WO2014184200A1 - Système d'admission amélioré pour une machine de détente axiale - Google Patents

Système d'admission amélioré pour une machine de détente axiale Download PDF

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WO2014184200A1
WO2014184200A1 PCT/EP2014/059786 EP2014059786W WO2014184200A1 WO 2014184200 A1 WO2014184200 A1 WO 2014184200A1 EP 2014059786 W EP2014059786 W EP 2014059786W WO 2014184200 A1 WO2014184200 A1 WO 2014184200A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
expansion
expansion machine
intake
shutter body
shaft
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/059786
Other languages
English (en)
Inventor
Rémi DACCORD
Edouard DAVIN
Thiébaut KIENTZ
Original Assignee
Exoes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Exoes filed Critical Exoes
Publication of WO2014184200A1 publication Critical patent/WO2014184200A1/fr

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/10—Control of working-fluid admission or discharge peculiar thereto
    • F01B3/101—Control of working-fluid admission or discharge peculiar thereto for machines with stationary cylinders

Definitions

  • the present invention relates to the field of piston expansion machines performing a conversion of the energy of the vapor expansion into mechanical power, and more specifically the device for supplying steam and exhaust of such an expansion machine.
  • Relaxation machines are known that make it possible to convert the energy resulting from the expansion of a gas into mechanical energy, such machines being used in particular in systems exploiting the Rankine thermodynamic cycle.
  • Piston expansion machines are commonly used in such systems.
  • Known expansion machines have dispensing devices, for example by reciprocating or rotary valves.
  • Such expansion machines can be used for the conversion of thermal power into mechanical power suitable for recovering the heat emitted by internal combustion engines.
  • expansion machines can evolve at high speeds of rotation, of the order of several thousand revolutions per minute, allowing in a small space to produce a significant mechanical power.
  • a particularly advantageous architecture of expansion machines for the application of heat recovery to the exhaust of internal combustion engines of vehicles is the so-called piston axial expansion valve architecture, comprising one or more pistons distributed axially with respect to an axis. of the machine. Indeed this type of relaxation machines is particularly compact and vibrates little.
  • the steam intake is generally performed by a device creating a passage between a cylinder head and an expansion chamber of the expansion machine.
  • the system for admitting pressurized steam into the expansion chamber is a determining factor for the operation of the system.
  • Piston expansion machines require low intake spreading, i.e., the angular range for which the intake device is open and provides power to the expansion chamber is low.
  • WO2005073511 discloses a dispensing device integrated into an axial piston pressure regulator, this device is called an alternative valve.
  • the intake is achieved by a set of valves that open or close the chambers of the various pistons.
  • the opening and closing of the valves are controlled by a rod connected to the valve, and actuated by a control system.
  • the distribution devices by alternative valves are poorly adapted to axial piston expander, the body usually used for the control of the reciprocating valves, the motor shaft, being parallel to the axes of the cylinders.
  • Another known structure of dispensing device is the rotary valve distribution.
  • Document DE102010036917 proposes a particular arrangement of a rotary valve dispensing device for a piston axial expansion valve.
  • the proposed arrangement involves a disk pierced rubbing in the cylinder head of the piston expander and ensuring the passage of steam from said cylinder head to the expansion chambers, successively, by rotation.
  • This distribution structure is better adapted to piston axial expansion machines.
  • a rotary valve can be driven directly by the motor shaft.
  • such devices are compact and involve a reduced number of parts, ensuring simplicity and increased reliability.
  • the power dissipated in the friction is directly dependent on the gas pressure in the cylinder head.
  • such a piston expander can proceed by increasing the speed of rotation of the assembly and / or by increasing the operating pressure.
  • the proposed rotary valve does not allow the management of the escapement of the expanded gas of the expansion chambers.
  • the present invention aims at providing a distribution structure for an axial piston expansion machine adapted to operate at high rotation speeds, while having a long service life.
  • the present invention provides a piston reciprocating machine comprising
  • a pressurized steam inlet yoke comprising an inlet orifice
  • a rotary valve disposed in the intake yoke and forming the interface between the intake yoke and the expansion zone, said rotary valve comprising a shutter body rotatably connected to the shaft and provided with a valve channel; distribution so that the rotation of the shaft successively
  • said expansion machine being characterized in that it further comprises a pressure application system on the shutter body so as to maintain the shutter body in sealing engagement against the expansion zone, comprising
  • a controlled pressure chamber sealed with respect to the intake yoke, extending between the shutter body and a wall rigidly connected to the shaft, and
  • a return means connected to the shaft, configured to apply a compressive force on the valve body of the valve, said controlled pressure chamber being arranged in such a way that the shutter body is subjected essentially to the force applied by the return means and to the pressure prevailing in said controlled pressure chamber, the pressure prevailing in the intake yoke exerting essentially on the wall rigidly connected to the shaft.
  • the pressure-controlled chamber preferably extends radially over substantially the entire surface of the obturator body. Furthermore, the wall defining the controlled pressure chamber extends in a plane parallel to the shutter body.
  • the return means is a metal bellows, said metal bellows comprising walls further defining the controlled pressure chamber.
  • the return means is a thrust spring mounted fixed on the shaft.
