Brevet FR2865769A1 — publié le 20050805

La présente invention concerne un procédé de fonctionnement d'un moteur hybride pneumatique-thermique à suralimentation par turbocompresseur. Les moteurs à combustion interne à allumage commandé font l'objet d'efforts conséquents afin de maximiser le rendement. Pour maximiser le rendement et la puissance, une des voies exploitées, depuis plusieurs décennies, a été l'utilisation du turbocompresseur. Dans le moteur à combustion interne conventionnel à quatre temps, sans turbocompresseur, une partie seulement de l'énergie produite est réellement utilisée tandis la partie restante est perdue par l'expulsion des gaz d'échappement. Dans le cas d'un moteur équipé d'un turbocompresseur, l'énergie fournie par l'expulsion les gaz d'échappement est utilisée pour entraîner une turbine reliée à un compresseur. Le mélange combustible comprimé par le compresseur est injecté dans le cylindre du moteur qui subit ainsi un remplissage plus complet de la chambre de combustion. La proportion du mélange d'air et de carburant ne pouvant varier, la suralimentation du moteur s'effectue par une admission plus importante de ce mélange dans les cylindres. La suralimentation par le dispositif turbocompresseur permet d'améliorer le rendement, notamment par l'utilisation de l'énergie fournie par les gaz d'échappement. Cependant, lorsque le moteur fonctionne à faible couple, on constate un délai pour atteindre le couple demandé lorsque l'utilisateur souhaite accroître le couple fourni par le moteur. Pour maximiser le rendement, une autre possibilité consiste en la minimisation de la consommation de carburant. La tendance actuelle consiste à réduire la taille du moteur pour minimiser la consommation de carburant tout en gardant le couple maximal constant. Le concept de downsizing est une voie d'avenir du moteur à allumage commandée. On a décrit dans l'article Thermodynamic simulation of a Hybrid Pneumatic-Combustion Engine Concept , publié dans la publication scientifique International Journal for Applied Thermodynamics (Vol.5, (No.1), pp.1-11, Mars-2002), un moteur hybride pneumatique-thermique qui se caractérise par la combinaison d'un moteur thermique à combustion interne conventionnel avec un dispositif de conversion et de stockage d'énergie pneumatique. Le moteur, décrit dans ce document, comprend de manière classique, au moins un cylindre, chaque cylindre accueillant un piston, définissant ainsi une chambre de combustion. Ce moteur, de manière classique, comporte aussi un conduit d'admission relié à la chambre de combustion et muni d'une soupape pour régler l'admission du mélange combustible dans la chambre de combustion. Ce moteur, de manière classique, comprend également un conduit d'échappement relié à la chambre de combustion et muni d'une soupape pour régler l'échappement des gaz brûlés depuis la chambre de combustion. Selon le document précité, ce moteur comprend de plus un réservoir de gaz sous pression, tel que l'air, relié par une conduite à la chambre de combustion et comportant une soupape pour le réglage de l'admission de gaz sous pression supplémentaire dans la chambre de combustion. Jusqu'à présent, il n'a jamais été envisagé de combiner un tel moteur avec un turbocompresseur. L'invention a donc pour objet de fournir un moteur à turbocompresseur et un procédé de fonctionnement de ce moteur qui remédient aux inconvénients de l'art antérieur et en particulier qui permet une application quasi instantanée, voire instantanée, du couple demandé lorsque le moteur fonctionne à faible couple et que l'utilisateur souhaite accroître le couple du moteur. Selon l'invention, le moteur est un moteur hybride pneumatique-thermique et analogue à celui décrit dans le document auquel on a adjoint un turbocompresseur. Ainsi, selon l'invention, le moteur comprend, de manière classique, au moins un cylindre, chaque cylindre accueillant un 35 piston, définissant ainsi une chambre de combustion. Selon l'invention, ce moteur, de manière classique, comporte aussi un conduit d'admission relié à la chambre de combustion et muni d'une soupape, dite soupape d'admission, pour