WO2014128266A1 - Système de conversion d'énergie thermique des gaz d'échappement d'un moteur à combustion - Google Patents

Système de conversion d'énergie thermique des gaz d'échappement d'un moteur à combustion Download PDF

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WO2014128266A1
WO2014128266A1 PCT/EP2014/053453 EP2014053453W WO2014128266A1 WO 2014128266 A1 WO2014128266 A1 WO 2014128266A1 EP 2014053453 W EP2014053453 W EP 2014053453W WO 2014128266 A1 WO2014128266 A1 WO 2014128266A1
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working fluid
lubricant
housing
expansion machine
liquid state
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Application number
PCT/EP2014/053453
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Thiébaut KIENTZ
Rémi DACCORD
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Exoes
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a system for recovering heat energy from a motor such as an internal combustion engine, and finds a particular application in the field of transport.
  • the working fluid circulates in a primary circuit, and the lubricant is contained in a housing including the elements to be lubricated.
  • a problem resulting from this structure is related to the possible migration of working fluid to the housing and vice versa of the lubricant in the primary circuit.
  • the amount of lubricant is reduced at the mechanical linkages, which can cause wear and damage to the moving parts.
  • the lubricants conventionally used are not suitable for being exposed to high temperatures such as those to which the working fluid is exposed, the exhaust gases of a vehicle being able for example to reach a temperature of the order of 800 ° C.
  • the temperature at certain points of the primary circuit can thus have high temperatures, for example of the order of 350 ° C.
  • the lubricant is then likely to decompose and thus pollute the primary circuit, thus degrading its performance.
  • GB 211 844 discloses a steam engine comprising an expansion machine whose housing is lubricated and in which water vapor can escape from an expansion chamber. To prevent mixing of the lubricant and the water of the steam, conditions are maintained in the housing temperature and pressure allowing the infiltrated water vapor remains in the vapor state. This steam is then extracted from the housing by means of, for example, an ejector. The lubricant is collected and re-injected by means of a pump at locations where lubrication is required. The casing is also at a pressure always lower than the pressure of the steam circuit so that only steam leakage to the crankcase take place, not leakage of lubricant to the steam circuit.
  • Document DE 10 2010 034153 discloses the use of a crankcase heating system the expansion machine of a Rankine system allowing evaporation of the working fluid having leaked from the expansion zone.
  • This heating system comprises an electrical resistance, a heat exchanger fed by the steam of the exhaust of the expansion machine, an exchanger fed by the vapor outlet of the evaporator or an exchanger fed by the engine exhaust gas.
  • This heating system is essentially used at startup and can possibly be stopped when the steady state, ensuring a sufficient temperature of the housing, is reached.
  • the recommended temperature to be reached is greater than the evaporation temperature of the working fluid of more than 10 to 20 ° C in order to avoid the formation of a fog of droplets of working fluid.
  • the text finally proposes the use of a separator at the outlet of the housing to separate the blow-by steam (leaks from the expansion zone) reintroduced into the main circuit, lubricant, reinjected into the housing.
  • the separator must also be maintained at a temperature above the evaporation temperature because the droplets that would be present in a steam at saturation temperature would be separated, as well as the lubricant, and reinjected into the crankcase (a separator is usually a device separating the two phases of a mixture - mist - of gas and liquid).
  • a lubricant is generally a fluid having a low thermal conductivity and a high kinematic viscosity.
  • a lubricant which heats up can thus hardly easily remove heat by thermal conduction and / or convection. There is therefore a significant risk of carbonization of the lubricant on the thermal resistance.
  • the heating of a lubricant by electrical resistance can be performed at reduced power to allow time for thermal phenomena to diffuse heat. This nevertheless makes the heating much longer.
  • An object of the invention is to design a heat energy conversion system from a combustion engine which avoids the aforementioned drawbacks.
  • an object of the invention is to design a thermal energy conversion system in which the lubrication of the mechanical connection is effectively provided even during a startup phase and without preheating is necessary .
  • the present invention proposes a system for converting thermal energy from a combustion engine, comprising a closed circulation circuit filled with a working fluid, successively comprising a first heat exchanger arranged in contact with a hot source of the combustion engine, an expansion machine, a second heat exchanger arranged in contact with a cold source, and a pump carrying out the circulation of the working fluid in said circuit,
  • said expansion machine being adapted to, during the expansion of the fluid following evaporation in the first heat exchanger and to its pressurization by the pump, to drive a moving element by means of a mechanical connection arranged in a housing and lubricated with a lubricant in the liquid state miscible with the working fluid when said working fluid is in the liquid state.
  • the mixture of lubricant and liquid working fluid present in the housing consists of a single liquid phase and ensures the lubrication of the mechanical connection safely.
  • the casing is furthermore configured in such a way that, in steady state mode, the conditions of temperature and pressure in the casing are such that the working fluid in the casing is in the gaseous state and that the lubricant is in the liquid state.
  • the mechanical connection is typically lubricated with a lubricant miscible with the working fluid selected from the following list:
  • an oil comprising a polyalkylene glycol.
  • the working fluid is typically selected from the following list:
  • the working fluid is water
  • the working fluid contains an alcohol
  • the working fluid contains ammonia
  • the working fluid is a fluid comprising a hydrofluorocarbon, or the working fluid is a fluid comprising a hydrofluorolefin.
  • the lubricant has: a first kinematic viscosity when it is pure and
  • the second kinematic viscosity being at least equal to 50% of the first kinematic viscosity when the content of working fluid in the diluted lubricant is less than or equal to 40% by mass.
  • said casing comprises a steam evacuation port of the working fluid.
  • Said system then typically further comprises separation means between the steam of the working fluid and the lubricant of the mechanical connection lubricated downstream of the steam outlet.
  • said system further comprises a device for bypassing the expansion machine adapted to selectively drive the working fluid through the expansion machine or through said bypass device or to distribute the flow of fluid working device between the branch device and the expansion machine, said bypass device being connected to said casing so as to allow an increase in the temperature of the casing.
  • said system further comprises pumping means configured to extract the working fluid vapor from the casing in order to maintain it at a pressure less than or equal to the saturation pressure of the working fluid at the temperature of the casing.
  • the present invention also relates to a vehicle comprising a heat engine and a thermal energy conversion system such as than previously presented, the first heat exchanger being arranged to convert the thermal energy from the engine of the vehicle.
  • the present invention further relates to a method of converting thermal energy from a combustion engine, the method comprising the steps of:
  • the detent causing in displacement a movable member of the expansion machine, said movable member being connected to a lubricated mechanical connection located in a housing, said mechanical connection being lubricated by means a lubricant miscible with the working fluid when said working fluid is in the liquid state.
  • the single-phase liquid mixture of working fluid and lubricant present in the housing has sufficiently lubricating properties to allow the start of the expansion machine without the need to evaporate the working fluid beforehand.
  • the conditions of temperature and pressure in the housing are such that the working fluid is in the housing in the gaseous state and the lubricant is in the liquid state.
  • FIG. 1 represents a circuit operating a Rankine thermodynamic cycle
  • FIG. 2 represents such an integrated circuit with an internal combustion engine.
  • FIG. 3 represents an axial expansion machine with pistons and inclined plate provided with sheath pistons.
  • FIG. 4 represents an axial expansion machine with pistons and inclined plate provided with pistons of the butt type.
  • FIGS. 5 to 8 show a piston expansion machine integrated into a circuit operating a Rankine thermodynamic cycle in several configurations.
  • FIG. 1 represents a circuit operating a Rankine thermodynamic cycle.
  • circuit 1 containing a working fluid, the circuit 1 comprising:
  • a pump 2 typically a pump adapted to deliver a flow of working fluid which establishes a pressure of 30 bar at its discharge;
  • a first heat exchanger 3 which will be referred to in the rest of the text as "evaporator";
  • the pump 2 supplies the evaporator 3 with working fluid in the liquid state under pressure, typically of the order of 30 bars.
  • the evaporator 3 is placed in a medium at high temperature, and thus carries out a heat transfer between the medium at high temperature and the working fluid so that the latter is vaporized and goes into the gaseous state.
