Brevet FR2600018A1 — publié le 19871218

La présente invention concerne les véhicules automobiles et plus précisément les deux problèmes suivants: transmission hydrostatique de la puissance du moteur aux roues et récupération de l'énergie de freinage. Ces deux problèmes sont fortement interdépenoants: la récupération de l'énergie de freinage exige soit un accumulateur hydropneumatique soit un volant inertie muni d'un variateur ;dans les deux cas la présence de pompes à cylindrée variable est nécessaire et il est tentant d'utiliser ces pompes pour réaliser la transmission. Inversement il est évident que le médiocre rendement des transmissions hydrostatiques peut être amélioré sur les parcours à vitesse fortement variable en récupérant l'énergie de freinage. Un véhicule muni d'une transmission hydrostatique, gérée par ordinateur et associée à un système de récupération de l'énergie de freinage, possède théoriquement des qualités exceptionnelles : transmission entièrement automatique, possibilité de reprises époustouflantes et quasi gratuites, réduction importante de la consommation et de la pollution en parcours urbain, etc. Malheureusement toutes les tentatives de construction d'un tel véhicule semblent avoir échoué, sauf peut-être dans le cas particulier de l'autobus urbain ; en effet, les expériences qui ont été tentées consistent toutes en l'adjonction pure et simple prune telle transmission å un moteur classique, et par suite elles présentent twtes les mêmes défauts complexité de la construction, poids éievé, rendement médiocre sur les percours où la vitesse varie peu, prix de revient prohibitif. C'esi par une modification radicale de la structure du moteur à combustion interne que la présente invention permet la réalisation d'un groupe motopropulseur à transmission hydrostatique avec recupéretion de l'énergie de freinage, dont le poids, le rendement et le prix de revient sont du même ordre de grandeur que ceux d'un groupe classique de me me puissance. Le groupe motopropulseur selon l'invention comporte essentiellement les organes suivants: 1 ) Un moteur à combustion Interne, Diesel ou Beau de Roches, b pistons opposés, dépourvu de volants, utilisant de préférence le cycle à deux temps. 2i Deux volants d'inertie, de masse relativement importante et pouvant tourner à très crande vitesse, qui sont r2!iX aux roues motrices par l intermédiaire d'une transmisslcn ny.,rostat,que comccsee de réd.ucveurs s engrenasses et de pompes réversibles a. cylindrée variable: ils peuvent ainsi absorber l'énergie cinétique de translation du véhicule pendant les phases de ralentissement et la lui restituer pendant les accélérations ultérieures. Ces volants d'inertie peuvent etre solidarisés des vilebrequins du moteur par des embrayages et peuvent alors recevoir l'énergie fournie par le moteur; leur masse importante permet de réduire le nombre de cylindres du moteur (un seul cylindre, en principe, pour une automobile) et de ne pas utiliser de cycles de combustion Beau de Roches à charge pertielle. 3) Un ordinateur commandant l'ensemble du groupe et assurant en particulier l'automatisation de la transmission, la puissance P étant toujours fournie par le moteur à une vitesse de rotation optimum (P). 4) Quelques auxiliaires nécessafres au bon fonctionnement des organes précédents et notamment un limiteur de la vitesse de rotation des volants d'inertie et des commandes mises à la disposition du conducteur. L'extrème simplicité du moteur. son poids très réduit, son excellent rendement dû à sa vitesse de rotation optimale, à un taux de compression élevé à toutes charges, et à des pertes de chaleur par les parois très réduites (absence de culasses, petit nombre de cylindres) compensent les inconvénients inhérents à une transmission hydrostatique avec volants d'inertie. La figure unique du dessin annexé est une vue schématique, en coupe partielle, d'un groupe motopropulseur à essence pour automobile, conforme à la présente invention. L'ensemble du groupe possède, à quelques détails prés, un plan de symétrie mécanique AA, ce qui permet d'obtenir un équilibrage parfait des pièces en mouvement alternatif et une absence totale de vibrations. Le moteur à essence comporte un seul cylindre (2) et deux pistons opposés (1) c'est un moteur à deux temps à injection et à balayage en équicourant; les deux vilebrequins, dont les axes sont verticaux, sont accouplés par des engrenages ( 16) qui entraînent un compresseur de type Roots ( 17) construit en matériaux légers. Chacun des deux vilebrequins (3) possède un pignon (4), qui engrène avec les roues 16) et sur lequel est fixé per soudure un disque d'embrayage (6). Le bâti du moteur est constitué de plaques et de s ornières en scier