régler l'admission du mélange combustible dans la chambre de combustion. Selon l'invention, ce moteur, de manière classique, comprend également un conduit d'échappement relié à la chambre de combustion et muni d'une soupape, dite soupape d'échappement, pour régler l'échappement des gaz brûlés dans la chambre de combustion. Selon l'invention, ce moteur comprend aussi, de manière connu de l'art antérieur décrit par le document précité, un réservoir de gaz sous pression, tel que l'air, relié par une conduite à la chambre de combustion et comportant une soupape, dite soupape de charge, pour le réglage de l'admission supplémentaire de gaz sous pression dans la chambre de combustion. Selon l'invention, le moteur est muni en outre d'un turbocompresseur. L'invention concerne également un procédé de fonctionnement du moteur hybride pneumatique-thermique à suralimentation par turbocompresseur, tel que décrit précédemment, ayant un couple donné, le moteur comprenant un réservoir d'air comprimé reliée à au moins une chambre de combustion, caractérisé en ce que, lors du fonctionnement du moteur à faible couple, lorsque l'utilisateur souhaite accroître le couple du moteur, on injecte dans la (ou les) chambres) de combustion, lors de la phase de compression du cycle habituel d'un moteur à quatre temps, à partir du réservoir, une quantité supplémentaire d'air suffisante pour obtenir instantanément le couple moteur demandé. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, un schéma d'un cylindre et d'un piston d'un moteur hybride pneumatique-thermique à turbocompresseur selon l'invention; Figure 2, un graphe représentant le régime (en radianslseconde) du turbocompresseur d'un moteur conventionnel et celui du turbocompresseur d'un moteur hybride selon l'invention, en fonction du temps (en seconde) ; Figure 3, un graphe représentant le travail mécanique (en joule) d'un moteur conventionnel de 2 litres, celui d'un moteur conventionnel de 1,2 litres muni d'un turbocompresseur et celui d'un moteur de 1,2 litres hybride selon l'invention, en fonction du temps (en seconde) ; Figure 4, un graphe représentant la pression (en pascal) de l'air contenu dans le réservoir d'air comprimé en fonction du temps (en seconde) ; et Figure 5, la levée des différentes soupapes d'un moteur hybride selon l'invention au cours du cycle de fonctionnement du moteur pour un cylindre. On a représenté sur la figurel un cylindre 1 et un piston 2 définissant une chambre de combustion 3 d'un moteur hybride selon l'invention. Bien évidemment, le moteur comporte plusieurs cylindres 1 identiques comme cela est classique. Comme cela est classique, le moteur comprend également un conduit d'admission 6 relié à la chambre de combustion 3 et muni d'une soupape 11, dite soupape d'admission, commandée par un moyen de commande 14, pour régler l'admission du mélange combustible 8 dans la chambre de combustion. Ce moteur comprend aussi, de manière classique, un conduit d'échappement 7 reliée à la chambre de combustion 3 et muni d'une soupape 12, dite soupape d'échappement,commandée par un moyen de commande 15, pour régler l'échappement des gaz brûlés 9 de la chambre de combustion 3. Comme cela est également classique pour les moteurs turbocompressés, le moteur comprend un turbocompresseur 5 comprenant un compresseur 5a destiné à comprimer le mélange combustible 8 admis dans la chambre de combustion 3 au moyen de la conduite d'admission 6 et une turbine 5b actionnée par les gaz d'échappement 9 et relié au compresseur 5 de manière à entraîner le compresseur 5a en rotation. Selon l'invention le moteur comprend en outre, un réservoir 4 d'un gaz sous pression, tel que de l'air, relié par une conduite 10 à la chambre de combustion 3 et comportant une soupape 13, dite soupape de charge, pour le réglage de l'admission de gaz sous pression supplémentaire, commandée par un moyen de commande 16 dans la chambre de combustion 3. Bien entendu, le réservoir 4 est relié à l'ensemble des chambres de combustion. Chacune desdites soupapes 11, 12, 13 peut-être commandée par un moyen mécanique, électrique, magnétique ou par un moyen