Brevet FR2504631A1 — publié le 19821029

Procédé et dispositif pour améliorer le rendement d'une transmission hydraulique de puissance. La présente invention concerne un procédé pour amé- liorer le rendement d'une transmission hydraulique de puissance du type selon laquelle on transmet l'énergie mécanique d'un moteur thermique à une pompe hydraulique envoyant un fluide haute pression à l'entrée d'un moteur hydraulique dont la sortie est reliée à la pompe par un circuit comprenant un réservoir basse pression. De façon plus particulière mais non limitative, la présente invention concerne une transmission hydraulique du type de celle décrite dans la demande de brevet fronçais N 080 15416. On sait par cette demande précitée, que le rendement d'une transmission hydraulique peut être optimisé en faisant toujours fonctionner les moteurs hydrauliques au voisinage de leur cylindrée maximale, si les moteurs sont à pistons axiaux et plateau inclinable. Pour satisfaire cette condition, et sachant que le véhicule évolue à des puissances extrêmement variables, il faut faire croître la pression avec la puissance, pour que l'inclinaison des plateaux des moteurs soit au voisinage de leur valeur maximale Cependant, ceci ne suffit pas pour les très faibles vitesses du véhicule, etcomme celui-ci est supposé équipé de plusieurs moteurs hydrauliques, (un par roue, par exemple), on est amené à désaccoupler un ou plusieurs moteurs, pour que ceux qui restent en fonctionnement travaillent à leur cylindrée maximale. Le but de la présente invention est de proposer une optimisation complémentaire de la transmission hydraulique, accroissant le rendement de l'ensemble propulsif, y compris le moteur thermique. Ce but est atteint conformément à l'invention par le fait qu'on échauffe le fluide hydraulique à l'entrée du moteur hydraulique en utilisant une partie des calories évacuées par le moteur thermique. Ainsi, on augmente la puissance hydraulique délivrée au moteur hydraulique par l'effet de dilatation thermique du fluide (production d'un débit complémentaire à l'aide de ces calories. Cela est rendu possible par le fait que certaines huiles, en particulier les huiles silicones, qui sont utilisables comme fluides hydrauliques, présentent l'intérêt d'avoir un coefficient de dilatation thermique élevé, de l'ordre de 10 /0 C, et sont stables dans une large gamme de températures, (-50 à + 300 'C). Si le fonctionnement habituel se fait à une tempé- rature O c,, il résulte d'un accroissement 6 Q de température un ac- croissement proportionnel de débit par rapport au débit initial de fluide, Q 0, et relatif à la dilatation de ce dernier, et donc un accroissement de puissance transmise. Avantageusement, on utilise une partie des calories évacuées dans les gaz d'échappement du moteur thermique pour réchauf- fer le fluide hydraulique à l'entrée du moteur hydraulique. Avantageusement, on récupèée une partie des calories du fluide à la sortie du moteur hydraulique pour préchauffer le fluide d'entrée préalablement à l'échauffement par les calories du moteur thermique. Avantageusement, on refroidit le fluide avant son retour dans la pompe. Avantageusement, on utilise une partie des calories évacuées par refroidissement du moteur thermique pour réchauffer le fluide hydraulique à l'entrée du moteur hydraulique. Avantageusement, on optimise la température du fluide à l'entrée du moteur hydraulique en fonction de la vitesse dudit moteur. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, notamment grâce à des échan- geurs thermiques judicieusement disposés. Avantageusement, les moyens d'optimisation de la tem- pérature du fluide comprennent un capteur de vitesse du moteur, un générateur de fonction donnant une température de fonctionnement opti- male en fonction de la vitesse du moteur, un capteur thermique mesurant la température effective du fluide à l'entrée du moteur hydraulique, un amplificateur à seuil et hystérésis commandant, en fonction de la différence entre la température effective et la température optimale du fluide, l'ouverture d'une électrovanne interposée sur le conduit d'échappement du moteur thermique et conduisant les gaz d'échappement soit vers l'échangeur thermique,soit vers l'atmosphère. 