Brevet FR2818202A1 — publié le 20020621

La présente invention concerne un dispositif destiné à récupérer l'énergie perdue lors des phases de ralentissement d'allure ou de freinage des véhicules terrestres. Actuellement, les dispositifs proposés sont soit - des solutions dites hybrides qui incluent un moteur thermique, un générateur d'électricité couplé au dit moteur, une batterie d'accumulateurs de grande capacité et un ou plusieurs moteurs électriques, - soit des solutions entièrement électriques, l'énergie de propulsion étant stockée soit dans une batterie d'accumulateurs de très grande capacité, très lourdes, et n'assurant qu'une faible autonomie, soit générée par une pile à combustible utilisant l'hydrogène comme combustible, produit dangereux car très difficile à confiner sans fuites et qui risque de provoquer des explosions très violentes, - soit des véhicules mus par l'énergie accumulée dans un volant de grand moment d'inertie tournant à grande vitesse, solution inadaptée par les conséquences dangereuses que les forces de Coriolis font subir à la stabilité du véhicule et à l'endurance des paliers supportant le volant. Toutes ces solutions sont lourdes, coûteuses et encombrantes donc inadaptables à une production de masse. L'invention présente une solution alternative à ces procédés. Elle s'intègre parfaitement dans le concept de robotisation du groupe moto propulseur dont elle utilise certaines des fonctions. Observation préliminaire Le rendement des moteurs thermiques est en constante amélioration : En vitesse stabilisée la consommation énergétique des véhicules diminue à chaque apparition de nouveau modèle. Inversement, la circulation urbaine nécessite des cycles répétés d'accélération et de décélération, la décélération étant produite par la dissipation de l'énergie dans les organes de freinage, et est donc perdue. Le dispositif selon l'invention assure le stockage de cette énergie dans un récupérateur inertiel, qui est ensuite fournie en complément de l'énergie du moteur thermique lors d'un nouveau cycle d'accélération et d'augmentation de la vitesse du véhicule. Ce procédé réduit considérablement la consommation et la pollution en z : one urbaine. Pour un véhicule d'une masse totale de 1 800 Kg, la perte d'énergie due aux ralentissements est, pour un cycle urbain normalisé type ECE, (cycle qui est très loin de la réalité) de 4 300 kilo joules par heure et pour un cycle plus proche de la réalité du type grande agglomération urbaine, beaucoup plus représentative de la réalité, de 9. 711 kilo joule par heure. Ceci se traduit par un surcoût de consommation de 4 à 5 litres de carburant aux 100 Km pour le cycle ECE et de 9 à 12 litres de carburant aux 100 Km pour le cycle type grande agglomération urbaine. Le dispositif selon l'invention récupère jusqu'à 80% de cette énergie, ce qui le rend proche sinon meilleur que les procédés concurrents, très coûteux, lourds et encombrants. Explication du fonctionnement du dispositif selon l'invention (figure l) : Énumération des constituants du dispositif complet : Soit un moteur thermique (1) dont le contrôle est commandé par le processeur (2) lui même tenant compte des mouvements de la pédale de l'accélérateur (3). L'arbre de sortie du moteur (1) est relié au volant d'inertie (4) et à l'embrayage piloté (5), par l'actionneur (6), qui peut être aussi le coupleur d'une boite automatique. L'arbre de sortie de l'embrayage (7) qui est l'arbre primaire de la boîte de vitesses (8) boite de vitesse mécanique robotisée c'est à dire dont la commande de changement de vitesses est commandée par un ensemble d'actionneurs (9) spécialisés commandés par le processeur (2), ou boite de vitesses automatique à coupleur hydraulique commandée de même par le processeur (2). Le dispositif selon l'invention permet de choisir le mode séquentiel, c'est à commandé par le conducteur du véhicule ou le mode automatique pour la montée des vitesses, la gestion étant entièrement automatique lors des phases de ralentissement. Les mouvements des pédales d'accélération (3) ou de freinage (10) sont codés et lus par le processeur (2) qui peut donc