  • the valve body typically comprises a discharge channel, adapted for, when superimposed with the inlet channel of a flash chamber, to evacuate the vapor in said flash chamber.
  • the controlled pressure chamber is typically connected to a substantially constant pressure zone of the expansion machine by means of an opening in the obturator body.
  • This opening can be achieved by the operating clearance between the drive shaft of the rotary valve and the shutter body or by a bore made in the shutter body itself.
  • said controlled pressure chamber is connected to a discharge zone of the expansion machine.
  • the expansion machine may also comprise a fixed valve seat in the expansion machine, arranged so that the shutter body is frictionally mounted, in sealing engagement with said valve seat, said valve seat comprising orifices equipped with way to be arranged in the extension of the channels of admission of the rooms of relaxation.
  • the valve shutter body is for example made of carbon, and the valve seat in contact with the shutter body is for example made of hard steel.
  • hard steel means a steel having an HRC hardness greater than 56, determined by a test as defined according to EN ISO 6508-1.
  • the valve shutter body is for example made of hard steel, and the valve seat in contact with the shutter body is for example made of carbon.
  • Carbon can withstand high temperatures and allows little or no lubrication.
  • the invention also relates to a vehicle comprising a heat engine and a thermal energy conversion system performing a Rankine cycle comprising a relaxation machine as defined previously to convert the thermal energy from the engine of the vehicle.
  • FIG. 1 represents a circuit operating a Rankine thermodynamic cycle
  • FIG. 2 represents such an integrated circuit with an internal combustion engine.
  • FIGS. 3 and 4 show two views of an exemplary distribution structure for an axial piston expansion machine.
  • FIGS. 5 and 6 show two views of another exemplary distribution structure for an axial piston expansion machine.
  • FIG. 7 shows a view of another alternative distribution structure for an axial expansion machine piston.
  • 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 for a pressure of 30 bar at its delivery
  • a first heat exchanger 3 which will be referred to in the rest of the text as "evaporator”; - A relaxation machine 4;
  • 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 reinjected into the circuit 1 by the pump 2 and performs 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 short-circuit function of the relaxation machine 4. It is commonly called such a device according to the English name "bypass".
  • the bypass device 6 typically comprises a pressure limiter, so that the pressure of the working fluid in the vapor state downstream of the bypass device 6 is substantially identical to the pressure of the working fluid at the outlet of the expansion machine 4, for example of the order of 1 bar.
  • Such 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 the event of the need to modulate the operation of the circuit 1, by example to adapt the cycle to the state of the hot source in case of excessive power supplied to the evaporator 3.
  • Figure 2 shows the circuit 1 described previously integrated into a vehicle.
  • This figure shows schematically in this figure an internal combustion engine 7 of a vehicle, connected to an exhaust duct 8 through which exhaust gases are discharged at high temperature, typically up to 800 ° C.
  • the evaporator 3 is arranged 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 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.
  • circuit 1 makes it possible to obtain a total efficiency higher than that of a conventional combustion engine.
  • Figure 3 shows a partial view of an expansion machine 4 comprising a rotary valve inlet system.
  • the working fluid in the gaseous state and high pressure is fed into an intake cylinder 9 of the expansion machine 4 via an orifice 10.
  • the expansion machine 4 comprises expansion chambers 21. These expansion chambers each comprise a piston (not shown in the figures) adapted to slide in the expansion chambers 21 during successive stages of admission, expansion and evacuation of steam, and thus rotate a drive shaft 16 of the expansion machine 4
  • the working fluid passage from the intake cylinder 9 to the expansion chambers 21 is effected by means of a rotary valve 11, arranged in the intake cylinder 9, and configured so that for each expansion chamber 21, selectively connect or isolate it from the cylinder head 9.
  • the rotary valve 11 comprises a shutter body 13, slidably mounted around the drive shaft 16, and connected in rotation to the drive shaft 16, here by a key 17.
  • the rotary valve 11 as shown is placed in abutment on a valve seat 12, the latter being integral with the intake cylinder 9.
  • Intake channels 20 are arranged in the expansion machine 4 and connect each of the expansion chambers 21 to the cylinder head 9.
  • the valve seat 12 has orifices 19 arranged so as to be superimposed and aligned with the inlet channels 20.
  • the shutter body 13 as illustrated has a shape of revolution around the drive shaft 16, and is provided with a distribution channel 18.
  • the admission of pressurized steam into a given expansion chamber 21 is done by superposition and alignment of the distribution channel 18 with the inlet channel 20 and the orifice 19 made in the valve seat 12 associated with the expansion chamber 21 considered.
  • the shutter body 13 seals the expansion chamber 21 by obstruction of the the orifice 19.
  • the rotary valve 11 as shown further comprises a metal bellows 14 secured at one end to the valve body 13, and at a second end to a solid disk 15 rigidly connected to the drive shaft 16.
  • the metal bellows 14 defines a controlled pressure chamber 22, isolated from the cylinder head 9.
  • the solid disc 15 is fixed to the drive shaft 16; the metal bellows 14 is mounted prestressed in compression; it exerts a thrust force on the shutter body 13, tending to press it against the valve seat 12.
  • the pressure within the controlled pressure chamber 22 is low, so that the force resulting from this pressure and applied to the obturator body 13 is substantially negligible compared with the force applied by the pressure element. recall.
