Brevet FR2989639A1 — publié le 20131025

CIRCUIT D'AIR COMPRIME POUR UN VEHICULE COMPRENANT UN MATERIAU A CHANGEMENT DE PHASE [0001] L'invention concerne un circuit d'air comprimé comprenant un réservoir, pour un véhicule hybride utilisant l'air comprimé comme source d'énergie complémentaire, ainsi qu'une chaîne de traction et un véhicule hybride comportant un tel circuit d'air comprimé. [0002] Certains types de véhicules hybrides utilisent un moteur à combustion interne consommant un carburant, pour délivrer une puissance à partir de cette source d'énergie principale, et de l'air comprimé constituant une source d'énergie complémentaire. L'air est comprimé par un système comprenant un compresseur relié aux roues du véhicule puis stocké dans un réservoir, ce qui permet de récupérer une énergie cinétique de ce véhicule, afin d'être restituée pour entraîner le véhicule. [0003] Un autre type de véhicule hybride connu, présenté notamment par le document US-3986575, comporte un compresseur entraîné par un moteur électrique, qui produit de l'air comprimé stocké dans un réservoir isolé thermiquement, afin de lui conserver une certaine température générée par cette compression qui est exothermique. [0004] L'air comprimé est ensuite réchauffé en circulant dans un échangeur thermique récupérant des calories sur la ligne d'échappement du moteur à combustion interne du véhicule, avant d'être utilisé par une turbine entraînant les roues motrices de ce véhicule. [0005] L'air comprimé comportant une certaine énergie venant de sa pression de stockage dans le réservoir, reçoit une énergie complémentaire venant de son réchauffement qui récupère des calories produites par le moteur thermique pour augmenter sa pression, et donc la quantité d'énergie qu'elle peut restituer. [0006] Toutefois un problème qui se pose avec un circuit d'air comprimé par un compresseur, est que pour obtenir un meilleur rendement de ce système, il faut conserver un maximum de calories produites par cette compression, et donc accepter une certaine élévation de température de l'air comprimé ainsi que des canalisations et du réservoir le contenant. [0007] On peut en particulier isoler thermiquement le circuit d'air comprimé afin de limiter les déperditions de calories vers l'extérieur, et donc la diminution de la pression de cet air. [0008] Par ailleurs, les masses constituant ce circuit, en particulier les parois du réservoir d'air comprimé et des canalisations, peuvent permettre, grâce à leur capacité calorifique, le stockage d'une certaine énergie thermique. Toutefois, cette capacité de stockage d'énergie thermique est limitée par la capacité calorifique des matériaux constituant le circuit d'air comprimé et par leurs masses, d'autant plus que l'on cherche à réduire la masse totale des véhicules. [0009] De plus, une forte augmentation de la température du circuit d'air comprimé nécessite des matériaux résistant à ces températures et entraîne des déperditions de plus en plus grandes en fonction de l'écart de température avec le milieu ambiant. [0010] L'invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. [0011] Elle propose, à cet effet, un circuit d'air comprimé pour un véhicule utilisant cet air comme source d'énergie, formant un volume fermé comprenant des canalisations et un réservoir d'air comprimé, prévu pour être relié à un système permettant de comprimer l'air pour remplir ce circuit, et de l'utiliser afin de générer une force motrice, caractérisé en ce qu'il comporte un matériau à changement de phase en contact thermiquement avec l'air comprimé. [0012] Un avantage de ce circuit d'air comprimé est qu'il peut conserver l'énergie générée par la compression de l'air, d'une part, sous forme de pression d'air stockée dans le volume intérieur et, d'autre part, sous forme d'énergie thermique conservée dans le matériau à changement de phase, qui passe d'un état solide à un état liquide à une température 2 9 8963 9 3 sensiblement constante, en absorbant une importante chaleur latente de fusion. [0013] On obtient ainsi un circuit d'air comprimé qui peut stocker une importante énergie calorifique sans monter fortement en température, ce 5 qui est favorable pour la tenue des matériaux et pour la limitation des déperditions par échange thermique avec le milieu extérieur. [0014] Le circuit d'air comprimé selon l'invention comporte de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. 10 [0015] Selon un mode de réalisation, le matériau à changement de phase est fixé sur des parois de ce circuit, à l'intérieur ou à l'extérieur du volume fermé. [0016] Selon un autre mode de réalisation, le matériau à changement de phase est inclus dans des parois. 