analyser la dynamique de l'action désirée par le conducteur. Un ou plusieurs capteurs (12) mesure en permanence le couple exercé sur les disques de freinage, afin d'asservir la pression sur les mâchoires (13) à la décélération voulue et mesurée par l'accéléromètre (46) fixé à la structure de la voiture. La commande des mâchoires s'effectue par le boîtier (11) qui reçoit ses informations du processeur et aussi directement, via la pédale de frein, pour assurer la sécurité par le circuit de freinage conventionnel, modifié pour assurer le fonctionnement tel qu'il sera décrit ultérieurement. Les repères (14), (15) et (16) représentent une transmission vers une roue, le disque du frein et la roue. Le dispositif selon l'invention se compose d'une part d'un volant d'inertie (17) tournant fou sur un arbre (18), cet arbre étant entraîné à une vitesse supérieure à l'arbre (7) par l'intermédiaire de l'engrenage (19) composé d'une roue dentée (20) et d'un pignon (21). La roue (20) tourne folle sur l'arbre (7), mais peut être à tout moment accouplée à cet arbre par l'intermédiaire du coupleur commandé (22), composé d'un dispositif connu tel un sychronisateur et un crabot commandé par un actionneur (23). L'engrenage (19), la roue (20) et le pignon (21) peuvent être remplacés par 2 poulies et une courroie, si les volumes disponibles le nécessitent. Le pignon (21) est solidement fixée à l'arbre (18) qui est supporté par 2 paliers à faible frottement, par exemple des roulements à rouleaux coniques (24) et (25). Le coupleur électromagnétique passif (26) peut coulisser sur cet arbre (18) et est poussé sur la butée (27) par le ressort à flexibilité variable (28) qui peut être remplacé par plusieurs ressorts de flexibilités différentes et de longueur libres différentes. L'actionneur (31) à commande proportionnelle permet au coupleur électromagnétique de coulisser sur l'arbre (18) en faisant déplacer la butée (27). Cette action provoque la transmission d'un couple d'entraînement du mobile à la vitesse de rotation plus grande vers le mobile à vitesse de rotation plus petite. Le couple obtenu dépend de la distance séparant le volant du coupleur, comme il sera expliqué ultérieurement et est d'autant plus important que la distance les séparant est petite. Le volant (17) est supporté par 2 paliers à faible frottement d'un modèle identique aux précédents (29) et (30), fixés à l'arbre (18) par des moyens connus. Le volant (17) et l'arbre (18) sont axialement liés et ne peuvent se mouvoir axialement l'un par rapport à l'autre. Dans cette description les dispositifs de contrôle d'adhérence, d'assistance à la stabilisation de trajectoire, d'antipatinage, etc. ne sont pas décrits car ils font partie des moyens et dispositifs connus, mais leur action s'intègre dans la commande décrite ci-dessous. L'ensemble fonctionnel comportant le volant d'inertie (17), le coupleur électromagnétique passif (26) et l'engrenage (19) et son coupleur (22) sera décrit ultérieurement. Explication du fonctionnement du dispositif : Deux modes de fonctionnement distincts correspondant à des situations différentes sont décrites ci-dessous. Le premier correspond à un enchaînement d'événements prédictibles, et correspond à un déroulement normal d'un trajet ; le second correspond à une situation d'urgence où la rapidité et l'efficacité de la décision prédominent. Premier mode de fonctionnement, correspondant à un trajet normal, suite d'accélérations, de ralentissements et de freinages ne nécessitant que des accélérations et des décélérations de petite amplitude. Phase de ralentissement : Dans cette phase de fonctionnement, dès qu'une intention de ralentissement voulue par le conducteur est détectée, soit par le mouvement de la pédale d'accélérateur, soit par le mouvement de la pédale de freinage, et si cette intention, convertie en unités d'accélération linéaire négative ne correspond pas à une décision d'urgence, le dispositif procède à l'enchaînement des séquences suivantes : 1-désaccouplement moteur (débrayage) 2-réduction de l'injection de carburant moteur 3-couplage de l'arbre primaire (7) et de la roue (20) par le coupleur robotisé (22) : l'arbre (18) tourne alors à une vitesse angulaire très supérieure à la vitesse angulaire de l'arbre primaire (7) 4-comparaison des vitesses angulaires de l'arbre (18) et du volant (17). 