  • a return element in this case the metal bellows 14, performing a thrust member function on the shutter body 13, and the controlled pressure chamber 22 thus makes it possible to apply a thrust force defined and substantially constant on the shutter body 13 in order to maintain it in sealing engagement against the valve seat 12, even in case of wear of the valve seat 12 and / or the shutter body 13.
  • this thrust force is independent of the pressure prevailing in the cylinder head 9 because of the controlled pressure chamber 22.
  • controlled pressure chamber 22 can also be placed in communication with an exhaust zone of the expansion machine 4.
  • This configuration can allow the routing to the contact zone between the valve body 13 and the valve seat 12 of an exhaust vapor which has lubricating qualities greater than the intake vapor, in particular by the presence of liquid droplets. .
  • a suitable lubricant can also be sent to this chamber.
  • the drive shaft 16 is rotated by a shaft of the expansion machine.
  • This rotational movement is transmitted to the rotary valve 11 by the key 17.
  • the rotation of the rotary valve 11 causes the successive superimposition of the distribution channel 18 formed in the shutter body 13 with the orifices 19 formed in the valve seat 12 and with the various inlet channels 20. This temporary superposition guarantees the controlled admission of steam into the various relaxation chambers 21.
  • an expansion chamber indicated by the reference 21a is in the admission phase; it is in communication with the cylinder head 9 so that pressurized steam can be transmitted from the cylinder head 9 to the expansion chamber 21a.
  • a second expansion chamber 21b is isolated from the intake cylinder; it is between two phases of admission of steam under pressure.
  • the controlled pressure chamber 22 is placed in permanent communication with a zone 23 of the expansion machine 4 via an opening, here formed by a bore 24 arranged through the shutter body 13.
  • This zone 23 is for example an area of the expansion machine 4 maintained at a substantially constant pressure.
  • This zone is for example connected to the exhaust zone of the expansion machine.
  • Figures 5 and 6 show a variant of the embodiment shown in Figures 3 and 4.
  • the controlled pressure chamber 22 is defined by a flange 26 extending from the obturator body 13, and a piston 25 mounted around the drive shaft 16 and rigidly connected to the drive shaft. 16, so as to be inserted and to close the volume delimited by the flange 26.
  • the piston 25 and / or the flange 26 is provided with sealing elements that seal the chamber 22.
  • the piston 25 forms a stop for a return element 27, here a spring, the compression of which ensures a plating force of the shutter body 13 on the valve seat 12, just like the bellows metal 14 made it in the embodiment shown in Figures 3 and 4.
  • the piston 25 forming a wall rigidly connected to the shaft 16, the pressure in the intake yoke is taken up by said shaft 16. Therefore, the valve body is subjected essentially to the pressure in the pressure-controlled chamber 22 Indeed, even if the upper surface of the flange 26 is subjected to the pressure prevailing in the intake yoke, the surface subjected to this pressure is negligible relative to the surface of the piston 25.
  • an elastic return means here the spring 27, realizing a thrust member function on the shutter body 13, and the controlled pressure chamber 22 which allows applying a definite and substantially constant thrust force to the shutter body 13 in order to maintain it in sealing engagement against the valve seat 12, even in case of wear of the valve seat 12 and / or the shutter body 13.
  • Figure 7 shows another variant of the embodiment shown in Figure 3.
  • a discharge channel 31 is also arranged in the shutter body 13, so as to carry out the steam escape from the expansion chambers 21.
  • the discharge channel 31 drives during its superposition with the orifices 19 made in the valve seat 12 and with the various inlet channels 20, the exhaust of the steam in the expansion chamber 21b, here to the zone 23 which is for example connected to a discharge zone of the expansion machine 4.
  • the rotary valve 11 as shown in this figure thus makes it possible to perform both the inlet and the steam outlet in the various expansion chambers 21 of the expansion machine 4.
  • an additional channel 28 is made in the valve body 13, which makes it possible to put the zone 23 into communication with the controlled pressure chamber 22 delimited by the envelope of the metal bellows 14.
  • This variant provides increased compactness of the expansion machine 4 and also allows the presence of exhaust steam at the contact between the valve body 13 and the valve seat 12 which is advantageous from a tribological point of view.
  • the shutter body 13 of the valve is for example made of carbon, and the valve seat 12 in contact with the shutter body 13 is for example made of hard steel, that is to say a steel having a hardness
  • stainless steels 440C and 420 fall within this description.
  • the shutter body 13 of the valve is for example made of hard steel, and the valve seat 12 in contact with the shutter body 13 is for example made of carbon.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

La présente invention concerne une machine de détente (4) à pistons comprenant - une culasse d'admission (9) - une zone d'expansion (21), - une soupape rotative (11), configurée de sorte que sa rotation entraine successivement : - l'obturation dudit canal d'admission (20) et - la mise en communication du canal d'admission (20) avec le canal de distribution (18), réalisant l'admission de vapeur sous pression dans la zone d'expansion (21), ladite machine de détente (4) comprenant en outre un système d'application de pression sur le corps obturateur (13) de manière à maintenir le corps obturateur (13) en appui étanche contre la zone d'expansion (21), comprenant - une chambre à pression contrôlée (22) s'étendant entre le corps obturateur (13) et une paroi (15; 25) rigidement liée à l'arbre (16), et - un moyen de rappel lié à l'arbre (16), configuré de manière à appliquer un effort de compression sur le corps obturateur (13), ladite chambre à pression contrôlée (22) étant agencée de telle sorte que le corps obturateur (13) soit soumis essentiellement à l'effort appliqué par le moyen de rappel et à la pression régnant dans ladite chambre à pression contrôlée (22).

