FR3069882A1 - Machine de detente volumetrique pour cycle de rankine, et procede de commande - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine, comprenant un capteur de température intégré dans une zone d'expansion (316) comprenant au moins une cavité, dans laquelle des moyens mobiles sont disposés pour entraîner un arbre moteur (313), et un capteur de pression disposé en aval de la zone d'expansion (316), lesdits capteurs délivrant un signal électrique exploité par un calculateur commandant l'état de ladite vanne de dérivation (315) commandant la circulation de fluide dans un canal de dérivation formé entre une zone d'admission (314) à haute pression d'un fluide de travail (308) sous pression raccordée à l'orifice d'admission et une zone d'échappement à basse pression (317) comprenant la transmission entre les moyens mobiles et l'arbre moteur (313) et raccordée à l'orifice d'échappement
Description
MACHINE DE DETENTE VOLUMETRIQUE POUR CYCLE DE RANKINE,
ET PROCEDE DE COMMANDE
Domaine de 1'invention
La présente invention concerne le domaine des machines de détente réalisant une conversion de la chaleur perdue d'un moteur à combustion interne dans un cycle de Rankine en énergie mécanique pouvant être transférée à un arbre entraînant le moteur à combustion interne. Le domaine d'application concerne tous types de moteur à combustion interne, par exemple ceux équipant les véhicules et en particulier les camions, bus et voitures particulières.
Les machines de détente peuvent être de plusieurs types :
• des turbomachines utilisant une turbine • des machines volumétriques, utilisant un ou plusieurs pistons agissant sur un embiellage qui peut être constitué par un plateau incliné (« swashplate » en anglais) ou oscillant (« wobble plate » en anglais), ou un embiellage de type bielle-manivelle, ou encore une spirale (« scroll » en anglais) ou une vis (« screw » en anglais).
L'invention concerne les machines de détente du second type, à savoir les machines volumétriques. Les turbomachines sont en effet mal adaptées pour fonctionner avec des fluides « humides » comme l'eau ou l'éthanol, car elles supportent mal les gouttelettes qui peuvent se former lors de la détente du fluide de travail introduit en phase gazeuse.
Une machine de détente volumétrique comprend de façon générale un orifice d'admission relié à un canal d'admission et un orifice d'échappement relié à un canal d'échappement. Ces deux orifices d'admission et d'échappement sont ménagés dans le corps de la machine. Une telle machine est de façon générale composée de trois zones : une zone d'admission à haute pression, une zone d'expansion et une zone d'échappement à basse pression. La zone d'admission est connectée à la zone d'expansion, elle-même connectée à la zone d'échappement. La zone d'expansion est formée par des moyens mobiles. La zone d'échappement comprend une transmission de l'effort produit par les moyens mobiles à un arbre tournant. Un canal de dérivation s'étend de la zone d'admission haute pression à la zone d'échappement basse pression. Une vanne de dérivation est reliée à la zone d'admission ou est intégrée dans celle-ci et ouvre ou ferme le canal de dérivation en fonction de sa position ouverte ou fermée.
L'invention porte plus particulièrement sur les différents modes de fonctionnement d'une telle machine volumétrique et sur son accouplement au moteur à combustion interne.
A l'arrêt, la machine est dans un premier mode de fonctionnement, dit « état au repos », où la machine est remplie de fluide de travail à l'état liquide. La vanne de dérivation est alors en position ouverte.
Lorsque l'on passe de l'état de repos à un état dit « en dérivation » suite à une consigne de fonctionnement du cycle de Rankine, on commence par envoyer de la vapeur chaude par l'orifice d'admission pour purger le fluide de travail à l'état liquide. Cette vapeur circule à l'intérieur du canal de dérivation en passant par la vanne de dérivation, toujours en position ouverte.
Lorsque l'on passe de l'état en dérivation à un état dit « en fonctionnement » suite à la validation des conditions de fonctionnement de la machine de détente, on ferme la vanne de dérivation.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet internationale W02017008094 décrivant un procédé de commande d'un système de récupération de chaleur perdue pour un moteur à combustion interne d'un véhicule, ce système de récupération de chaleur perdue présentant au moins une machine de détente transmettant un couple au moteur à combustion interne et pouvant être contourné par 1'intermédiaire d ' une voie d'écoulement de dérivation, au moins un évaporateur et au moins une pompe pour un fluide de travail, ledit au moins un évaporateur étant agencé dans la région du système d'échappement du moteur à combustion interne. La machine de détente peut fonctionner selon différents modes. Elle est raccordée en entraînement, dans au moins un mode de fonctionnement, à un arbre d'entraînement auxiliaire du moteur à combustion interne. Sur la base d'au moins une variable d'entrée, un mode de fonctionnement est sélectionné par un dispositif de commande et le système de récupération de chaleur perdue fonctionne alors dans ce mode. La variable d'entrée est sélectionnée dans le groupe comprenant les éléments suivants : vitesse de rotation de la machine de détente (n), information concernant les rapports de boite (GI), information de ralentissement (CI), pression (pl, p2 ) et température (Tl, T2 ) du fluide de travail en amont et en aval de la machine de détente par l'intermédiaire du dispositif de commande. Un premier mode de fonctionnement est associé à une phase de mise en température de la machine de détente, et un deuxième mode de fonctionnement à une phase de fonctionnement normal de la machine de détente.
