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« La récupération d’énergie dans le véhicule automobile »
Focus sur la récupération d’énergie thermique
GLAVATSKAYA YuliaSHONDA Osoko PROPRIÉTÉ RENAULT
JOURNEE SIA15/03/2011
Sommaire
Introduction : les enjeux des Sciences Thermiques d ans les Transports
Les différents principes de la Conversion d’Energie Thermique
Les perspectives dans l’automobile
Spécificités et contraintes de l’automobile
La thermoélectricité
Le cycle de Rankine
JOURNEE SIA15/03/2011 2PROPRIÉTÉ RENAULT
GLAVATSKAYA YuliaSHONDA Osoko
Le cycle de Rankine
Intégration d’un système de conversion d’énergie da ns l’environnement automobile
Conclusions et perspectives
Sommaire
Introduction : les enjeux des Sciences Thermiques d ans les Transports
Les différents principes de la Conversion d’Energie Thermique
Les perspectives dans l’automobile
Spécificités et contraintes de l’automobile
La thermoélectricité
Le cycle de Rankine
JOURNEE SIA15/03/2011 3PROPRIÉTÉ RENAULT
GLAVATSKAYA YuliaSHONDA Osoko
Le cycle de Rankine
Intégration d’un système de conversion d’énergie da ns l’environnement automobile
Conclusions et perspectives
Prévisions sur le changement climatique
Modélisation 3D
Impact de l’activité humaine sur le changement climatique
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1750
source : GIEC, www.ipcc.ch
Mesures contraignantes pour réduire les émissions des gaz à effet de serre(GES) :
Ratification du protocole de KYOTO en 2005 : (2008-2012 : - 5% d’émissions / 1990)
Grenelle 2 : (1990-2020)
Les évolutions du contexte automobileLes évolutions du contexte automobile
2011 - 20142009 - 2010 2015 - 2020
130g CO130g CO22/km /km 95 g CO95 g CO22/km /km
Euro 4 Euro 4 55 Euro 5 Euro 5 66 Euro 6 Euro 6 7 ?7 ?
Véhicules avec MCI optimisé
Apparition de nouvelles contraintes règlementaires fortes
Emissions
CO2
Climatisation GWP < 150 GWP < 150 GWP ? GWP ?
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Véhicules hybrides
GMPe : contrôle en température, gestion conso
Véhicules avec MCI optimisé
Gestion Thermique : couplage des circuits et des fl uides
Evolution des motorisations
Evolution des fonctions thermiques sous contrainte économique
Amélioration MCI (diesel, essence) : downsizing, EGR HP/BP…
Véhicules électriques
Parois chambrede combustion
Gaz échappement
Sortie chambre
Carburant
Gaz d’échappement à l’extérieur
Huile Liquide de refroidissement
Matière
Bilan d’énergie d’un véhicule thermique conventionnel
Rejeté vers air
ambiant
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Frottements
Arbre moteur
Carburant Huile
Principe: valorisation des calories perdues en puissance mécanique ou électrique
Aérodynamique
Resistance
au roulement
Freinage
Habitacle Auxiliaires
Transmission
www.gapa-pieces-auto.com
Sommaire
Introduction : les enjeux des Sciences Thermiques d ans les Transports
Les différents principes de la Conversion d’Energie Thermique
Les perspectives dans l’automobile
Spécificités et contraintes de l’automobile
La thermoélectricité
Le cycle de Rankine
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Le cycle de Rankine
Intégration d’un système de conversion d’énergie da ns l’environnement automobile
Conclusions et perspectives
Détente directe
Cycles thermodynamiques
Stirling
Principes de conversion d’énergie thermique
Machine
Source chaude
W
Turbocompound
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Cycles thermodynamiques
Thermoélectricité
Ericsson