5 Si la vitesse de rotation du volant (17) est inférieure à la vitesse de rotation de l'arbre (18), passage immédiat à un rapport de vitesses de boite inférieur et revérification des vitesses angulaires 4-si la vitesse angulaire du volant (17) est inférieure à la vitesse angulaire de l'arbre (18), déplacement du coupleur électromagnétique (26) vers le volant (17) par l'intermédiaire de l'actionneur (31), jusqu'à ce que le couple d'entraînement du volant, augmenté de tous les couples de frottements provoque une décélération égale à la décélération voulue. 5-la vitesse angulaire du volant (17) s'accroissant, dès qu'elle avoisine la vitesse angulaire du coupleur électromagnétique (26), qui diminue en fonction du ralentissement de la vitesse linéaire du véhicule, le passage immédiat à un rapport inférieur de boîte est opéré, après découplage du coupleur électromagnétique par l'actionneur (31) et ceci jusqu'au passage du premier rapport de la boîte de vitesses. L'énergie de décélération du véhicule est alors en quasi totalité transférée au volant d'inertie (17). 6) à cet instant, l'actionneur (31) provoque le retour du coupleur électromagnétique (26) qui est désaccouplé et le volant d'inertie (17) tourne fou sur l'arbre (18), son énergie cinétique n'étant diminuée que par les frottements de roulements et les pertes aérodynamiques. Remarques : 1) A chaque décision de changement de rapport, le processeur de contrôle (2) active les mâchoires de frein (13) pour maintenir la décélération à la valeur désirée sans aucun à-coup, afin de garantir le confort de conduite. 2) l'ensemble de ces séquences est entièrement commandée par le processeur de contrôle (2). 3) lorsque la vitesse angulaire du volant (17) mesurée en permanence par le capteur (45) ou de l'arbre (18) dépasse une vitesse limite de sécurité, le coupleur électromagnétique et si nécessaire le coupleur (22) sont désaccouplés. 4) d'autres séquences de fonctionnement optimisées pour des cas particuliers sont envisageables. La description ci dessus n'est donc pas exhaustive. Phase d'accélération : Dès qu'une intention d'accélération est détectée par le mouvement de la pédale d'accélérateur et qu'elle est traduite en unités d'accélération linéaire, les séquences ci-après s'enchaînent : 1) vérification de la vitesse angulaire du volant et calcul de l'énergie récupérable. 2) si l'énergie récupérable est négligeable, passage en conduite normale : augmentation de la vitesse du moteur thermique (1), enclenchement de l'embrayage (5), passage des rapports de la boîte de vitesses (8) 3) si cette énergie est utilisable, le moteur thermique reste désaccouplé 4) le coupleur (22) est activé 5) le premier rapport de boite est enclenché 6) le coupleur électromagnétique (26) est approché du volant (17) jusqu'à ce que l'accélération du véhicule atteigne l'accélération désirée. 7) lorsque la vitesse du volant (17) avoisine la vitesse de l'arbre (18), une séquence de changement de rapport est opérée, afin de relancer la vitesse de l'arbre (18) 8) lorsque il n'est plus possible de soutirer une quelconque énergie du volant (17), le moteur thermique (1) est réactivé et l'embrayage d'accouplement moteur-boîte (5) enclenché. Le véhicule utilise alors son moyen de propulsion conventionnel. Second mode de fonctionnement.-correspondant à un freînage d'urgence Dans cette phase, qui peut survenir à un moment quelconque, les séquences sont simplifiées : Dès que l'intention de freinage d'urgence est détectée (soit par le temps séparant une position d'accélération d'une position de freinage, soit parce que la vitesse du mouvement de la pédale de freinage a dépassé un seuil critique, 1) le processeur de contrôle (2) établit immédiatement le circuit direct de freinage liant la pédale aux mâchoires (13) des disques (15) (ou tambours) de freins, en y incluant les dispositifs d'antidérapage, de correction de trajectoire et d'assistance présents sur le véhicule via le circuit logique de sécurité (11). 