Dans le premier mode, la voie d'écoulement de dérivation est ouverte et la machine de détente n'est pas raccordée à un arbre d'entraînement auxiliaire du moteur à combustion interne.
Dans le deuxième mode, la voie d'écoulement de dérivation est fermée et la machine de détente est raccordée au moteur à combustion interne. Le deuxième mode est sélectionné lorsque la pression (p2) et/ou la température (T2) du fluide de travail en aval de la machine de détente dépassent une valeur définie.
On connaît aussi le brevet AT512921 décrivant un procédé consistant à connecter un réservoir de stockage aux vannes de commande et à une pompe d'alimentation. Les vannes de commande distribuent le fluide de travail aux échangeurs de chaleur. Une machine de détente est connectée en aval de l'échangeur de chaleur à un condenseur. Le condenseur est relié à une pompe de circulation qui est reliée au réservoir de stockage. Le fluide de travail est transmis aux échangeurs de chaleur. Le débit massique du fluide de travail dans les échangeurs de chaleur est contrôlé par les vannes de commande, pour atteindre une surchauffe prédéterminée du fluide de travail. Le cycle de Rankine ainsi décrit comprend en outre une vanne de commutation basculant de manière contrôlée entre un premier trajet d'écoulement direct vers la machine de détente, ou un deuxième chemin d'écoulement à travers une vanne de laminage. Ce brevet décrit le procédé de contrôle d'un tel système pour réaliser une opération d'expansion suivant les étapes suivantes:
a) l'opération d'échauffement
L'opération d'échauffement pendant laquelle la température du fluide de travail est contrôlée, en fonction de la température d'entrée du fluide caloporteur à l'échangeur de chaleur et le débit massique du fluide de travail. Dans cette opération, le deuxième chemin à travers la vanne de laminage est choisi.
b) opération d'évaporation
Dans le processus d'évaporation, le fluide de travail à la sortie de l'échangeur de chaleur est diphasique à la température de la vapeur saturée. A ce moment, le débit massique de fluide de travail est réduit par l'intermédiaire d'une vanne de commande, il se produit une augmentation de température et le processus de surchauffe est atteint. Dans cette opération, le deuxième chemin à travers la vanne de laminage est choisi.
c) opération de surchauffe
La température de la vapeur de fluide de travail est contrôlée pour être supérieure à la température de la vapeur saturée d'une valeur prédéterminée. Dans cette opération, le deuxième chemin à travers la vanne de laminage est choisi.
d) faire fonctionner la machine de détente
A ce moment, à partir d'un certain degré de surchauffe, le premier trajet d'écoulement direct vers la machine de détente est choisi et la machine est démarrée.
On connaît aussi le brevet JP5721676 décrivant une autre solution connue pour résoudre les problèmes liés au démarrage et à l'arrêt d'une machine de détente dans lequel la machine de détente comprend un tuyau de dérivation reliant une entrée et une sortie, le tuyau de dérivation comprend une vanne pour l'ouverture et la fermeture de la tuyauterie et lors du démarrage de la machine de détente, la vanne s'ouvre pour que le fluide de travail s'écoule dans le tuyau de dérivation, puis que la machine tournante soit activée.
Lorsqu'il est jugé que le fluide de travail contenu dans la machine de détente a été vaporisé, la vanne du tuyau de dérivation est fermée et lorsque la machine de détente est arrêtée, la vanne est ouverte.
On connaît aussi la demande de brevet JP2011149386 décrivant un système de cycle Rankine comprenant une machine de détente. Le système de cycle de Rankine comprend un premier passage de vapeur alimentant la machine de détente et un second passage de vapeur permettant à la vapeur de préchauffer la machine de détente. Le système de cycle de Rankine comprend en outre un dispositif de commutation de passage entre ce premier passage de vapeur et le deuxième passage de vapeur. Pendant le réchauffement, le dispositif de commutation de passage est commuté vers le deuxième passage de vapeur. Une fois le réchauffement terminé, le dispositif de commutation de passage est commuté vers le premier passage de vapeur, pour faire fonctionner la machine de détente.
Inconvénients de l'art antérieur
En premier lieu, le brevet W0201708094 concerne une machine à cycle de Rankine utilisant une turbine et non pas une machine de type volumétrique.
En second lieu, la commande du passage entre le premier mode de fonctionnement et le second mode de fonctionnement est basée sur la pression et/ou la température mesurée à la sortie de l'échappement de la machine.
Les solutions de l'art antérieur prévoient la présence d'un capteur de pression et/ou de température à l'extérieur de la machine de détente, ce qui conduit à une réactivité médiocre de la phase de démarrage. Dans le cas décrit dans la demande de brevet W0201708094, le principe de la turbomachine exclut d'ailleurs toute autre solution pour le placement du capteur de pression et/ou de température.
Dans toutes les solutions de l'art antérieur, on prend en compte des paramètres extérieurs à la machine, soit au niveau du conduit d'admission, soit au niveau du conduit d'échappement, ce qui facilite bien sur l'intégration des capteurs, mais se traduit par une inertie préjudiciable à la récupération de chaleur et sa conversion en énergie utile. Les performances des solutions de l'art antérieur, en ce qui concerne l'efficacité énergétique, sont donc médiocres : notamment le temps de préchauffage de la machine est allongé.