RankinePuits froid
Seebeck
Cycle de Ericsson
froidQ•
Diagramme PV
D C
R
D – détendeur
1 2
3
4
P
12 43chaudQ
•
échappement
admission
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Cycle/Phase Compression Admission Détente Echappemen t
Ericsson (1er, 1833) adiabatique isobare adiabatique isobare
Ericsson (2ème, 1853) isotherme isobare isotherme isobare
John Ericsson (XIXe)
D – détendeur
C – compresseur
R - régénérateur
4
V
Cycle de Stirling
Diagramme PV Principe de fonctionnement
1
2
3
P
écha
ppem
entad
mis
sion
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Robert Stirling (XIXe) http://www.moteurstirling.com
Les contraintes pour l’automobile :
Manque de souplesse en fonctionnement dynamique
Echangeurs de chaleur volumineux
Etanchéité à assurer
4
V
écha
ppem
ent
Détente directe: Turbocompound
Turbocompound mécanique
MAIS plage d’utilisation restreinte : dégradation du rend ement du moteur en charge partielle
Turbocompound électrique («boost»)
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www.cummins.com Caterpillar Engine Research
Mécanique Electrique
Turbine de détente
Matériau TE type p Matériau TE type n
-+
-
--
-
+
+
+
+
cR
Source chaude
Source froide
Gradient
Effet Seebeck
Seebeck (1821): génération d’électricité par effet thermoélectrique (TE)
Puissance
I
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Gradient
thermique
TZTλρ
α⋅
=2
ρ - résistivité électrique, (Ω)
λ - conductivité thermique, (W.m-1.K-1)
Deux groupes de matériaux TE :
Matériaux basses températures (BT<250°°°°C)
Matériaux hautes températures (HT<700°°°°C)
Puissance
électrique
www.its.caltech.edu
α - coefficient de Seebeck, (V.K-1)
ZT– facteur de mérite adimensionné
Cycle de Rankine
Diagramme T-s de l’eau
Turbine G2 3
4
5
chaudQ•
•
chaudQ•
P
1’
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Cycle/Phase Compression
1 – 1’
Évaporation
1 - 4
Détente
4 - 5
Condensation 5 - 1
Rankine idéal isentropique isobare isentropique isobare
William Rankine (XIXe)
1
5
froidQ•froidQ
• 1’
Applications stationnaires du cycle de Rankine
Centrales électriques : pétrole, charbon, nucléaire …
Nucléaire Géothermie
~1MWe~1300MWe
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http://www.geothermie-perspectives.frhttp://fr.wikipedia.org
micro génération cogénération
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Introduction: les enjeux des Sciences Thermiques da ns les Transports
Les différents principes de la Conversion d’Energie Thermique
Les perspectives dans l’automobile
Spécificités et contraintes de l’automobile
La thermoélectricité
Le cycle de Rankine
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Le cycle de Rankine
Intégration d’un système de conversion d’énergie da ns l’environnement automobile
Conclusions
Prestations
Spécificités et contraintes de l’automobile
Plaisir de conduite
Performances / Agrément
Sécurité
Visibilité
Vie à bord
Confort thermique
Coût de l’utilisation
Fiabilité
Respect de l’environnement
Consommation / Emissions
ComposantsHabitacle, poste de conduite
HVAC
Sièges
Volant
Vitrages
Planche de bord
Calculateur
ThermiqueApproche Multi -Physique
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Habitacle,poste de conduite,
sièges
Sous- caisse
Compartiment moteur
Périmètre
Compartiment moteur
GMP, GMPE
Circuits refroidissement / AC
Fluides (air, eau, huile, réfrigérant)
Echangeurs
Sous-caisse
Batteries
Echappement
Approche Multi -Physiqueet Système
Spécificités et contraintes de l’automobile
