Brevet FR2527288A1 — publié le 19831125

Dispositif oléopneumatique de récupération d'énergie de frei- nage pour véhicule urbain. L'invention concerne la récupération de l'énergie de freinage sur un véhicule, en-particulier sur un véhicule urbain tel qu'un autobus soumis à de fréquents freinages et démarrages. En effet, dans les véhicules de transport en commun il s'avère particulièrement intéressant, en vue d'une économie de consommation, de récupérer l'énergie de décélération habituel- lement dissipée dans les freins et de la réintroduire sur la chaîne motrice dans la phase de mise en vitesse. Certains véhicules de transport en commun utilisent pour cela un volant d'inertie, un accumulateur électrique ou un accumulateur oléopneumatique Dans ce dernier cas on a recours en général à un élément hydrostatique ayant fonction de pompe ou de moteur pour remplir et vider l'accumulateur Cet élément est rajouté à la transmission automatique classique, en géné- rai sur la prise de mouvement. Dans le cas de transmissions utilisant des éléments hydrostatiques dans la transmission elle-même, leur utilisa- tion pour assurer la charge et la décharge de l'accumulateur oléopneumatique s'avère plus délicate, notamment dans le cas de transmissions dites à dérivation de puissance qui parais- sent les seules à présenter à la fois la continuité et le bon rendement nécessaire à un véhicule de transport en commun. Dans ce sens des réalisations connues équipent des trans- missions continues du type à "sortie couplée" o le branche- ment des machines hydrauliques aux roues se fait essentielle- ment par l'action d'un frein mécanique immobilisant un train différentiel Toutefois, cette opération se traduit par des perturbations sur la transmission préjudiciables au confort longitudinal du véhicule et par ailleurs le rendement d'une telle transmission est plutôt moyen. Parmi les transmissions hydrostatiques à dérivation de puissance, il en est une particulièrement intéressante, décrite dans le brevet français 80 10 953 ( 2 482 692) au nom de la demanderesse pour une "transmission à variation continue à deux modes de fonctionnement" Une telle transmission est basée essentiellement sur l'utilisation d'un double diffé- rentiel, ou mécanisme à quatre arbres, dont deux sont couplés -5 à des machines hydrostatiques, avec un étagement des rapports tel que la transmission puisse assurer une phase de démarrage sur convertisseur de couple hydrocinétique, suivi d'un mode de fonctionnement possédant un haut rendement par le fait que la puissance dérivée traversant les machines hydrostatiques représente une fraction faible de la puissance motrice. Le but de l'invention est d'utiliser tous les éléments constitutifs d'une telle transmission pour assurer en outre le stockage et le déstockage de l'énergie de freinage dans un accumulateur oléopneumatique, sans que cela conduise à une complexité accrue de la mécanique de la transmission elle- même, différentiels et machines hydrostatiques. L'invention consiste à combiner, avec les organes méca- niques et hydrauliques d'une transmission du type précité et au moins un réservoir d'accumulation oléopneumatique, une logique électronique actionnant des organes de commutation électrohydrauliques de manière à connecter entre eux les divers organes, notamment les pompes et moteurs hydrauliques et le réservoir accumulateur, afin d'obtenir les diverses phases souhaitées de freinage, avec ou sans récupération, et de traction hybride sur l'accumulateur oléopneumatique et le moteur thermique. Mis à part les organe de commutation électrohydrauliques utilisés pour la commande des divers freins et embrayages, ainsi que des rapports volumétriques des moteurs et pompes hydrauliques, qui sont ceux déjà prévus et utilisés dans la transmission susvisée, l'invention prévoit comme organes de commutation électrohydrauliques supplémentaires essentielle- ment deux commutateurs électrohydrauliques inverseurs, à couplages parallèles et croisés, disposés le premier dans le circuit aller et retour réunissant la pompe hydrostatique