  • the working fluid leaving the evaporator 3 is therefore in the gaseous state and under pressure.
  • the working fluid then passes through the expansion machine 4, in which a relaxation occurs.
  • the expansion of the working fluid in the expansion machine 4 drives moving means such as a rotating mechanical shaft, thereby recovering the energy of the expansion of the working fluid.
  • the mobile means are advantageously coupled to energy conversion means such as an electric generator, so as to allow a conversion of the energy resulting from the expansion into electrical energy.
  • energy conversion means such as an electric generator
  • the movable means can also be coupled to the internal combustion engine shaft, so as to reinject a mechanical torque.
  • the working fluid at the outlet of the expansion machine 4 is therefore in the gaseous state, and at low pressure, typically of the order of 1 bar.
  • the working fluid then passes through the condenser 5, which is arranged in a medium at a low temperature in order to achieve a heat exchange between the working fluid and this medium at a low temperature to lower the temperature of the working fluid and bring it back to the temperature. liquid state.
  • the working fluid at the outlet of the condenser 5 is therefore in the liquid state and at a low pressure, of the order of 1 bar. It is then re-injected into the circuit 1 by the pump 2 and carries out the cycle described above again.
  • the circuit 1 presented further comprises a bypass device 6 adapted to allow to take all or part of the working fluid upstream of the expansion machine 4 and reinject it into the circuit 1 downstream of the expansion machine 4, realizing thus a function of short- This type of device is commonly referred to as "bypass".
  • the bypass device 6 typically comprises a pressure limiter, so that the pressure of the working fluid downstream of the bypass device 6 is substantially identical to the pressure of the working fluid at the outlet of the expansion machine 4, by example of the order of 1 bar.
  • a bypass device 6 is advantageously used in the initiation phase of the circuit 1 in order to enable the establishment of the temperature and pressure conditions in the circuit 1 and / or in order to achieve a rise in temperature of the casing 17, or case of need to modulate the operation of the circuit 1, for example to adapt the cycle to the state of the hot source in case of excessive power in the system.
  • Figure 2 shows the circuit 1 described previously integrated into a vehicle.
  • This figure shows schematically an internal combustion engine 7 of a vehicle, connected to an exhaust duct 8 through which exhaust gases are discharged at high temperature, typically of the order of 800 ° C.
  • the evaporator 3 is disposed upstream of such means, in the exhaust duct 8, so as to allow a heat exchange between the high temperature exhaust gas discharged by the internal combustion engine 7 and the working fluid of the engine. circuit 1.
  • the evaporator 3 may for example be arranged to capture the heat of the engine coolant, be placed in an exhaust gas recirculation system, or more generally to capture the heat of a hot source of the vehicle and transmit it to the working fluid to ensure its vaporization at substantially constant pressure.
  • the circuit 1 makes it possible to obtain an overall efficiency higher than that of a conventional combustion engine.
  • the working fluid is typically water, an alcohol, a mixture of water and alcohol or a mixture of water and ammonia.
  • the lubricant is selected to be miscible with the working fluid when said working fluid is in the liquid state.
  • miscible is meant that the liquid mixture formed of the lubricant and the working fluid is homogeneous, that is to say that there is observed in said mixture a single liquid phase.
  • the lubricant is miscible with the working fluid in the liquid state at least to a mass content of 50% working fluid. More preferably, the lubricant is miscible with the working fluid in the liquid state regardless of the content of working fluid in the mixture.
  • the lubricant has a first kinematic viscosity when it is pure and a second kinematic viscosity when diluted by working fluid in the liquid state.
  • the lubricant is selected so that the second kinematic viscosity is at least 50% of the first kinematic viscosity as long as the mass content of working fluid in the liquid state in the lubricant-working fluid mixture is less than or equal to 40%.
  • Said first and second kinematic viscosities are conventionally determined at a temperature of 40 ° C, but it can be considered that this relationship remains true for higher temperatures.
  • the lubricant is typically oil, additivated or not, and has all or some of the following properties:
  • a stability that is to say an absence of chemical degradation of the lubricant molecules in the liquid state until a temperature of at least 150 ° C .
  • the lubricant comprises an oil comprising a perfluoropolyether (PFPE), which allows in particular to ensure the integrity of the lubricant, including at high temperature.
  • PFPE perfluoropolyether
  • This type of lubricant has a good resistance to temperature up to more than 350 ° C, has a suitable kinematic viscosity up to 260 ° C, has a density of 1.9, is nonflammable, evaporates little, does not form deposits during its decomposition at high temperatures but volatile products that can be extracted from the circuit, is inert with respect to the common chemical compounds, and is compatible with the usual metals and plastics.
  • This type of lubricant is miscible with working fluids of refrigerant type and more generally fluids highly fluorinated.
  • the lubricant comprises polyalkylene glycol (PAG) miscible with the working fluid.
  • a lubricant comprising a polyalkylene glycol miscible with water or with ethanol or with a water-ethanol mixture may have a substantially unchanged kinematic viscosity up to a content of water, ethanol or water-ethanol mixture of the order of 40% .
  • WO2008089130 describes a PAG that can be used in the context of the present invention.
  • This lubricant has the following properties:
  • the lubricant advantageously comprises anti-emulsion and / or anti-oxidation additives.
  • the working fluids employed can be classified into two categories: polar fluids (especially water, most alcohols, acetone) and non-polar fluids, which are often so-called refrigerant fluids (especially alkanes, hydrofluorocarbons, hydrofluorolefins).
  • lubricants can be classified as polar lubricants, which are relatively rare (some polyalkylene glycols (PAG) for example) or non-polar, which represent most lubricants (mineral oils, perfluoropolyether (PFPE), some PAG).
  • the polar fluids are miscible with each other and the nonpolar fluids are also miscible with each other.
  • a polar PAG is used with a working fluid such as water, alcohols, water-alcohol mixtures, ammonia, acetone, and a PFPE with a working fluid comprising a hydrofluorocarbon (for example HFC-245fa) or hydrofluorolefin (eg HFO-1234yf).
  • a working fluid such as water, alcohols, water-alcohol mixtures, ammonia, acetone, and a PFPE with a working fluid comprising a hydrofluorocarbon (for example HFC-245fa) or hydrofluorolefin (eg HFO-1234yf).
  • a miscible lubricant solves the lubrication uncertainties at startup. Indeed, even if working fluid in the liquid state is present in the housing, the working fluid does not form a separate phase of the lubricant and does not alter its lubrication function. Thus, the presence of condensed working fluid in the limit of 40% by weight of the lubricant-working fluid mixture does not affect the lubrication of the mechanical connection.
  • Another advantage is that it eliminates a preheating phase that is expensive in energy and time.
  • the expansion machine is designed so that in steady state conditions of temperature and pressure in the housing are such that the working fluid in the housing is in the gaseous state and the lubricant is in the liquid state.
  • the miscibility of the lubricant also makes it possible to compensate for harmful effects of this possible condensation since the lubricant remains functional.
  • the lubricants used also make it possible to limit the harmful impacts in the event of lubricant leakage to the zones with higher temperatures.
  • a PFPE oil does not degrade up to 350 ° C.
  • a PAG oil can degrade from 250 ° C but the degradation products are soluble in the PAG itself and therefore will not form deposits on the walls of the machine parts (including exchangers) ; on the other hand, subjected to an excessive temperature, the PAG decomposes completely without forming solid deposits.
  • Figure 3 shows an example of structure of the expansion machine 4 inclined plate and pistons sheath.
  • the working fluid in the gaseous state and at high pressure is fed into a cylinder head 9 of the expansion machine 4 and then passes through an intake device 10 to reach an expansion zone 11.
  • This expansion zone 11 comprises a cylinder 13 in which is housed a piston 14 provided with sealing elements 15 on its periphery.
  • the piston as shown is a sheath piston, commonly referred to as "trunk piston”.
  • the piston 14 is connected to an inclined plate 16 rotatably connected to a shaft, so as to define a top dead center and a bottom dead center for the piston as a function of the rotation of the shaft and the inclined plate 16, respectively corresponding to their position in which he is the most retracted in its housing 13, and the position in which it is the most out of its housing 13.
