Brevet FR2983133A1 — publié le 20130531

MACHINE ELECTRIQUE POUR UN VEHICULE HYBRIDE COMPORTANT UN MOTEUR THERMIQUE La présente invention concerne une machine électrique pour un véhicule hybride comprenant un moteur thermique, ainsi qu'un véhicule hybride comportant une telle machine électrique. Certains véhicules hybrides comportent un moteur thermique relié à une transmission entraînant les roues motrices, et une machine électrique liée à cette transmission. La machine électrique peut fonctionner en moteur en prélevant une énergie électrique dans des batteries, pour délivrer un couple qui vient en complément de celui fourni par le moteur thermique, ou fonctionner en génératrice en prélevant un couple, pour produire un courant électrique de recharge des batteries. Cette utilisation d'énergie électrique stockée dans des batteries, permet d'optimiser le fonctionnement du moteur thermique, et de réduire sa consommation ainsi que les émissions de gaz polluants. Le stockage d'énergie électrique peut permettre aussi de rouler en mode électrique avec zéro émission, appelé mode « ZEV », le moteur thermique restant à l'arrêt. Pour optimiser le fonctionnement de la machine électrique, un type de véhicule hybride connu, présenté notamment par le document US-B16340847, comporte une transmission comprenant deux machines électriques. Une de ces machines comporte un rotor qui peut coulisser axialement, pour engrener alternativement sur deux arbres se trouvant dans la transmission, de manière à se relier soit au moteur thermique, soit au différentiel entraînant les roues motrices. Un problème qui se pose avec ce type de véhicule, est que la transmission comportant les deux machines électriques qui sont intégrées dedans, constitue un ensemble très différent de toutes les boîtes de vitesses manuelles existantes. On ne peut alors pas utiliser des boîtes de vitesses manuelles couramment produites en grandes séries de manière économique, pour réaliser un tel type de véhicule hybride. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle propose à cet effet une machine électrique pour un véhicule hybride comportant un moteur thermique entraînant les roues motrices du 5 véhicule par une transmission, ce moteur comprenant une couronne de démarreur liée en rotation avec le vilebrequin, et des accessoires entraînés par ce vilebrequin au moyen d'un système d'entraînement comportant une démultiplication, caractérisée en ce que la machine électrique prévue pour être placée sur le côté du moteur thermique, comporte un rotor coulissant 10 axialement pour alternativement engrener avec la couronne de démarreur, ou avec le système d'entraînement des accessoires. Un avantage de la machine électrique selon l'invention est que l'on peut en conservant une boîte de vitesses conventionnelle, à partir d'une même machine, venir engrener avec la couronne de démarreur pour obtenir 15 une forte démultiplication donnant un mode de démarrage fournissant un couple élevé, ou venir engrener avec le système d'entraînement des accessoires pour obtenir une grande vitesse de rotation de cette machine, afin de générer un courant électrique avec un bon rendement. La machine électrique selon l'invention peut de plus comporter une ou 20 plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, la couronne de démarreur est fixée sur un volant moteur lié au vilebrequin. Avantageusement, le système d'entraînement comportant une 25 démultiplication comprend un moyen pour relier entre eux des arbres parallèles, comme une courroie, une chaîne ou un train de pignons. Selon un mode de réalisation, le système d'entraînement des accessoires comporte un arbre relai entraîné par ce système, qui est fixe axialement, le rotor aligné sur cet arbre, comprenant des cannelures qui 30 viennent s'engrener sur des cannelures complémentaires de l'arbre relai. Selon un mode de réalisation, l'arbre relai est aligné sur l'axe de la pompe à eau du moteur thermique. Selon un autre mode de réalisation, l'arbre relai est aligné sur un palier d'un support prévu pour supporter un accessoire entraîné par le vilebrequin, dans certaines versions de ce moteur. Avantageusement, le coulissement axial du rotor est réalisé par un actionneur piloté. En particulier, le rotor peut comporter une troisième position axiale, pour alternativement engrener avec un arbre de sortie lié de manière permanente aux roues motrices du véhicule. Le rotor peut comporter un pignon qui engrène avec une couronne de l'arbre de sortie dans cette troisième position axiale, cette couronne recevant de plus le mouvement d'un pignon de sortie de la transmission. L'invention a aussi pour objet un véhicule hybride comportant un moteur thermique entraînant les roues motrices par une transmission, et une machine électrique comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple et de manière non limitative, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un train avant, vu de face, d'un véhicule et comprenant un groupe motopropulseur équipé d'une machine électrique