au moteur hydrostatique, et le deuxième dans le circuit aller et retour réunissant la pompe à l'accumulateur oléopneumatique et à la réserve à basse pression. Le détail des connexions et fonctions assurées apparaîtra dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation pris comme exemple et décrit en référence au dessin annexé sur lequel la fig 1 représente l'état de la technique de la solu- tion mécanique retenue pour l'exemple cité; la fig 2 représente le schéma mécanique et hydraulique de cette transmission selon l'état de la technique; la fig 3 représente les courbes de variation des cylin- drées des machines hydrauliques en fonction des rapports de transmission voulus toujours selon l'état de la technique; la fig 4 est un schéma analogue à celui de la fig 2 montrant les modifications apportées par l'invention; la fig 5 représente la courbe théorique de variation des couples-de transmission en fonction des rapports de transmis- sion; et la fig 6 un schéma hydraulique plus détaillé de la réalisation. L'invention, tout comme le brevet précité, est basée sur l'utilisation d'un mécanisme différentiel à quatre arbres 1, 2, 3, et 4 Dans l'exemple qui va suivre le mécanisme utilisé est différent de ceux déjà décrits dans le brevet précité, mais il s'agit également d'un mécanisme connu et il va de soi que l'invention s'appliquerait également à tout autre type de mécanisme à quatre arbres. Selon l'état de la technique décrit dans le brevet précité, le moteur thermique 5 est relié à la transmission par l'inter- médiaire d'un convertisseur de couple classique 6 muni d'un embrayage de pontage non représenté L'arbre de turbine sortant du convertisseur de couple est relié à un inverseur 7 permet- tant d'assurer la commutation marche avant, marche arrière et qui est constitué par exemple par un train planétaire à deux groupes de satellites, la marche avant étant obtenue par solidarisation complète de l'ensemble par un embrayage mul- tidisques commandé 8 tandis que la marche arrière s'obtient par blocage de la couronne sur le carter par un frein commandé 9 Comme exposé dans le brevet susvisé, ce mécanisme inverseur pourrait en variante être disposé sur l'arbre de sortie 2 _ Dans un but de simplification cet inverseur n'a pas été reporté sur les schémas des fig 2 et 4. Le mécanisme à quatre arbres retenu dans l'exemple choisi et désigné dans son ensemble par 10 est du type à trains Simpson à solaire commun Les deux trains sont désignés respec- tivement dans leur ensemble par Il et 12 sur la fig 1. L'arbre d'entrée 1 est relié au porte-satellite du train 11, tandis que l'arbre de sortie 2 relie à la fois la couronne du train 11 et le portesatellites du train 12 L'arbre 3 constitue le solaire commun aux -deux trains 11 et 12 et se trouve relié à une machine hydrostatique 3 a par l'intermé- diaire d'une transmission à chaîne 13 L'arbre 4, solidaire de la couronne du train 12, est relié par une autre chaîne 14 à un ensemble de deux machines hydrostatiques 4 a montées en opposition De plus, cet arbre 4 est muni d'une roue libre 15 agissant sur le carter de manière à interdire la rotation inverse de cet arbre et soulager ainsi les machines hydrau- liques 4 a dans la phase de démarrage. Sur les fig 2 et 4, ce mécanisme à quatre arbres est représenté schématiquement comme équivalent à deux différen- tiels classiques à trois arbres D 1 et D 2, mais ceci uniquement dans un but de schématisation car ces différentiels D 1 et D 2 ne sont pas équivalents séparément et respectivement aux trains 11 et 12, mais seulement dans leur ensemble. Le fonctionnement de cet ensemble, décrit dans le brevet précité, permet naturellement d'assurer une transmission pure sans aucune fonction de récupération d'énergie de freinage. Les machines 3 a et 4 a assurent alors respectivement le rôle de -pompe et de moteurs dans la phase o le moteur thermique tracte le véhicule et inversement lorsque celui-ci décélère. Ces machines sont alors simplement reliées entre elles hydrau- liquement comme représenté sur la fig 2 Le réglage des cylindrées Cy 