Brevet FR2867920A1 — publié le 20050923

Dispositif de génération d'électricité à stockage d'énergie. La présente invention est relative aux dispositifs de génération d'électricité à stockage d'énergie. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de génération d'électricité comprenant: - un moteur thermique entraînant un arbre de sortie, ledit moteur étant adapté pour fonctionner à une certaine charge comprise entre une charge nulle et une charge maximale, - un volant d'inertie, - un embrayage adapté pour être sélectivement embrayé et débrayé pour respectivement coupler et découpler 15 l'arbre de sortie et le volant d'inertie, - un alternateur couplé au volant d'inertie, - et un système de commande pour commander au moins l'embrayage et le moteur. Les dispositifs connus de ce type, tels que par exemple celui divulgué dans le document WO-A-01/63729, permettent un fonctionnement économe en énergie tant que la puissance électrique appelée en aval de l'alternateur est faible, mais ils présentent l'inconvénient de provoquer une usure rapide du moteur. Cette usure rapide est due: - aux marches/arrêts répétés du moteur, - et au fait que, pour assurer que le moteur puisse satisfaire aux puissances les plus élevées appelées en aval de l'alternateur, on règle le moteur de façon qu'il produise toujours son couple maximal lorsqu'il est en fonctionnement, même lorsque cela n'est pas nécessaire, ce qui tend aussi à fatiguer inutilement le moteur. La présente invention a notamment pour but de pallier cet inconvénient. A cet effet, selon l'invention, un dispositif de génération d'électricité du genre en question est caractérisé en ce que le système de commande est adapté en outre pour: - faire fonctionner le moteur selon un mode de fonctionnement intermittent lorsque la puissance appelée en 5 aval de l'alternateur est inférieure à une limite prédéterminée, - et faire fonctionner le moteur selon un mode de fonctionnement continu, régulé avec une vitesse de rotation sensiblement constante et à charge variable lorsque la puissance appelée en aval de l'alternateur est supérieure à ladite limite prédéterminée. Grâce à ces dispositions, lorsque la puissance appelée en aval de l'alternateur est élevée, le moteur fonctionne en continu, ce qui limite les arrêts et re-15 démarrages du moteur et donc limite son usure. Dans divers modes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes: - le système de commande est adapté en outre pour faire fonctionner le moteur à charge sensiblement constante dans le mode de fonctionnement intermittent; - le système de commande est adapté en outre pour: débrayer l'embrayage et arrêter le moteur lorsque 25 la vitesse de rotation du volant d'inertie devient supérieure à une vitesse limite supérieure, embrayer l'embrayage et faire fonctionner le moteur lorsque la vitesse de rotation du volant d'inertie devient inférieure à une vitesse limite inférieure, tant que le moteur fonctionne, réguler la charge du moteur, de façon que l'arbre de sortie tourne à une vitesse voisine d'une vitesse prédéterminée dès lors que cette charge est supérieure à une charge minimale prédéterminée comprise entre 20 et 60% de la charge maximale, et tant que le moteur fonctionne, régler la charge du moteur au moins à ladite charge minimale prédéterminée. - la charge minimale prédéterminée est comprise entre 30 et 50% de la charge maximale du moteur; - le système de commande comprend une unité centrale électronique adaptée pour commander l'embrayage et pour commander un dispositif d'alimentation adapté pour alimenter le moteur en carburant, cette unité centrale électronique étant également reliée à au moins un dispositif de mesure adapté pour mesurer une grandeur représentative de la vitesse de rotation du volant d'inertie; - le moteur est alimenté en carburant par un dispositif d'alimentation comprenant un organe de commande qui est adapté pour commander la charge, ledit organe de commande étant mobile entre des première et deuxième positions de butée correspondant respectivement à ladite charge maximale et à ladite charge minimale prédéterminée, et le système de commande comprend un régulateur mécanique adapté pour déplacer l'organe de commande vers sa deuxième position de butée lorsque la vitesse de rotation de l'arbre de sortie dépasse la vitesse prédéterminée et pour déplacer ledit organe de commande vers sa première position de butée lorsque la vitesse de l'arbre de sortie est inférieure à ladite vitesse prédéterminée; - l'organe de commande est sollicité élastiquement vers