employant la combinaison d'au moins deux des moyens précités. Lorsque le moteur à turbocompresseur conventionnel fonctionne à faible couple, on constate un délai pour atteindre le couple demandé lorsque l'utilisateur souhaite accroître le couple du moteur. Il existe donc, pour un moteur à turbocompresseur conventionnel, une phase transitoire entre le moment où l'utilisateur commande l'accroissement du couple du moteur et le moment où le couple nécessaire est obtenu. Pendant la phase transitoire de compensation du couple, le cycle de fonctionnement du moteur selon l'invention ressemble à celui d'un moteur conventionnel sauf que, après la fermeture de la soupape d'admission 11, on effectue une première étape de compression, la soupape de charge 13 est ensuite ouverte pour admettre dans la chambre de combustion 3 la quantité d'air supplémentaire comprimée, et enfin, après fermeture de la soupape de charge, on effectue une seconde étape de compression. Cette quantité d'air supplémentaire comprimée à haute pression permet de générer un travail du cycle thermodynamique plus élevé. La figure 5 illustrant le cycle de fonctionnement du moteur selon l'invention montre l'enchaînement des ouvertures et fermetures des différentes soupapes 11, 12, 13. Pendant la phase de détente, toutes les soupapes Il, 12, 13 sont fermées, le piston 2 se déplaçant du point mort haut PMH au point mort bas PMB. Pendant la phase d'échappement, la soupape d'échappement 12 s'ouvre, comme le montre la courbe 52, toutes les autres soupapes 1 1, 13 étant fermées et le piston 2 se déplaçant du point mort bas PMB au point mort haut PMH. Pendant la phase d'admission, la soupape d'admission 11 s'ouvre, comme le montre la courbe 53, toutes les autres soupapes 12, 13 étant fermées et le piston 2 se déplaçant du point mort haut PMH au point mort bas PMB. Pendant la phase de compression, la soupape de charge 13 s'ouvre, comme le montre la courbe 51, toutes les autres soupapes 11, 12 étant fermées et le piston 2 se déplaçant du point mort bas PMB au point mort haut PMH. Dans ce cycle de fonctionnement, l'ouverture commandée de la soupape de charge 13 s'effectue lorsque la pression dans le cylindre 1 est inférieure à la pression dans le réservoir 4. La fermeture commandée de la soupape de charge 13 s'effectue, lorsque la pression dans le cylindre 1, grâce à la quantité d'air supplémentaire injectée, est égale à la pression dans le réservoir 4 ou légèrement inférieure à celle-ci. De préférence, la fermeture de la soupape de charge 13 s'effectue lorsque la pression du cylindre 1 atteint la pression du 25 réservoir 4. La gestion de la quantité d'air ajouté s'effectue en optimisant l'angle d'ouverture de la soupape de charge 13. De manière connue de l'art antérieur, cette optimisation de l'angle d'ouverture de la soupape de charge 13 peut être réalisée au moyen de la commande 16 de la soupape de charge 13, tel un actuateur électromagnétique, lui même sous la dépendance d'un système de commande, par exemple un calculateur embarqué. A titre d'exemple, le calculateur embarqué peut employer un algorithme, soit liant les angles d'ouverture de la soupape de charge 13 à la quantité d'air injectée, soit sur la base d'un modèle simplifié. Préférentiellement, les soupapes d'admission 11 et d'échappement 12 peuvent être commandées par un arbre à cames 14, 15 et la soupape de charge par un actuateur électromagnétique 16 afin de permettre une ouverture et une fermeture particulièrement rapide de celle-ci comme le montre la courbe 51 de la figure 5. Pour maximiser le travail du cycle, l'étape de suralimentation par admission d'une quantité d'air supplémentaire par ouverture de la soupape de charge 13, est réalisée aussi tard que possible, c'est-à-dire pendant la phase de compression et mieux à la fin de celle-ci. Dans le cas du moteur hybride pneumatique-thermique selon l'invention, avant ladite phase transitoire, dès qu'il y a une demande d'accroissement du couple du moteur, depuis un bas couple, après la fermeture de la soupape d'admission 11, la soupape de charge 13 s'ouvre et on admet une quantité d'air supplémentaire dans la chambre