assemblées par soudure ou par boulonnage. Le cylindre (2) est muni 'i;:ettes pour un rsfroidissement par air pulsé.Le moteur n'utilise rue ces cincles å vide ou à pleine charge et pour une puissance P donnée, sa vitesse de rotation est voisine d'une valeur optimale co ( P ) qui correspond, en première approximation, à un minimum de la fréquence des cycles à vide. Chacun des volants d'inertie se compose d'un moyeu ( comportant un disque (30), de deux couronnes d'embrayage (9) et (7), cetteoernière étant vissée sur le cône (8), et trun disque (13) vissé sur le moyeu ( 15). Les deux couronnes (9) et (7) et le disque (6) constituent l'embrayage qui permet de solidariser le volant d'inertie et le vilebrequin.Il est à commande hydraulique, la pression de l'huile agissant sur (8) et (9) par l'intermédiaire de 3 paires de pistons (12); il fonctionne à sec gréce au disque de protection (5) et aux canaux d'écoulement ( 18) et (19), la gouttière ( 10) communiquant avec le carter (21) il est convenablement calculé pour éviter tout glissement du disque sur les couronnes lorsque le couple moteur est maximum. En position débrayée, 3 ressorts de rappel (11) empêchent tout contact entre les garnitures du disque et les couronnes. Les 2 disques ( 13) passent dans les entre-fers d'électro-aimants (29) et constituent un ralentisseur électrique très efficace.Chacun des volants d'inertie est monté sur une butée et deux roulements à aiguilles ; l'un d'eux est logé dans le pignon (4) et ils sont éloignés l'un de l'autre pour réduire à une valeur acceptable les efforts dûs aux effets gyroscopiques. La pompe à cylindrée variable (23) est du type décrit dåns la demande de brevet n' 86 08305 déposée le 3 juin 1986 sous le titre "pompe réversible à cylindrée variable, réglable par déphasage des pistons". Cette pompe offre les avantages suivants: son poids est relativement peu élevé et elle présente un faible encombrement dans le sens radial ; le réglage de la cylindrée et du sens du débit s'effectue en introduisant de faibles quantités d'huile sous pression dans les orifices (31) ou (32) ;l'arbredecommandetraverse la pompe de part en part et peut ainsi être relié facilement à chacun des deux volants d'inertie par l'intermédiaire d'engrenages coniques (20) et (22) (rapport de réduction de l'ordre de 1/3) ; enfin, elle présente un bon rendement sur une plage étendus de vitesses. Les deux arbres (25) et (28) d'un même essieu moteur sont entrainés par deux moteurs-pompes (24) et (27) du type precédent par l'intermédiaire de réducteurs à engrenages situés dans un même boîtier central. Des canalisations (26) relient la pompe (23) aux pompes (24) et (27).La démultiplication p de la transmission, égaleau rapport de la vitesse angulaire des volants à celle des roues motrices, est directement liée au rapport des cylindrées des pompes (23) et (24) + (27): pour une valeur de p fixée, Ces cylindrées sont toujours cholsies de façon que la pression dans les canalisations (26) ait la plus petite valeur possible ainsi, par exemple, pour réduire la démultiplication on augmentera d'abord la cylindrée de (23), la cylindrée de (24) et (27) étant maximum, et ce n'est que quand la cylindrée de (23) aura atteint son maximum que l'on réduira la cylindrée de (24) et (27). Les arbres ( 14) entraînent les auxiliaires qui comprennent notamment une pompe de graissage, un alternateur, et une pompe à haute pression alimentant un accumulateur hydropneumatique (pression: 175 bar) indispensable au fonctionnement des embrayages et au réglage des pompes à cylindrée variable. Le conducteur dispose des commandes suivantes: 1) un inverseur du sens de marche 2) un sélecteur du mode de conduite (puissance du moteur - vitesse maximum du véhicule); 3) une pédale d'accélération dont la position détermine la puissance fournie par le moteur; 4) une "manette de vitesse" dont la position détermine la vitesse maximum du véhicule 5) une "pédale de frein dynamique" qui commande la transfert de l'énergie cinétique de translation du véhicule dans les volants binertie 6) les commandes des freins habituels (qui jouent ici le rôle de freins de secours). Un ordinateur reçoit en permanence de divers capteurs les valeurs des paramètres suivants: vitesse angulaire et cylindrée des pompes (23), (24), (27); pression dans les canalisations (26); pression atmosphérique température de l'air ambiant ; température du cylindre moteur ; positions des commandes mises à la disposition du conducteur; L'ordinateur, convenablement programmé, commande l'injection du combustible, l'embrayage des volants d'inertie, l'excitation des électro-aimants (29) et peut modifier à tout instant les cylindrées des pompes (23), (24), (27). A I'arrêt, la