sa première position de butée, et le régulateur mécanique est un régulateur centrifuge qui est entraîné en rotation avec l'arbre de sortie du moteur; - le régulateur centrifuge comporte au moins deux masselottes montées sur des leviers sensiblement en forme de L qui sont eux-mêmes montés pivotants chacun sur un support solidaire d'un arbre rotatif entraîné par le moteur, chacun des leviers en forme de L étant adapté pour appuyer sur un organe d'appui solidaire de l'organe de commande, pour solliciter ledit organe de commande vers sa deuxième position de butée lorsque les masselottes subissent une force centrifuge; - l'organe de commande est solidaire d'une butée adaptée pour venir au contact d'une contre-butée dans la deuxième position de butée; la contre-butée est fixe; - la contre-butée est sollicitée avec précontrainte contre une partie fixe, en direction de la première position de butée, et l'organe de butée de l'organe de commande est adapté pour entraîner la contre-butée vers une position où la charge est nulle lorsque l'organe de commande subit une force supérieure à ladite précontrainte. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante de trois de ses modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en regard des dessins joints. Sur les dessins: - la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif de génération d'électricité selon une première 20 forme de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un diagramme illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 1, - la figure 3 est une vue de détail d'une partie d'un dispositif de génération d'électricité selon une 25 deuxième forme de réalisation de l'invention, - et la figure 4 est une vue de détail correspondant à une partie du dispositif représenté sur la figure 3, dans une troisième forme de réalisation de l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 représente un dispositif de génération d'électricité 1 comprenant: - un moteur thermique 2 (MOT.), notamment un 35 moteur diesel, comprenant un dispositif d'alimentation 2a (ALIM.) et doté d'un capteur de mesure 2b (Q1) pour mesurer la vitesse de rotation de l'arbre de sortie 3 du moteur autour de son axe de rotation X1, - un embrayage 4 (EMB.), par exemple un embrayage à commande électrique ou autre, - un arbre 5 portant un volant d'inertie 6 (VOL.) et relié à un alternateur 7 adapté pour transformer l'énergie mécanique de rotation du volant d'inertie en énergie électrique, l'embrayage 4 étant adapté pour sélectivement coupler et découpler l'arbre de sortie 3 du moteur et l'arbre 5 du volant d'inertie, - le cas échéant, un onduleur 8 en sortie de l'alternateur 7, l'onduleur 8 présentant une sortie 9 qui alimente des appareils électriques utilisant l'énergie électrique ainsi produite, - et une unité centrale électronique 10 (CALC.), cette unité centrale électronique étant reliée au dispositif d'alimentation 2a, au capteur 2b, à l'embrayage 4 et à un capteur 11 (02) adapté pour mesurer la vitesse de rotation du volant d'inertie. Le calculateur 10 est adapté pour commander l'embrayage 4 et pour commander le dispositif d'alimentation 2a. Par exemple, pour commander le dispositif d'alimentation 2a, le calculateur 10 peut commander un moteur pas à pas permettant d'actionner un organe de commande (par exemple une tringle de commande telle que la tringle 23 visible sur la figure 3) qui contrôle la quantité de carburant injectée dans le moteur 2 à chaque cycle dudit moteur. Cette quantité de carburant correspond à la charge C du moteur, comprise entre 0 et une charge maximale Cmax. Le fonctionnement du dispositif de génération d'électricité de la figure 1 est expliqué sur le diagramme de la figure 2, qui représente la charge C du moteur 2 en fonction de la vitesse de rotation co de l'arbre de sortie 3. Comme représenté sur la figure 2, lors du démarrage initial du moteur 2, le calculateur 10 fait fonctionner le moteur 2 à la charge maximale Cmax afin que le moteur et le volant d'inertie 6 accélèrent rapidement jusqu'à la vitesse wmin (point B du diagramme) à partir de laquelle l'alternateur 7 produit de l'énergie. Le calculateur 10 régule ensuite la charge C du moteur pour maintenir la vitesse w sensiblement constante, à la valeur wmin. Le programme de régulation mémorisé dans l'unité centrale 10 impose en outre une charge minimale Cmin. Tant que la puissance électrique appelée au niveau de la sortie 9 reste élevée, le point de fonctionnement du moteur 2 se situe donc entre les points B et C sur le diagramme de la figure 