  • An internal volume of the expansion zone 11 is defined, which varies as a function of the position of the piston 14. This internal volume is at its minimum value when the piston 14 is at top dead center, and at its maximum value when the piston 14 is at the bottom dead center.
  • the inlet device 10 is configured so that the working fluid under pressure and in the gaseous state is injected when the piston 14 is substantially at its top dead center.
  • the volume of the expansion zone 11 is then at its minimum.
  • the expansion of the working fluid in the gaseous state causes an increase in the volume of the expansion zone 11 and therefore a displacement of the piston 14 which causes the rotation of the inclined plate 16 until the piston 14 reaches its point. low death.
  • the working fluid in the gaseous state and now low pressure is discharged by means of lights 12 arranged in the expansion zone 11 and connected to a discharge pipe 21, these lights 12 n being advantageously accessible only when the piston 14 is at the bottom dead center.
  • the inclined plate 16 is connected to the piston 14 so as to form a swash plate, commonly referred to as the English name "swashplate".
  • swashplate a swash plate
  • This swashplate is arranged in a housing 17 of the expansion machine 4, comprising liquid lubricant to ensure the lubrication of the connection between the piston 14 and the inclined plate 16, and also the lubrication of mechanical bearings allowing the rotation of the the tree and inclined plateau 16.
  • the lubricant, mixed with the gaseous working fluid, can also be used for the lubrication of the intake device 10 and the piston 14.
  • the casing 17 is provided with a discharge orifice 18 allowing steam of working fluid in the casing 17 to be discharged from the casing 17, and thereby avoiding a build-up of working fluid vapor and the resulting problems mentioned above.
  • the discharge orifice 18 may be formed of a bore in the casing 17, provided or not with an anti-return means such as a valve.
  • the casing 17, the expansion zone 11 and the yoke 9 have a common frame 19, advantageously surrounded by an insulating layer 20.
  • This common frame 19 is at high temperature, in particular because of the working fluid in the vapor state that is injected into it, which makes it possible to maintaining the housing 17 at a sufficient temperature so that the working fluid that could leak remains in the gaseous state and does not condense, thus ensuring its evacuation through the discharge orifice 18.
  • the miscibility of the lubricant and the fluid work permits that in steady state the crankcase temperature is equal to or only slightly higher (a few ° C) than the evaporation temperature of the working fluid - rather than substantially higher (10 ° C or more) - since a possible condensation a small amount of working fluid does not affect the lubricating properties of the lubricant. It is well understood that these temperature conditions concern the established regime of the circuit 1, and that a start-up or transition phase may be necessary beforehand.
  • the working fluid may be present in the liquid state in the casing, for example following the cooling thereof after stopping the conversion system.
  • a lubricant that is miscible with the working fluid in the liquid state and the dilution of which does not lead to a significant loss of its lubricating properties, in particular its kinematic viscosity, makes it possible to maintain effective lubrication of the mechanical connection.
  • the discharge pipe 21 in which the openings 12 of the latter open is advantageously equipped with separation means, for example operating a difference in density between a fluid in the liquid state and a fluid in the gaseous state.
  • the separation involves evaporating the working fluid - which imposes an implementation of the separation at a temperature at least 10 ° C higher than the evaporation temperature of the working fluid - the fact that the lubricant is miscible with the working fluid allows to realize the separation at the evaporation temperature of the working fluid, the presence of a droplet of working fluid in the liquid state does not affect the lubricating properties of the lubricant.
  • Said separation thus makes it possible to reinject in the circuit 1 the working fluid in the gaseous state while the liquid part mainly composed of lubricant and possibly condensed working fluid is reinjected into the casing 17. Thanks to the characteristics of the lubricant, this mixture retains sufficiently lubricating properties. Said mixture can also be reinjected at other places of the expansion machine or in the circuit 1.
  • Figure 4 shows another example of structure of the relaxation machine 4 inclined plate and pistons stick.
  • the piston 14 here comprises a head having a generally low-thickness disc shape, the piston body 14 being a rod with a reduced diameter compared to the previous embodiment in which the piston 14 had a substantially constant thickness along its entire length. .
  • This configuration creates a buffer zone 22 separated from the expansion zone 11 by the piston head 14.
  • FIGS 5 to 8 schematically show the circuit 1 and illustrate several configurations of the expansion machine 4.
  • FIG. 5 shows a configuration of the circuit 1 in which a separation system 23 of the lubricant and the fluid of gaseous work is disposed at a pipe 24 connected to the discharge orifice 18 of the casing 17. As indicated above, the fluid vapor of work having entered the casing 17 escapes through this orifice 18, and may carry with it drops of lubricant.
  • the separation system 23 separates the lubricant from the working fluid; the lubricant is thus reinjected into the casing 17 by means of a return duct 25, while the gaseous working fluid is reinjected into the circuit 1 downstream of the expansion machine 4 and upstream of the condenser 5.
  • FIG. 6 shows another variant of the circuit 1 in which the pipe 24 connected to the discharge orifice 18 of the casing 17 is connected to the discharge pipe 21 upstream of the separation system 23; which can then treat the leaks from the expansion zone 11 and the housing 17.
  • the lubricant is here also reinjected into the housing 17, and the working fluid is fed back to the condenser 5.
  • a separation system 23 can be used which uses a difference in density between the lubricant and the working fluid.
  • FIG. 7 shows a variant of FIG. 5, in which the separating system 23 presented above is replaced by a steam extraction system 26, thus performing an active extraction of the working fluid vapor having entered the housing 17 .
  • the steam extraction system 26 may be coupled to a separation system 23 as presented above, disposed upstream or downstream of the steam extraction system 26 if the latter does not allow to achieve a separation alone.
  • FIG. 8 shows a variant of the embodiment shown in FIG. 6, in which the bypass device 6 is connected to the enclosure 17, typically by means of conduits forming a heat exchanger.
  • This variant makes it possible to increase the temperature of the casing 17 when starting the system by circulating high temperature steam in the bypass device, or to maintain the casing 17 at a minimum operating temperature in order to ensure that the working fluid entering the housing 17 remains in the gaseous state.
  • This heating of the housing 17 is used to heat the lubricant, and thus to ensure its properties.

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Abstract

La présente invention concerne un système de conversion d'énergie thermique issue d'un moteur à combustion (7), comprenant un circuit (1) fermé de circulation d'un fluide de travail, comprenant un premier échangeur thermique (3), une machine de détente (4), un second échangeur thermique (5), et une pompe (2), ladite machine de détente (4) étant adaptée pour, lors de la détente du fluide suite à son évaporation dans le premier échangeur thermique (3) et à son maintien sous pression par la pompe (2), entraîner en mouvement un élément mobile (14) par l'intermédiaire d'une liaison mécanique lubrifiée disposée dans un carter (17), caractérisé en ce que le lubrifiant est miscible avec le fluide de travail lorsque ledit fluide de travail est à l'état liquide.

Description

Système de conversion d'énergie thermique des gaz d'échappement d'un moteur à combustion
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention concerne un système de récupération de l'énergie thermigue issue d'un moteur tel gu'un moteur à combustion interne, et trouve une application particulière dans le domaine des transports.
ETAT DE L'ART
On connaît des systèmes de conversion de la chaleur issue d'un moteur en énergie mécanigue. De tels ensembles sont notamment connus pour la conversion de chaleur émise par des moteurs à combustion interne, gui est notamment dissipée lors de l'expulsion des gaz d'échappement et est donc perdue.
De tels ensembles sont soumis à des contraintes de poids et d'encombrement exigeantes. Ils tendent ainsi à devenir de plus en plus compacts.
Ces systèmes fonctionnent avec un fluide de travail gue l'on soumet à un cycle thermodynamigue de Rankine comprenant une compression, une évaporation complétée d'une éventuelle surchauffe, une détente et une condensation, permettant d'actionner des organes mobiles tels gue des pistons afin d'obtenir de l'énergie mécanigue.
