DISPOSITIF DE RÉCUPÉRATION D'ÉNERGIE À CYCLE RANKINE AYANT UNE SOURCE FROIDE RÉGULÉE ET VÉHICULE ÉQUIPÉ D'UN TEL DISPOSITIF, PROCÉDÉ DE RÉCUPÉRATION D'ÉNERGIE CORRESPONDANT |
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| 申请号 | EP15191804.2 | 申请日 | 2015-10-28 | 公开(公告)号 | EP3026246B1 | 公开(公告)日 | 2017-08-16 |
| 申请人 | VALEO SYSTEMES THERMIQUES; | 发明人 | YAHIA, Mohamed; NICOLAS, Bertrand; HAMMI, Samy; LIU, Jin-Ming; HALLER, Régine; GLAVATSKAYA, Yulia; TAKLANTI, Abdelmajid; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | |||||||
| 说明书全文 | La présente invention concerne la récupération d'énergie dans les véhicules à moteur et plus particulièrement les véhicules à moteur thermique. Le système de motorisation d'un véhicule à moteur thermique comprend généralement un circuit d'admission d'un carburant et d'un comburant, un circuit d'échappement de gaz brûlés et un circuit de refroidissement du moteur pour maintenir celui-ci à une température inférieure à une température limite de fonctionnement. Le système de motorisation assure principalement l'entraînement des roues du véhicule, dans le cas d'un véhicule terrestre, mais également l'entraînement d'un alternateur chargeant une batterie électrique alimentant les équipements électriques et électroniques embarqués dans le véhicule. Depuis les premiers chocs pétroliers et l'essor des considérations environnementales, les motoristes travaillent sur l'augmentation du rendement du moteur de manière à limiter la consommation en carburant et les rejets polluants du moteur. Il est connu qu'une partie de l'énergie résultant de la combustion du mélange carburant-comburant est dissipée sous forme de chaleur. Il a notamment été envisagé un dispositif de récupération d'énergie mettant en oeuvre un cycle thermique de Rankine pour récupérer la chaleur produite en excès par le moteur et la transformer en énergie mécanique. Un tel dispositif comprend un circuit fermé de fluide de travail comportant successivement une pompe de circulation du fluide de travail dans le circuit, un échangeur thermique haute pression ou évaporateur pourvu de moyens d'échange thermique entre une source chaude du moteur et le fluide de travail, un organe d'expansion agencé pour transformer une pression du fluide de travail en travail mécanique, et un échangeur thermique basse pression qui est relié à la pompe et qui comporte des moyens d'échange thermique entre une source froide et le fluide de travail. La pompe met sous pression le fluide de travail et assure sa circulation dans le circuit de sorte que le circuit de fluide de travail comprenne un tronçon haute pression entre la sortie de la pompe et le détendeur et un tronçon basse pression entre la sortie du détendeur et l'entrée de la pompe. L'évaporateur, ou bouilleur, assure un échange thermique entre la source chaude et le fluide de travail de manière à réchauffer le fluide de travail à haute pression. L'organe d'expansion permet la détente du fluide de travail en transformant la pression du fluide de travail en travail mécanique et/ou électrique. L'échangeur thermique basse pression, assure un échange thermique entre la source froide et le fluide de travail de manière à refroidir le fluide de travail à basse pression. L'échangeur thermique basse pression comprend un échangeur fluide de travail / fluide de refroidissement appelé condenseur, un réservoir et un second échangeur entre le fluide de travail et le fluide de refroidissement appelé sous-refroidisseur. Le fluide de refroidissement peut être de l'air, dans ce cas, le condenseur à air est soumis à un flux d'air engendré par le déplacement du véhicule et assure un échange thermique entre le fluide de travail et le flux d'air pour condenser le fluide de travail à basse pression. Le fluide de refroidissement peut également être un liquide formé d'un mélange d'eau et d'éthylène glycol ou de propylène glycol du système de refroidissement du moteur thermique à combustion interne, dans ce cas, le condenseur à eau est soumis à un débit du fluide de refroidissement et assure un échange thermique entre le fluide de travail et le fluide de refroidissement pour condenser le fluide de travail à basse pression. Le réservoir (couramment appelé bouteille) stocke la quantité de liquide de travail non circulante et sépare la phase minoritaire gazeuse de la phase majoritaire liquide du fluide de travail sortant