de combustion 3; cette quantité d'air supplémentaire augmente le travail du cycle thermodynamique afin de le maximiser. Cette phase est réalisée le plus tard possible. Une fois que le mélange est brûlé, il est évacué de façon classique. Du fait de ce fonctionnement, cette quantité d'air supplémentaire est supérieure à la masse d'air d'un moteur conventionnel avec ou sans turbocompresseur. De ce fait, dès le début de la demande d'accroissement du couple du moteur, le travail fourni est plus élevé, ce qui conduit à un accroissement plus rapide du couple et une diminution du délai de mise en pression. Ainsi, le couple demandé est obtenu instantanément. Les graphes des figures 2 à 4 ont été obtenus par simulation. Pour cela, il a été considéré le travail obtenu par chaque cylindre (le travail du cycle divisé par quatre du moteur à quatre temps). Le régime moteur est de 5000 tours/minute et le travail de 290 joules (ce travail est le maximum que l'on obtient pour un cylindre de 0,5 litres). La figure 2 illustre le régime de la turbine d'un moteur hybride pneumatique-thermique à turbocompresseur 20 selon l'invention en comparaison avec le régime de la turbine d'un moteur à turbocompresseur conventionnel 21. Pour un moteur hybride pneumatique-thermique à turbocompresseur selon l'invention, le régime turbo est atteint plus rapidement que pour un moteur de même dimension muni seulement d'un turbocompresseur. La courbe 20 représente le régime turbo caractéristique d'un moteur hybride muni d'un réservoir d'air comprimé à haute pression (10-20 bars). La courbe 21 caractérise le moteur conventionnel équipé seulement d'un turbocompresseur. Le régime turbo de 16000 radis est atteint 50 ms plus tard par la turbine du moteur conventionnel à turbocompresseur. Ainsi, selon l'invention, le moteur hybride pneumatique-thermique suralimenté par turbocompresseur, permet d'atteindre un régime donné plus rapidement qu'avec un moteur suralimenté par turbocompresseur sans réservoir d'air comprimé. La figure 3 montre que le travail mécanique de 290 joules peut être obtenu par un seul cylindre du moteur 2 litres 31, à pleine charge (moteur à quatre cylindres). Le même travail peut également être obtenu avec un cylindre d'un moteur 1,2 litres à turbocompresseur conventionnel 33, non équipé d'un réservoir d'air, mais avec un retard d'environ 0,2 seconde. Le moteur hybride pneumatique-thermique à turbocompresseur 32 de 1,2 litres selon l'invention délivre le même travail sans retard. Ainsi, les courbes 31 et 32 sont quasiment confondues. Ainsi, selon l'invention, le moteur hybride pneumatique-thermique suralimenté par turbocompresseur, permet de délivrer un travail donné plus rapidement qu'avec un moteur suralimenté par turbocompresseur sans réservoir d'air comprimé. Pour un moteur hybride pneumatique-thermique de 1,2 litres selon l'invention 32, un travail fourni instantanément signifie que le temps de retard est inférieur à 0,2 seconde. De préférence, ce temps de retard est inférieur à 0,1 seconde et idéalement, ce temps serait inférieur à 0,01 seconde. Dans le procédé selon l'invention, on injecte de l'air du réservoir 4 jusqu'à ce que le régime turbo assure le débit d'air nécessaire pour obtenir le couple moteur désiré. Une fois que le régime turbo est assuré et le couple moteur fourni, la consommation d'air du réservoir est nulle, ce qu'illustre la figure 4 par la pression de l'air 41 contenu dans le réservoir 4 d'air comprimé en fonction du temps. Une fois que le moteur hybride pneumatique-thermique selon l'invention a atteint le régime turbo normal d'un moteur à turbocompresseur conventionnel, il peut fonctionner selon un principe identique au moteur à turbocompresseur conventionnel, autrement dit, sans utilisation de l'air comprimé dans le réservoir, la soupape de charge étant fermé. Une fois que la pression du réservoir 4 commence à baisser, le moteur hybride pneumatique-thermique, dans certaines conditions, peut exploiter d'autres modes de fonctionnement lui permettant le remplissage du réservoir. Ces modes de remplissage, détaillés dans la publication susmentionnée, sont décrits