Ces systèmes comprenant des pièces mobiles, ils nécessitent conventionnellement l'utilisation d'un lubrifiant au niveau des liaisons mécanigues entre les pièces mobiles telles gue les paliers ou plus généralement les surfaces de contact.
Le fluide de travail circule dans un circuit primaire, et le lubrifiant est guant à lui confiné dans un carter comprenant les éléments à lubrifier. Une problématique résultant de cette structure est liée à la possible migration de fluide de travail vers le carter et inversement du lubrifiant dans le circuit primaire.
En effet, la présence de fluide de travail au niveau des zones lubrifiées dans le carter entraîne une détérioration de la qualité de la lubrification.
De plus, la fuite de lubrifiant vers le circuit primaire présente plusieurs inconvénients.
En premier lieu, on réduit la quantité de lubrifiant au niveau des liaisons mécaniques, ce qui peut provoquer une usure et une détérioration des pièces mobiles.
Par ailleurs, les lubrifiants utilisés conventionnellement ne sont pas adaptés pour être exposés à des températures élevées telles que celles auxquelles est exposé le fluide de travail, les gaz d'échappement d'un véhicule pouvant par exemple atteindre une température de l'ordre de 800 °C. La température en certains points du circuit primaire peut ainsi présenter des températures élevées, par exemple de l'ordre de 350°C. Le lubrifiant est alors susceptible de se décomposer et ainsi de polluer le circuit primaire, dégradant alors ses performances.
Les exigences croissantes en termes de compacité entraînent une réduction des zones séparant le fluide de travail du lubrifiant, ce qui accroît cette problématique.
Plusieurs documents visent cette problématique et proposent des structures particulières afin d'éviter ou tout du moins limiter ce mélange du fluide de travail et du lubrifiant.
On peut ainsi citer les documents WO2012013462(Al), WO2012013463(Al) et WO2012013470(Al). Les arrangements proposés portent sur l'architecture de la machine afin de réduire les zones de fuite du fluide de travail vers le carter, et du lubrifiant vers le circuit primaire.
Les structures proposées demeurent toutefois incapables de garantir une étanchéité parfaite.
Or il serait avantageux d'éviter les conséquences, notamment exposées ci-dessus, des mélanges de fluide de travail et de lubrifiant. Ceci est en particulier désirable pour des applications requérant une durée de vie élevée (de l'ordre de 5000 heures) sans maintenance.
Le document GB 211 844 décrit une machine à vapeur comprenant une machine de détente dont le carter est lubrifié et dans lequel peut fuir la vapeur d'eau depuis une chambre d'expansion. Pour éviter le mélange du lubrifiant et de l'eau de la vapeur, on maintient dans le carter des conditions de température et de pression permettant que la vapeur d'eau infiltrée reste à l'état de vapeur. Cette vapeur est ensuite extraite du carter au moyen par exemple d'un éjecteur. Le lubrifiant est récolté et réinjecté au moyen d'une pompe aux endroits nécessitant de la lubrification. Le carter est par ailleurs à une pression toujours inférieure à la pression du circuit de vapeur de manière à ce que seules des fuites de vapeur vers le carter aient lieu, et non des fuites de lubrifiant vers le circuit de vapeur.
Cependant, en phase de démarrage, la vapeur résiduelle présente dans le carter du moteur vapeur arrêté se condense et se mélange au lubrifiant. Par conséquent, au démarrage, un mélange d'eau et de lubrifiant, éventuellement une émulsion, est pompé et envoyé en guise de lubrifiant vers les zones de frottement, ce qui aura pour conséquence une diminution de la durée de vie de la machine et une augmentation des frottements. Un tel mélange, souvent sous forme d'émulsion, présente en effet une compressibilité augmentée, ce qui peut produire des phénomènes de cavitation aux pompes. Par ailleurs un tel mélange présente souvent un pouvoir lubrifiant faible et favorise l'oxydation du lubrifiant de base. Enfin, la plupart des lubrifiants ont une densité inférieure à l'eau, ce qui implique qu'à l'arrêt, la phase liquide de l'eau se trouve en-dessous de la phase liquide du lubrifiant et est donc aspirée en priorité par la pompe.
D'autre part, la grande majorité des lubrifiants présente des pressions de vapeur non nulles ce qui implique qu'une faible quantité de lubrifiant à l'état gazeux est présente dans le carter ; cette fraction gazeuse du lubrifiant est évacuée en même temps que la vapeur et se condense comme elle dans le condenseur. Ce phénomène a des effets néfastes sur le circuit de vapeur, notamment la formation d'une émulsion provoquant la cavitation de la pompe et généralement une carbonisation de l'huile dans l'évaporateur.
Le document DE 10 2010 034153 divulgue l'utilisation d'un système de chauffage du carter la machine de détente d'un système Rankine permettant l'évaporation du fluide de travail ayant fui depuis la zone d'expansion. Ce système de chauffage comprend une résistance électrique, un échangeur alimenté par la vapeur de l'échappement de la machine de détente, un échangeur alimenté par la vapeur de sortie de l'évaporateur ou un échangeur alimenté par les gaz d'échappement du moteur. Ce système de chauffage est essentiellement utilisé au démarrage et peut éventuellement être arrêté lorsque le régime permanent, assurant une température suffisante du carter, est atteint. La température préconisée à atteindre est supérieure à la température d'évaporation du fluide de travail de plus de 10 à 20°C afin d'éviter la formation d'un brouillard de gouttelettes de fluide de travail. Le texte propose enfin l'utilisation d'un séparateur en sortie de carter pour séparer la vapeur de blow-by (fuites issues de la zone d'expansion) réintroduite dans le circuit principale, du lubrifiant, réinjecté dans le carter. Le séparateur doit également être maintenu à une température supérieure à la température d'évaporation car les gouttelettes qui seraient présentes dans une vapeur à température de saturation seraient séparées, de même que le lubrifiant, et réinjectées dans le carter (un séparateur est en général un appareil séparant les deux phases d'un mélange - brouillard- de gaz et de liquide).
Ces arrangements sont insatisfaisants pour les raisons suivantes.
D'une part, un lubrifiant est en règle générale un fluide ayant une faible conduction thermique et une viscosité cinématique élevée. Au contact d'une résistance électrique, un lubrifiant qui s'échauffe peut ainsi difficilement évacuer rapidement la chaleur par conduction thermique et/ou par convection. Il existe donc un risque important de carbonisation du lubrifiant sur la résistance thermique. Pour pallier ce problème, le chauffage d'un lubrifiant par résistance électrique peut être réalisé à puissance réduite pour laisser le temps aux phénomènes thermiques de diffuser la chaleur. Ceci rend néanmoins le chauffage beaucoup plus long.
D'autre part, quel que soit le mode de réalisation du système de chauffage, il représente une dépense énergétique nuisible au rendement global de l'installation.
Enfin, une phase de préchauffage jusqu'à évaporation totale du fluide de travail nécessite un temps important qui impacte directement, de façon négative, le temps de démarrage de l'installation et donc son efficacité en termes de récupération et valorisation de l'énergie issue du véhicule.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Un but de l'invention est de concevoir un système de conversion d'énergie thermique issue d'un moteur à combustion qui évite les inconvénients précités. En particulier, un but de l'invention est de concevoir un système de conversion d'énergie thermique dans lequel la lubrification de la liaison mécanique soit assurée de manière efficace même pendant une phase de démarrage et ce, sans qu'un préchauffage ne soit nécessaire.
A cet effet, la présente invention propose un système de conversion d'énergie thermique issue d'un moteur à combustion, comprenant un circuit fermé de circulation rempli d'un fluide de travail, comprenant successivement un premier échangeur thermique disposé au contact d'une source chaude du moteur à combustion, une machine de détente, un second échangeur thermique disposé au contact d'une source froide, et une pompe réalisant la circulation du fluide de travail dans ledit circuit,
ladite machine de détente étant adaptée pour, lors de la détente du fluide suite à évaporation dans le premier échangeur thermique et à sa mise sous pression par la pompe, entraîner en mouvement un élément mobile par l'intermédiaire d'une liaison mécanique disposée dans un carter et lubrifiée au moyen d'un lubrifiant à l'état liquide miscible avec le fluide de travail lorsque ledit fluide de travail est à l'état liquide.
