirculés, cède des calories à travers l’échangeur 11 au fluide de travail de la boucle de Rankine dont il augmente ainsi la température et la pression avant la détente à travers l’organe 12 de détente.
Cette disposition en série de l’échangeur 5 EGR et l’échangeur 11, dans cet ordre compte-tenu du sens de circulation du liquide de refroidissement en sortie moteur, et en parallèle de l’aérotherme 4, permet de transmettre au fluide de travail de la boucle de Rankine les calories dissipées par les gaz d’échappement recirculés à la traversée de l’échangeur 5 EGR tout en s’affranchissant des pertes thermiques à travers l’aérotherme 4.
La figure 6 présente maintenant le second mode de réalisation dans la troisième phase de fonctionnement dans laquelle le moteur thermique 1 est en régime thermique établi. Dans cette troisième phase, le moteur 1 thermique a atteint sa température de régulation et son thermostat 19 est en régulation (entre-ouvert) ou en pleine ouverture.
En faible ouverture, le thermostat 19 dirige vers le radiateur 9 une faible partie du débit de liquide de refroidissement issu du moteur thermique 1. Le boîtier 3 est conçu de sorte que le débit de liquide de refroidissement issu du moteur thermique 1 dirigé vers le circuit aérotherme 4 est indépendant de la position du thermostat 19 pour un régime moteur donné. Le reste du débit de liquide de refroidissement issu du moteur thermique 1 est donc dirigé par la voie interne du boîtier 3 vers la seconde sortie S32 et la canalisation 7 et la pompe 8.
A mesure que l’ouverture du thermostat 19 augmente, la voie interne S34 du boîtier 3 vers la canalisation 7 se referme : en conséquence, la proportion de liquide de refroidissement issue du radiateur 9 dans la canalisation 7 augmente. A l’inverse, à mesure que le thermostat 19 se referme, la voie interne S34 du boîtier 3 vers la canalisation 7 se rouvre : la proportion de liquide de refroidissement issue du radiateur 9 dans la canalisation 7 diminue alors en conséquence.
En pleine ouverture, le thermostat 19 oriente vers le radiateur 9 la totalité du débit de liquide de refroidissement issu du moteur thermique 1 n’ayant pas été dirigé, par la conception du boîtier 3, vers le circuit aérotherme 4. La voie interne S34 du boîtier 3 est alors complètement fermée et la totalité du débit de liquide de refroidissement issu du radiateur 9 est dirigé à travers la seconde sortie S32 du boîtier vers la canalisation 7 et la pompe 8.
De son côté, le dispositif thermostatique 6 maintient la première sortie S61 ouverte et la seconde sortie S62 fermée : le liquide de refroidissement en sortie moteur dirigé dans l’échangeur 5 EGR traverse celui-ci avant d’irriguer l’échangeur 11 et lui céder sa chaleur. Le liquide de refroidissement en sortie de l’échangeur 11 rejoint alors la portion de liquide de refroidissement en sortie moteur ayant traversé l’aérotherme 4 en amont de l’entrée E7 de la canalisation 7.
La pompe 8 aspire par son entrée E8 le liquide de refroidissement en sortie de la canalisation 7 et des échangeurs (radiateur 9, aérotherme 4, échangeur EGR 5, échangeur 11) et le refoule en entrée E2 du moteur thermique 1.
Dans le cadre des premier et second modes de réalisation de l’invention, le thermostat 19 est préférentiellement piloté, par exemple électriquement, ou en alternative, le dispositif assurant la régulation thermique du moteur à combustion interne 1 est conçu, dans les deux cas de sorte à favoriser le fonctionnement du moteur thermique 1 à une température de liquide de refroidissement la plus élevée possible, notamment compte-tenu de la fiabilité du moteur 1. Ainsi, la température du liquide de refroidissement en sortie du moteur thermique 1 et en entrée de l’échangeur thermique 11, alors supérieure par exemple par l’action du thermostat piloté 19, et la récupération dans le liquide de refroidissement du moteur thermique 1 des calories des gaz d’échappement recirculés à travers l’échangeur EGR 5, permettent d’augmenter la pression et la température du fluide de travail de la boucle de Rankine en sortie de l’échangeur thermique 11 : la chaleur du liquide de refroidissement du moteur thermique 1 en entrée E11 de l’échangeur 11 est cédée au fluide de travail de la boucle de Rankine à une température supérieure et l’efficacité du cycle de Rankine s’en trouve augmentée.
L’ensemble de motorisation de l’invention propose une architecture qui permet de valoriser les pertes thermiques dans le circuit caloporteur et des gaz d’échappement recirculés du moteur à combustion interne d’une chaîne de traction conventionnelle ou hybride tout en présentant l’avantage de ne pas avoir d’impact sur la réduction des émissions polluantes et l’amorçage des organes de dépollution : l’enrichissement de leur conception (grammage en métaux précieux, rapprochement de la sortie moteur) n’est pas nécessaire.
Avec cette architecture, l’énergie contenue dans le circuit caloporteur est certes à un niveau d’exergie (compte-tenu du niveau de température) plus faible que dans les gaz d’échappement (pourtant alors à un niveau énergétique sensiblement identique) mais est, par les niveaux de capacités thermiques mis en œuvre, davantage disponible et moins dépendant du niveau de charge de la chaîne de traction. Le cycle thermodynamique ainsi adapté s’avère ainsi davantage en adéquation avec les cycles d’usage du milieu automobile (véhicule particulier, véhicule utilitaire léger, etc.) beaucoup plus transitoires et avec des points de fonctionnement en majorité en zones de charge partielle ou de faible charge.