3 et Cy 4 de ces machines, effectué selon les courbes représentées sur la fig 3, impose alors un rapport de vitesse t'= W 2/wl entre les arbres de sortie 2 et d'entrée 1 de la transmission Naturellement, cette commande des cylin- drées des machines 3 a et 4 a, ainsi que des divers embrayages, tels que 8, et freins, tels que 9 et embrayage de pontage, est assurée par des moyens hydrauliques alimentés par une pomp= auxiliaire 16, représentée sur la fig 1, et par l'intermé- diaire de moyens de commutation électrohydrauliques sous commande manuelle ou automatique qui n'ont pas été représentés en détail. La présente invention, représentée schématiquement sur la fig 4, consiste à combiner l'ensemble du mécanisme et des organes précédemment décrits avec d'une part un accumulateur oléopneumatique 17 à haute pression, associé à un réservoir 18 à basse pression, et d'autre part un ensemble de deux commuta- teurs électrohydrauliques 19 et 20 représentés sur la fig 4 et commandés, en même temps que l'ensemble des autres commuta- 2 >e) teurs électrohydrauliques, par un calculateur électronique 21 représenté seulement sur la fig 6. Le commutateur 19, représenté schématiquement sur la fig. 4 par un distributeur hydraulique, est interposé dans le circuit aller et retour reliant les machines 3 a et 4 a de manière à permettre le raccordement direct ou le croisement de ces connexions Toutefois le remplacement d'une au moins des machines hydrostatiques 3 a et 4 a par des machines du type à quatre cadrans ou inversibles, c'est-à-dire à cylindrées positives et négatives, serait un moyen équivalent à ce commu- tateur 19 Le commutateur 20, représenté également comme un distributeur hydraulique, est interposé dans le circuit de double canalisation aller et retour reliant la machine 3 a à l'accumulateur haute pression 17 et à la réserve basse pres- sion 18. En plus de ces deux commutateurs, ou de leur équivalent, on remarque sur les fig 4 et 6 la pompe de gavage 22 qui est déjà utilisée dans l'état de la technique pour maintenir en pression le circuit basse pression malgré les fuites Dans le 6 2527288 moteur hybride selon l'invention, cette pompe doit assurer la mise en basse pression de tout le débit absorbé par les élé- ments hydrauliques, ce qui peut justifier un dimensionnement différent Cette pompe est de préférence constituée par une pompe centrifuge fournissant un basse pression de 10 bars, mais une pompe volumétrique à cylindrée variable pourrait également être utilisée Ainsi, l'ensemble du réservoir basse pression 18 mis à l'atmosphère et de la pompe de gavage 22 joue le même rôle que l'accumulateur basse pression classique que l'on trouve dans les montages hybrides. On va maintenant examiner dans le détail les diverses phases du fonctionnement de l'ensemble hydride selon l'inven- tion et les conditions imposées au calculateur 21 pour réali- ser ces diverses phases. Une étude théorique du montage en dérivation de puissance hydraulique avec un mécanisme à quatre arbres montre que ce montage présente une particularité importante Si l'on appelle //3 et p 4 les rapports particuliers de W 2/wl qui annulent les vitesses W 3 et W 4 des arbres 3 et 4, la relation qui régit le rapport des couples "entrant" sur le mécanisme C 1/C 2 en fonc- tion du rapport des couples appliqué par l'hydraulique C 4/C 3 peut être représentée par une hyperbole équilatère comme il apparaît sur la fig 5 Cette courbe coupe l'axe vertical en un point Pl d'ordonnée -e> 3 et l'axe horizontal en un point P 2 d'abscisse 1 -/14 x ëV 4, et elle comporte une asymptote hori- zontale d'ordonnée -, k 4 et une asymptote verticale d'abscisse 1 -,-14 3 1 Avec W 2/wl positif, ceci permet de déterminer sur le graphique de la fig 5 quatre zones de fonctionnement: la zone ZI est la zone utilisée en transmission pure en fonctionnement entre les deux points privilégiés d'adaptation (* 4 et 13); la zone Z 2 est une zone de régénération de puissance en transmission pure; la zone Z 3 est telle que la somme des "puissances entrantes" par les arbres 1 et 2 va vers les arbres 