ci-dessous. Un des principaux points faibles du moteur à combustion interne est que le cycle thermodynamique est irréversible: c'est-à- dire qu'il est impossible de produire de l'air et du carburant à partir des produits de la combustion en fournissant un couple inverse sur le vilebrequin. En somme, l'énergie cinétique d'un véhicule utilisant un moteur à combustion interne ne peut être récupérée en énergie chimique par action d'un couple négatif, c'est-à-dire en situations de freinage: l'énergie cinétique doit alors être dissipée par chaleur à travers la friction du système de freinage. Un moteur hybride pneumatique-thermique, tel que décrit dans la publication ci-dessus mentionnée, est capable de produire un couple négatif, autrement dit consomme du couple de la transmission pendant une phase de freinage. L'énergie cinétique du véhicule est convertie en énergie potentielle sous forme d'air comprimé puisé dans le réservoir d'air. Le procédé selon l'invention peut utiliser ce premier mode de fonctionnement, dit mode pompe pneumatique, pour le remplissage du réservoir. Le cycle en mode pompe pneumatique du moteur, décrivant un premier mode de remplissage du réservoir d'air comprimé, consiste en quatre phases: admission, compression, remplissage du réservoir et détente. Les phases de ce cycle sont décrites en détail ci-dessous: Admission: la soupape d'admission 11 est ouverte de manière à permettre l'admission d'air frais dans le cylindre 1. Ladite soupape d'admission 1 est fermée après l'admission de la quantité maximale d'air frais; Compression: la masse d'air est comprimée par action du couple de freinage sur le piston 2, toutes les soupapes 11, 12, 13 étant fermées; Remplissage du réservoir 4 d'air comprimé : la soupape de charge 13 est ouverte à la fin de la phase de compression afin de permettre l'injection de l'air comprimé dans ledit réservoir d'air comprimé, toutes les autres soupapes 1 1, 12 étant fermées; Détente: fermeture de la soupape de charge 13. L'air comprimé restant dans le cylindre qui n'a pu être envoyé dans ledit réservoir d'air comprimé se détend jusqu'à ce que sa pression soit égale à la pression d'admission. L'énergie récupérée pendant la phase de freinage est ordinairement insuffisante pour fournir un remplissage complet du réservoir 4 d'air comprimé. II n'est généralement pas possible d'obtenir le même état de charge du réservoir sous haute pression à la fin d'un cycle routier par rapport au commencement. Ainsi, pour bénéficier pleinement du moteur hybride pneumatique-thermique selon l'invention, un second mode de fonctionnement, décrit ci-après, permettant le remplissage du réservoir 4 d'air comprimé peut être utilisé conjointement avec le premier mode de fonctionnement (mode pompe pneumatique). Ainsi, ce second mode de fonctionnement, dit mode de sous-alimentation du moteur, qui complète le mode pompe pneumatique pour le remplissage du réservoir 4, consiste en diverses phases: admission, première compression, remplissage du réservoir, seconde compression, combustion et échappement. Les phases du cycle de sous-alimentation du moteur sont décrites en détail ci-dessous: Echappement et admission: le cycle en mode sous- alimentation du moteur est identique à celui d'un moteur à quatre temps durant les phases d'échappement et d'admission; Combustion et détente: les phases d'explosion et de détente se présentent sous la même forme que pour le cycle conventionnel d'un moteur à quatre temps. Afin d'optimiser l'efficacité globale du cycle, le début de la combustion peut être avancé pour atteindre un pic plus haut de pression dans le cylindre; Compression: la principale différence entre le cycle d'un moteur à combustion interne conventionnel et le cycle de sous-alimentation réside dans le temps de compression. Cette compression est composée de trois phases: Après la fermeture de la soupape d'admission 11, une première phase de compression conventionnelle débute, portant la pression de l'air dans le cylindre à la même pression que l'air contenu dans ledit réservoir 4 d'air comprimé ; Puis, la soupape de charge 13 est ouverte de manière à permettre à l'air