Le démarrage à froid accélérer
la mise en température de l’habitacle – calories en climat froid, frigories en climat chaud (confort)
le dégivrage et le désembuage des vitres (visibilité / sécurité)
la montée en température du moteur pour réduire les frottements et optimiser la combustion (réduction consommation / émissions)
l’obtention de la température d’amorçage du système de post-traitement (dépollution)
LES DEUX CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT
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Le fonctionnement à chaud maintenir
un bon refroidissement des composants et des fluides sous toutes les conditions de roulage (fiabilité)
les températures optimales (confort, visibilité, consommation, émissions, performance)
Spécificités et contraintes de l’automobile
LES PHASES TRANSITOIRES ET LA DYNAMIQUE
les phases transitoires sont fréquentes
Trajets courts : 50% des trajets durent moins de 5 mn
l’usage véhicule :
Les échanges convectifs avec l’air extérieur sont variables
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Le couple / régime variable
LE DEVELOPPEMENT A L’INTERNATIONAL satisfaire
des conditions climatiques extrêmement variables en température , ensoleillement, humidité relative, et poussières
Moyenne = 8 km/h - Pic = 32 km/hMoyenne = 18 km/h - Pic = 57 km/h
Cycles d’usage clients: exemple
URBAIN
0
10
20
30
40
50
60
70
0,000 200,000 400,000 600,000 800,000 1000,000
temps (s)
km/h
EMBOUTEILLAGE
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
0,000 200,000 400,000 600,000 800,000 1000,000
temps (s)
km/h
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Moyenne = 8 km/h - Pic = 32 km/hMoyenne = 18 km/h - Pic = 57 km/h
Moyenne = 119 km/h - Pic = 150 km/h Moyenne = 61 km/h - Pic = 111 km/h
AUTOROUTIER
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0,000 200,000 400,000 600,000 800,000 1000,000
temps (s)
km/h
ROUTIER
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
0,000 200,000 400,000 600,000 800,000 1000,000
temps (s) km
/h
ENERGIE
Récupération ou conversion d’énergie : technologies
Energies utilisées
Echangeur Chaleur
Thermoélectricité ElectricitéEch
appe
men
t~
33%~33%
Valorisation des rejets
~33%
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Cycle Thermodynamique Energie Mécanique ou électrique
~33
%
~33%
Source chaude : où récupérer ?
carburant
échappement
Gaz d’échappement
Silencieux
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admission
Eau de refroidissement
Echangeur
Radiateur
Exemple Diesel
0.5
0.55
0.6
Ratio "Exergy / Thermal Power" Upstream Turbine [-]
250
300
0.45 0.5
0.50.5
0.5
Ratio "Exergy / Thermal Power" Downstream Catalyst [-]
250
300
Amont turbine Aval post-traitement
Potentiel de récupération de l’énergie
Gaz d’échappement
Sources chaudes
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0.3
0. 35
0.4
0.4
0.45
0.45
0.45
0.45
0.5
0.5
0.5
0.5
0.55
0.55
N [rpm]
C [
Nm
]
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 65000
50
100
150
200
0.250.3 0.35
0.35
0.4
0.4
0.4
0.4
0.45
0.45
0.45
0.50.50.50.5
N [rpm]
C [
Nm
]
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 65000
50
100
150
200
Sources froides
Ech
ange
ur S
R
Con
d. C
lim.
Rad
iate
ur
Aér
othe
rme
Rad
iate
ur
Bloc
Air ambiant Eau de refroidissement moteur
Con
d. C
lim.
Ech
ange
ur S
Rair
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Ech
ange
ur S
R
Con
d. C
lim.
Rad
iate
ur
air
Aér
othe
rme
Rad
iate
ur
Bloc moteur
eau
Con
d. C
lim.