Solution apportée par l'invention
L'objet du présent brevet concerne le passage entre le mode en dérivation et le mode en fonctionnement. Ce passage constitue un enjeu technique critique. Le mode de dérivation n'est pas productif. Celui-ci doit durer le moins longtemps possible afin de maximiser la production mécanique de la machine de détente.
Le passage entre ces deux modes requiert la validation d'un jeu de conditions de fonctionnement afin que la machine de détente opère dans des plages de fonctionnement admissibles. Le rôle du mode de dérivation est donc de passer d'un mode au repos au mode de fonctionnement en faisant converger un ensemble des paramètres vers des valeurs acceptées par la machine afin notamment que sa lubrification soit assurée et qu'elle ne s'use pas ni ne casse. Afin de réduire le temps de séjour en mode dérivation, un ensemble de capteurs est judicieusement placé pour déterminer au plus vite l'état de la machine de détente sans attendre la convergence lente de capteurs externes à la machine due à l'inertie thermique du système.
Il faut en particulier s'assurer de l'absence de fluide de travail liquide dans la machine. Un moyen de le savoir est de mesurer une température du fluide de travail dans la machine et de comparer celle-ci à la température de saturation du fluide de travail à la pression la plus basse mesurée dans la machine. Si la température mesurée est audessus de la température de saturation, il est possible de considérer que la machine est prête à tourner si les autres conditions externes concernant la vapeur admise par exemple sont acceptables.
Afin de remédier aux inconvénients précités, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un cycle de Rankine comprenant une machine de détente volumétrique. Ladite machine de détente comprenant un corps extérieur présentant un orifice d'admission et un orifice d'échappement à l'intérieur duquel sont logés :
- une zone d'admission d'un fluide de travail sous pression raccordée à l'orifice d'admission, dite « zone d'admission haute-pression »
- une zone d'expansion comprenant cavité, dans lequel des moyens mobiles sont entraîner un arbre moteur, au moins une disposés pour
- une zone d'échappement comprenant la transmission entre les moyens mobiles et l'arbre moteur et raccordée à l'orifice d'échappement, dite « zone d'échappement à basse pression » un canal de dérivation formé entre la zone d'admission à haute pression et la zone d'échappement à basse pression
- une vanne de dérivation commandant la circulation de fluide dans le canal de dérivation caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un capteur de température intégré dans la zone d'expansion, et en ce qu'un capteur de pression est disposé en aval de la zone d'expansion, lesdits capteurs délivrant un signal électrique exploité par un calculateur commandant l'état de ladite vanne de dérivation.
L'invention se distingue notamment des solutions de l'art antérieur par le fait que la température est mesurée non pas dans l'échappement, mais dans la zone d'expansion. Cette solution, contrairement à celles proposées dans l'art antérieur, permet de prendre en compte l'état réel du fluide de travail dans la zone d'expansion. Cette solution permet d'éviter que le fluide ne soit liquide, et de vérifier l'état de surchauffe avant le démarrage. Une des conséquences bénéfiques est un démarrage plus rapide par rapport aux solutions de l'art antérieur.
Avantageusement, ladite vanne de dérivation est pneumatique et est connectée à une source d'air comprimé, une vanne électrique contrôlant l'admission d'air dans la vanne de dérivation soit en reliant la vanne de dérivation à la source d'air comprimé, soit en reliant la vanne de dérivation à 1'atmosphère.
Selon une variante, ledit canal de dérivation ou la vanne de dérivation comprend une restriction afin de limiter le débit volumique traversant le canal de dérivation afin de provoquer une montée en pression de la zone en amont de cette restriction.
Selon une autre variante, la machine de détente est connectée à un arbre tournant du moteur à combustion interne, un joint d'étanchéité étant disposé sur l'arbre de la machine de détente au plus près de la zone d'échappement.
Avantageusement, un deuxième joint d'étanchéité est placé sur l'arbre pour étanchéifier le moteur.
Selon un mode de réalisation particulier, la machine selon l'invention comporte en outre un démarreur permettant lors du passage du mode en dérivation au mode en fonctionnement de lancer la rotation de la machine de détente.
Avantageusement, ledit démarreur est de type pneumatique et raccordé sur la même ligne d'air comprimé que la vanne de dérivation et est commandé par la même vanne électrique que la vanne de dérivation.
L'invention concerne aussi un procédé de contrôle d'une telle machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine comprenant une vanne de dérivation commandant la circulation de fluide dans le canal de dérivation entre un mode de fonctionnement, dit « en dérivation », où ladite vanne de dérivation est en position ouverte et un mode dit « en fonctionnement » où ladite vanne de dérivation est en position fermée, suite à la validation des conditions de fonctionnement de la machine de détente caractérisé en ce que les conditions de fonctionnement de la machine de détente sont formées à partir des informations fournies par un capteur de température intégré dans la zone d'expansion et/ou un capteur de pression disposé en aval de la zone d'expansion.
Selon une variante, un démarreur est actionné lorsque la vanne de dérivation passe en position fermée.
Avantageusement, la commande de changement de mode intervient lorsque la température du fluide de travail mesurée par ledit capteur de température est supérieure de 1 à 15 K à la température de saturation du fluide de travail à la pression mesurée dans la zone d'échappement.