2, correspondant respectivement à la charge maximale Cmax et à la charge minimale souhaitée Cmin. En revanche, compte tenu de la contrainte imposée à la régulation sur la charge minimale Cmin, l'unité centrale 10 ne peut pas maintenir la vitesse de rotation w constante lorsque la puissance électrique appelée au niveau de la sortie 9 est inférieure à la puissance fournie par le moteur 2. Dans ce cas, la charge minimale Cmin oblige l'arbre de sortie 3 du moteur à accélérer avec le volant d'inertie 6, de sorte que la vitesse de rotation augmente de wmin à une valeur maximale wmax (le point de fonctionnement du moteur passe du point C au point D sur le diagramme de la figure 2). Lorsque la vitesse de rotation w atteint la vitesse limite supérieure wmax, l'unité centrale électronique 10 débraye l'embrayage 4 et coupe le moteur 2, de sorte que le point de fonctionnement du moteur devient le point 0 sur le diagramme de la figure 2. Par la suite, la vitesse du volant d'inertie 6 diminue au fil du temps, notamment du fait de la puissance électrique consommée au niveau de la sortie 9, et lorsque cette vitesse atteint la vitesse limite minimale cumin, l'embrayage 4 est à nouveau embrayé par l'unité centrale 10 et le moteur 2 est redémarré après embrayage (on entraîne ainsi immédiatement le moteur à sa vitesse de rotation nominale, en évitant une trop grande sollicitation du démarreur), de sorte que le point de fonctionnement du moteur revient au point C, et la vitesse de rotation w augmente à nouveau jusqu'au point de fonctionnement D sur le diagramme de la figure 2. Grâce aux dispositions qui précèdent, lorsque la puissance électrique appelée en aval de l'alternateur 7 est faible, le moteur 2 fonctionne donc de façon intermittente, mais à la charge minimale Cmin, qui peut être par exemple compris entre 20 et 60% de sa valeur maximale Cmax, avantageusement de 30 à 50% de Cmax, de sorte que le moteur fonctionne sans fatigue. La durée de vie du moteur est d'autant plus préservée que ce mode de fonctionnement intermittent du moteur est limité au cas où la puissance appelée en aval de l'alternateur 7 est faible, de sorte que les arrêts et redémarrages du moteur ne sont pas trop fréquents. Lorsque la puissance appelée en aval de l'alternateur 7 est élevée et que le moteur 2 fonctionne en continu, le moteur fonctionne toujours à un régime bas, ce qui préserve également sa durée de vie. Dans la première forme de réalisation qui vient d'être décrite, on notera que le capteur de vitesse 2b pourrait le cas échéant être omis, l'unité centrale 10 fonctionnant alors uniquement avec le capteur de vitesse 11. Dans la deuxième forme de réalisation de l'invention, le schéma d'ensemble de la figure 1 reste inchangé, mais la régulation de vitesse du moteur 2 est réalisée purement mécaniquement, au moyen d'un régulateur mécanique centrifuge 12 qui peut être entraîné par exemple par l'arbre à cames 13 de la pompe d'injection de carburant ou par tout autre organe tournant avec l'arbre de sortie 3 du moteur. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, à l'extrémité libre de l'arbre à cames 13 sont fixés deux bras de support diamétralement opposés 14. Aux extrémités libres de ces bras de support 14 sont montés pivotant deux leviers 15 en forme de L, pivotant autour de deux axes parallèles 16 perpendiculaires à l'axe de rotation X2 de l'arbre à cames 13. Chaque levier 15 comporte: - un premier bras 17 qui s'étend sensiblement radialement vers l'intérieur jusqu'à une extrémité libre 18 en contact contre un organe d'appui 19, - et un deuxième bras 20 à l'extrémité libre duquel est fixé une masselotte 21, ce deuxième bras 20 s'étendant sensiblement perpendiculairement au premier bras 17. L'organe d'appui 19 susmentionné est fixé à l'extrémité libre d'un organe 23 de commande du dispositif d'alimentation 2a susmentionné, qui commande la charge du moteur 2. Cet organe de commande peut par exemple prendre la forme d'une crémaillère ou tige s'étendant sensiblement selon l'axe X2. L'organe de commande 23 est déplaçable, par exemple en translation dans le sens de la double flèche 22, de façon qu'un déplacement vers la gauche sur la figure 3 se traduise par une diminution de la charge du moteur, et de façon qu'un déplacement vers la droite sur la figure 3 se traduise par une augmentation de la charge. Sur l'organe de commande 23 est fixée une butée 24, et ledit organe de commande est monté par exemple coulissant entre des première et deuxième contre-butées fixes 25, 26 qui encadrent la butée 24 et limitent son