Relativement à une architecture avec une boucle de Rankine avec les gaz d’échappement comme pour source chaude, l’architecture de l’invention présente une sûreté de fonctionnement plus favorable, une implantation physique moins contrainte et sans développements et validations coûteux.
En s’affranchissant de l’implantation d’un évaporateur (échangeur 11) sur la ligne d’échappement, le moteur thermique est épargné d’une contre-pression à l’échappement supplémentaire et donc d’une source de dégradation de ses performances et de son rendement, donc en particulier de sa consommation spécifique.
Cette architecture est également adaptable à des chaînes de traction hybride-électrique 5 ce qui permet une mutualisation des composants.

Claims (10)

  1. Revendications
    1. Ensemble de motorisation comprenant :
    - un moteur (1) à combustion interne équipé d’un circuit de refroidissement destiné recevoir un liquide de refroidissement, une partie (2) de ce circuit de refroidissement étant interne au dit moteur (1),
    - une boucle de Rankine utilisant un fluide de travail et comprenant un échangeur (11) dit chaud entre le fluide de travail et le liquide de refroidissement du circuit de refroidissement comme source chaude, caractérisé en ce qu’il comprend de plus :
    - des moyens de refroidissement de gaz d’échappement recirculés du moteur comportant une entrée (E5) de liquide de refroidissement reliée à la sortie du circuit interne (2) et une sortie de liquide de refroidissement (S5) reliée à l’entrée (E11) de liquide de refroidissement de l’échangeur (11) chaud.
  2. 2. Ensemble de motorisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement comprend un dispositif thermostatique (6) comprenant :
    - une entrée (E6) de liquide de refroidissement en provenance de la sortie (S5) de liquide de refroidissement (S5) d’échangeur (5) de refroidissement de gaz d’échappement recirculés.
    - une première sortie (S61) reliée fluidiquement à l’entrée (E11) de liquide de refroidissement de l’échangeur (11) dit chaud,
    - une seconde sortie (S62) reliée fluidiquement à une entrée (E7) d’une canalisation (7) de retour du liquide de refroidissement au moteur (1 ).
  3. 3. Ensemble de motorisation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif thermostatique (6) est conçu de sorte que :
    - pour une température de liquide de refroidissement inférieure à un seuil (Sr) de température pour lequel il est jugé que la chaleur transférable à travers l’échangeur (11) dit chaud est trop faible pour tirer profit de la boucle Rankine, le dispositif thermostatique (6) empêche la circulation de liquide de refroidissement à travers l’échangeur (11) dit chaud en fermant sa première sortie (S61) et autorise la circulation de liquide de refroidissement dans la canalisation (7) de retour en ouvrant sa seconde sortie (S62),
    - pour une température de liquide de refroidissement supérieure à ce seuil (Sr) de température, le dispositif thermostatique (6) empêche la circulation de liquide de refroidissement dans la canalisation (7) de retour en fermant sa seconde sortie (S62) et autorise la circulation de liquide de refroidissement à travers l’échangeur (11) dit chaud en ouvrant sa première sortie (S61).
  4. 4. Ensemble de motorisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement comprend une boucle comportant un radiateur (9) et un thermostat (19) conçu pour autoriser la circulation du liquide de refroidissement dans la boucle comportant ce radiateur (9) lorsque la température du liquide de refroidissement est supérieur à un seuil de température de régulation du moteur (1), le seuil (Sr) de température pour lequel il est jugé que la chaleur transférable à travers l’échangeur (11) dit chaud est trop faible pour tirer profit de la boucle Rankine étant inférieur au seuil de température de régulation du moteur (1).
  5. 5. Ensemble de motorisation selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend un aérotherme (4) comportant une entrée (E4) de liquide de refroidissement reliée à la sortie du circuit interne (2) et une sortie de liquide de refroidissement (S4) reliée à l’entrée de liquide de refroidissement de l’échangeur (11) dit chaud, l’aérotherme (4) et échangeur (11) dit chaud étant reliés en parallèle ou en série dans cet ordre, relativement au sens de circulation du liquide de refroidissement, dans le circuit de refroidissement.
  6. 6. Ensemble de motorisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif thermostatique (6) est un thermostat piloté électriquement ou une électrovanne pilotée électriquement en fonction de la température du liquide de refroidissement, de l’aérotherme (4) et des moyens de refroidissement de gaz d’échappement recirculés.
  7. 7. Ensemble de motorisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un second circuit de refroidissement destiné recevoir un liquide de refroidissement, indépendant du circuit de refroidissement du moteur (1), et la boucle de Rankine comprend un échangeur (13) dit froid entre le fluide de travail et le liquide de refroidissement de ce second circuit de refroidissement comme source froide.
  8. 8. Ensemble de motorisation selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend un turbocompresseur (17) et un refroidisseur (18) de l’air comprimé par ce turbocompresseur (17), ce refroidisseur (18) étant disposé en parallèle de l’échangeur (13) dit froid dans le second circuit de refroidissement.
  9. 9. Ensemble de motorisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement de gaz d’échappement recirculés du moteur comprend un passage des gaz d’échappement recirculés en interne du moteur à combustion interne (1) et/ou est intégré en tout ou partie à un collecteur d’échappement intégré à une culasse de ce moteur (1).
  10. 10. Véhicule caractérisé en ce qu’il est équipé d’un ensemble de motorisation selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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