cylindrée des pompes (24) et (27) est maximum tandis que celle de la pompe (23) est nulle: on obtient ainsi un blocage très efficace des roues motrices, même si les volants d'inertie sont animés d'une très grande vitesse (d'où des démarrages en côte très aisés). Démarrage du moteur - Si la vitesse des volants d'inertie est suffisante, l'ordinateur commande l'embrayage du moteur,-puis l'injection d'essence et l'allumage, ce qui provoque le démarrage du moteur. Sinon, les volants d'inertie étant débrayés et ia cylindrée oe ia pompe (23) étant nulle, un démarreur électrique de faible puissance muni d'un galet entraîne par friction les disques ( 13) et communique aux volants d'inertie énergie nécessaire au démarrage du moteur qui s'effectue comme précédemment. Transmisssion automatique - Ayant sélectionné la marche avant et le mode "puissance", le conducteur choisit la puissance désirée P en enfonçant plus ou moins la pédale d'accélération ; un capteur transmet la valeur de P à l'ordinateur qui calcule la fréquence des cycles à pleine charge correspondant à cette puissance: après quelques combustions les volants atteignent la valeur CO(P) et le moteur fournit la puissance P l'ordinateur augmente alors rapidement la cylindrée de la pompe (23) (ce qui provoque le démarrage du véhicule) de façon que le moteur ne dépasse pas trop la vitesse optimum #(p). Ensuite l'ordinateur analyse en permanence la vitesse de rotation du moteur : s'il estime qu' elle diffère trop de la valeur théorique so(P), il calcule immédiatement la modification à apporter å la démultiplication de la transmission pour que la vitesse du moteur reprenne la valeur # (P) sans effet de pompage, réalisant ainsi une transmission entièrement automatique. Frein dynamique - La pédale de frein dynamique peut pivoter d'un angle important oc autour de son axe ; dés que le conducteur l'enfonce très légèrement, l'injection du carburant est coupée et les volants sont débrayés: le moteur qui n'a pas d'inertie s'arrête. Lorsque le conducteur enfonce la pédale de l'angle #' l'ordinateur modifie immédiatement la valeur des cylindrées des pompes de façon que la démultiplication de la transmission, qui avait initialement la valeur p, prenne une valeur voisine de eOc/( Oc- #) il en résulte une accélération des volants d'inertie et un freinage du véhicule dont une partie plus ou moins importante de l'énergie cinétique de translation est transférée dans les volants inertie. Lorsque le conducteur relâche la pédale de frein dynamique, la démultiplication conserve la valeur nouvelle valeur #&alpha;/( Oc- O ). Quand les volants atteignent une certaine vitesse limite, l'ordinateur commande l'excitation des électroaimants (29) de façon à éviter tout dépassement de cette vitesse limite: les volants fonctionnent alors en ralentisseur électrique. Reprises - Si le conducteur enfonce la pédale d'accélération jusqu'à une position qui correspond à une puissance P alors que, le moteur étant arrêté, la vitesse des volants est supérieure à (P), l'ordinateur provoque une diminution de la démultiplication p de la transmission, d'autant plus rapidement que P est plus élevée: il y a accélération du véhicule tandis que la vitesse des volants d'inertie diminue lorsque cette vitesse atteint la valeur (),l'ordinateur commande l'embrayage et la mise en marche du moteur, qui fournit alors la puissance P. Grâce à la faible inertie du moteur, aux dimensions importantes des garnitures, à la progressivité de la commande hydraulique, l'usure des embrayages reste très modérée. Ralenti - A l'arrêt, tant que le contact n'est pas coupé, le moteur est au repos complet, la cylindrée de la pompe C23) est nulle, et la vitesse des volants d'inertie est toujours supérieure à une certaine vitesse minimum Wm nécessaire au démarrage du moteur et à l'entraînement des auxiliaires ; lorsque la vitesse des volants se rapproche de cette valeur minimum, l'ordinateur commande l'embrayage du moteur et une w deux combustions suivies immédiatement du débrayage du-moteur. Mode de conduits 'vitesse maximum" - Dans ce mode de conduite le conducteur choisit, a' l'aide de le manette de vitesse, ia vitesse maximum Y qu'il souhaite pour son véhicule, étant entendu que la vitesse du véhicule doit toujours différer le moins possible de Y mais ne jamais dépasser V. L'ordinateur calcule en permanen, en fonction des différents paramètres qui lui sont transmis, la puissance correspondant à cette vitesse V et opère ensuite comme dans le mode puissance. Si la vitesse du véhicule tend à dépasser la vitesse V, l'ordinateur agit sur le frein dynamique.Dans ce mode de conduite, qui devrait être fort agréable, la pédale d'accélération n'est d'aucune utilité, mais le conducteur