comprimé de la chambre de combustion 3 de circuler dans le réservoir d'air comprimé 4 pendant une partie du temps de compression; - A la fermeture de la soupape de charge 13 une seconde phase de compression est réalisée. Le moteur hybride pneumatique-thermique à turbocompresseur selon l'invention et le procédé de fonctionnement de ce moteur selon l'invention sont particulièrement adaptés dans le domaine des véhicules 25 automobiles dans les situations où il se présente des contraintes et/ou des besoins en terme de rendement et de réactivité du moteur. REVENDICATIONS 1. Procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à suralimentation par turbocompresseur, ayant un couple donné, le 5 moteur comprenant: - au moins un cylindre (1), chaque cylindre (1) accueillant un piston (2), définissant ainsi une chambre de combustion (3), chaque cylindre comportant une soupape d'admission (11), une soupape d'échappement (12) et une soupape de charge (13), et - un réservoir (4) d'air comprimé reliée à au moins une chambre de combustion (3) au moyen de ladite soupape de charge (13), caractérisé en ce que, lors du fonctionnement du moteur à faible couple, on injecte dans la (ou les) chambre(s) de combustion (3), lors de la phase de compression du cycle habituel d'un moteur à quatre temps, à partir du réservoir (4), une quantité supplémentaire d'air suffisante pour obtenir instantanément le couple moteur demandé. 2. Procédé de fonctionnement d'un moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'introduction de la quantité d'air supplémentaire est précédée d'une première étape de compression, avant l'ouverture de la soupape de charge (13), et suivie d'une seconde étape de compression, après la fermeture de la soupape de charge (13). 3. Procédé de fonctionnement d'un moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que, pendant une phase de ralentissement du moteur, ledit réservoir (4) d'air comprimé est rempli grâce à la réalisation du cycle spécifique de fonctionnement suivant: admission: la soupape d'admission (11) est ouverte de manière à permettre l'admission d'air frais dans le cylindre (1), ladite soupape (11) étant fermée après l'admission de la quantité maximale d'air frais; compression: ledit air frais est comprimé dans le cylindre (1) par action du couple moteur sur le piston 5 (2) qui remonte dans le cylindre (1), toutes les soupapes étant fermées remplissage du réservoir (4) d'air comprimé : la soupape de charge (13), séparant le réservoir (4) de la chambre de combustion (3), est ouverte afin de permettre l'injection de l'air comprimé dans ledit réservoir (4) d'air comprimé, toutes les autres soupapes étant fermées détente: fermeture de la soupape de charge (13), l'air comprimé restant dans le cylindre (1) qui n'a pu être envoyé dans ledit réservoir (4) d'air comprimé se détend jusqu'à ce que sa pression soit égale à la pression d'admission. 4. Procédé de fonctionnement d'un moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit réservoir (4) d'air comprimé est rempli, lors de la phase de compression du cycle habituel d'un moteur à quatre temps, en effectuant les opérations suivantes - après la fermeture de la soupape d'admission (11), une première phase conventionnelle de compression débute portant la pression de l'air dans le cylindre (1) à la même pression que l'air contenu dans ledit réservoir (4) d'air comprimé ; - puis, la soupape de charge (13) est ouverte de manière à permettre à l'air comprimé de la chambre de combustion (3) de circuler dans le réservoir (4) d'air comprimé pendant une partie du temps de compression; à la fermeture de la soupape de charge (13), une 35 seconde phase de compression est réalisée. 15 5. Procédé de fonctionnement d'un moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la soupape de charge (13) est commandée par un ou plusieurs des moyens (16) suivants: un moyen mécanique, un moyen électrique ou un moyen magnétique. 6. Procédé de fonctionnement d'un moteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que le moyen de commande (16) de la soupape de charge (13) est lui-même sous la dépendance d'un calculateur.