Selon une variante, la commande de changement de mode intervient lorsque la température de la vapeur admise dans la zone d'admission est supérieure de 1 à 15 K à la température de saturation du fluide de travail à la pression de la vapeur admise dans la zone d'admission.
Selon une alternative, la commande de changement de mode intervient lorsque la température de la vapeur échappée de la zone d'échappement est supérieure de 1 à 15 K à la température de saturation du fluide de travail à la pression de la vapeur échappée de la zone d'échappement.
De préférence, la commande de changement de mode intervient lorsque la température de la vapeur admise dans la zone d'admission est inférieure à un seuil maximal compris entre 210 et 250°C.
Selon un mode de réalisation particulier, la commande de changement de mode intervient lorsque la pression de la vapeur admise dans la zone d'admission est inférieure à un seuil maximal compris entre 35 et 45 bars.
Selon une variante, le procédé comporte au plus trois modes de fonctionnement dont un mode dit « en dérivation » où ladite vanne de dérivation est en position ouverte et un mode dit « en fonctionnement » où ladite vanne de dérivation est en position fermée.
Selon une autre variante, la commande de changement du mode « en dérivation » au mode « en fonctionnement » se fait suite à la validation des conditions de fonctionnement de la machine de détente, le retour au mode « en dérivation » depuis le mode « en fonctionnement » s'effectuant lorsque les conditions de fonctionnement de la machine de détente ne sont plus remplies.
Selon un mode de mise en œuvre particulier, la commande de changement de mode est associée à une temporisation.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de
1'invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :
- la figure 1 représente une vue schématique d'un cycle de Rankine selon l'invention
- la figure 2 représente le procédé de contrôle de la machine de détente
- la figure 3 représente une vue schématique du démarreur de la machine de détente la figure 4 représente une vue isométrique extérieure de la machine de détente
Présentation schématique d'un cycle de Rankine selon
1'invention
La figure 1 représente une vue schématique d'un cycle de Rankine selon l'invention.
Un cycle de Rankine récupère la chaleur perdue du moteur à combustion interne (301). Cette chaleur peut être récupérée à plusieurs endroits : sur le circuit de refroidissement, sur le refroidissement de l'air comprimé en amont du moteur, sur le refroidissement des gaz d'échappement recirculés dans le moteur ou sur les gaz d'échappement (302) tel que représenté dans la figure 1.
Dans ce dernier cas, un échangeur de chaleur (307) est inséré en dérivation sur la ligne d'échappement après le système de dépollution (303). Une vanne de dérivation (327) répartit proportionnellement les débits entre l'échangeur de chaleur (307) et l'échappement normal.
L'échangeur (307) est un évaporateur destiné à évaporer le fluide de travail (308) du cycle de Rankine. Le fluide de travail (308) est aspiré par la pompe (306) depuis un vase d'expansion (328) à pression contrôlée par la vanne électrique (329). La vanne électrique proportionnelle (329) régule la pression d'air dans le vase d'expansion (328) soit en reliant le vase d'expansion à la source d'air comprimé (321), soit en reliant le vase d'expansion (328) à 1'atmosphère.
La température et la pression du fluide de travail en amont de la pompe ainsi qu'en aval de 1'évaporateur (307) sont mesurées par des capteurs. Le calculateur du cycle de Rankine reçoit ces signaux pour commander les actionneurs du système ainsi qu'une température de la vapeur dans la machine de détente (304) mesurée soit dans la zone d'expansion (316) soit dans la zone d'échappement (317).
La vapeur produite dans 1'évaporateur (307) circule jusqu'à la machine de détente (304). La machine de détente comprend trois zones : la zone d'admission (314) de la vapeur à haute pression qui est connectée à la zone d'expansion (316), elle-même connectée à la zone d'échappement (317) à basse pression. La vanne de dérivation (315) ouvre et ferme un canal de dérivation mettant en communication la zone d'admission (314) et la zone d'échappement (317). Cette vanne de dérivation (315) est avantageusement pneumatique et est connectée à une source d'air comprimé (321). Une vanne électrique (320) contrôle l'admission d'air dans la vanne de dérivation (315) soit en reliant la vanne de dérivation à la source d'air comprimé (321), soit en reliant la vanne de dérivation (315) à l'atmosphère. Le canal de dérivation ou la vanne de dérivation comprend en outre une restriction, typiquement de l'ordre de 2 0mm2 afin de limiter le débit volumique traversant le canal de dérivation et de provoquer une montée en pression de la zone en amont de la restriction.
La vapeur à basse pression échappée de la machine de détente (304) depuis la zone d'échappement (317) circule dans un condenseur (305) afin de retourner à l'état liquide. Le condenseur (305) est refroidi soit par un fluide du moteur à combustion interne (301) soit par de l'air ambiant. Par exemple, un ou plusieurs des circuits de refroidissement du moteur (301) peut être utilisé. Le fluide de travail condensé retourne alors dans le vase d'expansion (328).
La machine de détente (304) est connectée à un arbre tournant (313) du moteur à combustion interne (301). Un premier joint d'étanchéité (309) est disposé sur l'arbre au plus près de la zone d'échappement (317) afin de limiter le volume de la zone contenant le fluide de travail. Ce joint sert à étanchéifier le circuit du cycle de Rankine et à éviter les fuites de fluide de travail hors du cycle ainsi que la pénétration d'air dans le circuit.