selon l'invention ; - les figures 2 à 4 sont des schémas présentant successivement trois positions axiales du rotor de la machine électrique ; - la figure 5 présente un moteur thermique équipé d'une machine électrique selon l'invention ; et - la figure 6 présente une variante d'entraînement de cette machine électrique. La figure 1 présente une machine électrique 2 qui se trouve sur le côté 30 d'un moteur thermique non représenté, son rotor 4 disposé parallèlement au vilebrequin de ce moteur, pouvant coulisser axialement sous l'effet d'un actionneur, pour prendre successivement trois positions axiales différentes. Les trois positions axiales du rotor 4 permettent alternativement d'engrener ce rotor avec un système d'entraînement des accessoires 6, dans la position centrale, avec une couronne de démarreur 12 fixée sur le volant moteur, dans la position la plus à gauche, et avec une couronne 8 d'un arbre de sortie 10, dans la position la plus à droite. L'arbre de sortie 10 est d'un côté directement lié par un arbre de roue 14 à l'une des roues motrices 24, et de l'autre côté entraîne un moyen de glissement piloté 16 qui est lié par un deuxième arbre de roue 18 à l'autre roue motrice. Le moyen de glissement piloté 16, comportant par exemple des disques d'embrayage, permet un petit glissement dans la transmission du mouvement, dans les virages notamment, afin de compenser la différence des parcours effectués par chacune des roues motrices 24. Par ailleurs le moteur thermique entraîne une boîte de vitesses non représentée, comprenant un arbre de sortie comportant un pignon qui engrène avec la couronne 8 de l'arbre de sortie 10, comme représenté par la flèche marquée M, pour transmettre le mouvement de ce moteur aux roues motrices par l'intermédiaire de différents rapports de vitesse. La figure 2 présente en détail la première position axiale centrale du rotor 4, permettant d'engrener ce rotor avec le système d'entraînement des 20 accessoires 6 du moteur thermique. Le système d'entraînement des accessoires 6 entraîne à partir du vilebrequin des accessoires comme l'alternateur, la pompe à eau, une pompe de direction assistée, ou de climatisation, il comporte un moyen pour relier des arbres parallèles entre eux, comme une courroie, une chaîne ou un train 25 de pignons, permettant de faire tourner ces accessoires avec une vitesse qui peut être supérieure à celle du vilebrequin. Le système d'entraînement des accessoires 6 comporte un arbre relai 22 entraîné par ce système, qui est fixe axialement. Le rotor 4 aligné sur l'arbre relai 22, comprend à son extrémité un creux disposant de cannelures 30 intérieures, qui recouvre cet arbre pour venir s'engrener sur des cannelures complémentaires de l'arbre relai quand ce rotor est axialement dans sa position centrale. On obtient avec cet entraînement une vitesse de la machine électrique 2 qui peut être plus élevée que celle du vilebrequin, ce qui donne à cette machine un bon rendement quand elle travaille en génératrice produisant un courant électrique de recharge des batteries. A noter que la machine électrique produit du courant pour recharger les batteries, mais qu'elle fonctionne également comme un alternateur pour l'électricité de bord. De plus on peut réaliser un entraînement du vilebrequin par la machine électrique 2, en passant par le système d'entraînement des accessoires 6, pour permettre un démarrage du moteur thermique à chaud ne nécessitant pas un couple élevé sur le vilebrequin, ce qui est intéressant pour arrêter fréquemment ce moteur à l'arrêt du véhicule, et le redémarrer peu après de manière silencieuse. La figure 3 présente en détail la deuxième position axiale du rotor 4 après un déplacement vers la gauche présenté par la flèche G, permettant d'engrener ce rotor avec la couronne de démarreur 12. On a alors un petit pignon fixé sur le rotor 4, qui coulisse axialement et vient s'engrener avec la couronne de démarreur 12, ce qui donne une forte démultiplication produisant un couple élevé sur le vilebrequin du moteur thermique. La figure 4 présente en détail la troisième position axiale du rotor 4 après un déplacement vers la droite présenté par la flèche D, permettant d'engrener ce rotor avec la couronne 8 de l'arbre de sortie 10. Cette position permet de délivrer à partir de la machine électrique 2, un couple moteur directement sur les roues motrices 24. De plus la machine électrique 2 peut délivrer un couple directement sur les roues motrices pendant les passages de vitesse d'une boîte de vitesses automatisée, qui comporte pendant ces passages une rupture de transmission du couple du moteur thermique. On peut ainsi obtenir un meilleur confort avec cette absence de rupture de couple, ainsi que des meilleures performances. Ce mode de fonctionnement peut aussi procurer un roulage uniquement électrique, sans émission de gaz polluants, avec la transmission au point mort et le moteur thermique à l'arrêt. 