2) selon l'amplitude de la décélération désirée, le processeur de contrôle (2) peut reprendre à chaque instant le cycle normal décrit précédemment. Description du sous ensemble volant-coupleur électromagnétique d' entraînement Les figures 2,3, 4, 5 et 6 détaillent les éléments constitutifs du sous ensemble. La fi.La figure 2 représente la chaîne cinématique, à l'exclusion de l'actionneur de commande (23) non représenté, qui comprend l'arbre primaire (7), la roue (20) montée folle sur cet arbre et le synchroniseur robotisé (22) qui provoque son entraînement, le pignon (19), partie intégrante de l'arbre (18), qui tourillonne sur les 2 roulements (24) et (25) et qui entraîne en rotation le coupleur électromagnétique (26). Sur cet axe tourillonne le volant (17) par l'intermédiaire des roulements (29) et (30). Le volant comprend une carcasse en alliage de préférence amagnétique (41), qui supporte les roulements, et un aimant en ferrite (39) aimanté axialement et présentant plusieurs pôles de signes différents sur chaque face, comme le montre la figure (6) où est représenté un aimant torique de ferrite présentant 4 pôles. Cette structure n'a pas à être décrite plus amplement car elle est universellement connue. La carcasse enveloppe aussi un tore (40) en acier doux formant culasse magnétique pour l'aimant (39), ainsi que n pièces polaires, n étant le nombre de pôles de l'aimant ferrite (les figures 5a et 7 représentent ces pièces polaires pour un aimant à 4 pôles, la figure 5a est une vue de face, la figure 7 en perspective représente mieux la structure du volant). Ainsi le champ magnétique de l'aimant se referme soit de pièce polaire à pièce polaire lorsque aucune pièce en alliage magnétique n'est située en face d'elles soit se partage entre celleci et les pièces polaires comme l'exprime la figure (8) qui représente schématiquement la répartition des lignes de champ magnétique entre les divers entrefers. Ceci est le cas lorsque le coupleur électromagnétique est très proche du volant comme le représente la figure (4). Les pièces polaires (38), l'aimant (39) et la culasse (40) sont fixés à la carcasse (41) par des moyens connus tels que le vissage ou le collage. Les formes, dimensions, et positions géométriques représentées ne sont pas limitatives, d'autres formes avec entrefers coniques ou autres sont envisageables et sont toutes inclues dans la description de principe du dispositif qui décrit un entrefer perpendiculaire à l'axe de révolution. Le coupleur (26) comprend une structure cylindrique en alliage magnétique doux à forte résistivité électrique (37) appelée par la suite rotor. Elle peut être économiquement réalisée en alliage magnétique fritté. La figure 5b représente une vue de face du rotor (37) et des boucles conductrices qui y sont incluses (42). Elles sont en nombre identique au nombre de pôles, les branches radiales (47) pouvant être inclinées comme représentées figure 5c afin de supprimer des vibrations possibles, et la figure 9 montre une perspective de ce rotor et de ces boucles. (42). Ces boucles conductrices sont réalisées en aluminium, qui peut être surmoulé directement sur le rotor à la manière des rotors de moteurs asynchrones à cage d'écureuil. Comme il sera expliqué par la suite le fonctionnement du coupleur électromagnétique passif s'apparente au fonctionnement des machines asynchrones (moteurs et génératrices). Ce rotor coulisse librement sur l'arbre (18) et est entraîné en rotation par soit des clavettes (43) (44) soit par des cannelures ou tout autre dispositif connu. Le ressort à flexibilité variable (28) qui s'appuie d'une part sur une collerette de l'arbre (18) et d'autre part sur le rotor (37) repousse constamment ce dernier de manière à maintenir la plus grande distance possible entre lui et les pièces polaires du volant. Ceci évite tout couplage entre eux, le flux de l'aimant inducteur (40) se refermant alors par les pièces polaires (38). Dans cette description, le coupleur électromagnétique (26) est déplacé en translation sur l'arbre (18) par un dispositif sans frottement