La machine de détente (304) est fixée sur le moteur (301) par une bride (319) et éventuellement d'autres moyens de fixation. La fixation par une bride unique est intéressante car elle limite le nombre d'interface avec le moteur (301) et la machine (304) peut alors se fixer tel un accessoire (pompe hydraulique, ...) sur une prise de mouvement du moteur (301). la bride peut être positionnée en retrait de la transmission de la machine de détente (304) de sorte à ce qu'une partie de cette transmission rentre dans le moteur (301) pour se connecter à l'arbre tournant (313) à l'intérieur de celui-ci.
Du côté du moteur (301), des engrenages(312) permettent d'adapter la vitesse de rotation de l'arbre du moteur (313) à celle de la machine de détente (304) qui tourne généralement plus rapidement. Le rapport de vitesse est fixe et est typiquement compris entre 1 et 4.
Une roue libre (311) est disposée à la sortie des engrenages du côté de la machine de détente (304). Celle-ci permet la rotation du moteur (301) sans que la machine de détente (304) ne soit entraînée en rotation. Lorsque la machine de détente (304) tourne à la même vitesse que le moteur (301), la roue libre (311) se bloque et la machine de détente (304) peut transmettre du couple sur l'arbre moteur (313). Un deuxième joint d'étanchéité (330) placé sur l'arbre permet d'étanchéifier le moteur (301) et d'éviter que de l'huile du moteur ne puisse fuir. Les engrenages (312) et la roue libre (311) sont lubrifiés par l'huile du moteur (301).
Entre les deux joints d'étanchéité sont optionnellement disposés un élément élastique (310) ainsi qu'un démarreur (318). L'élément élastique (310) permet de décaler les fréquences de résonnances de la ligne d'arbre dues aux excitations des accélérations angulaires dues à la fois à la machine de détente (304) et au moteur (301) afin d'éviter la casse de la transmission depuis la machine de détente (304) jusqu'au moteur (301). L'élément élastique (310) est composé d'éléments de faible raideur torsionnelle permettant d'exclure les pics de résonances de la plage de fonctionnement. L'élasticité est généralement obtenue à l'aide d'un disque en élastomère (par exemple du polyuréthane). La dureté de 1'élastomère et l'inertie du disque permettent d'ajuster les fréquences propres de la transmission en fonction des caractéristiques mécaniques du moteur (301). L'élasticité peut aussi être obtenue avec des dispositifs comportant deux parties liées par des ressorts ou des aimants permanents.
Le positionnement relatif des éléments de la ligne d'arbre entre les engrenages (312) et le premier joint d'étanchéité (309), c'est-à-dire l'ensemble roue-libre (311) joint (330) élément élastique (310) et démarreur (318), peuvent être disposés de manière différente en fonction des conditions extérieures (encombrement). Par exemple, la rouelibre (311) pourra être disposée directement après le premier joint d'étanchéité (309) et après le démarreur (318) sans que cela ne remette en cause le fonctionnement de la ligne.
Le démarreur (318) permet lors du passage du mode en dérivation (102) au mode en fonctionnement (104) de lancer la rotation de la machine de détente (304) si celle-ci ne démarre pas toute seule. En effet, certaines machines de détente à piston ont besoin de vaincre un couple de démarrage avant d'être motrices. Ce démarreur est avantageusement pneumatique et raccordé sur la même ligne d'air comprimé que la vanne de dérivation (315) et est donc commandé par la même vanne électrique (320) que la vanne de dérivation (315). Cela permet de réduire le nombre d'actionneurs et de connexions au calculateur. Le démarreur (318) peut en outre comprendre un limiteur de couple permettant d'éviter de forcer le démarrage et donc la rotation de la machine (304) si celle-ci est bloquée, par exemple, par du fluide de travail liquide.
Présentation du procédé de contrôle de la machine de détente selon l'invention
La figure 2 représente le procédé de contrôle de la machine de détente.
A l'arrêt, la machine est dans un premier mode de fonctionnement, dit « état au repos » (100), où la machine (304) est remplie de fluide de travail (308) à l'état liquide. La vanne de dérivation (315) est alors en position ouverte.
Lorsque l'on passe de l'état de repos à un état dit « en dérivation » (102) suite à une consigne de fonctionnement du cycle de Rankine et à l'absence de défaillance relevée par le calculateur (101), on commence par envoyer de la vapeur chaude par l'orifice d'admission pour purger le fluide de travail à l'état liquide. Cette vapeur circule à l'intérieur du canal de dérivation en passant par la vanne de dérivation (315), toujours en position ouverte.
Lorsque l'on passe de l'état en dérivation à un état dit « en fonctionnement » (104) suite à la validation des conditions de fonctionnement de la machine de détente (103), on ferme la vanne de dérivation. La vanne de dérivation (315) est de manière avantageuse de type pneumatique. Une vanne électrique (320) de commande de l'air comprimé ouvre ou ferme le conduit d'air comprimé (321) jusqu'à la vanne de dérivation (315). De manière avantageuse, la vanne de dérivation (315) est ouverte en l'absence d'air comprimé et fermée lorsqu'une certaine pression d'air comprimé lui est appliquée (typiquement 6 à 8 bars relatifs).