2 983 133 6 En variante la liaison entre le rotor 4 de la machine électrique 2 et l'arbre de sortie 10 lié aux roues motrices 24, peut se faire avec d'autres types de liaison, comme des engrenages planétaires, ou un variateur à courroie comprenant un rapport de vitesse variable. 5 Le coulissement axial du rotor 4 est réalisé au moyen d'un actionneur piloté 20 par un calculateur de gestion du véhicule hybride, qui agit sur un levier poussant sur une butée fixée sur ce rotor pour provoquer le déplacement. Avantageusement les différents engrènements du rotor 4 de la machine 10 électrique 2, se font après une synchronisation de la vitesse de cette machine qui est commandée par le calculateur de gestion. La figure 5 présente un moteur thermique 30 disposé transversalement dans le véhicule, comprenant une poulie comportant un amortisseur de vibration 32, qui est fixée à l'extrémité du vilebrequin du côté du moteur 15 comprenant les accessoires, appelé par convention côté avant. L'autre extrémité du vilebrequin se trouvant du côté arrière, reçoit un volant moteur supportant la couronne de démarreur, qui est relié à une transmission entraînant les roues motrices du véhicule. Une première poulie du vilebrequin reçoit une courroie crantée arrière 20 34, qui entraîne l'arbre à cames par une poulie d'arbre à cames 40. La poulie amortisseur de vilebrequin 32 reçoit une courroie crantée d'entraînement des accessoires, non représentée, qui entraîne une pompe à eau 36 fixée sur un support 38 faisant partie du carter du moteur 30. Une machine électrique 2 est disposée sur le côté du moteur thermique 25 30, son rotor se prolonge axialement par un arbre relai 22 venant derrière la pompe à eau 36 suivant son axe, qui est directement lié au rotor de cette pompe à eau. Un actionneur piloté 20 est disposé autour du rotor de la machine électrique 2, pour faire coulisser axialement ce rotor. Le coulissement axial du rotor de la machine électrique 2 permet ainsi 30 dans un premier mode de fonctionnement en génératrice de courant, en remplacement de l'alternateur habituel, de lier cette machine à l'arbre de la pompe à eau 36, et au vilebrequin par la courroie d'entraînement des accessoires, pour obtenir une grande vitesse de rotation de cette machine. Le coulissement axial du rotor vers l'arrière permet dans un deuxième mode de fonctionnement en démarreur, en remplacement du démarreur se trouvant généralement au même endroit sur le côté du moteur thermique 30, d'entraîner le vilebrequin par sa couronne de démarreur pour obtenir un fort couple d'entraînement de ce moteur. Et le coulissement axial du rotor vers l'avant permet dans un troisième mode de fonctionnement en traction électrique, d'entraîner directement les roues motrices du véhicule pour apporter un complément de couple aux roues motrices, ou pour un roulage sans émission de gaz polluants. La figure 6 présente en variante un moteur thermique 30 comprenant une pompe à eau 52 qui a été déplacée de l'autre côté du moteur, par rapport à la machine électrique 2. Le support 38 prévu pour supporter la pompe à eau à son emplacement précédent est conservé, il supporte dans ce cas uniquement un palier 50 recevant l'arbre relai 22, entraîné par la courroie d'entraînement des accessoires 54. On obtient ainsi avec la machine électrique 2 suivant l'invention, une machine qui peut remplacer à la fois le démarreur et l'alternateur habituels, ce qui permet de gagner de la place, de réduire les masses, et d'offrir une possibilité de réduction des coûts. De plus cette machine électrique 2 peut apporter de nouvelles fonctions, comme la délivrance d'un couple moteur directement sur les roues motrices, sans passer par la transmission. En conclusion, l'invention propose une architecture améliorée, plus compacte, qui utilise un organe apte à remplir à la fois la fonction d'un démarreur et d'un alternateur, afin d'obtenir une chaîne de traction en limitant au nécessaire l'entraînement d'organes en mode électrique, et avec une implantation facilitée dans le bloc avant des véhicules automobiles. On peut ainsi, avec ce gain en volume, envisager d'implanter un organe supplémentaire ou plus volumineux, notamment un dispositif de dépollution, dans le bloc avant du véhicule. Cette architecture plus compacte, avec une modification dans l'emplacement du circuit d'eau du fait du possible déplacement de la pompe à eau, peut permettre aussi d'implanter plus facilement le turbocompresseur, la cartouche d'huile ... Enfin, en pouvant ainsi déplacer, notamment la boite de sortie d'eau du circuit d'eau, on peut envisager de disposer l'échangeur de recirculation des gaz d'échappement (ou EGR pour le terme anglais « Exhaust Gas Recirculation ») à la place de la boite de sortie d'eau, ce qui permet d'envisager un circuit d'EGR sans traversée de culasse et avec une liaison échangeur EGR - circuit d'eau moteur, ou encore une interface de l'échangeur EGR avec le circuit aérotherme (pour le chauffage de l'habitacle). L'organe alterno-démarreur présente ainsi trois modes de fonctionnement : un mode démarreur, un mode alternateur et un mode 10 électrique.