3 et 4, ou réciproquement; enfin, la zone Z 4 est telle que la différence des "puissances entrantes' ( 2 1) est injectée dans l'hydraulique ( 3 + 4) ou réciproquement. Le point P 2 est un point particulier o le couple Cl est nul quel que soit C 2, ce qui signifie que l'entrée moteur est alors déconnectée du reste du mécanisme et que ce moteur fonctionne 'flottant". On rappelle que l'objectif de l'invention est d'utiliser les machines hydrauliques 3 a et 4 a pour stocker et restituer l'énergie de freinage présente sur l'arbre de sortie (C 2 W 2). On va donc examiner successivement le stockage et la restitu- tion de cette énergie. t O Pour ce qui concerne le stockage Le véhicule étant animé d'une vitesse V correspondant à une vitesse d'arbre 2 W 2, on commande le couple C 2 sur cet arbre par un réglage du rapport des couples C 4/C 3 à une valeur telle que le couple Cl soit nul ou sensiblement nul comme on 1 S vient de le voir Ceci est obtenu par un réglage du rapport des cylindrées Cy 3 et Cy 4 particulier puisque à tout instant on a C 3 = k 3 Cy 3 p et C 4 = k 4 Cy 4 p k 3 et k 4 étant des rapports fixes de transmission entre les machines hydrauliques 3 a et 4 a et les arbres correspondants du mécanisme à quatre arbres, transmission constituée dans l'exemple par les chaînes 13 et 14 Le circuit hydraulique a alors son commutateur 19 dans une position A telle que les trois machines 3 a et 4 a jouent le même rôle, et son commuta- teur 20 dans une position A correspondant au freinage Ces deux positions A correspondent sur les schémas aux connexions parallèles Les trois machines hydrauliques 3 a et 4 a jouent alors le rôle de pompe et débitent dans l'accumulateur oléo- pneumatique 17 à haute pression (jusqu'à 400 bars par exemple). En plus du rapport des cylindrées Cy 4/Cy 3, la valeur absolue de la cylindrée Cy 4 est déterminée par le calculateur 21 en fonction de l'indication reçue par 23 du couple de ralentissement à produire et de l'indication reçue par 24 de la pression régnant à tout instant dans l'accumulateur 17. Ce couple de ralentissement obtenu par l'hydraulique se - trouve par ailleurs conjugué à l'action de freinage générale et vient se déduire du couple des freins classiques agissant sur l'essieu considéré, comme cela se fait d'une manière connue dans les freinage dits conjugués Ceci permet d'assurer à tout instant le freinage de sécurité quel que soit le niveau de remplissage de l'accumulateur et n'altère pas l'équilibre d'adhérence nécessaire à la tenue de route. Par ailleurs, lors de cette décélération à couple con- trôlé, le moteur thermique 5 se trouve régulé en vitesse pour maintenir à tout instant, donc pour chaque vitesse du véhi- cule, une vitesse au moteur thermique de manière que les éléments hydrauliques 3 a et 4 a ainsi que le mécanisme 10 ne prennent pas des vitesses anormales et que l'effet de ralentis- sement soit suffisant Ce réglage peut par exemple correspondre à la vitesse maximale du thermique. Pour assurer cette régulation on peut soit utiliser une pompe à injection de carburant du type toute vitesse dont l'indexage pour chaque vitesse du véhicule est fourni par le calculateur 21, soit plus avantageusement en réglant le rap- port Cy 4/Cy 3 non plus au point P 2 qui annule exactement CI mais un peu plus à droite dans la zone Z 4 par diminution de la cylindrée Cy 3 Le moteur participe alors par son couple de frein au ralentissement du véhicule sans consommer de carbu- rant. Ce fonctionnement est assuré jusqu'au dépontage du moteur. Au-delà, c'est-à-dire pour les basses vitesses du véhicule, l'emballement de l'arbre 1 qui n'est plus chargé par la turbine du convertisseur de couple, redéplace l'équilibre du rapport de cylindrées pour maintenir Cl nul Le freinage est ainsi possible jusqu'au voisinage de la vitesse nulle du véhicule. Si occasionnellement l'accumulateur haute pression 17 atteint la pression maximum de charge (par exemple 400 bars) l'ensemble des cylindrées, qui pour un couple donné a déjà décru du fait de l'augmentation de pression, est ramené à zéro par le calculateur 