Les conditions de fonctionnement de la machine sont un ensemble de lois de contrôle choisies parmi les exemples suivants mais non limitées à ceux-ci :
• La température de la vapeur mesurée, soit dans la zone d'expansion (316), soit dans la zone d'échappement (317), est supérieure de quelques degrés (typiquement 5°C) à la température de saturation du fluide de travail à la pression mesurée dans la zone d'échappement (317) • La température de la vapeur admise dans la zone d'admission (314) est supérieure de quelques degrés (typiquement 5°C) à la température de saturation du fluide de travail à la pression de la vapeur admise dans la zone d'admission (314) • La température de la vapeur échappée de la zone d'échappement (317) est supérieure de quelques degrés (typiquement 5°C) à la température de saturation du fluide de travail à la pression de la vapeur échappée de la zone d'échappement (317) • La température de la vapeur admise dans la zone d'admission (314) est inférieure à un seuil maximal (typiquement 225°C ou 250°C) • La pression de la vapeur admise dans la zone d'admission (314) est inférieure à un seuil maximal (typiquement 35 ou 40 bars absolus) • Autorisation de fonctionnement de la machine de détente (304)
Avantageusement, des temporisations peuvent être mises en place sur tout ou partie de ces conditions afin de filtrer des évolutions temporaires et d'éviter des changements de mode intempestifs. Par exemple, la machine de détente peut accepter de la vapeur saturée en admission ou en échappement pendant 30 secondes.
Lorsque les conditions de fonctionnement (103) de la machine ne sont plus remplies, l'on quitte l'état « en fonctionnement » (104) pour repasser au mode « en dérivation » (102). La chute de pression qui s'en suit peut permettre de retrouver des conditions de fonctionnement acceptables pour la machine.
L'on quitte les modes de fonctionnement « en dérivation » (102) ou « en fonctionnement » (104), lorsqu'un ordre d'arrêt du cycle Rankine est donné ou lorsque des défaillances sont relevées. Par exemple, l'arrêt du moteur du véhicule conduit à un ordre d'arrêt du cycle de Rankine. Le système retourne alors dans l'état de repos (100). La machine de détente (304) sera alors progressivement noyée par le fluide de travail à l'état liquide au fur et à mesure de la descente en température du système. Le fluide de travail (308) liquide contenu dans un vase d'expansion (328) placé entre un condenseur (305) et une pompe (306) du cycle de Rankine est mis à la pression atmosphérique ou mis à pression plus élevée par la vanne électrique proportionnelle (329). La descente en température du système tend à créer une dépression dans le système. De ce fait, le système aspire le fluide de travail (308) liquide contenu dans le vase d'expansion (328) de sorte à n'avoir qu'une seule phase liquide à pression sensiblement atmosphérique ou à pression sensiblement plus élevée dans tout le système. De ce fait, l'entrée d'air dans le circuit, et donc d'oxygène délétère à la durée de vie des fluides et des matériaux, est limitée.
Dans n'importe lequel des trois modes d'opération de la machine de détente, celle-ci peut être tournante ou non. Son arbre de sortie est monté sur une roue libre (311). Le moteur (301) peut tourner librement sans pour autant que la machine de détente (304) ne tourne. Quel que soit le mode, lorsque les conditions sont réunies, la machine se met à tourner librement. Lorsque sa vitesse atteint celle du moteur, la roue libre (311) se bloque et la machine (304) est connectée au moteur (301) : elle fournit alors du couple et contribue ainsi à la réduction de consommation du moteur (301). La machine se déconnecte librement lorsqu'elle ne tourne pas assez vite. A titre d'exemple, lorsque la différence de pression entre l'admission (314) et l'échappement (317) n'est pas assez élevée (typiquement moins de 5 bars) alors le rendement de la machine ne permet pas sa rotation quel que soit le mode d'opération.
Dans le cas où un démarreur (318) est utilisé, celui-ci est avantageusement actionné en même temps que la vanne de dérivation (315) lors du passage du mode en dérivation (102) au mode en fonctionnement (104). De manière avantageuse, le démarreur (318) est inactif en l'absence d'air comprimé et actif lorsqu'une certaine pression d'air comprimé lui est appliquée (typiquement 6 à 8 bars relatifs). Dans le cas où la machine de détente (304) ne démarrerait pas sous l'action du démarreur (318), la pression de vapeur à l'admission augmenterait rapidement pour sortir des limites des conditions de fonctionnement faisant à nouveau basculer le contrôle en mode de dérivation (102), vanne de dérivation (315) ouverte. Rapidement les conditions redeviendraient contrôlées et le calculateur lancerait un deuxième essai de démarrage en passant à nouveau du mode (102) au mode (104).
Présentation du démarreur de la machine de détente selon 1'invention
La figure 3 représente un schéma de démarreur (318).
La figure 4 représente une vue isométrique de machine de détente (304) volumétrique à pistons présentant un démarreur pneumatique (318).
Le démarreur (318) est composé d'un actionneur pneumatique présentant un corps (205), fixé sur le corps de la machine (304) par un première liaison pivot (204), et une tige (203). La tige (203) est raccordée par une liaison pivot (202) sur un bras de levier (201) monté sur une roue libre (207). La roue libre (207) actionne à son tour l'arbre (200) de la machine de détente (304). Le démarreur est configuré pour forcer la rotation de la machine de détente (304) dans un sens donné et sur quelques degrés (typiquement entre 20 et 60°). Ce faisant, la machine devient motrice et se met à tourner de plus en plus vite. Elle se déconnecte du démarreur grâce à la roue libre (207), puis lorsqu'elle atteint la vitesse du moteur (301) elle se connecte à l'arbre moteur (313) grâce à la roue libre (311).