Ech
ange
ur S
R
SR – système de récupération d’énergie
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Spécificités et contraintes de l’automobile
La thermoélectricité
Le cycle de Rankine
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Le cycle de Rankine
Intégration d’un système de conversion d’énergie da ns l’environnement automobile
Conclusions
Thermoélectricité dans l’automobile : Optimisation / Enjeux
Etude matériaux
non toxicité, ressources disponibles, flexibilité
procédé de mise en forme des matériaux
performances : ZT et plage de température
GazAssociation de matériaux
adaptés à différentsniveaux de T °°°°
Eau
Puissance électrique
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performances : ZT et plage de température
Performance globale du système
efficacité des échangeurs et performance des matériaux
tenue mécanique
Impact sur la Contre Pression Echappement
Gestion de l’énergie produite
Coût / gain conso (cycle client, type de véhicule)
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Les différents principes de la Conversion d’Energie Thermique
Les perspectives dans l’automobile
Spécificités et contraintes de l’automobile
La thermoélectricité
Le cycle de Rankine
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Le cycle de Rankine
Intégration d’un système de conversion d’énergie da ns l’environnement automobile
Conclusions
Rankine dans l’automobile
Choix
source de chaleur
source froide
fluide de travail
récepteur d’énergie
Optimisation
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Optimisation
composants
modèles (boucle, composants, système / véhicule)
intégration (boucle, sources chaude et froide, véhicule)
gestion de l’énergie produite
Coût / Gain conso (système, type de véhicule)
Système de Rankine : Concepts possibles
P
P
GD
P
Post-traitement
G D
P
P
HT
MT
G
G
D
D
Haute T°°°°C
nouveaux composants
Technologie existante
Moyenne T°°°°C
Récupération optimisée
Complexité
Très haute T°°°°C
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Pd
C
D
Post-traitement
P
D
P GD
P GD
Complémentaire échappement
Moyenne T°°°°C
Simplification
Conflit avec la climatisation
T°°°°C
Post-traitement pénalisée
Stockage thermique
Complexité
Système de Rankine : Concepts possibles
Haute Température
Post-traitement
Échappement
Moteur
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D – machine détente
P – pompe
G – génératrice
P
Source froide
G D
Système de Rankine : Concepts possibles
Moyenne Température
Refroidissement
P
Moteur
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D – machine détente
P – pompe
G – génératrice
P
Source froide
GD
Double récupération
Système de Rankine : Concepts possibles
Source froidePRefroidissement
Moteur
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D – machine de détente
P – pompe
Post-traitement
D
Échappement
Au plus près du moteur
Système de Rankine : Concepts possibles
Moteur
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D – machine de détente
P – pompe
G – génératrice
P
Source froide
GD
Evaporateur - stockeur
Système de Rankine : Concepts possibles
Échappement
Moteur
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D – machine de détente
P – pompe
G – génératrice
P
Source froide
GD
Cascade
Système de Rankine : Concepts possibles
P
Échappement
HT GDMoteur
JOURNEE SIA15/03/2011 34PROPRIÉTÉ RENAULT
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D – machine de détente
P – pompe
G – génératrice
PRefroidissement
MT
GD
Source froide
Couplage avec la climatisation : condenseur commun
Système de Rankine : Concepts possibles
Source chaudePd
Climatisation Rankine