250463 ' Les avantages et caractéristiques de l'invention seront mieux compris après la description d'un mode particulier de réalisa- tion faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est un schéma d'ensemble d'une trans- mission hydraulique et du dispositif de l'invention; la figure 2 est une variante de la figure 1; la figure 3 représente les courbes donnant, pour dif- férentes valeurs de la viscosité du fluide, la température optimale en fonction de la vitesse du véhicule auquel s'applique l'invention. On voit sur la figure 1 un moteur thermique trans- mettant par une liaison mécanique 2 son 4 ouvement à une pompe 3 à puissance constante En fait, la pompe peut être linéaire ou rota- tive suivant le type du moteur 1 La pompe 3 envoie un fluide haute pression dans le circuit haute pression 4 comprenant un accumulateur haute pression 5 Le circuit haute pression alimente un ou plusieurs moteurshydrauliques 6, de type volumétrique, d'o le fluide sort sous basse pression et est ramené par un circuit basse pression 7 compor- tant un accumulateur basse pression 8 vers la pompe 3 Des flèches F indiquent le sens de circulation du fluide, en général de l'huile. Des explications plus détaillées de ce type de trans- mission sont données dans la demande de brevet français 80 15 416. Le moteur thermique 1 a un conduit d'échappement 9 dans lequel les gaz circulent dans le sens des flèches G. Conformément à l'invention, le circuit haute pres- sion 4 et le conduit d'échappement 9 sont agencés sur une de leurs parties de manière à former un échangeur thermique 10 gaz-fluide. Quoique représenté sous la forme la plus simple d'un échangeur à contrecourant, l'échangeur 10 peut adopter de multiples configurations de type connu Grâce à l'échange thermique qui s'y produit, la température du fluide entrant dans les moteurs hydrau- liques 6 peut atteindre 1800 C. A la sortie des moteurs hydrauliques 6, la tempéra- ture du fluide est encore élevée (environ 170 'C) et il est intéres- sant de prévoir un échangeur thermique 11 fluide-fluide à contre- courant, entre le circuit basse pression 7 juste en aval des moteurs hydrauliques 6 et le circuit haute pression 4 en amont de l'échangeur gaz-fluide 10. Cela permet de récupérer les calories du fluide chaud sortant des moteurs et qui doit être refroidi, et de les transférer vers le fluide froid, sortant de la pompe qui, lui, doit être réchauffé. Un échangeur 12 est enfin placé entre le fluide sortant de l'échangeur 11, et circulant en direction de la pompe 3, et l'air ambiant Il permet de refroidir le fluide complètement, et de ramener sa température à la valeur de 50 C qui est celle du fonctionnement habituel. Dans le cas d'un moteur thermique 1 refroidi (moteur non adiabatique), on peut récupérer les c 1 lories évacuées par re- froidissement grâce à un échangeur thermique 19 (figure 2) entre le fluide hydraulique et le moteur thermique 1 Cependant, cette solution n'offre pas les avantages de l'échangeur thermique 10,notam- ment en ce qui concerne les possibilités de régulation simple qui vont être exposées par la suite. Le fonctionnement du système est le suivant Il va être décrit dans le cadre de son application à un véhicule tel que proposé dans la demande de brevet français N O 80 15 416,étant entendu qu'il n'est nullement limité a cette application. Le véhicule fonctionnant à vitesse constante, la pom- pe 3, entraînée par le moteur thermique 1, fournit un débit Q, A la pression P, ce qui correspond à la puissance P Q nécessaire pour faire rouler le véhicule à la vitesse choisie Le fluide hydraulique sortant des échangeurs 11 et 10 a été porté à la température Q = Q + A , o O, température de fonctionnement habituel, vaut par exemple 500 C. Son débit masse est resté constant, mais son débit volume a été augmenté d'une valeur proportionnelle au coefficient de dilatation thermique, P, et à l'élévation de température, à 9 Si la température à l'entrée des moteurs hydrauliques 6 est de 1800 C, par exemple, elle sera légèrement plus faible à la sortie, ( 160 à 1700 C environ), A cause de la détente adiabatique du fluide, et des pertes thermiques par conduction dans les moteurs 6 Pour refroidir le fluide, on le fait passer d'abord dans l'échangeur Il qui reçoit également à contre- courant le fluide sortant de la pompe 3, lequel s'échauffe C'est dans cet échangeur Il que le fluide se refroidit le plus (environ une centaine de degrés), et il en sort à une température de 80 'C environ, compte tenu des imperfections de l'échangeur Cette température est encore trop élevée, et pour la ramener à 500 C, avant d'entrer dans la pompe, le fluide doit passer dans le dernier échangeur 12 o il cède à l'air ambiant ses calories, par convection Ce dernier échan- geur 12 peut servir au chauffage du véhicule, par exemple. Pendant son passage dans