Description

SYSTEME D'ADMISSION AMELIORE
POUR UNE MACHINE DE DETENTE AXIALE
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention concerne le domaine des machines de détente à pistons réalisant une conversion de l'énergie de la détente de vapeur en puissance mécanique, et plus précisément le dispositif d'alimentation en vapeur et d'échappement d'une telle machine de détente.
ETAT DE L'ART
On connaît les machines de détente permettant de convertir l'énergie résultant de la détente d'un gaz en énergie mécanique, de telles machines étant utilisées notamment dans des systèmes exploitant le cycle thermodynamique de Rankine.
Les machines de détente à pistons sont communément utilisées dans de tels systèmes.
Des machines de détente connues présentent des dispositifs de distribution, par exemple par soupapes alternatives ou rotatives.
De telles machines de détente peuvent être utilisées pour la conversion de puissance thermique en puissance mécanique adaptée à la récupération de la chaleur émise par des moteurs à combustion interne.
Ces machines de détente sont soumises à des contraintes de poids et d'encombrement exigeantes.
En particulier, de telles machines de détente peuvent évoluer à des vitesses de rotation élevées, de l'ordre de plusieurs milliers de tours par minute, permettant dans un encombrement réduit de produire une puissance mécanique importante. Une architecture particulièrement avantageuse de machines de détente pour l'application de récupération de chaleur à l'échappement de moteurs à combustion interne de véhicules est l'architecture dite de détendeur axial à pistons, comprenant un ou plusieurs pistons répartis axialement par rapport à un axe de la machine. En effet ce type de machines de détente est particulièrement compact et vibre peu.
On comprend bien qu'un aspect important d'un tel dispositif est la qualité du remplissage du volume d'admission de la chambre d'expansion en vapeur sous pression.
L'admission de vapeur est généralement réalisée par un dispositif créant un passage entre une culasse d'admission et une chambre d'expansion de la machine de détente.
Plus précisément, le système d'admission de la vapeur sous pression dans la chambre d'expansion est un élément déterminant pour le fonctionnement du système.
Les machines de détente à pistons requièrent un étalement d'admission faible, c'est-à-dire que la plage angulaire pour laquelle le dispositif d'admission est ouvert et assure l'alimentation de la chambre de détente est faible.
Le document WO2005073511 présente un dispositif de distribution intégré à un détendeur axial à pistons, ce dispositif est dit à soupapes alternatives.
L'admission est réalisée par un ensemble de soupapes qui ouvrent ou ferment les chambres des différents pistons. L'ouverture et la fermeture des soupapes sont pilotées par une tige liée à la soupape, et actionnée par un système de commande.
De tels systèmes de distribution par soupapes alternatives sont cependant encombrants et complexes. Ils sont par ailleurs difficilement compatibles avec des étalements d'admission faibles, d'autant plus que la vitesse de rotation est élevée. Il peut en effet survenir le phénomène bien connu d'affolement de soupapes lors duquel le cycle d'ouverture-fermeture des soupapes n'est plus réalisé de manière régulière.
Ce phénomène est en général jugulé par l'emploi de ressorts ayant une raideur élevée qui maintiennent la tige de soupape sur le système de commande, une came par exemple. De tels ressorts produisent des forces importantes dans les contacts et sont donc pénalisants en termes de rendement mécanique. L'avantage de tels systèmes réside néanmoins dans le fait que le lieu de guidage et de commande de la soupape (c'est-à-dire la tige de soupape) et le lieu de l'étanchéité (c'est- à-dire la tête de soupape et son siège) ne sont pas confondus.
Le premier étant un lieu de friction, il peut ainsi bénéficier d'une lubrification appropriée tandis que le deuxième, opérant à haute température, peut en être dépourvu.
Enfin, les dispositifs de distribution par soupapes alternatives sont mal adaptés à des détendeurs axiaux à pistons, l'organe usuellement utilisé pour la commande des soupapes alternatives, l'arbre moteur, étant parallèle aux axes des cylindres. Une autre structure connue de dispositif de distribution est la distribution par soupape rotative.
Le document DE102010036917 propose un arrangement particulier d'un dispositif de distribution par soupape rotative pour un détendeur axial à pistons. L'arrangement proposé met en jeu un disque percé frottant dans la culasse du détendeur à pistons et assurant le passage de la vapeur de ladite culasse vers les chambres de détente, successivement, par sa rotation.
Cette structure de distribution est quant à elle mieux adaptée aux machines de détente axiales à pistons.
En effet, une soupape rotative peut être entraînée directement par l'arbre moteur. Par ailleurs, de tels dispositifs sont peu encombrants et mettent en jeu un nombre de pièces réduit, garant d'une simplicité et d'une fiabilité accrue.