Air habitacle
JOURNEE SIA15/03/2011 35PROPRIÉTÉ RENAULT
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CD
D – machine de détente
d - détendeur
C - compresseur
P – pompe
G – génératrice
Architectures mécaniques possibles
Travail électrique
PD
Echappement
G
Travail mécanique
P
Source froide
D
Echappement
Moteur
Moteur
JOURNEE SIA15/03/2011 36PROPRIÉTÉ RENAULT
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Source froide
Source froide
PD
Echappement
G
Source froide
Travail électrique / pompe mécanique
Moteur
Spécification du fluide de travail
Bonne capacité de transfert de chaleur
Moindre influence sur l’environnement (GWP, destruc tion d’ozone… )
Non inflammable
Non corrosif
Non toxique
Bas coût
JOURNEE SIA15/03/2011 37PROPRIÉTÉ RENAULT
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Bas coût
Fluide sec Fluide humide
Types de fluide
Détente Sèche
Détente Humide
Fluide de travail
Fluides possibles : NH 3, Eau, fluides organiques
! CFC: Protocole de Montréal
Performances :
Fluide organique : Tchaud<400°°°°C
L’eau : Tchaud>400°°°°C MAIS gel, corrosion, lubrification, faible viscosité
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Source: B.Aoun, 2010, Ecole des Mines de Paris
ηexp=1, ηp=1, ∆T=10K; ∆T=25K pour l’eau
Composants: échangeurs de chaleur
Evaporateur/Condenseur dans l’automobile
Échangeur à plaques (échangeurs A/C)
Tubes/ailettes (radiateur face avant)
Tubes/calandre (EGR à eau)
JOURNEE SIA15/03/2011 39PROPRIÉTÉ RENAULT
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Source:ibluegroup.org/Equipments.aspx Source: commons.wikimedia.org/wiki/File:U-tube_heat_e...Source: wapedia.mobi/fr/Radiateur
Composants: machine de détente
Scroll
Pistons
Turbine
Critères du choix: lubrification, taille, taux de d étente, viscosité du fluide, débit …
Analogie avec technologie
compresseur climatisation
JOURNEE SIA15/03/2011 40PROPRIÉTÉ RENAULT
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fluide, débit …
Source: ULG Source: www.amovis.de/en/index.htm
Composants: machine de détente
Principe de fonctionnement
P
s=const
1 2
s=const
6
P0
Psu
P0
P
s=const
1 2
s=const
6
Psu
6’
P
s=const
1 2
s=const
Psu
Machine à pistons Scroll
JOURNEE SIA15/03/2011 41PROPRIÉTÉ RENAULT
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Compression du fluide résiduelDétente isentropique VVsVc
V=const3
45
s=const
VVsVc
3
45
s=const
3’P’ex
Pex
P’ex
VVs
3
45
s=const
3’P’ex
Pex
P’ex
Pex
P’ex
Détente isentropique
Composants: Pompe
Volumétrique Dynamique
Non lubrifiée Lubrifiée
Pompe
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Alternatif Rotatif
Pistons
Membrane
Lobes
Palettes
Vis
Non lubrifiée Lubrifiée
Modélisation du système Rankine
Echangeurs :
Trois zones d’échange
Estimation des coefficients d’échange
Estimation des pertes de charge : Attention CPE (Contre Pression Echappement)
Méthode ε-NTU: estimation de la taille d’échangeur
( )TTCmQ −⋅
=
••εT Evaporateur
JOURNEE SIA15/03/2011 43PROPRIÉTÉ RENAULT
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max
•
•
=Q
Qε
( )efehp TTCmQ ,,min
−⋅
= ε
min
⋅=•
pCm
AUNTU
Liquide L+V Vapeur
Th,e
Tf,e
Tf,s
Th,s
T
Source chaudeFluide de travail
A – surface d’échange totale de l’échangeurU – coefficient d’échange globalε – efficacité globale
•Q
Evaporateur
Modélisation du système Rankine
Pompe
TsPs
P
Rendement isentropique
Puissance réelle de la pompe
Puissance isentropique de la
pp
isppis W
W ,=η
ppW•
•
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•m
TePe
Puissance isentropique de la pompe
Rendement mécanique
Rendement volumétrique
isppW ,
•
mécη
volη
Modélisation du système Rankine