21 et le freinage mécanique prend le relais de la transmission puisqu'il n'est plus possible de récupérer davantage d'énergie En outre en toute circonstance, dès que la vitesse du véhicule devient inférieure à une vitesse mini- male de consigne, cette opération d'annulation de cylindrées se trouve commandée, le commutateur 20 revenant à sa position neutre dès que le freinage cesse. Pour la restitution d'énergie A chaque démarrage du véhicule, le calculateur 21 teste le niveau de pression de remplissage de l'accumulateur 17 Si la pression est inférieure à une valeur de consigne, le cal- culateur commande les commutateurs 19 et 20 pour la mise en transmission pure, c'est-à-dire avec le commutation 19 en position B et le commutateur 20 au repos dans la phase trac- tion. Si l'accumulateur 17 est jugé suffisamment plein lors du test, le calculateur détermine son utilisation en plaçant le commutateur 19 en position A avec cylindrées nulles Le démar- rage sur le convertisseur de couple 6 s'effectue comme en traction pure, c'est-à-dire par blocage sur la roue libre 15. Si le conducteur désire freiner dans cette phase, le calcula- teur 21 repositionne le commutateur 20 dans la position ci- dessus. A la fin de la phase de démarrage sur convertisseur, le calculateur détermine le pontage d'une manière classique par commande de l'embrayage de pontage pour un taux de glissement déterminé de la vitesse de l'arbre 1 par rapport à la vitesse de l'arbre moteur Dans le cas présent cette action déclenche en même temps l'action de restitution en plaçant le commuta- teur 20 en position B. Le couple désiré par le conducteur et transmis par 23 est traduit par le calculateur 21 en fonction de la pression régnant dans l'accumulateur et arrivant par 24 en une commande du rapport de cylindrées Deux cas sont alors à considérer: 1 ) Si la charge de l'accumulateur permet de satisfaire ce couple uniquement de manière hydraulique, le calculateur 21 agit pour neutraliser le moteur 5 et le rendre flottant comme exposé ci-dessus, le seul paramètre à réguler étant sa vitesse en fonction de celle du véhicule Cette action est effectuée comme exposé ci-dessus par l'actionnement de la pompe à injec- tion ou par un léger décalage du point de fonctionnement au-delà du point P 2 Le calculateur règle alors la valeur absolue des cylindrée Cy 4 et Cy 3 pour obtenir à chaque instant le couple désiré. ) Si au contraire la charge de l'accumulateur ne permet pas de réaliser le couple désiré, le rapport des cylindrées Cy 4/Cy 3 se trouve déplacé par diminution de Cy 3, ce qui en- traîne une participation du moteur qui, tout en restant régulé en vitesse comme dans le cas précédent, fournit un couple sur l'arbre 1, cette puissance s'additionnant à la puissance hydrau- lique. Lorsque le conducteur module son accélération au cours d'un palier de vitesse ou passe au freinage, le commutateur 20 se trouve actionné dans un sens qui agit en isolant l'accumu- lateur puis en inversant les circuits. Si la décharge parvient à amener l'accumulateur au seuil de pression minimum avant que le conducteur n'engage la phase de décélération, le calculateur à l'approche de cette situa- tion avertit le conducteur puis procède à: l'isolation de l'accumulateur par action sur le commu- tateur 20 pour le ramener au point neutre, cette manoeuvre n'étant toutefois pas indispensabledans le cas d'accumula- teurs pouvant aller jusqu'à une décharge sans volume mort; la remise en position neutre du commutateur 19; le réglage des cylindrées optimales en fonction de la vitesse du véhicule, ce qui s'effectue hors couple puisque le commutateur 19 est dans la position qui permet le rebouclage des débits; enfin la mise en position B du commutateur 19. La même procédure peut être effectuée sur une demande de puissance maximum provoquée par exemple par le conducteur. En définitive l'hybridation selon l'invention permet avec le minimum d'organes supplémentaires, essentiellement les commutateur 19 et 20 ainsi que le calculateur 21, outre natu- rellement l'accumulateur oléopneumatique 17, d'assurer