Ainsi, au démarrage, le mélange de lubrifiant et de fluide de travail liquide présent dans le carter est constitué d'une unique phase liquide et assure la lubrification de la liaison mécanique en toute sécurité.
De manière particulièrement avantageuse, le carter est en outre configuré de manière à ce qu'en régime établi, les conditions de température et de pression dans le carter soient telles que le fluide de travail se trouvant dans le carter soit à l'état gazeux et que le lubrifiant soit à l'état liquide.
La liaison mécanique est typiquement lubrifiée au moyen d'un lubrifiant miscible avec le fluide de travail choisi parmi la liste suivante :
- une huile comprenant un perfluoropolyether ;
- une huile comprenant un polyalkylène glycol.
Le fluide de travail est typiquement choisi parmi la liste suivante :
- le fluide de travail est de l'eau,
- le fluide de travail contient un alcool,
- le fluide de travail contient de l'ammoniac,
- le fluide de travail est un fluide comprenant un hydrofluorocarbure, ou - le fluide de travail est un fluide comprenant une hydrofluoroléfine.
De manière particulièrement avantageuse, à une température pour laquelle le fluide de travail est à l'état liquide, le lubrifiant présente : - une première viscosité cinématique lorsqu'il est pur et
- une deuxième viscosité cinématique lorsqu'il est dilué par du fluide de travail à l'état liquide,
la deuxième viscosité cinématique étant au moins égale à 50% de la première viscosité cinématique lorsque la teneur en fluide de travail dans le lubrifiant dilué est inférieure ou égale à 40% en masse.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit carter comprend un orifice d'évacuation de la vapeur du fluide de travail. Ledit système comprend alors typiquement en outre des moyens de séparation entre la vapeur du fluide de travail et le lubrifiant de la liaison mécanique lubrifiée en aval de l'orifice d'évacuation de la vapeur.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit système comprend en outre un dispositif de dérivation de la machine de détente adapté pour sélectivement entraîner le fluide de travail au travers de la machine de détente ou au travers dudit dispositif de dérivation ou pour répartir le flux de fluide de travail entre le dispositif de dérivation et la machine de détente, ledit dispositif de dérivation étant relié audit carter de manière à permettre une élévation de la température du carter.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit système comprend en outre des moyens de pompage configurés pour extraire la vapeur de fluide de travail du carter afin de le maintenir à une pression inférieure ou égale à la pression de saturation du fluide de travail à la température du carter.
La présente invention concerne également un véhicule comprenant un moteur thermique et un système de conversion d'énergie thermique tel que présenté précédemment, le premier échangeur thermique étant disposé de manière à convertir l'énergie thermique issue du moteur thermique du véhicule. La présente invention concerne en outre un procédé de conversion d'énergie thermique issue d'un moteur à combustion, le procédé comprenant les étapes consistant à :
- faire circuler un fluide de travail sous pression dans un circuit fermé,
- vaporiser le fluide de travail sous pression par échange thermique avec le moteur thermique,
- réaliser une détente du fluide de travail dans une machine de détente, la détente entraînant en déplacement un élément mobile de la machine de détente, ledit élément mobile étant lié à une liaison mécanique lubrifiée située dans un carter, ladite liaison mécanique étant lubrifiée au moyen d'un lubrifiant miscible avec le fluide de travail lorsque ledit fluide de travail est à l'état liquide.
Ainsi, au démarrage, le mélange liquide monophasique de fluide de travail et de lubrifiant présent dans le carter présente des propriétés suffisamment lubrifiantes pour permettre le démarrage de la machine de détente sans nécessité d'évaporer le fluide de travail au préalable.
De manière particulièrement avantageuse, en régime stabilisé, les conditions de température et de pression dans le carter sont telles que le fluide de travail se trouve dans le carter à l'état gazeux et que le lubrifiant soit à l'état liquide.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 représente un circuit opérant un cycle thermodynamique de Rankine, et la figure 2 représente un tel circuit intégré à un moteur à combustion interne.
- La figure 3 représente une machine de détente axiale à pistons et plateau inclinée pourvue de pistons fourreau.
- La figure 4 représente une machine de détente axiale à pistons et plateau incliné pourvue de pistons de type à crosse.
- Les figures 5 à 8 représentent une machine de détente à piston intégré à un circuit opérant un cycle thermodynamique de Rankine selon plusieurs configurations.
Sur l'ensemble des figures, les éléments communs sont repérés par des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE
La figure 1 représente un circuit opérant un cycle thermodynamique de Rankine.
On représente sur cette figure un circuit 1 contenant un fluide de travail, le circuit 1 comprenant :
- Une pompe 2, typiquement une pompe adaptée pour délivrer un débit de fluide de travail ce qui établit une pression de 30 bars à son refoulement ;
- Un premier échangeur thermique 3 que l'on désignera dans la suite du texte par « évaporateur » ;
- Une machine de détente 4 ;
- Un second échangeur thermique 5, que l'on désignera dans la suite du texte par « condenseur » ;
- Un dispositif de dérivation 6.
La pompe 2 alimente l'évaporateur 3 en fluide de travail à l'état liquide sous pression, typiquement de l'ordre de 30 bars. L'évaporateur 3 est disposé dans un milieu à température élevée, et réalise ainsi un transfert thermique entre ce milieu à température élevée et le fluide de travail de sorte que ce dernier soit vaporisé et passe à l'état gazeux.
Le fluide de travail en sortie de l'évaporateur 3 est donc à l'état gazeux et sous pression.
Le fluide de travail passe ensuite par la machine de détente 4, dans laquelle se produit une détente.
La détente du fluide de travail dans la machine de détente 4 entraîne des moyens mobiles tels qu'un arbre mécanique tournant, permettant ainsi de récupérer l'énergie de la détente du fluide de travail .
Les moyens mobiles sont avantageusement couplés à des moyens de conversion d'énergie tels qu'une génératrice électrique, de manière à permettre une conversion de l'énergie résultant de la détente en énergie électrique. Les moyens mobiles peuvent également être couplés à l'arbre du moteur à combustion interne, de manière à réinjecter un couple mécanique.
Le fluide de travail en sortie de la machine de détente 4 est donc à l'état gazeux, et à pression faible, typiquement de l'ordre de 1 bar.
Le fluide de travail passe ensuite par le condenseur 5, qui est disposé dans un milieu à température faible afin de réaliser un échange thermique entre le fluide de travail et ce milieu à température faible pour abaisser la température du fluide de travail et le ramener à l'état liquide.
Le fluide de travail en sortie du condenseur 5 est donc à l'état liquide et à pression faible, de l'ordre de 1 bar. Il est ensuite réinjecté dans le circuit 1 par la pompe 2 et réalise à nouveau le cycle décrit précédemment. Le circuit 1 présenté comprend en outre un dispositif de dérivation 6 adapté pour permettre de prélever tout ou partie du fluide de travail en amont de la machine de détente 4 et de le réinjecter dans le circuit 1 en aval de la machine de détente 4, réalisant ainsi une fonction de court- circuit de la machine de détente 4. On qualifie communément un tel dispositif selon l'appellation anglaise « bypass ».
Le dispositif de dérivation 6 comprend typiquement un limiteur de pression, de manière à ce que la pression du fluide de travail en aval du dispositif de dérivation 6 soit sensiblement identique à la pression du fluide de travail en sortie de la machine de détente 4, par exemple de l'ordre de 1 bar. Un tel dispositif de dérivation 6 est avantageusement utilisé en phase d'initiation du circuit 1 afin de permettre l'établissement des conditions de température et de pression dans le circuit 1 et/ou afin de réaliser une montée en température du carter 17, ou en cas de nécessité de modulation du fonctionnement du circuit 1, par exemple pour adapter le cycle à l'état de la source chaude en cas de puissance trop importante dans le système. La figure 2 présente le circuit 1 décrit précédemment intégré à un véhicule.