du condenseur. Le sous-refroidisseur est soumis à un débit du fluide de refroidissement et assure un échange thermique entre le fluide de travail et le débit du fluide de refroidissement pour amener le fluide de travail à la température optimale pour le fonctionnement du dispositif. En particulier, il est nécessaire que le fluide de travail soit sous forme liquide en entrée de la pompe afin d'éviter des phénomènes de cavitation pouvant entraîner une détérioration de la pompe. Pour s'assurer de cet état liquide, on impose généralement au fluide de travail en entrée de la pompe une température inférieure à sa température de condensation. L'écart de température entre ladite température de condensation et la température imposée, généralement appelé sous-refroidissement, est habituellement d'au moins 5°C mais inférieur à 10°C pour ne pas trop altérer l'efficacité du cycle de Rankine. Or, dans les dispositifs de récupération d'énergie connus, la température et le débit de la source froide dépendent des conditions de roulage de sorte qu'il est très difficile d'avoir un sous-refroidissement optimal. En particulier, lorsque la charge thermique de la source chaude est faible et que le débit de la source froide est élevée, il existe un fort risque que le sous-refroidissement soit insuffisant pour empêcher l'apparition de phénomènes de cavitation.. A l'inverse, lorsque la charge thermique de la source chaude est forte, il existe un fort risque que le sous-refroidissement soit trop important et dégrade les performances de la récupération d'énergie. Un but de l'invention est de fournir un moyen pour récupérer de l'énergie d'un moteur de véhicule en mettant en oeuvre des moyens relativement simples. On notera également que le document A cet effet, on prévoit, un dispositif de récupération d'énergie pour véhicule à moteur, comprenant un circuit fermé de fluide de travail comportant une pompe de circulation du fluide de travail dans le circuit, un échangeur thermique haute pression ou évaporateur pourvu de moyens d'échange thermique entre une source chaude du moteur et le fluide de travail, un organe d'expansion agencé pour transformer une pression du fluide de travail en travail mécanique, et au moins un échangeur thermique basse pression qui est relié à la pompe et qui comporte des moyens d'échange thermique entre une source froide et le fluide de travail, caractérisé en ce que :
Ainsi, l'organe de régulation permet de gérer le débit de fluide de refroidissement et donc le fonctionnement de l'échangeur thermique basse pression qui agit directement sur la température de condensation et sur la température du fluide de travail en amont de la pompe. L'asservissement de l'organe de régulation permet donc d'asservir la température du fluide de travail et de maîtriser le sous refroidissement du liquide de travail. Selon un mode de réalisation particulier, l'unité de commande est également reliée à un capteur de pression. L'invention concerne également un véhicule comportant un moteur thermique et un dispositif de récupération d'énergie du type précité. L'invention a en outre pour objet un procédé de récupération d'énergie par la mise en oeuvre d'un cycle de Rankine, comprenant les étapes de :
La source froide comprend un fluide de refroidissement circulant dans un circuit avec un débit régulé pour amener le fluide de travail à une température comprise entre deux valeurs prédéfinies. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
En référence aux figures, l'invention est décrite en application à la récupération d'énergie d'un système de motorisation d'un véhicule automobile à roues motrices. Le système de motorisation comprend, de façon connue en elle-même, un moteur thermique à combustion interne 101, un circuit 102 d'alimentation du moteur thermique 101 en carburant et en comburant, un circuit 103 d'échappement des gaz résultant de la combustion du carburant et du comburant dans le moteur thermique, et un circuit 104 de refroidissement du moteur thermique. Le circuit 104 comprend un radiateur 105 monté en face avant du véhicule. Le fluide de refroidissement est un liquide formé d'un mélange d'eau et d'éthylène-glycol ou de propylène-glycol. Le véhicule comprend en outre un dispositif de récupération d'énergie, 1, comprenant un circuit fermé 2 contenant un fluide de travail. Le fluide de travail est par exemple un liquide comprenant