En revanche, pour de tels systèmes, le lieu de l'étanchéité et le lieu de friction sont confondus. Il en résulte la nécessité de pourvoir cette zone avec une lubrification appropriée. Cette opération est toujours rendue délicate dans un détendeur à pistons opérant un cycle de Rankine en raison des hautes températures mises en jeu et des impacts néfastes du lubrifiant sur les organes du circuit.
Cet arrangement est insatisfaisant car le frottement généré dans le contact entre la soupape disque et le bâti du détendeur pénalise le rendement mécanique du moteur.
La puissance dissipée dans le frottement est directement dépendante de la pression du gaz situé dans la culasse.
Pour produire une puissance mécanique supérieure, un tel détendeur à pistons peut procéder par l'augmentation de la vitesse de rotation de l'ensemble et/ou par l'augmentation de la pression de fonctionnement.
Dans les deux cas, le système proposé engendrera sur la zone de contact une augmentation directe de la puissance de frottement.
Cette augmentation est d'autant plus préjudiciable vu les hautes températures de cette zone et les conditions de fonctionnement particulièrement sévères.
En effet, les matériaux employés travaillent aux limites de leurs propriétés tribologiques, notamment si l'on considère le facteur pression multiplié par la vitesse de frottement de l'ensemble.
En revanche, un tel arrangement assure une bonne étanchéité du système en opération, induite par une pression de plaquage importante du disque sur son siège.
Enfin, la soupape rotative proposée ne permet pas la gestion de l'échappement du gaz détendu des chambres de détente.
La présente invention vise à proposer une structure de distribution pour une machine de détente axiale à pistons adaptée pour fonctionner à des vitesses de rotation élevées, tout en présentant une durée de vie importante.
PRESENTATION DE L'INVENTION
A cet effet, la présente invention propose une machine de détente à pistons comprenant
- une culasse d'admission de vapeur sous pression comprenant un orifice d'admission,
- une zone d'expansion, dans laquelle coulisse un piston lié à un arbre, ladite zone d'expansion étant reliée à la culasse d'admission par un canal d'admission,
- une soupape rotative disposée dans la culasse d'admission et formant l'interface entre la culasse d'admission et la zone d'expansion, ladite soupape rotative comprenant un corps obturateur lié en rotation à l'arbre et muni d'un canal de distribution de sorte que la rotation de l'arbre entraine successivement :
- l'obturation dudit canal d'admission, isolant ainsi la zone d'expansion de la culasse d'admission et
- la mise en communication du canal d'admission avec le canal de distribution de manière à permettre une admission de vapeur sous pression en provenance de la culasse d'admission dans la zone d'expansion,
ladite machine de détente étant caractérisée en ce que qu'elle comprend en outre un système d'application de pression sur le corps obturateur de manière à maintenir le corps obturateur en appui étanche contre la zone d'expansion, comprenant
- une chambre à pression contrôlée, étanche vis-à-vis de la culasse d'admission, s'étendant entre le corps obturateur et une paroi rigidement liée à l'arbre, et
- un moyen de rappel lié à l'arbre, configuré de manière à appliquer un effort de compression sur le corps obturateur de la soupape, ladite chambre à pression contrôlée étant agencée de telle sorte que le corps obturateur soit soumis essentiellement à l'effort appliqué par le moyen de rappel et à la pression régnant dans ladite chambre à pression contrôlée, la pression régnant dans la culasse d'admission s'exerçant essentiellement sur la paroi rigidement liée à l'arbre.
Ladite paroi délimitant la chambre à pression contrôlée étant rigidement liée à l'arbre, la pression régnant dans la culasse d'admission, qui s'applique sur ladite paroi, est reprise par l'arbre. Par conséquent, le corps obturateur est soumis à la pression régnant dans la chambre à pression contrôlée mais pas à la pression régnant dans la culasse d'admission. Ainsi, l'effort de compression appliqué sur le corps obturateur résulte d'une part de l'effort exercé par le moyen de rappel et d'autre part de la pression régnant dans la chambre à pression contrôlée, et est sensiblement indépendant de la pression régnant dans la culasse d'admission.
A cet effet, la chambre à pression contrôlée s'étend radialement de préférence sur sensiblement toute la surface du corps obturateur. Par ailleurs, la paroi définissant la chambre à pression contrôlée s'étend dans un plan parallèle au corps obturateur.
Selon un mode de réalisation particulier, le moyen de rappel est un soufflet métallique, ledit soufflet métallique comprenant des parois définissant en outre la chambre à pression contrôlée.
Selon une autre variante, le moyen de rappel est un ressort de poussée monté fixe sur l'arbre. Le corps de soupape comprend typiquement un canal de refoulement, adapté pour, lorsqu'il est superposé avec le canal d'admission d'une chambre de détente, réaliser l'évacuation de la vapeur se trouvant dans ladite chambre de détente. La chambre à pression contrôlée est typiquement reliée à une zone à pression sensiblement constante de la machine de détente au moyen d'une ouverture située dans le corps obturateur.
Cette ouverture peut être réalisée par le jeu de fonctionnement entre l'arbre d'entraînement de la soupape rotative et le corps obturateur ou bien par un perçage pratiqué dans le corps obturateur lui-même.
En variante, ladite chambre à pression contrôlée est reliée à une zone de refoulement de la machine de détente.