On représente schématiquement sur cette figure un moteur à combustion interne 7 d'un véhicule, relié à un conduit d'échappement 8 par lequel sont rejetés des gaz d'échappement à température élevée, typiquement de l'ordre de 800°C.
L'évaporateur 3 est disposé en amont de tels moyens, dans le conduit d'échappement 8, de manière à permettre un échange thermique entre les gaz d'échappement à température élevée rejetés par le moteur à combustion interne 7 et le fluide de travail du circuit 1.
D'autres variantes d'implantation dans un véhicule peuvent être proposées ; l'évaporateur 3 peut par exemple être disposé de manière à capter la chaleur du liquide de refroidissement du moteur, être disposé dans un système de recirculation des gaz d'échappement, ou plus généralement pour capter la chaleur d'une source chaude du véhicule et la transmettre au fluide de travail afin d'assurer sa vaporisation à pression sensiblement constante. Une telle intégration du circuit 1 dans un véhicule permet d'obtenir un rendement global supérieur à celui d'un moteur à combustion conventionnel.
Le fluide de travail est typiquement de l'eau, un alcool, un mélange d'eau et d'alcool ou un mélange d'eau et d'ammoniac.
Le lubrifiant est choisi pour être miscible avec le fluide de travail lorsque ledit fluide de travail est à l'état liquide. Par miscible, on entend que le mélange liquide formé du lubrifiant et du fluide de travail est homogène, c'est-à-dire que l'on observe dans ledit mélange une seule phase liquide.
De préférence, le lubrifiant est miscible avec le fluide de travail à l'état liquide au moins jusqu'à un titre massique en fluide de travail de 50%. De manière encore préférée, le lubrifiant est miscible avec le fluide de travail à l'état liquide quelle que soit la teneur en fluide de travail dans le mélange.
A une température donnée, le lubrifiant présente une première viscosité cinématique lorsqu'il est pur et une deuxième viscosité cinématique lorsqu'il est dilué par du fluide de travail à l'état liquide.
Le lubrifiant est choisi pour que la deuxième viscosité cinématique soit au moins égale à 50% de la première viscosité cinématique tant que la teneur en masse de fluide de travail à l'état liquide dans le mélange lubrifiant - fluide de travail est inférieure ou égale à 40%. Lesdites première et deuxième viscosités cinématiques sont conventionnellement déterminées à une température de 40°C, mais on peut considérer que cette relation reste vraie pour des températures supérieures.
Le lubrifiant est typiquement de l'huile, additivée ou non, et présente tout ou partie des propriétés suivantes :
- une densité sensiblement égale à 1 ; - une viscosité cinématique appropriée sur une plage de température large, typiquement entre 50 et 400mm2/s à 40°C et entre 5 et 50mm2/s à 100°C ;
- un indice de viscosité supérieur à 100 ;
- il n'est pas inflammable ;
- une stabilité (c'est-à-dire une absence de dégradation chimique des molécules du lubrifiant) à l'état liquide jusqu'à une température au moins égale à 150°C;
- une stabilité à haute température jusqu'à 350°C, ou se décomposant à haute température sans créer de dépôts ou de substances nuisibles au bon fonctionnement du système ;
- une volatilité réduite, par exemple conduisant à des pertes par évaporation de moins de 1% en masse en 22 heures à 100°C ;
- il est peu ou pas réactif avec le fluide de travail choisi.
Dans le présent texte, les valeurs de viscosité cinématique indiquées sont déterminées selon le test de l'American Society for Testing and Materials (ASTM) D445. Les valeurs d'indice de viscosité sont déterminées selon la norme ASTM D2270. Selon un mode de réalisation, le lubrifiant comprend une huile comprenant un perfluoropolyéther (PFPE), ce qui permet notamment d'assurer l'intégrité du lubrifiant, y compris à haute température. Ce type de lubrifiant présente une bonne tenue à la température jusqu'à plus de 350°C, possède une viscosité cinématique appropriée jusqu'à 260°C, possède une densité de 1.9, est ininflammable, s'évapore peu, ne forme pas de dépôts lors de sa décomposition à hautes températures mais des produits volatils qui peuvent être extraits du circuit, est inerte vis-à-vis des composés chimiques communs, et est compatible avec les métaux et plastiques usuels. Ce type de lubrifiant est miscible avec des fluides de travail de type réfrigérants et plus généralement les fluides hautement fluorés. Selon un autre mode de réalisation, le lubrifiant comprend du polyalkylèneglycol (PAG) miscible avec le fluide de travail. Un tel lubrifiant possède des composés de décomposition à haute température qui sont solubles dans les liquides polaires tels que l'eau ou l'éthanol. Enfin sa décomposition ultime produit de l'eau et du dioxyde de carbone qui n'ont pas d'impact néfaste sur le système. Un lubrifiant comprenant un polyalkylèneglycol miscible à l'eau ou à l'éthanol ou à un mélange eau-éthanol peut présenter une viscosité cinématique sensiblement inchangée jusqu'à une teneur en eau, éthanol ou mélange eau-éthanol de l'ordre de 40%.
Le document WO2008089130 décrit un PAG pouvant être utilisé dans le cadre de la présente invention. Ce lubrifiant présente les propriétés suivantes :
- une viscosité cinématique à 40°C de 98,0 mm2/s,
- une viscosité cinématique à 100°C de 18,7 mm2/s,
- un indice de viscosité de 212,
- une densité de 1,017,
- un point d'écoulement pur de -12°C,
- un point d'écoulement avec une teneur en eau additionnelle de 10% égal à -44°C,
- un point d'écoulement avec une teneur en eau additionnelle de 20% égal à -46°C.
Par ailleurs, le lubrifiant comprend avantageusement des additifs anti- émulsion et/ou anti-oxydation.
Généralement, les fluides de travail employés peuvent se classer en deux catégories : les fluides polaires (notamment eau, la plupart des alcools, acétone) et les fluides non polaires, qui sont souvent des fluides dits réfrigérants (notamment alcanes, hydrofluorocarbures, hydrofluoroléfines). De même, les lubrifiants peuvent être classés en lubrifiants polaires, qui sont relativement rares (certains polyalkylèneglycols (PAG) par exemple) ou non polaires, qui représentent la plupart des lubrifiants (huiles minérales, perfluoropolyéther (PFPE), certains PAG).
En règle générale, les fluides polaires sont miscibles entre eux et les fluides non polaires sont aussi miscibles entre eux.
On peut donc typiquement associer un lubrifiant à un fluide de travail déterminé en fonction de leur caractère polaire ou non polaire.
Ainsi, par exemple, on utilise un PAG polaire avec un fluide de travail tel que eau, alcools, mélanges eau-alcools, ammoniac, acétone, et un PFPE avec un fluide de travail comprenant un hydrofluorocarbure (par exemple HFC-245fa) ou hydrofluoroléfine (par exemple HFO-1234yf).
L'utilisation d'un lubrifiant miscible permet de résoudre les incertitudes de lubrification au démarrage. En effet, même si du fluide de travail à l'état liquide est présent dans le carter, le fluide de travail ne forme pas une phase distincte du lubrifiant et n'altère pas sa fonction de lubrification. Ainsi, la présence de fluide de travail condensé dans la limite de 40% en masse du mélange lubrifiant - fluide de travail n'affecte pas la lubrification de la liaison mécanique.
D'autre part, l'utilisation d'un tel lubrifiant miscible avec le fluide de travail permet de s'affranchir de la mise en œuvre d'un dispositif de préchauffage tel que décrit dans le document DE 10 2010 034 153 pour évaporer le fluide de travail avant l'obtention du régime établi.
Ceci permet de simplifier la conception de la machine de détente et de minimiser son coût. Un autre avantage est que l'on s'affranchit d'une phase préalable de préchauffage coûteuse en énergie et en temps.
La machine de détente est conçue pour qu'en régime établi les conditions de température et de pression dans le carter soient telles que le fluide de travail se trouvant dans le carter soit à l'état gazeux et que le lubrifiant soit à l'état liquide.