déplacement, en définissant ainsi des première et deuxième positions de butée de l'organe de commande 23. Ces première et deuxième positions de butée correspondent respectivement à la charge maximale et à la charge minimale. De plus un ressort 27 de compression est interposé entre l'organe d'appui 19 et une plaque d'appui fixe 28, de façon à solliciter l'organe de commande 23 vers sa position correspondant à la charge maximale. Ainsi, en fonction des masselottes 21 et du tarage du ressort 27, lorsque le moteur 2 fonctionne et que l'arbre à cames 13 de la pompe d'injection de carburant tourne, le régulateur mécanique centrifuge 12 impose au moteur 2 de fonctionner à la vitesse cumin une augmentation de vitesse par rapport à cette vitesse d'équilibre se traduit par un mouvement des masselottes vers l'extérieur, dans le sens de la double flèche 29, ce qui se traduit par un déplacement vers la gauche de l'organe de commande 23 et donc par une diminution de la charge C, provoquant un ralentissement du moteur, tandis qu'une vitesse moins élevée que cumin se traduit par un déplacement des masselottes 21 radialement vers l'intérieur, entraînant un déplacement de l'organe de commande 23 vers la droite et donc une augmentation de la charge C, provoquant une accélération. Par ailleurs, dans la deuxième forme de réalisation de l'invention, la commande du moteur 2 et de l'embrayage 4 reste assurée par le calculateur 10. En particulier, pour commander l'arrêt du moteur 2, le calculateur 10 peut actionner par exemple une électrovanne coupant l'arrivée de carburant ou un électro-aimant déplaçant l'organe de commande 23 jusqu'à sa position de charge nulle. La troisième forme de réalisation de l'invention est très similaire à la deuxième forme de réalisation qui vient d'être décrite, à la différence près que la contre- butée 26 n'est plus constituée par une plaque fixe, mais par une plaque montée coulissante sur l'organe de commande 23, comme représenté sur la figure 4. Cette contre-butée 26 est normalement plaquée contre une partie fixe 47, notamment en forme de plaque, qui comporte un évidement 48 suffisant pour permettre à la butée 24 de traverser ladite partie fixe 47. La contre-butée 26 est sollicitée en appui contre la partie fixe 47, en direction de la butée 24, par un ressort de compression 49 qui est monté avec précontrainte entre ladite contre-butée 26 et une plaque d'appui 50 traversée par l'organe de commande 23. Dans ce troisième mode de réalisation, si par suite d'un défaut de fonctionnement, la vitesse augmente au delà de la vitesse limite maximale souhaitée camax, en atteignant par exemple le point E sur la figure 2, alors la contre-butée 26 est déplacée vers la gauche sur la figure 5, de sorte que la charge C du moteur 2 diminue en deçà de Cmin, auquel cas le point de fonctionnement du moteur dépasse le point E et se déplace vers le point F sur le diagramme de la figure 2, ce qui évite que le moteur ne soit endommagé par un surrégime. On notera que, dans la troisième forme de réalisation de l'invention, la contre-butée 26 pourrait être normalement maintenue fixe par un aimant permanent ou un électro- aimant, dont la force d'attraction serait tarée de façon à permettre à la contre-butée 26 de se déplacer avec la butée 24 dans le sens de la diminution de la charge du moteur lorsque la sollicitation appliquée à l'organe de commande 23 par le régulateur mécanique 12 dépasse une limite prédéterminée. On notera par ailleurs que, dans le mode de fonctionnement intermittent, il peut être intéressant de prévoir un variateur de vitesse, comme prévu par exemple dans le document WO-A-01/63729, par exemple pour faire fonctionner le moteur sur un point de fonctionnement G intermédiaire entre les points C et D sur le diagramme de la figure 2. REVENDICATIONS 1. Dispositif de génération d'électricité comprenant: un moteur thermique (2) entraînant un arbre de sortie (3), ledit moteur étant adapté pour fonctionner à une certaine charge (C) comprise entre une charge nulle et une charge maximale (Cmax), - un volant d'inertie (6), - un embrayage (4) adapté pour être sélectivement embrayé et débrayé pour respectivement coupler et découpler l'arbre de sortie et le volant d'inertie, - un alternateur (8) couplé au volant d'inertie, et un système de commande (10; 10, 12) pour commander au moins l'embrayage (4) et le moteur (2), caractérisé en ce que le système de commande (10; 10, 12) est adapté en outre pour: - faire fonctionner le moteur (2) selon un mode de fonctionnement intermittent lorsque la puissance appelée en aval de l'alternateur (7) est inférieure à une limite prédéterminée, - et faire fonctionner le moteur (2) selon un mode de fonctionnement continu, régulé avec une vitesse de rotation sensiblement constante et à charge variable lorsque la puissance appelée en aval de l'alternateur (7) est supérieure à ladite limite prédéterminée. 