La machine de détente peut également comprendre un siège de soupape monté fixe dans la machine de détente, disposé de manière à ce que le corps obturateur soit monté frottant, en appui étanche sur ledit siège de soupape, ledit siège de soupape comprenant des orifices aménagés de manière à être disposés dans le prolongement des canaux d'admission des chambres de détente.
Le corps obturateur de soupape est par exemple réalisé en carbone, et le siège de soupape en contact avec le corps obturateur est par exemple réalisé en acier dur. Dans la présente demande de brevet, on entend par acier dur un acier possédant une dureté HRC supérieure à 56, déterminée par un essai tel que défini selon la norme EN ISO 6508-1. Réciproquement, le corps obturateur de soupape est par exemple réalisé en acier dur, et le siège de soupape en contact avec le corps obturateur est par exemple réalisé en carbone.
Le carbone peut en effet supporter de hautes températures et permet un frottement peu ou pas lubrifié.
L'invention concerne également un véhicule comprenant un moteur thermique et un système de conversion d'énergie thermique réalisant un cycle de Rankine comprenant une machine de détente telle que définie précédemment de manière à convertir l'énergie thermique issue du moteur thermique du véhicule.
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.
- Les figures 3 et 4 présentent deux vues d'un exemple de structure de distribution pour une machine de détente axiale à pistons.
- Les figures 5 et 6 présentent deux vues d'un autre exemple de structure de distribution pour une machine de détente axiale à pistons.
- La figure 7 présente une vue d'une autre variante de structure de distribution pour une machine de détente axiale à pistons.
Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun 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 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 à l'état de vapeur 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 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 fournie à l'évaporateur 3.
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, pouvant typiquement atteindre 800°C.
L'évaporateur 3 est disposé 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 total supérieur à celui d'un moteur à combustion conventionnel.
La figure 3 représente une vue partielle d'une machine de détente 4 comprenant un système d'admission par soupape rotative.
Le fluide de travail à l'état gazeux et pression élevée est amené dans une culasse d'admission 9 de la machine de détente 4 par un orifice 10. La machine de détente 4 comprend des chambres de détente 21. Ces chambres de détente comprennent chacune un piston (non représenté sur les figures) adapté pour coulisser dans les chambres de détente 21 lors d'étapes successives d'admission, détente et évacuation de vapeur, et ainsi entraîner en rotation un arbre d'entrainement 16 de la machine de détente 4. Le passage de fluide de travail de la culasse d'admission 9 aux chambres de détente 21 est réalisé au moyen d'une soupape rotative 11, disposée dans la culasse d'admission 9, et configurée de manière à, pour chaque chambre de détente 21, permettre de sélectivement la mettre en communication ou l'isoler de la culasse d'admission 9.
La soupape rotative 11 comprend un corps obturateur 13, monté glissant autour de l'arbre d'entrainement 16, et lié en rotation à l'arbre d'entraînement 16, ici par une clavette 17. La soupape rotative 11 telle que présentée est placée en appui sur un siège de soupape 12, ce dernier étant solidaire de la culasse d'admission 9.
Des canaux d'admission 20 sont aménagés dans la machine de détente 4 et relient chacune des chambres de détente 21 à la culasse d'admission 9.
Le siège de soupape 12 présente des orifices 19 aménagés de manière à être superposés et alignés avec les canaux d'admission 20. Le corps obturateur 13 tel qu'illustré présente une forme de révolution autour de l'arbre d'entraînement 16, et est pourvu d'un canal de distribution 18.
L'admission de vapeur sous pression dans une chambre de détente 21 donnée se fait par superposition et alignement du canal de distribution 18 avec le canal d'admission 20 et l'orifice pratiqué 19 dans le siège de soupape 12 associés à la chambre de détente 21 considérée.
Lorsque le canal de distribution 18 n'est pas aligné avec le canal d'admission 20 et l'orifice 19 associé à une chambre de détente 21 donnée, le corps obturateur 13 assure l'étanchéité de cette chambre de détente 21, par obstruction de l'orifice 19.
La soupape rotative 11 telle que représentée comprend en outre un soufflet métallique 14 fixé par une première extrémité au corps obturateur 13, et par une seconde extrémité à un disque plein 15 en liaison rigide avec l'arbre d'entraînement 16.
Le soufflet métallique 14 définit une chambre à pression contrôlée 22, isolée de la culasse d'admission 9.
En outre, le disque plein 15 est fixé à l'arbre d'entraînement 16 ; le soufflet métallique 14 est donc monté précontraint en compression ; il exerce un effort de poussée sur le corps obturateur 13, tendant à le plaquer contre le siège de soupape 12. Eventuellement, la pression au sein de la chambre à pression contrôlée 22 est faible, de manière à ce que l'effort résultant de cette pression et appliqué sur le corps obturateur 13 soit sensiblement négligeable par rapport à l'effort appliqué par l'élément de rappel.
L'association d'un élément de rappel, en l'occurrence le soufflet métallique 14, réalisant une fonction d'élément de poussée sur le corps obturateur 13, et de la chambre à pression contrôlée 22 permet ainsi d'appliquer un effort de poussée défini et sensiblement constant sur le corps obturateur 13 afin de le maintenir en appui étanche contre le siège de soupape 12, même en cas d'usure du siège de soupape 12 et/ou du corps obturateur 13. Notamment cet effort de poussée est indépendant de la pression régnant dans la culasse d'admission 9 du fait de la chambre à pression contrôlée 22.
