Conversion de l’énergie thermique des gaz d’échappement en travail mécanique par un cycle de Rankine afin de réduire les émissions des gaz à effet de serre

Dans le cadre de la diminution des émissions des gaz à effet de serre, les constructeurs automobiles étudient le développement de solutions innovantes permettant la récupération de La chaleur perdue, notamment, celle des gaz d’échappement. Dans ce contexte, un système de conversion de l’énergie basé sur un cycle de Rankine est proposé. Il s’avère que l’intégration d’un tel système est limitée par les contraintes d’architecture mécanique du véhicule. Le choix des technologies des échangeurs de chaleur pour une boucle de Rankine a été réalisé via la modélisation quasi-statique sous EES®. Il en ressort que les technologies à faisceau de tubes pour l’évaporateur et à plaques corruguées pour le condenseur sont les mieux adaptées pour un système de Rankine automobile. Une étude approfondie du dimensionnement de l’évaporateur a été effectuée. Une machine de détente volumétrique à pistons axiaux à été retenue. Elle a fait l’objet de travaux de modélisation quasi-statique sous EES® et dynamique sous AMESim®. Les modèles ont été recalés à partir des données du fournisseur. Ensuite, les cartographies de fonctionnement de la machine ont été obtenues. Enfin, une étude de l’intégration de la boucle de Rankine dans une automobile a été réalisée grâce à une modélisation de la boucle complète de Rankine sous EES®. En fonction de la source froide, le système proposé peut produire entre 1 et 5 kW de puissance mécanique. Dans le but d’optimiser les performances du système de Rankine, des leviers du pilotage ont été proposés./In order to decrease the emissions of greenhouse effect gases, automotive manufacturers study the development of innovative solutions which enable the recovery of waste heat, in particular that of the exhaust gases. Within this context, a recovery system based on a Rankine cycle is proposed. Nonetheless, the integration of such system within a vehicle is limited by the available room inside the vehicle. The choice of technologies and dimensions of the heat exchangers were done by means of steady state modelling under EES® environment. This study showed that the tubes bundles type evaporator and corrugated plate type condenser are the appropriate technologies for an automotive application of the Rankine cycle. A detailed study of the evaporator was carried out as well. A reciprocating wobble plate machine was chosen as an expansion device. The detailed study of the expander performance was carried out by means of steady-state modelling under EES® environment and dynamic modelling under AMESim® environment. The models were calibrated with the sets of measures provided by the supplier. Maps of expander was then obtained. Thus, the implementation study of a Rankine cycle within a vehicle was carried out by means of modelling of a Rankine cycle model under EES® environment. We obtained that depending of the thermodynamic state of the cold source; the recovery system could produce between 1 to 5 kW of additional mechanical power. In order to optimize the performance of the Rankine system, different ways of operating the Rankine system were proposed.