peut, à tout moment, réduire la vitesse du véhicule en enfonçant la pédale du ffein dynamique, l'ordinateur ne reprenant la direction de la conduite du véhicule que lorsque le conducteur a relâché complétement la pédale de frein dynamique Sécurités - Un dispositif basé sur la force centrifuge rend l'embrayage du moteur impossible quand les volants d'inertie tournent à grande vitesse. Chaque roue motrice est munie d'un capteur qui prévient l'ordinateur lorsqu'elle commence à glisser sur le sol ; ltordinateur, qui est convenablement programmé, réduit immédiatement la cylindrée de la pompe de commande de cette roue ainsi que la puissance du moteur ou des volants d'inertie; ainsi les roues motrices ne peuvent jamais patiner, sauf si l'on actionne inconsidérément les freins de secours Exemple - Un groupe motopropulseur å essence de 1000 cm3 conforme b la présente description peut entraîner une voiture de 1600 kg de façon fort satisfaisante. Le moteur à deux temps peut développer 75 r,v a 4500 t/mn, la pompe (23) tournant alors à la vitesse de ! 500 t/mn sous la pression modérée de 130 bar. Les pompes (23), (24) > (27) sont conçues pour fonctionner correctement jusqu'à 4500 t/mn et les volants d'inertie peuvent atteinare la vitesse de l 3500 t/mn: leur énergie cinétique est alors égale à l'énergie cinétique de translation de la voiture roulant à 1 10 km/h. Pendant quelques secondes, les pompes (23), (24), (27) peuvent supporter une pression voisine de 300 bar permettant ainsi aux volants d'inertie de développer pendant les reprises une puissance supérieure à 150 cv avec un rendement très convenable: après un freinage dynamique à partir de 110 km/h, la voiture peut remonter de O à 90 km/h sans consommation d'essence et en moins de 6 secondes, ce qui n'est pas trop mal pour une 6 cv de 1600 kg ! groupe Diesel - Construction et fonctionnement analogues sauf en ce qui concerne le moteur qui comporte 2 ou 3 cylindres et qui peut sans inconvénients utiliser des cycles à charge partielle et conserver une vitesse minimum au ralenti, ce qui permet à l'ordinateur d'amener le moteur à la même vitesse que les volants d'inertie au moment de leur embrayage. Le groupe motopropulseur selon l'invention est utilisable, en principe, sur tout véhicule automobile mais il trouve sa principale application sur les voitures et sur les autobus urbains. REVENDICATIONS 1 Oroupe motopropulseur pour véhicule automobile, à transmission hydrostatique avec volants d'inertie pour la récupération de l'énergie de freinage, caractérisé en ce qu'il comporte les organes suivants: 1. Un moteur à combustion interne à pistons opposés dépourvu de volants; 2. Deux volants d'inertie, de messe relativement importante, pouvant tourner à très gronde vitesse, reliés an permanence aux roues motrices du véhicule par l'intermédiaire d'une transmission hydrostatique composée de recteurs à engrenages et de pompes réversibles à cylindrée variable, et pouvant être soliderisés des vilebrequins du moteur par des embreyoges de façon à recevoir l'énergie fournie par le moteur 3.Un ordinateur commandant l'ensemble du grwpe et assurant en particulier l'automatisation de la transmission, le moteur tournant constamment à se vitesse de rendement maximum; 4. Quelques auxiliaires nécessaires au bon fonctionnement des organes précédents et notamment un limiteur de la vitesse de rotation des volants d'inertie et des commandes mises à la disposition du conducteur. 2. Groupe motopropulseur selon la revendicetion 1 caractérisé en ce que la transmission hydrostatique est réalisée avec des "pompes réversibles à cylindrée variable, réglable par déphasage des pistons". 3. Groupe motopropulseur selon la revendication 1 caractérisé en 4. Groupe motopropulseur selon la revendication 1 caractérisé par la présence d'une pédale, dite"pédale de frein dynamique", qui commande, par l'intermédiaire de l'ordinateur, la transformation de l'énergie cinétique de translation du véhicule en énergie cinétique de rotation dents les volants d'inertie. 5. Oroupe motopropulseur selon la revendication 1 caractérisé par la présence d'une manette, dite "manette de vitesse'", qui permet de choisir une vitesse maximum V pour le véhicule, l'ordinateur communiquent au véhicule une vitesse réelle qui diffère le moins possible de V mais qui ne dépense jamais V. 6. Groupe motopropulseur xlon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque roue motrice est commandée par une pompe indépendente à cylindrée variable. 7. Groupe motopropulseur selon la revendication 6 caracterisé par la présence bun capteur sur chaque roue roue motrice qui permet à l'ordinateur de réduire la cylindrée de la pompe correspondante pour éviter tout risque de patinage.