2. Dispositif de génération d'électricité selon la revendication 1, dans lequel le système de commande (10; 10, 12) est adapté en outre pour faire fonctionner le moteur (2) à charge sensiblement constante dans le mode de fonctionnement intermittent. 3. Dispositif de génération d'électricité selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le système de commande (10; 10, 12) est adapté en outre pour: 10 - débrayer l'embrayage (4) et arrêter le moteur (2) lorsque la vitesse de rotation (w) du volant d'inertie (6) devient supérieure à une vitesse limite supérieure (wmax), - embrayer l'embrayage et faire fonctionner le moteur lorsque la vitesse de rotation du volant d'inertie devient inférieure à une vitesse limite inférieure (wmin), tant que le moteur fonctionne, réguler la charge (C) du moteur (2), de façon que l'arbre de sortie (3) tourne à une vitesse voisine d'une vitesse prédéterminée (wmin) dès lors que cette charge est supérieure à une charge minimale prédéterminée (Cmin) comprise entre 20 et 60% de la charge maximale (Cmax) , - et tant que le moteur fonctionne, régler la charge (C) du moteur au moins à ladite charge minimale 15 prédéterminée. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la charge minimale prédéterminée (Cmin) est comprise entre 30 et 50% de la charge maximale (Cmax) du moteur (2). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, dans lequel le système de commande comprend une unité centrale électronique (10) adaptée pour commander l'embrayage (4) et pour commander un dispositif d'alimentation (2a) adapté pour alimenter le moteur (2) en carburant, cette unité centrale électronique (10) étant également reliée à au moins un dispositif de mesure (11) adapté pour mesurer une grandeur représentative de la vitesse de rotation (w) du volant d'inertie (6). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, dans lequel le moteur (2) est alimenté en carburant par un dispositif d'alimentation (2a) comprenant un organe de commande (23) qui est adapté pour commander la charge, ledit organe de commande étant mobile entre des première et deuxième positions de butée correspondant respectivement à ladite charge maximale et à ladite charge minimale prédéterminée, et le système de commande comprend un régulateur mécanique (12) adapté pour déplacer l'organe de commande (23) vers sa deuxième position de butée lorsque la vitesse de rotation de l'arbre de sortie (3) dépasse la vitesse prédéterminée (wmin) et pour déplacer ledit organe de commande (23) vers sa première position de butée lorsque la vitesse de l'arbre de sortie est inférieure à ladite vitesse prédéterminée (wmin). 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l'organe de commande (23) est sollicité élastiquement vers sa première position de butée, et le régulateur mécanique (12) est un régulateur centrifuge qui est entraîné en rotation avec l'arbre de sortie (3) du moteur. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le régulateur centrifuge (12) comporte au moins deux masselottes {21) montées sur des leviers (15) sensiblement en forme de L qui sont eux-mêmes montés pivotants chacun sur un support (14) solidaire d'un arbre rotatif (13) entraîné par le moteur (2), chacun des leviers (15) en forme de L étant adapté pour appuyer sur un organe d'appui (19) solidaire de l'organe de commande (23), pour solliciter ledit organe de commande vers sa deuxième position de butée lorsque les masselottes (21) subissent une force centrifuge. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, dans lequel l'organe de commande (23) est solidaire d'une butée (24) adaptée pour venir au contact d'une contre-butée (26) dans la deuxième position de butée. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans 30 lequel la contre-butée (26) est fixe. 11. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel la contre-butée (26) est sollicitée avec précontrainte contre une partie fixe (47), en direction de la première position de butée, et l'organe de butée (24) de l'organe de commande est adapté pour entraîner la contre-butée (26) vers une position où la charge est nulle lorsque l'organe de commande (23) subit une force supérieure à ladite précontrainte.