la pompe 3, la température du fluide ne varie pratiquement pas, car il y a une compensation relative entre les élévation et chute de température dues respective- ment à la compression adiabatique et aux pertes thermiques Le fluide entrant à 50 C dans l'échangeur 11 en sort à la température de 150 à 'C environ, après échange de calories avec le fluide chaud sortant des moteurs hydrauliques 6 Il passe ensuite éventuellement dans l'échangeur non représenté de refroidissement du moteur thermique, et dans l'échangeur 10 o il est échauffé par transfert des calories apportées par les gaz d'échappement A la sortie, la température du fluide est ainsi portée à la valeur de 180 'C, précédemment indiquée, et le cycle recommence. Pour optimiser correctement le rendement de transmis- sion, il faut tenir compte de la viscosité du fluide qui joue un rôle déterminant dans la distribution des pertes, notamment dans les moteurs hydrauliques à pistons axiaux Celles-ci sont de deux types: une perte mécanique, proportionnelle à la viscosité et au carré de la vitesse du moteur 6 (et donc aussi de celle du véhicule), une perte par fuite hydraulique, inversement proportionnelle à la viscosité, et proportionnelle au carré de la pression. Il est donc clair qu'aux basses vitesses la perte mécanique est faible La perte hydraulique devrait être faible égale- ment, mais le niveau de pression ne pouvant descendre au-dessous de la valeur de la pression de gonflage de l'accumulateur 8, elle a une valeur relativement plus grande que la perte mécanique Ceci n'incite donc pas à accroître la température du fluide, qui augmenterait encore la perte par diminution de la viscosité. En fait, l'étude d'optimisation montre que la somme des pertes est minimale si la température du fluide évolue, en fonc- tion de la vitesse du véhicule, et pour différentes valeurs de la viscosité cinématique V, exprimée en centistokes, suivant les courbes de la figure 3. On constate qu'avec un fluide de faible viscosité ( 20 e St) il est exclu d'élever trop sa température, car, au-delà d'une certaine limite, l'augmentation de la perte hydraulique par diminution de la viscosité est plus importante que le gain de puis- sance mécanique obtenu par dilatation du fluide Il est évident qu'on obtient le gain maximal de puissance, donc le rendement maximal, pour une viscosité de 60 c St Ces valeurs numériques ne sont données qu'à titre indicatif, pour montrer l'importance du choix du fluide, et ne sauraient être considérées comme des valeurs valables pour tous les moteurs En fait, la viscosité optimale dépend du type de moteur, et en particulier de la valeur du jeu d'interstice entre pièces fixes et mobiles. Quoi qu'il en soit, l'évolution des courbes reste valable dans tous les cas, et montre que le fluide ne doit pas être porté à la température maximale aux basses vitesses Le rendement de transmission peut ainsi être augmenté de 5 % en moyenne, aux basses vitesses, entre O et 60 km/hb et de 10 % entre 60 km/h et la vitesse maximale, en tenant compte de l'accroissement de perte de charge rela- tive à l'augmentation de longueur du circuit hydraulique, due aux échangeurs. On réalise pratiquement l'évolution de la température d'optimisation du rendement en fonction de la vitesse de la façon sui- vante. Un générateur de fonction 13 simule la courbe G f(V), en fournissant un signal électrique proportionnel à la température de consigne désirée, fonction du signal de vitesse fourni par un capteur de vitesse 14, monté sur une des roues du véhicule (dynamo tachy- métrique par exemple) Le signal électrique d'un thermocouple 15 monté dans la canalisation d'entrée d'un des moteurs hydrauliques 6 est représentatif de la température du fluide à l'entrée du moteur 6 Le signal résultant de la différence de ces deux signaux, est appliqué à l'entrée d'un amplificateur 16 à seuil et hystérésis, pour com- mander une électrovanne 17 chargée de diriger les gaz d'échappement soit vers le premier échangeur 10, soit vers l'atmosphère 18, suivant 250463 ' que le signal d'écart entre la température de consigne et la tempéra- ture réelle à l'entrée du moteur hydraulique 6 est plus grand ou plus petit que la valeur du seuil de l'amplificateur 16 La température réglée est donc comprise entre deux niveaux, dont l'écart est d'autant plus faible que le seuil de l'amplificateur 16 est plus faible Mais comme il n'est pas nécessaire d'avoir une grande précision sur la tem- pérature, on se contentera d'un écart de + 5 C, ce qui permettra à l'électro-aimant de la