de l'éthanol. Le circuit fermé 2 comprend successivement une pompe 3, un échangeur thermique haute pression ou évaporateur 4, un organe d'expansion 5 et un échangeur thermique basse pression 6 qui sont raccordés en série. Les termes « haute pression » et « basse pression » sont employés relativement l'un à l'autre : le circuit fermé 2 a une pression supérieure entre la sortie de la pompe 3 et l'organe d'expansion 5 qu'entre la sortie de l'organe d'expansion 5 et l'entrée de la pompe 3. La pompe 3 est agencée pour faire circuler le fluide de travail dans le circuit fermé 2 et le mettre sous pression. L'évaporateur 4 a une entrée reliée à une sortie de la pompe 3 et a une sortie reliée à une entrée de l'organe d'expansion 5. L'évaporateur 4 est pourvu de moyens d'échange thermique entre une source chaude du moteur thermique 101 et le fluide de travail. L'organe d'expansion 5 est agencé pour transformer une pression du fluide de travail en travail mécanique. L'échangeur basse pression 6 comprend un condenseur 6.1, un réservoir 7 et un sous-refroidisseur 6.2 qui sont reliés en série. Plus précisément, le condenseur 6.1 a une entrée raccordée à la sortie de l'organe d'expansion 5 et une sortie reliée à une entrée du réservoir 7 ; le sous-refroidisseur 6.2 a une entrée reliée à une sortie du réservoir 7 et une sortie reliée à une entrée de la pompe 3. Le condenseur 6.1 et le sous-refroidisseur 6.2 comportent chacun des moyens d'échange thermique entre une source froide et le fluide de travail. Les moyens d'échange thermique du condenseur 6.1 sont agencés pour assurer une puissance d'échange supérieure à celle des moyens d'échange thermique du sous-refroidisseur 6.2. L'entrée du réservoir 7 débouche dans le haut du réservoir 7 et la sortie du réservoir 7 débouche dans le bas du réservoir 7 de manière à permettre une séparation de la phase gazeuse et de la phase liquide du fluide de travail et de ne prélever que la phase liquide au niveau de la sortie du réservoir 7. La source froide est un circuit de fluide de refroidissement, 10, qui comprend une première branche 10.1 en échange thermique avec le condenseur 6.1 et une deuxième branche 10.2 en échange thermique avec le sous-refroidisseur 6.2. Le circuit de fluide de refroidissement comprend un organe 11 de régulation du débit de fluide de refroidissement dans le circuit de fluide de refroidissement 10. Le dispositif comprend une unité de commande 12. L'unité de commande 12 est reliée à :
L'unité de commande 12 comprend ici un processeur programmé pour asservir la répartition du débit de fluide de refroidissement à travers l'échangeur 6.2 et l'échangeur 6.1 en fonction de la température et de la pression du fluide de travail. L'objectif est de maintenir le sous-refroidissement Sbc du fluide de travail, c'est-à-dire l'écart entre la température de condensation du fluide de travail et la température du fluide de travail en sortie du sous-refroidisseur 6.2, entre une valeur minimale (par exemple 5°C) et une valeur maximale (par exemple 10°C). Le sous-refroidissement Sbc est calculé à partir de la température et de la pression du fluide de travail qui sont mesurées en amont de la pompe 3. Dans le premier mode de réalisation représenté à la En référence à la Le sous-refroidissement Sbc est dans un premier temps déterminé à partir des mesures de température et de pression du fluide de travail et on vérifie qu'il n'y a pas de dépassement d seuil (étape B). Dans l'affirmative, on revient à l'étape B pour de nouvelles mesures. Dans la négative, le sous-refroidissement Sbc est comparé à la valeur minimale prédéterminée (étape C). Un sous-refroidissement Sbc trop faible se produit par exemple lorsque la charge thermique de la source chaude est trop faible et le débit de fluide de refroidissement dans le circuit 10 est relativement élevé. Une première cause pouvant avoir conduit à cette situation est que la différence entre la température du fluide de travail en entrée du condenseur 6.2 et la température du fluide réfrigérant dans le circuit 10 est insuffisante. On sait en effet que cette différence doit être au moins égale à une valeur prédéterminée pour pouvoir atteindre la valeur minimale du sous-refroidissement. Par exemple, cette différence de température doit être supérieure ou égale à 7°C pour atteindre un sous-refroidissement d'au moins 5°C. On notera que la température du