Machine de détente
∆P : pertes de charge à l’entrée / sortie de la
machine
: échange par convection avec la paroi
e2-s2 : détente du fluide
détente isentropique
détente à volume constant
S=cnst V=cnst
e
e1
e2 s2 s1
s
∆Pe ∆Ps
eQ•
sQ•
exp
•W
Frontière du système
ehm•
shm•
se QQ••
;
JOURNEE SIA15/03/2011 45PROPRIÉTÉ RENAULT
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Bilan d’énergie
Bilan des pertes
détente à volume constant
: échange de chaleur avec l’ambiance
0=−+−••••
ambsef QQQW
ambQWhm•••
−=∆ exp
e – entrée
s – sortie
ambQ•
ambQ•
Paramètres du système
Modélisation du système Rankine
gazm•
Evaporateur
P
Tgaz (°°°°C)(kg/s)
∆Tev (°°°°C)
Mf (kg/s)
Pf, su (Pa)
P (Pa)
Npp (1/min)Nexp (1/min) D G
JOURNEE SIA15/03/2011 46PROPRIÉTÉ RENAULT
GLAVATSKAYA YuliaSHONDA Osoko
Gain: jusque 10% selon l’usage (embouteillage, urba in, route, autoroute), l’architecture ( source chaude , source froide, … ) et le concept
Condenseur
Tcw ou Tair (°°°°C)
(kg/s)
Pf, ex (Pa)
cwm•
Paramètres externes
Paramètres internes
Aa
Aa
Sommaire
Introduction: les enjeux des Sciences Thermiques da ns les Transports
Les différents principes de la Conversion d’Energie Thermique
Les perspectives dans l’automobile
Spécificités et contraintes de l’automobile
La thermoélectricité
Le cycle de Rankine
JOURNEE SIA15/03/2011 47PROPRIÉTÉ RENAULT
GLAVATSKAYA YuliaSHONDA Osoko
Le cycle de Rankine
Intégration d’un système de conversion d’énergie da ns l’environnement automobile
Conclusions et perspectives
Intégration d’un système de conversion d’énergie
Doit prendre en compte :
La phase de montée en température moteur et de mise en température de l’habitacle
L’efficacité du système de post-traitement
La gestion thermique globale et l’interaction avec les autres systèmes
JOURNEE SIA15/03/2011 48PROPRIÉTÉ RENAULT
GLAVATSKAYA YuliaSHONDA Osoko
La gestion thermique globale et l’interaction avec les autres systèmes
L’impact sur l’architecture, le poids et le coût
La Contre Pression Echappement
L’utilisation de l’énergie produite
Sommaire
Introduction: les enjeux des Sciences Thermiques da ns les Transports
Les différents principes de la Conversion d’Energie Thermique
Les perspectives dans l’automobile
Spécificités et contraintes de l’automobile
La thermoélectricité
Le cycle de Rankine
JOURNEE SIA15/03/2011 49PROPRIÉTÉ RENAULT
GLAVATSKAYA YuliaSHONDA Osoko
Le cycle de Rankine
Couplage d’un système de conversion d’énergie dans l’environnement automobile
Conclusions et perspectives
Conclusions et perspectives
Rankine
Choix du fluide de travail : performance, fiabilité, sécurité, …
Composants : machine de détente, échangeurs thermiques, …
Système : contrôle
Seebeck
Matériaux thermoélectriques (performance, dopage, conductivités, non toxicité, ressources disponibles, flexibilité)
Procédé de mise en forme
Optimisation couplage échangeurs –matériaux TE
JOURNEE SIA15/03/2011 50PROPRIÉTÉ RENAULT
GLAVATSKAYA YuliaSHONDA Osoko
Optimisation couplage échangeurs –matériaux TE
Intégration dans le véhicule : masse, encombrement, interaction avec les autres systèmes véhicule
Gestion thermique globale : localisation sources ch aude et froide, énergie produite, …
Coût
2/3 énergie perdue vers l’extérieur
Valorisation: convertir l’énergie perdue en travail utile (mécanique ou électrique)
Gain en consommation et puissance additionnelle
Complémentaire de la récupération de l’énergie de f reinage
Conclusions et perspectives
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GLAVATSKAYA YuliaSHONDA Osoko
Complémentaire de la récupération de l’énergie de f reinage
S’intègre dans le concept global thermique (couplag e)