la récupération optimale d'énergie, dans les limites naturelle- ment de la capacité de l'accumulateur, avec en outre un pas- sage automatique et pratiquement continu par toutes les phases nécessaires de traction sur convertisseur, puis sans conver- tisseur avec ou sans restitution, et de freinage avec ou sans récupération, et cela par simple action sur les commutateur ainsi que sur les commandes de cylindrées. REVENDICATIONS 1 Dispositif oléopneumatique de récupération d'énergie de freinage pour un véhicule comportant une transmission à dérivation de puissance de type connu, constitué par un méca- nisme différentiel à quatre arbres ( 1, 2, 3, 4) accouplés respectivement à la sortie d'un convertisseur de couple ( 6), aux roues et à deux machines hydrostatiques ou ensembles de machines ( 3 a et 4 a), avec des rapports déterminés pour privi- légier en rendement cette transmission continue, un de ces arbres ( 4) étant monté sur une roue libre ( 15) intervenant lors du démarrage sur convertisseur, ledit dispositif compor- tant en plus de ladite transmission un accumulateur oléopneu- matique ( 17) raccordé à ladite transmission en vue d'un fonc- tionnement hybride, dispositif caractérisé par le fait qu'il comporte deux commu- tateurs hydrauliques ( 19 et 20) ou dispositifs équivalents permettant le premier ( 19) d'assurer la mise en conjugaison ou en opposition des deux machines ou ensembles de machines hydrauliques ( 3 a, 4 a) et le second ( 20) de connecter les canalisation aller et retour reliant ces machines avec l'accu- mulateur oléopneumatique ( 17) et un réservoir à basse pression ( 18) d'une manière directe et d'une manière croisée. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux commutateurs sont constitués par des distributeurs électrohydrauliques ( 19, 20) avec point neutre commandés automatiquement par un calculateur électronique ( 21) en fonction d'un signal ( 23) de couple à obtenir et d'un signal ( 24) indiquant la pression dans l'accumulateur ( 17), ce calculateur commandant en outre les dispositifs électrohydrau- :)O liques de variation des cylindrées (Cy 3, Cy 4) des deux groupes de machines hydrauliques ( 3 a, 4 a) pour commander automatiquement et d'une manière continue les diverses phases de fonctionnement de la transmission, en particulier le passage de la traction pure, mécanique ou hydraulique à la traction hybride (par 19) et du freinage récupérateur à la traction (par 20). 3 Dispositif l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'accumulateur basse pression est constitué par un réservoir ( 18) sans pression couplé à une pompe de gavage ( 22). 4 Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que dans la phase de traction hybride les cylindrées (Cy 3, Cy 4) sont réglées de manière que le rapport (C 4/C 3) des couples des arbres correspondants soit très proche du point (P 2) correspondant à l'annulation du couple d'entrée (Cl), et qu'il est prévu en outre un moyen de régulation de la vitesse du moteur par rapport à la vitesse du véhicule. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le dispositif de régulation agit sur l'alimenta- tion du moteur, notamment sur la pompe à injection. 6 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le dispositif de régulation est constitué par le calculateur lui-même qui agit pour déplacer le point de fonc- tionnement légèrement au-delà du point (P 2) correspondant à l'annulation rigoureuse du couple d'entrée (Cl). 7 Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le convertisseur de couple ( 6) interposé entre le moteur ( 5) et l'arbre d'entrée ( 1) du mécanisme ( 10) comporte d'une manière connue un dispositif de pontage constitué par un embrayage commandé intervenant lors- que le glissement relatif entre les deux éléments du conver- tisseur est tombé à une valeur minimale, caractérisé par le fait que lors de chaque démarrage les diverses phases de restitution et de récupération d'énergie commandées par le calculateur électronique ( 21) n'interviennent qu'après la mise en service de cet embrayage de pontage.