fluide de travail en entrée du condenseur 6.2 peut être estimée à partir de la température fournie par le capteur de température 13 et que la température du fluide de refroidissement est mesurée par le capteur 15. On vérifie donc si cette différence de température est supérieure ou égale à 7 (étape D). Dans ce cas, l'unité de commande 12 est agencée pour commander la vanne trois voies de l'organe de régulation 11 de manière à diminuer le débit de fluide de refroidissement dans le condenseur 6.1 (étape E). Ceci permet d'augmenter la température du fluide de travail en entrée du condenseur 6.2 (température de condensation) et donc d'augmenter la différence entre la température du fluide de travail en entrée du condenseur 6.2 et la température du fluide de refroidissement dans le circuit 10. Une seconde cause ayant pu conduire à cette situation est que la puissance échangée dans le condenseur 6.2 est insuffisante tandis que la différence entre la température du fluide de travail en entrée du condenseur 6.2 et la température du fluide de refroidissement dans le circuit 10 est, elle, suffisante comme le révèle l'étape D. Dans ce cas, l'unité de commande 12 est agencée pour commander la vanne trois voies de l'organe de régulation 11 de manière à augmenter le débit de fluide de refroidissement dans le condenseur 6.2 afin d'augmenter la puissance thermique échangée dans le condenseur 6.2 (étape F). Après les étapes E et F, on revient à l'étape B tant que le dispositif est en fonctionnement. Lorsque le sous-refroidissement est déterminé comme étant supérieur à la valeur minimale lors de l'étape C, on vérifie s'il est inférieur à la valeur maximale (étape G), auquel cas on revient à l'étape B. Dans le cas contraire, le sous-refroidissement Sbc est trop fort. Ce cas se produit par exemple lorsque la charge thermique de la source chaude est trop forte et le débit de fluide de refroidissement dans le circuit 10 est relativement faible. Une première cause pouvant avoir conduit à cette situation est que la différence entre la température du fluide de travail en entrée du condenseur 6.2 et la température du fluide de refroidissement dans le circuit 10 est trop forte. Par exemple, cette différence de température doit être inférieure ou égale à 15°C pour atteindre un sous-refroidissement d'au plus 10°C. On vérifie donc si cette différence de température est inférieure ou égale à 15 (étape H). Dans la négative, l'unité de commande 12 est agencée pour commander la vanne trois voies de l'organe de régulation 11 de manière à augmenter le débit de fluide de refroidissement dans le condenseur 6.1 (étape I). Ceci permet de diminuer la température du fluide de travail en entrée du sous-refroidisseur 6.2 et donc de réduire la différence entre la température du fluide de travail en entrée du condenseur 6.2 et la température du fluide réfrigérant dans le circuit 10. Si la différence entre la température du fluide de travail en entrée du condenseur 6.2 et la température du fluide de refroidissement dans le circuit 10 est normale, la puissance échangée dans le condenseur 6.2 est trop forte. Dans ce cas, l'unité de commande 12 est agencée pour commander la vanne trois voies de l'organe de régulation 11 de manière à diminuer le débit de fluide de refroidissement dans le condenseur 6.2 afin de diminuer la puissance thermique échangée dans le condenseur 6.2 (étape J). Après les étapes I et J, on revient à l'étape B tant que le dispositif est en fonctionnement. Dans la variante du premier mode de réalisation représentée à la Le fonctionnement du dispositif de régulation est simplifié par rapport à celui du premier mode de réalisation (voir la On y retrouve les étapes A, B, C et G. Lorsque le sous-refroidissement est trop faible, l'unité de commande 12 commande la vanne trois voies de l'organe de régulation 11 pour diminuer le débit de fluide de refroidissement dans les deux condenseurs 6.1, 6.2 (étape K). Ceci permet d'augmenter la température du fluide de travail en entrée du condenseur 6.2 et donc d'augmenter la différence entre la température du fluide de travail en entrée du condenseur 6.2 et la température du liquide de refroidissement dans le circuit 10. On revient ensuite à l'étape B. Si le sous-refroidissement n'est pas trop faible, on vérifie s'il est trop fort (étape G). Dans la négative, on revient à l'étape B. Si le sous-refroidissement est