Dans la figure 4, le démarreur (318) n'est pas positionné tel qu'indiqué dans la figure 1, c'est-à-dire après le joint d'étanchéité (309) sur l'arbre de la machine de détente (304) dans la direction du moteur (301). Il est placé axialement de l'autre côté de la machine. Le démarreur est également plus complexe qu'illustré dans la figure 3 car il présente un renvoi d'angle effectué par des pièces intermédiaires (208, 209).
La machine (304) possède un orifice d'admission à haute pression (212) ainsi qu'une vanne de dérivation (315). Un vérin pneumatique (205) présente un orifice d'admission d'air comprimé (206) ainsi qu'une tige (203). De manière connue, la tige (203) sous l'action de l'air comprimé peut sortir du corps (205) ou bien rentrer dedans en l'absence de pression d'air comprimé grâce à un ressort de rappel intégré dans le corps (205). Un bras de levier intermédiaire (208) permet une transmission du mouvement de la tige. Avantageusement, ce bras de levier permet une augmentation de la force transmise grâce à une réduction du mouvement de sorte à ce qu'un petit vérin (205) permette d'obtenir le couple suffisant au démarrage de la machine (304). Ce bras de levier intermédiaire (208) pivote sur sa liaison (210) et actionne une tige intermédiaire (209). Cette tige intermédiaire (209) actionne à son tour un bras de levier (201) monté sur la roue libre (207) fixée sur l'arbre (200) de la machine (304). La liaison pivot (210) et le corps du vérin (205) sont fixés sur la machine (304) à l'aide d'une fixation (211).
Un port de fixation (213) d'un capteur de température est situé sur la machine. Celui-ci permet la mesure via un capteur de température de la température dans la zone d'expansion (316) de la machine. Ce capteur est placé sur un des cylindres. Il s'agit préférentiellement du cylindre qui atteint en dernier le critère de démarrage.
Claims (17)
- Revendications1 - Machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine, comprenant un corps extérieur présentant un orifice d'admission et un orifice d'échappement à l'intérieur duquel sont logés :- une zone d'admission (314) d'un fluide de travail (308) sous pression raccordée à l'orifice d'admission, dite « zone d'admission haute-pression »- une zone d'expansion (316) comprenant au moins une cavité, dans laquelle des moyens mobiles sont disposés pour entraîner un arbre moteur (313), une zone d'échappement (317) comprenant la transmission entre les moyens mobiles et l'arbre moteur (313) et raccordée à l'orifice d'échappement, dite « zone d'échappement à basse pression » un canal de dérivation formé entre la zone d'admission (314) à haute pression et la zone d'échappement à basse pression (316) une vanne de dérivation (315) commandant la circulation de fluide dans le canal de dérivation caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un capteur de température intégré dans la zone d'expansion (316), et en ce qu'un capteur de pression est disposé en aval de la zone d'expansion (316), lesdits capteurs délivrant un signal électrique exploité par un calculateur commandant l'état de ladite vanne de dérivation (315).
- 2 - Machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication 1 caractérisée en ce que ladite vanne de dérivation (315) est pneumatique et est connectée à une source d'air comprimé (321), une vanne électrique (320) contrôlant l'admission d'air dans la vanne de dérivation (315) soit en reliant la vanne de dérivation à la source d'air comprimé (321), soit en reliant la vanne de dérivation (315) à 1'atmosphère.
- 3 - Machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit canal de dérivation ou la vanne de dérivation comprend une restriction afin de limiter le débit volumique traversant le canal de dérivation.
- 4 - Machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication 1 caractérisée en ce que la machine de détente (304) est connectée à un arbre tournant (313) du moteur à combustion interne (301), un joint d'étanchéité (309) étant disposé sur l'arbre au plus près de la zone d'échappement (317).
- 5 - Machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication précédente caractérisée en ce qu'un deuxième joint d'étanchéité (330) est placé sur l'arbre pour étanchéifier le moteur (301).
- 6 - Machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un démarreur (318) permettant lors du passage du mode en dérivation (102) au mode en fonctionnement (104) de lancer la rotation de la machine de détente (304).
- 7 - Machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication 6 caractérisée en ce que ledit démarreur (318) est de type pneumatique et raccordé sur la même ligne d'air comprimé que la vanne de dérivation (315) et est commandé par la même vanne électrique (320) que la vanne de dérivation (315).