constitué de 2 aimants toroïdaux en ferrite à aimantation axiale (32) et (33), est dont les polarités s'opposent. Lorsque l'actionneur (31), représenté figure 1 agit sur les poussoirs (34) et (35), liés à la culasse (36) de l'aimant (32), l'aimant (32) repousse l'aimant (33), solidaire du rotor (37) du coupleur (26). Ainsi le coupleur est poussé à distance par l'aimant (33), attiré par les pièces polaires présentes sur le volant (38) dont la force est opposée à la force délivrée par le ressort à flexibilité variable (28), qui est telle que la force délivrée par ce ressort (28) soit, quelle que soit la distance séparant le rotor (37) et les pièces polaires (38) du volant toujours plus élevée que la force d'attraction magnétique agissant sur le coupleur et le volant. L'adoption de ce mécanisme de déplacement utilisant la répulsion magnétique présente l'avantage de ne pas dissiper d'énergie et d'être inusable. Cependant, pour des applications moins exigeantes, il peut être remplacé par une butée tournante d'un type connu comme celles couramment utilisées dans les commande d'embrayages qui assurent la liaison entre moteur thermique et boite de vitesse mécanique. Fonctionnement du sous ensemble volant-coupleur électromagnétique d'entraînement : Les figures 2,3 et 4 représentent 3 positions relatives différentes du coupleur électromagnétique (26) et du volant (17). La figure 2 représente une position de couplage intermédiaire, la figure 3 une position de couplage maximum et la figure 4 la position de repos du coupleur. Principe utilisé : L'entraînement du volant (17) par le coupleur électromagnétique passif (26) s'effectue sans contact au travers de l'entrefer dont l'épaisseur est fonction des déplacements du coupleur électromagnétique (26) provoqués par l'actionneur (31) visible figure 1 mais non représenté figure 2 et suivantes. Il existe un mouvement de rotation relatif entre le champ magnétique généré par les pièces polaires (38) de l'aimant (39) du volant (17) et le rotor (37) du coupleur. (26). Ce mouvement relatif créé un champ tournant à la vitesse angulaire relative, différence des vitesses angulaires des 2 mobiles. Ceci créé des forces électromotrices dans les boucles (42) du rotor (37), lorsque celui-ci est suffisamment près du volant (17) et donc balayé par le champ magnétique tournant. Ces forces électromotrices engendrent des courants induits dont l'intensité et la phase dépendent de la résistance électrique des boucles (42) et de leur inductance propre. Cette inductance propre dépend de la distance séparant le rotor (37) du volant (17). Ce courant induit créé à son tour avec le champ magnétique inducteur provenant des pièces polaires (38) du volant (17) un couple mécanique proportionnel à la composante"wattée"de ce courant qui est alors moteur-du coupleur vers le volant-lorsque la vitesse angulaire du coupleur est supérieure à la vitesse du volant et moteur-du volant vers le coupleur-lorsque les vitesses relatives sont inversées. Le dimensionnement de l'ensemble électromagnétique coupleur - volant fait appel à toutes les notions de dimensionnement des machines tournantes à vitesse variable. L'avantage du procédé réside en ce qu'aucune source électrique externe n'est nécessaire et que l'adoption d'un rotor du type cage d'écureuil permet des températures de fonctionnement beaucoup plus élevées que celles que permettent les bobinages classiques limitées par la robustesse thermique des isolants organiques. Le couple dépend de la valeur de l'entrefer et de la différence des vitesses angulaires du coupleur (26) et du volant (17). La régulation de ce couple s'effectue donc aisément par la modulation de cette distance. Exemple de données numériques concernant le dispositif : 1-exemple de dimensionnement Soit un volant dont la vitesse maximale de rotation est de 12 000 t/mn Soit une voiture de 1 800 Kg ralentissant de 50 Km/h à 0 Km/h L'énergie disponible pour être accumulée en énergie cinétique dans le volant est : W=1800/2. (50 000/3600) 2 soit 174 000 joules. le moment d'inertie du volant doit donc être de 174 000. 2/ ( 12000/60. 