En outre, la chambre de pression contrôlée 22 peut également être mise en communication avec une zone d'échappement de la machine de détente 4.
Cette configuration peut permettre l'acheminement vers la zone de contact entre le corps obturateur 13 et le siège de soupape 12 d'une vapeur d'échappement qui présenterait des qualités lubrifiantes supérieures à la vapeur d'admission, notamment par la présence de gouttelettes liquides.
Un lubrifiant approprié peut également être envoyé vers cette chambre.
En fonctionnement, l'arbre d'entraînement 16 est entraîné en rotation par un arbre de la machine de détente.
Ce mouvement de rotation est transmis à la soupape rotative 11 par la clavette 17.
La rotation de la soupape rotative 11 entraîne la superposition successive du canal de distribution 18 aménagé dans le corps obturateur 13 avec les orifices 19 pratiqués dans le siège de soupape 12 et avec les différents canaux d'admission 20. Cette superposition temporaire garantit l'admission contrôlée de vapeur dans les différentes chambres de détente 21.
Dans cette figure, une chambre de détente indiquée par le repère 21a est en phase d'admission ; elle est en communication avec la culasse d'admission 9 de manière à ce que de la vapeur sous pression puisse être transmise de la culasse d'admission 9 vers la chambre de détente 21a.
Une seconde chambre de détente 21b est quant à elle isolée de la culasse d'admission ; elle se trouve entre deux phases d'admission de vapeur sous pression.
Dans le mode de réalisation représenté, la chambre de pression contrôlée 22 est mise en communication permanente avec une zone 23 de la machine de détente 4 via une ouverture, ici formée par un perçage 24 aménagé au travers du corps obturateur 13. Cette zone 23 est par exemple une zone de la machine de détente 4 maintenue à une pression sensiblement constante. Cette zone est par exemple reliée à la zone d'échappement de la machine de détente.
Les figures 5 et 6 présentent une variante du mode de réalisation présenté sur les figures 3 et 4.
Dans cette variante, la chambre à pression contrôlée 22 est définie par une collerette 26 s'étendant à partir du corps obturateur 13, et un piston 25 monté autour de l'arbre d'entraînement 16 et rigidement lié à l'arbre d'entraînement 16, de manière à être inséré et à fermer le volume délimité par la collerette 26.
Le piston 25 et/ou la collerette 26 est muni d'éléments d'étanchéité assurant l'étanchéité de la chambre 22.
Le piston 25 forme une butée pour un élément de rappel 27, ici un ressort, dont la compression assure un effort de plaquage du corps obturateur 13 sur le siège de soupape 12, tout comme le soufflet métallique 14 le réalisait dans le mode de réalisation présenté sur les figures 3 et 4.
Le piston 25 formant une paroi rigidement liée à l'arbre 16, la pression régnant dans la culasse d'admission est reprise par ledit arbre 16. Par conséquent, le corps obturateur est soumis essentiellement à la pression régnant dans la chambre à pression contrôlée 22. En effet, même si la surface supérieure de la collerette 26 est soumise à la pression régnant dans la culasse d'admission, la surface soumise à cette pression est négligeable par rapport à la surface du piston 25.
Dans cette variante, c'est donc également l'association d'un moyen de rappel élastique, ici le ressort 27, réalisant une fonction d'élément de poussée sur le corps obturateur 13, et de la chambre à pression contrôlée 22 qui permet d'appliquer un effort de poussée défini et sensiblement constant sur le corps obturateur 13 afin de le maintenir en appui étanche contre le siège de soupape 12, même en cas d'usure du siège de soupape 12 et/ou du corps obturateur 13.
La figure 7 présente une autre variante du mode de réalisation présenté sur la figure 3.
Dans cette variante, un canal de refoulement 31 est également aménagé dans le corps obturateur 13, de manière à réaliser l'échappement de vapeur des chambres de détente 21.
De la même manière que le canal de distribution, lors de sa superposition avec les orifices 19 pratiqués dans le siège de soupape 12 et avec les différents canaux d'admission 20, entraîne une admission de vapeur sous pression dans la chambre de détente concernée, le canal de refoulement 31 entraîne lors de sa superposition avec les orifices 19 pratiqués dans le siège de soupape 12 et avec les différents canaux d'admission 20, l'échappement de la vapeur se trouvant dans la chambre de détente 21b, ici vers la zone 23 qui est par exemple reliée à une zone de refoulement de la machine de détente 4. La soupape rotative 11 telle que présentée sur cette figure permet donc de réaliser à la fois l'admission et l'échappement de vapeur dans les différentes chambres de détente 21 de la machine de détente 4. Par ailleurs, un canal supplémentaire 28 est réalisé dans le corps de soupape 13, qui permet de mettre en communication la zone 23 avec la chambre à pression contrôlée 22 délimitée par l'enveloppe du soufflet métallique 14.
Cette variante procure une compacité accrue de la machine de détente 4 et permet en outre la présence de vapeur d'échappement au niveau du contact entre le corps obturateur 13 et le siège de soupape 12 ce qui est avantageux d'un point de vue tribologique.