trop important, l'unité de commande 12 commande la vanne trois voies de l'organe de régulation 11 pour augmenter le débit de fluide réfrigérant dans les deux condenseurs 6.1, 6.2 (étape L). Ceci permet de diminuer la température du fluide de travail en entrée du condenseur 6.2 et donc de réduire la différence entre la température du fluide de travail en entrée du condenseur 6.2 et la température du liquide de refroidissement dans le circuit 10. Dans le deuxième mode de réalisation représenté à la Le circuit 10 comprend une ouverture d'entrée soumise à un flux d'air lors du déplacement du véhicule. Le fluide de refroidissement dans le circuit 104 a une température de 90°C environ et l'air dans le circuit 10 a une température proche de la température ambiante. L'organe de régulation comprend un groupe moto-ventilateur 111 monté dans l'entrée du circuit 10 et un volet motorisé, 112, monté dans le circuit 10 en regard de l'entrée des deux branches 10.1, 10.2 du circuit 10. Comme représenté sur la L'unité de commande 12 est reliée à :
L'unité de commande 12 est agencée pour commander l'organe de ventilation 12 de manière à asservir le débit de fluide de refroidissement en fonction du sous-refroidissement du fluide de travail. Le fonctionnement du dispositif de régulation est analogue à celui du premier mode de réalisation. Comme indiqué précédemment, l'objectif est de maintenir le sous-refroidissement entre une valeur minimale (par exemple 5°C) et une valeur maximale (par exemple 10°C). Le sous-refroidissement est ici calculé à partir de la température et de la pression qui sont mesurées du fluide de travail en amont de la pompe 3. En variante, le sous-refroidissement peut être estimé à partir de la température de l'air extérieur (issue du capteur de température 17) et de la pression du fluide de travail en amont de la pompe 3 (issue du capteur de pression 14). Plus précisément, si le sous-refroidissement est inférieur à la valeur minimale alors que le véhicule ne roule pas, l'unité de commande 12 commande le groupe motoventilateur 111 à sa vitesse maximale. Si cela n'est pas suffisant, l'unité de commande 12 commande le volet 112 pour réduire le débit d'air dans la branche 10.1. Si le sous-refroidissement est inférieur à la valeur minimale alors que le véhicule se déplace et que le groupe motoventilateur 111 fonctionne, l'unité de commande 12 commande le groupe motoventilateur 111 à sa vitesse maximale. Si cela n'est pas suffisant, l'unité de commande 12 commande le volet 112 pour réduire le débit d'air dans la branche 10.1. Si le sous-refroidissement est inférieur à la valeur minimale alors que le véhicule se déplace et que le groupe motoventilateur 111 ne fonctionne pas, l'unité de commande 12 commande le volet 112 pour réduire le débit d'air dans la branche 10.1. Si le sous-refroidissement est supérieur à la valeur maximale et que le groupe motoventilateur 111 ne fonctionne pas, l'unité de commande 12 commande le volet 112 pour augmenter le débit d'air dans la branche 10.1. Si le sous-refroidissement est supérieur à la valeur maximale alors que le groupe motoventilateur 111 fonctionne, l'unité de commande 12 réduit la vitesse du groupe motoventilateur 111 au besoin jusqu'à sa vitesse minimale. Si cela n'est pas suffisant, l'unité de commande 12 commande le volet 112 pour augmenter le débit d'air dans la branche 10.1. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, le dispositif de récupération d'énergie peut avoir une structure différente de celle décrite. Le dispositif peut ainsi ne comprendre qu'un condenseur et être dépourvu de réservoir 7. Le dispositif comprend alors un accumulateur en aval de l'évaporateur. L'unité de commande peut n'être reliée qu'à un capteur de température du fluide de travail. Le dispositif peut être dépourvu de capteur de température du fluide de refroidissement : la régulation est alors effectuée par approches successives. Dans le deuxième mode de réalisation, il est possible de prévoir des volets en entrée de la branche 10.2 également. L'organe de régulation peut comprendre en outre dans ce mode de réalisation un groupe moto-ventilateur dans chaque branche du circuit 10, ou aucun groupe moto-ventilateur. Le dispositif de l'invention est applicable à tout type de véhicule pourvu d'un moteur et par exemple un navire ou un aéronef. |
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