6,28) 2 soit 0,22 Kg m'2 ce qui se traduit par exemple par un disque de diamètre extérieur 300 mm, de 60 mm de diamètre intérieur et de 46 mm d'épaisseur et de densité égale à 6Kg/litre, la matière de l'aimant utilisé (ferrite) ayant une densité approximative de 4 à 5 Kg/litre. 2-Efforts gyroscopiques En supposant une rotation du véhicule autour d'un axe vertical de 1 tour par seconde, par exemple pendant un"tête à queue" involontaire, le couple de Coriolis est donné par C=0, 22. 12000/60. 6, 28.6, 28=1793 Nm. ce qui se répercute sur 2 paliers séparés l'un de l'autre de 150 mm par une force de 11600 N. Comparée aux 42 900 N de charge dynamique et aux 54 000 N de charge statique d'un roulement à rouleaux coniques de 35 mm d'alésage cette charge est parfaitement admissible. Application de l'invention : L'invention s'applique à tous les groupes moto propulseurs de véhicules ayant de fréquents trajets urbains à effectuer, en particulier aux voitures particulières, taxis et véhicules de livraison et plus généralement à tout véhicule dès lors que la diminution de la consommation énergétique devient une obligation réglementaire Revendications 1 dispositif d'économie d'énergie comportant un volant d'accumulation d'énergie (17) entraîné par un coupleur électromagnétique passif (26) dont la commande est directement asservie à l'accélération ou à la décélération du véhicule désirée par le conducteur du véhicule, le couple étant transmis au travers d'un entrefer perpendiculaire à l'axe de révolution variable, et étant prélevé sur l'arbre primaire (17) de la boite de vitesse (8) par l'intermédiaire d'un synchroniseur robotisé (22) et d'une démultiplication de vitesse de rotation (19) cet arbre (17) étant successivement lié aux différents rapports de la boite de vitesse (8). 2 dispositif selon revendication 1 caractérisé par l'adoption d'un aimant inducteur multipolaire (39) incorporé au volant d'inertie (17) générant un champ inducteur axial dans l'entrefer. 3 dispositif selon revendication 1 caractérisé par le fait que le coupleur électromagnétique (26) est constitué d'un rotor (37) coulissant sur un arbre tournant à grande vitesse (18), dont la position sur cet arbre (18) est imposée par un actionneur et une butée sans frottement (31) (32) (33) (34) (35) (36) et constitué d'un ensemble de boucles conductrices (42) fixées ou insérées dans un bloc d'alliage ferromagnétique doux à grande résistivité électrique (37). sans interposition d'isolant organique. 4 dispositif selon revendication 3 caractérisé par le fait que le déplacement du coupleur électromagnétique passif (26) est provoqué par 2 aimants toriques aimantés selon leur axe (32) et (33) dont les faces en vis à vis se repoussent dont un (33) n'est pas entraîné en rotation. 5 dispositif selon revendication 3 caractérisé par le fait que l'entraînement de l'arbre tournant à grande vitesse (18) s'effectue par un engrenage (19) dont la roue (20) est centrée sur un des arbres de la boite de vitesses (7) ou par une courroie et 2 poulies. 6 dispositif selon revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'un synchroniseur robotisé (22) et (23) dédié au couplage et au découplage de l'arbre de boite de vitesse et de la roue (20) selon les ordres du processeur de contrôle (2). 7 dispositif selon revendication 1 caractérisé par le fait qu'il s'applique aux groupes moto propulseurs utilisant soit une boite de vitesse mécanique robotisée soit une boite automatique à coupleur hydraulique. 8 dispositif selon revendication 7 caractérisé par l'utilisation d'un processeur de contrôle (2) assurant l'ensemble des opérations de commande que nécessite la gestion du procédé. 9 dispositif selon revendications 1 et 8 caractérisé par l'adoption d'un contrôle des accélérations et des décélérations utilisant un accéléromètre (46) et commandant les actions sur les mâchoires de freinage (13) lors des séquences de commutations de rapports de la boite de vitesses (7) et le conrôle des accélérations et décélérations. 10 dispositif selon revendication 1 caractérisé par la déconnexion du moteur thermique (1) pendant toutes les séquences d'utilisation du système.