Le corps obturateur 13 de soupape est par exemple réalisé en carbone, et le siège de soupape 12 en contact avec le corps obturateur 13 est par exemple réalisé en acier dur, c'est-à-dire un acier possédant une dureté
HRC supérieure à 56, déterminée par un essai selon la norme EN ISO
6508-1. A titre d'exemple, les aciers inoxydables 440C et 420 entrent dans cette description.
Réciproquement, le corps obturateur 13 de soupape est par exemple réalisé en acier dur, et le siège de soupape 12 en contact avec le corps obturateur 13 est par exemple réalisé en carbone.

Claims

Revendications
1. Machine de détente (4) à pistons comprenant
- une culasse d'admission (9) de vapeur sous pression comprenant un orifice d'admission (10),
- une zone d'expansion (21), dans laquelle coulisse un piston lié à un arbre (16), ladite zone d'expansion (21) étant reliée à la culasse d'admission (9) par un canal d'admission (20),
- une soupape rotative (11) disposée dans la culasse d'admission (9) et formant l'interface entre la culasse d'admission (9) et la zone d'expansion (21), ladite soupape rotative comprenant un corps obturateur (13) lié en rotation à l'arbre (16) et muni d'un canal de distribution (18) de sorte que la rotation de l'arbre entraîne successivement :
- l'obturation dudit canal d'admission (20), isolant ainsi la zone d'expansion (21) de la culasse d'admission (9) et
- la mise en communication du canal d'admission (20) avec le canal de distribution (18) de manière à permettre une admission de vapeur sous pression en provenance de la culasse d'admission (9) dans la zone d'expansion (21),
ladite machine de détente (4) étant caractérisée en ce que qu'elle comprend en outre un système d'application d'un effort sur le corps obturateur (13) de manière à maintenir le corps obturateur (13) en appui étanche contre la zone d'expansion (21), comprenant
- une chambre à pression contrôlée (22), étanche vis-à-vis de la culasse d'admission (9), s'étendant entre le corps obturateur (13) et une paroi (15 ; 25) rigidement liée à l'arbre (16), et
- un moyen de rappel lié à l'arbre (16), configuré de manière à appliquer un effort de compression sur le corps obturateur (13),
ladite chambre à pression contrôlée (22) étant agencée de telle sorte que le corps obturateur (13) soit soumis essentiellement à l'effort appliqué par le moyen de rappel et à la pression régnant dans ladite chambre à pression contrôlée (22), la pression régnant dans la culasse d'admission (9) s'exerçant essentiellement sur la paroi (15 ; 25) rigidement liée à l'arbre, de sorte que l'effort appliqué sur ledit corps obturateur (13) est sensiblement indépendant de la pression régnant dans la culasse d'admission (9).
2. Machine de détente (4) selon la revendication 1, dans laquelle le moyen de rappel est un soufflet métallique (14) s'étendant entre le corps obturateur (13) et la paroi (15) rigidement liée à l'arbre (16), ledit soufflet métallique (14) comprenant des parois définissant en outre la chambre à pression contrôlée (22).
3. Machine de détente (4) selon la revendication 1, dans laquelle le moyen de rappel est un ressort de poussée (27) monté fixe sur l'arbre (16) et logé dans une chambre à pression contrôlée (22) délimitée par un piston (25) et une collerette (26), ledit piston formant ladite paroi rigidement liée à l'arbre (16).
4. Machine de détente (4) selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le corps de soupape (13) comprend en outre un canal de refoulement (31), adapté pour, lorsqu'il est superposé avec le canal d'admission (20) d'une chambre de détente (21), réaliser l'évacuation de la vapeur se trouvant dans ladite chambre de détente (21).
5. Machine de détente (4) selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle ladite chambre à pression contrôlée (22) est reliée à une zone à pression sensiblement constante (23) de la machine de détente au moyen d'une ouverture dans le corps obturateur (13).
6. Machine de détente (4) selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle ladite chambre à pression contrôlée (22) est reliée à une zone de refoulement de la machine de détente (4).
7. Machine de détente (4) selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un siège de soupape (12) monté fixe dans la machine de détente (4), disposé de manière à ce que le corps obturateur (13) soit monté frottant, en appui étanche sur ledit siège de soupape (12), ledit siège de soupape (12) comprenant des orifices (19) aménagés de manière à être disposés dans le prolongement des canaux d'admission (20) des chambres de détente (21).
8. Machine de détente (4) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le siège de soupape (12) est réalisé en carbone.
9. Machine de détente (4) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le corps obturateur (13) est réalisé en carbone.
10. Machine de détente (4) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la paroi (15 ; 25) définissant la chambre à pression contrôlée (22) s'étend dans un plan parallèle au corps obturateur (13).
11. Machine de détente (4) selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la chambre à pression contrôlée (22) s'étend radialement sur sensiblement toute la surface du corps obturateur (13).
12. Véhicule comprenant un moteur thermique (7) et un système de conversion d'énergie thermique réalisant un cycle de Rankine comprenant une machine de détente (4) selon l'une des revendications 1 à 11 de manière à convertir l'énergie thermique issue du moteur thermique (7) du véhicule.
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