- 8 — Procédé de contrôle d'une machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine présentant un orifice d'admission et un orifice d'échappement à l'intérieur de laquelle sont logés :- une zone d'admission (314) d'un fluide de travail (308) sous pression raccordée à l'orifice d'admission, dite « zone d'admission haute-pression »- une zone d'expansion (316) comprenant au moins une cavité, dans laquelle des moyens mobiles sont disposés pour entraîner un arbre moteur (313), une zone d'échappement (317) comprenant la transmission entre les moyens mobiles et l'arbre moteur (313) et raccordée à l'orifice d'échappement, dite « zone d'échappement à basse pression » un canal de dérivation formé entre la zone d'admission (314) à haute pression et la zone d'échappement à basse pression (316) une vanne de dérivation (315) commandant la circulation de fluide dans le canal de dérivation selon soit un mode de fonctionnement, dit « en dérivation » (102), où ladite vanne de dérivation (315) est en position ouverte, soit un mode dit « en fonctionnement » (104) où ladite vanne de dérivation (315) est en position fermée, suite à la validation des conditions de fonctionnement (103) de la machine de détente caractérisé en ce que les conditions de fonctionnement (103) de la machine de détente sont formées à partir des informations fournies par un capteur de température intégré dans la zone d'expansion (316) et/ou un capteur de pression disposé en aval de la zone d'expansion (316).
- 9 — Procédé de contrôle d'une machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'un démarreur (318) est actionné lorsque la vanne de dérivation (315) passe en position fermée.
- 10 — Procédé de contrôle d'une machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que la commande de changement de mode intervient lorsque la température du fluide de travail mesurée par ledit capteur de température est supérieure de 1 à 15 K à la température de saturation du fluide de travail à la pression mesurée dans la zone d'échappement (317).
- 11 — Procédé de contrôle d'une machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que la commande de changement de mode intervient lorsque la température du fluide de travail admis dans la zone d'admission (314) est supérieure de 1 à 15 K à la température de saturation du fluide de travail à la pression de la vapeur admise dans la zone d'admission (314)
- 12 — Procédé de contrôle d'une machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que la commande de changement de mode intervient lorsque la température du fluide de travail échappé de la zone d'échappement (317) est supérieure de 1 à 15 K à la température de saturation du fluide de travail à la pression de la vapeur échappée de la zone d'échappement (317).
- 13 — Procédé de contrôle d'une machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que la commande de changement de mode intervient lorsque la température du fluide de travail admis dans la zone d'admission (314) est inférieure à un seuil maximal compris entre 210°C et 250°C.
- 14 — Procédé de contrôle d'une machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que la commande de changement de mode intervient lorsque la pression du fluide de travail admis dans la zone d'admission (314) est inférieure à un seuil maximal compris entre 35 et 45 bars.
- 15 — Procédé de contrôle d'une machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine présentant un orifice d'admission et un orifice d'échappement à l'intérieur duquel sont logés :- une zone d'admission (314) d'un fluide de travail (308) sous pression raccordée à l'orifice d'admission, dite « zone d'admission haute-pression »- une zone d'expansion (316) comprenant au moins une cavité, dans laquelle des moyens mobiles sont disposés pour entraîner un arbre moteur (313), une zone d'échappement (317) comprenant la transmission entre les moyens mobiles et l'arbre moteur (313) et raccordée à l'orifice d'échappement, dite « zone d'échappement à basse pression » un canal de dérivation formé entre la zone d'admission (314) à haute pression et la zone d'échappement à basse pression (316) une vanne de dérivation (315) commandant la circulation de fluide dans le canal de dérivation.caractérisé en ce que le procédé comporte au plus trois modes de fonctionnement dont un mode dit « en dérivation » (102) où ladite vanne de dérivation (315) est en position ouverte et un mode dit « en fonctionnement » (104) où ladite vanne de dérivation (315) est en position fermée.
- 16 — Procédé de contrôle d'une machine de détente volumétrique pour cycle de Rankine selon les revendications 8,9 ou 15 caractérisé en ce que la commande de changement du mode « en dérivation » (102) au mode « en fonctionnement » (104) se fait suite à la validation des conditions de fonctionnement de la machine de détente (103), le retour au5 mode « en dérivation » (102) depuis le mode « en fonctionnement » (104) s'effectuant lorsque au moins une des conditions de fonctionnement de la machine de détente (103) n'est plus remplies.
- 17 — Procédé de contrôle d'une machine de détente 10 volumétrique pour cycle de Rankine selon la revendication précédente caractérisé en ce que la commande de changement de mode est associée à une temporisation.
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| AT512921A4 (de) * | 2012-07-31 | 2013-12-15 | Man Truck & Bus Oesterreich Ag | Verfahren zur Regelung eines Wärme-Rückgewinnungs-Systems in einem Kraftfahrzeug |
| DE102015204385A1 (de) * | 2015-03-11 | 2016-09-15 | Mahle International Gmbh | Axialkolbenmaschine |
| WO2017008094A1 (fr) * | 2015-07-10 | 2017-01-19 | Avl List Gmbh | Procédé de commande d'un système de récupération de chaleur perdue pour un moteur à combustion interne |
-
2017
- 2017-08-07 FR FR1757571A patent/FR3069882A1/fr active Pending
-
2018
- 2018-04-27 EP EP18726522.8A patent/EP3665366A1/fr not_active Withdrawn
- 2018-04-27 WO PCT/FR2018/051073 patent/WO2019030435A1/fr unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| WO2017008094A1 (fr) * | 2015-07-10 | 2017-01-19 | Avl List Gmbh | Procédé de commande d'un système de récupération de chaleur perdue pour un moteur à combustion interne |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3665366A1 (fr) | 2020-06-17 |
| WO2019030435A1 (fr) | 2019-02-14 |
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