Dans le cas où il subsisterait néanmoins des points « froids » dans le carter, c'est-à-dire des zones dans lesquelles la température est suffisamment basse pour provoquer une condensation du fluide de travail, la miscibilité du lubrifiant permet également de compenser les effets néfastes de cette condensation éventuelle puisque le lubrifiant reste fonctionnel. Par ailleurs les lubrifiants mis en œuvre permettent également de limiter les impacts néfastes en cas de fuite de lubrifiant vers les zones à plus haute température.
En effet, une huile PFPE ne se dégrade pas jusqu'à 350°C. Une huile PAG peut quant à elle se dégrader à partir de 250°C mais les produits de la dégradation sont solubles dans le PAG lui-même et ne vont donc pas former des dépôts sur les parois des pièces de la machine (notamment les échangeurs) ; d'autre part, soumis à une température excessive, le PAG se décompose totalement sans former de dépôts solides.
La figure 3 présente un exemple de structure de la machine de détente 4 à plateau incliné et pistons à fourreau.
Le fluide de travail à l'état gazeux et à pression élevée est amené dans une culasse 9 de la machine de détente 4, puis passe par un dispositif d'admission 10 pour atteindre une zone d'expansion 11. Cette zone d'expansion 11 comprend un cylindre 13 dans lequel est logé un piston 14 muni d'éléments d'étanchéité 15 sur sa périphérie.
Le piston tel que représenté est un piston fourreau, communément désigné sous l'appellation anglaise « trunk piston ».
Le piston 14 est lié à un plateau incliné 16 lié en rotation à un arbre, de manière à définir un point mort haut et un point mort bas pour le piston en fonction de la rotation de l'arbre et du plateau incliné 16, correspondant respectivement à leur position dans laquelle il est le plus rétracté dans son logement 13, et à la position dans laquelle il est le plus sorti de son logement 13.
On définit un volume interne de la zone d'expansion 11, qui varie en fonction de la position du piston 14. Ce volume interne est à sa valeur minimale lorsque le piston 14 est au point mort haut, et à sa valeur maximale lorsque le piston 14 est au point mort bas.
Le dispositif d'admission 10 est configuré de manière à ce que le fluide de travail sous pression et à l'état gazeux soit injecté lorsque le piston 14 est sensiblement à son point mort haut.
Le volume de la zone d'expansion 11 est alors à son minimum. La détente du fluide de travail à l'état gazeux entraîne une augmentation du volume de la zone d'expansion 11 et donc un déplacement du piston 14 ce qui entraîne la rotation du plateau incliné 16 jusqu'à ce que le piston 14 atteigne son point mort bas.
Une fois le point mort bas atteint, le fluide de travail à l'état gazeux et désormais à faible pression est évacué au moyen de lumières 12 aménagées dans la zone d'expansion 11 et liées à un conduit de refoulement 21, ces lumières 12 n'étant avantageusement accessibles que lorsque le piston 14 est au point mort bas.
Dans le mode de réalisation représenté, le plateau incliné 16 est lié au piston 14 de manière à former un plateau cyclique, communément désigné par l'appellation en langue anglaise « swashplate ». Cette liaison permet de transformer le mouvement de translation alternatif du piston 14 en mouvement de rotation du plateau incliné 16 et donc de l'arbre qui lui est lié.
Ce plateau cyclique est disposé dans un carter 17 de la machine de détente 4, comprenant du lubrifiant liquide afin d'assurer la lubrification de la liaison entre le piston 14 et le plateau incliné 16, et également la lubrification de paliers mécaniques permettant la rotation de l'arbre et du plateau incliné 16.
Le lubrifiant, mélangé au fluide de travail gazeux, peut également être utilisé pour la lubrification du dispositif d'admission 10 et du piston 14. On représente sur la figure un volume de lubrifiant liquide disposé dans le fond du carter 17, ce qui permet d'assurer une lubrification continue par barbotage de l'ensemble grâce à la rotation du plateau incliné qui projette du lubrifiant sur les différentes liaisons mécaniques.
D'autres types de lubrification au moyen d'un lubrifiant liquide sont envisageables, notamment par circulation d'huile au moyen d'une pompe qui alimente les zones mécaniques à lubrifier ; l'huile tombe ensuite par gravité dans le fond du carter 17 puis est réinjectée par la pompe. Une telle lubrification par circulation permet, de rajouter des filtres, des séparateurs, des échangeurs thermiques (de chauffage et/ou de refroidissement) et tout autre composant de gestion de l'huile sur les canaux de circulation de l'huile.
On comprend bien que l'étanchéité entre le carter 17 dans lequel se trouve le lubrifiant et la zone d'expansion dans laquelle se trouve le fluide de travail étant assurée uniquement par les éléments d'étanchéité 15 disposés sur la périphérie du piston 14, il y a des risques de fuite de la vapeur de fluide de travail dans le carter 17, et inversement des risques de fuite du lubrifiant dans la zone d'expansion 11.
Afin de répondre aux problématiques découlant de telles fuites, le carter 17 est muni d'un orifice d'évacuation 18 permettant à de la vapeur de fluide de travail se trouvant dans le carter 17 d'être évacuée hors du carter 17, et évitant ainsi une accumulation de vapeur de fluide de travail et les problèmes qui en découlent évoqués précédemment. L'orifice d'évacuation 18 peut être formé d'un perçage dans le carter 17, muni ou non d'un moyen anti retour tel qu'un clapet.
Comme on le voit sur la figure 3, le carter 17, la zone d'expansion 11 et la culasse 9 ont un bâti 19 commun, avantageusement entouré d'une couche d'isolant 20.
Ce bâti commun 19 est à température élevée notamment du fait du fluide de travail à l'état vapeur qui y est injecté, ce qui permet de maintenir le carter 17 à une température suffisante pour que le fluide de travail qui pourrait fuir reste à l'état gazeux et ne se condense pas, assurant ainsi son évacuation par l'orifice d'évacuation 18. La miscibilité du lubrifiant et du fluide de travail autorise qu'en régime établi la température du carter soit égale ou seulement légèrement supérieure (quelques °C) à la température d'évaporation du fluide de travail - plutôt que sensiblement supérieure (10°C ou plus) - puisqu'une éventuelle condensation d'une petite quantité de fluide de travail n'affecte pas les propriétés lubrifiantes du lubrifiant. On comprend bien que ces conditions de température concernent le régime établi du circuit 1, et qu'une phase de démarrage ou de transition peut être nécessaire au préalable.
Comme indiqué plus haut, lors des phases de démarrage ou de transition, le fluide de travail peut être présent à l'état liquide dans le carter, suite par exemple, au refroidissement de ce dernier après un arrêt du système de conversion. L'utilisation d'un lubrifiant miscible au fluide de travail à l'état liquide et dont la dilution n'entraîne pas de perte significative de ses propriétés lubrifiantes, notamment sa viscosité cinématique, permet de conserver une lubrification efficace de la liaison mécanique.
De manière réciproque, afin de répondre aux problématiques résultant d'une fuite de lubrifiant vers la zone d'expansion 11, le conduit de refoulement 21 dans lequel débouchent les lumières 12 de cette dernière est avantageusement équipé de moyens de séparation, par exemple exploitant une différence de densité entre un fluide à l'état liquide et un fluide à l'état gazeux.
Contrairement aux systèmes existants dans lesquels la séparation suppose d'évaporer le fluide de travail - ce qui impose une mise en œuvre de la séparation à une température au moins 10°C supérieure à la température d'évaporation du fluide de travail - le fait que le lubrifiant soit miscible avec le fluide de travail permet de réaliser la séparation à la température d'évaporation du fluide de travail, la présence d'une éventuelle gouttelette de fluide de travail à l'état liquide n'affectant pas les propriétés lubrifiantes du lubrifiant.
Ladite séparation permet ainsi de réinjecter dans le circuit 1 le fluide de travail à l'état gazeux tandis que la partie liquide composée majoritairement de lubrifiant et éventuellement du fluide de travail condensé est réinjectée dans le carter 17. Grâce aux caractéristiques du lubrifiant, ce mélange conserve des propriétés suffisamment lubrifiantes. Ledit mélange peut également être réinjecté à d'autres endroits de la machine d'expansion ou dans le circuit 1.