vanne 17 de ne pas être sollicité trop souvent. Il est possible d'ailleurs que le rôle de la régula- tion soit réduit à une fonction secondaire, voire nulle, dans certains cas, car, pour les faibles puissances, le rendement des échangeurs doit être moins bon, et il devrait en résulter une température de fluide croissant avec la puissance du moteur thermique, donc aussi avec la vitesse du véhicule On conçoit donc que,dans le cadre précis de l'application de l'invention à un véhicule du type connu par la demande de brevet 80 15 416, on vise essentiellement à améliorer le rendement à forte puissance. R E V E N D I'C A T I O N S 1 Procédé pour améliorer le rendement d'une transmission hydraulique de puissance du type selon laquelle on transmet l'énergie mécanique d'un moteur thermique ( 1) à une pompe hydraulique ( 3) en- voyant un fluide haute pression ( 4) à l'entrée d'un moteur hydrau- lique ( 6) dont la sortie est reliée à la pompe ( 3) par un circuit ( 7) comprenant un réservoir basse pression ( 8), caractérisé en ce qu'on échauffe le fluide hydraulique à l'entrée du moteur hydraulique ( 6) en utilisant une partie des calories évacuées par le moteur ther- mique ( 1). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise une partie des calories évacuées dans les gaz d'échap- pement du moteur thermique ( 1) pour réchauffer le fluide hydraulique à l'entrée du moteur hydraulique ( 6). 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on récupère une partie des calories du fluide à la sortie du moteur hydraulique ( 6) pour préchauffer le fluide d'entrée préalablement à l'échauffement par les calories du moteur thermique ( 1). 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on refroidit le fluide avant son retour dans la pompe ( 3). Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on optimise la température du fluide à l'entrée du moteur hydraulique ( 6) en fonction de la vitesse dudit moteur ( 6). 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à , et dans lequel le moteur thermique ( 1) est refroidi, caractérisé en ce qu'on utilise une partie des calories évacuées par refroidis- sement du moteur thermique ( 1) pour réchauffer le fluide hydraulique à l'entrée du moteur hydraulique ( 6). 7 Dispositif pour améliorer le rendement d'une trans- mission hydraulique de puissance du type comprenant un moteur ther- mique ( 1) mécaniquement relié à une pompe hydraulique ( 3) envoyant un fluide haute pression ( 4) à l'entrée d'un moteur hydraulique ( 6) dont la sortie est reliée à la pompe ( 3) par un circuit ( 7) compre- nant un réservoir basse pression ( 8), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 17, 10) pour échauffer le fluide hydraulique à l'entrée du moteur hydraulique ( 6) avec une partie des calories évacuées par le moteur thermique ( 1). 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un échangeur thermique ( 10) entre les gaz d'échappement du moteur thermique ( 1) et le fluide à l'entrée du moteur hydraulique ( 6). 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur thermique ( 11) entre le fluide de sortie du moteur hydraulique ( 6) et le fluide en amont de l'échan- geur ( 10) t Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur thermique ( 12) entre l'air ambiant et le fluide en amont de la pompe ( 3). 11 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 13-17) d'optimi- sation de la température du fluide à l'entrée du moteur hydrau- lique ( 6) en fonction de la vitesse dudit moteur ( 6). 12 Dispositif selon les revendications 8 et 11, caracté- risé en ce que les moyens d'optimisation comprennent un capteur ( 14) de vitesse du moteur ( 6), un générateur de fonction ( 13) donnant une température de fonctionnement optimale en fonction de la vitesse du moteur ( 6), un capteur thermique ( 15) mesurant la température effec- tive du fluide à l'entrée du moteur hydraulique ( 6), un amplifi- cateur ( 16) à seuil et hystérésis commandant, en fonction de la différence entre la température effective et la température optimale du fluide, l'ouverture d'une électrovanne ( 17) interposée sur le conduit d'échappement ( 9) du moteur thermique ( 1) et conduisant les gaz d'échappement soit vers l'échangeur thermique ( 10), soit vers l'atmosphère. 13 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 12 et dans lequel le moteur thermique ( 1) est refroidi, caracté- risé en ce qu'il comprend un échangeur thermique (i 9) entre le re- froidissement du moteur thermique ( 1) et le fluide hydraulique à l'entrée du moteur hydraulique ( 6).