La figure 4 présente un autre exemple de structure de la machine de détente 4 à plateau incliné et pistons à crosse.
Vis-à-vis de la variante présentée précédemment sur la figure 3, seule la forme du piston diffère, ce dernier étant ici de type piston à crosse ou plus communément désigné sous la terminologie anglaise « crosshead ». Le piston 14 comprend ici une tête ayant une forme générale de disque d'épaisseur faible, le corps du piston 14 étant une tige au diamètre réduit par rapport au mode de réalisation précédent dans lequel le piston 14 avait une épaisseur sensiblement constante sur toute sa longueur.
Cette configuration crée une zone tampon 22 séparée de la zone d'expansion 11 par la tête du piston 14.
Les figures 5 à 8 présentent schématiquement le circuit 1 et illustrent plusieurs configurations de la machine de détente 4.
La zone d'expansion 11 et le carter 17 présentés précédemment sont ici représentés schématiquement comme deux sous-ensembles de la machine de détente 4. La figure 5 présente une configuration du circuit 1 dans laquelle un système de séparation 23 du lubrifiant et du fluide de travail gazeux est disposé au niveau d'une canalisation 24 liée à l'orifice d'évacuation 18 du carter 17. Comme indiqué précédemment, la vapeur de fluide de travail ayant pénétré dans le carter 17 s'échappe par cet orifice 18, et peut entraîner avec elle des gouttes de lubrifiant.
Le système de séparation 23 permet de séparer le lubrifiant du fluide de travail ; le lubrifiant est ainsi réinjecté dans le carter 17 au moyen d'un conduit de retour 25, tandis que le fluide de travail gazeux est réinjecté dans le circuit 1 en aval de la machine de détente 4 et en amont du condenseur 5.
La figure 6 présente une autre variante du circuit 1 dans laquelle la canalisation 24 liée à l'orifice d'évacuation 18 du carter 17 est reliée au conduit de refoulement 21 en amont du système de séparation 23 ; qui peut alors traiter les fuites en provenance de la zone d'expansion 11 et du carter 17. Le lubrifiant est ici aussi réinjecté dans le carter 17, et le fluide de travail est réinjecté vers le condenseur 5.
On peut ici utiliser un système de séparation 23 utilisant une différence de densité entre le lubrifiant et le fluide de travail.
La figure 7 présente une variante de la figure 5, dans laquelle le système de séparation 23 présenté précédemment est remplacé par un système d'extraction de vapeur 26, réalisant ainsi une extraction active de la vapeur de fluide de travail ayant pénétré dans le carter 17.
Le système d'extraction 26 de vapeur peut être couplé à un système de séparation 23 tel que présenté précédemment, disposé en amont ou en aval du système d'extraction de vapeur 26 si ce dernier ne permet pas de réaliser une séparation à lui seul.
Un tel système d'extraction de vapeur 26 permet notamment d'abaisser la pression dans le carter 17, améliorant ainsi l'extraction de la vapeur de fluide de travail. La figure 8 présente une variante du mode de réalisation présenté sur la figure 6, dans laquelle le dispositif de dérivation 6 est relié à l'enceinte 17, typiquement au moyen de conduits formant un échangeur thermique. Cette variante permet de réaliser une montée en température du carter 17 lors du démarrage du système en faisant circuler de la vapeur à température élevée dans le dispositif de dérivation, ou d'assurer le maintien du carter 17 à une température minimale en fonctionnement afin d'assurer que le fluide de travail qui pénètre dans le carter 17 demeure à l'état gazeux.
Ce chauffage du carter 17 permet de chauffer le lubrifiant, et ainsi de s'assurer de ses propriétés.
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Claims

Revendications
1. Système de conversion d'énergie thermique issue d'un moteur à combustion (7), comprenant un circuit (1) fermé de circulation rempli d'un fluide de travail, comprenant successivement un premier échangeur thermique (3) disposé au contact d'une source chaude (8) du moteur à combustion (7), une machine de détente (4), un second échangeur thermique (5) disposé au contact d'une source froide, et une pompe (2) réalisant la circulation du fluide de travail dans ledit circuit (1),
ladite machine de détente (4) étant adaptée pour, lors de la détente du fluide suite à son évaporation dans le premier échangeur thermique (3) et à son maintien sous pression par la pompe (2), entraîner en mouvement un élément mobile (14) par l'intermédiaire d'une liaison mécanique disposée dans un carter (17) et lubrifiée par un lubrifiant à l'état liquide,
caractérisé en ce que le lubrifiant est miscible avec le fluide de travail lorsque ledit fluide de travail est à l'état liquide.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel le carter (17) est configuré de manière à ce que en régime établi, les conditions de température et de pression dans le carter (17) soient telles que le fluide de travail se trouvant dans le carter (17) soit à l'état gazeux et telles que le lubrifiant soit à l'état liquide.
3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ladite liaison mécanique est lubrifiée au moyen d'un lubrifiant miscible avec le fluide de travail choisi parmi la liste suivante :
- une huile comprenant un perfluoropolyether ;
- une huile comprenant un polyalkylène glycol.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le fluide de travail est choisi parmi la liste suivante :
- le fluide de travail est de l'eau, - le fluide de travail contient un alcool,
- le fluide de travail contient de l'ammoniac,
- le fluide de travail est un fluide comprenant un hydrofluorocarbure, ou
- le fluide de travail est un fluide comprenant une hydrofluoroléfine.
5. Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, à une température pour laquelle le fluide de travail est à l'état liquide, le lubrifiant présente :
- une première viscosité cinématique lorsqu'il est pur et
- une deuxième viscosité cinématique lorsqu'il est dilué par du fluide de travail à l'état liquide,
la deuxième viscosité cinématique étant au moins égale à 50% de la première viscosité cinématique lorsque la teneur en fluide de travail dans le lubrifiant dilué est inférieure ou égale à 40% en masse.
6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre un dispositif de dérivation (6) de la machine de détente (4) adapté pour sélectivement entraîner le fluide de travail au travers de la machine de détente (4) ou au travers dudit dispositif de dérivation (6) ou pour répartir le flux de fluide de travail entre le dispositif de dérivation (6) et la machine de détente (4), ledit dispositif de dérivation (6) étant relié audit carter (17) de manière à permettre une élévation de la température du carter (17).
7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel ledit carter (17) comprend un orifice d'évacuation (18) de la vapeur du fluide de travail.
8. Système selon la revendication 7, comprenant en outre des moyens de séparation (23, 26) entre la vapeur du fluide de travail et le lubrifiant de la liaison mécanique lubrifiée en aval de l'orifice d'évacuation de la vapeur (18).
9. Système selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant en outre des moyens de pompage (26) configurés pour extraire la vapeur de fluide de travail du carter (17) afin de le maintenir à une pression inférieure ou égale à la pression de saturation du fluide de travail à la température du carter (17).
10. Véhicule comprenant un moteur thermique (7) et un système de conversion d'énergie thermique selon l'une des revendications 1 à 9, le premier échangeur thermique (3) étant disposé de manière à convertir l'énergie thermique issue du moteur thermique (7) du véhicule.
11. Procédé de conversion d'énergie thermique issue d'un moteur à combustion, le procédé comprenant les étapes consistant à :
- faire circuler un fluide de travail sous pression dans un circuit fermé, - vaporiser le fluide de travail sous pression par échange thermique avec le moteur thermique,
- réaliser une détente du fluide de travail dans une machine de détente (4), la détente entraînant en déplacement un élément mobile de la machine de détente (4), ledit élément mobile étant lié à une liaison mécanique lubrifiée située dans un carter (17), ladite liaison mécanique étant lubrifiée au moyen d'un lubrifiant miscible avec le fluide de travail lorsque ledit fluide de travail est à l'état liquide.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel, en régime stabilisé, les conditions de température et de pression dans le carter (17) sont telles que le fluide de travail se trouvant dans le carter (17) soit à l'état gazeux et que le lubrifiant soit à l'état liquide.
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