15 [0017] Avantageusement, une isolation thermique est disposée, par rapport au volume intérieur fermé du circuit d'air comprimé, à l'extérieur du matériau à changement de phase. [0018] Avantageusement, le matériau à changement de phase comporte pour les conditions de pression de fonctionnement du circuit d'air 20 comprimé, une température de passage de l'état solide à l'état liquide qui est inférieur à 80°C. [0019] Avantageusement, le matériau à changement de phase comporte, pour les conditions de pression de fonctionnement du circuit d'air comprimé, une température d'ébullition qui est supérieure aux températures 25 les plus élevées atteintes. [0020] En particulier, le matériau à changement de phase comporte un sel hydraté. [0021] Avantageusement, le matériau à changement de phase comporte un état intermédiaire de surfusion, comprenant un état liquide dans 30 des conditions de pression et de température pour lesquelles il devrait normalement se trouver dans sa phase solide. [0022] Selon un mode de réalisation, le matériau à changement de phase comporte un sel comprenant du sodium hydraté, du triméthylol éthane hydraté, ou de l'éthanoate de sodium trihydraté. [0023] L'invention a aussi pour objet une chaîne de traction pour un véhicule hybride, disposant d'un moteur à combustion interne comprenant dans les chambres de combustion, des soupapes reliées à un circuit d'air comprimé comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. [0024] L'invention a, de plus, pour objet un véhicule automobile hybride comprenant une chaîne de traction disposant d'un circuit d'air comprimé qui comporte l'une quelconque des caractéristiques précédentes. [0025] 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 moteur à combustion interne relié à un circuit d'air comprimé selon l'invention ; et - les figures 2 à 4 sont des vues en coupe d'une paroi de ce circuit d'air comprimé, comprenant un matériau à changement de phase qui est disposé respectivement selon trois variantes de réalisation. [0026] La figure 1 présente pour un moteur à combustion interne 2 à quatre cylindres, une culasse 4 refermant les chambres de combustion de ces cylindres, comportant des soupapes. [0027] La culasse 4 comporte, pour chaque cylindre, deux soupapes d'admission 6 reliées à un collecteur d'admission 8 et une soupape d'échappement 10 reliée à un collecteur d'échappement 12. [0028] La culasse 4 comporte, de plus, pour chaque cylindre, une soupape d'air comprimé 18 reliée à une canalisation 14 conduisant à un réservoir d'air comprimé 16. La canalisation 14 et le réservoir d'air comprimé 16 constituent un circuit d'air comprimé 1 qui est calorifugé pour limiter les échanges thermiques avec le milieu ambiant. 2 98963 9 5 [0029] Le moteur à combustion interne 2 peut fonctionner de plusieurs manières. [0030] II peut fonctionner d'une manière habituelle pour un moteur à quatre temps réalisant un cycle complet sur deux tours de rotation du 5 vilebrequin, comprenant pour chaque demi-tour successivement l'admission de gaz par les soupapes d'admission 6, la compression de ces gaz, la combustion, puis l'échappement par les soupapes d'échappement 10. Dans ce mode de fonctionnement, les soupapes d'air comprimé 18 restent fermées en permanence. 10 [0031] Le moteur à combustion interne 2 peut fonctionner aussi avec un contrôle adapté des soupapes d'air comprimé 18, en mode compresseur. Pour cela, il est entraîné en rotation par les roues motrices du véhicule, ce qui permet de récupérer une énergie cinétique de ce véhicule lors des demandes de freinage par le conducteur. 15 [0032] Pour chaque cylindre, on a, sur un tour du vilebrequin, une admission d'air frais pendant la descente du piston, les soupapes d'admission 6 étant ouvertes, puis une compression de cet air et un refoulement vers le réservoir 16 pendant la montée du piston, la soupape d'air comprimé 18 étant ouverte. On stocke ainsi dans le circuit d'air 20 comprimé 1 une énergie constituée à la fois par la pression du volume d'air et par son élévation de température provenant de la compression qui est exothermique. [0033] Le moteur à combustion interne 2 peut fonctionner enfin en mode moteur sans émission de gaz polluants avec, de la même manière, un 25 contrôle adapté des soupapes d'air comprimé 18. Pour chaque cylindre, on a sur un tour du vilebrequin, d'abord une admission d'air comprimé pendant la descente du piston qui génère un couple moteur, la soupape d'air comprimé 18 étant ouverte, puis un échappement de l'air pendant la montée du piston, la soupape d'échappement 10 étant ouverte, la soupape d'air comprimé 16 30 étant fermée. 2 98963 9 6 [0034] On notera que l'énergie stockée dépend du volume du circuit d'air comprimé 1, de son niveau de pression et de la quantité de calories qui est stockée dans cet ensemble. [0035] Les figures 2 à 4 présentent différentes dispositions d'un 5 matériau à changement de phase lié aux parois du circuit d'air comprimé, qui est toujours en contact thermiquement avec la masse d'air contenue dans ce circuit. [0036] La figure 2 présente une paroi 20 formant un volume fermé contenant le matériau à changement de phase 22, qui est fixé sur cette paroi 10 à l'intérieur du volume. [0037] La figure 3 présente le matériau à changement de phase 22 qui est fixé sur la paroi 20 à l'extérieur du volume fermé, cette paroi étant thermiquement conductrice de manière à permettre un échange de calories entre le matériau et l'air sous pression contenu dans ce volume. 15 [0038] La figure 4 présente le matériau à changement de phase 22 qui est inclus dans la paroi 20, ce qui lui permet de rester en contact direct avec l'air sous pression contenu dans le volume fermé. [0039] On notera que pour ces différentes variantes, avantageusement une isolation thermique 24 est disposée par rapport au 20 volume intérieur, à l'extérieur du matériau à changement de phase 22. L'isolation thermique 24 peut recouvrir les surfaces extérieures du circuit d'air comprimé 1 comme présenté figure 2 et 4, ou peut recouvrir le matériau à changement de phase 22 comme présenté figure 3, de manière à limiter les échanges thermiques avec le milieu extérieur. 25 [0040] Le fonctionnement du circuit d'air comprimé 1 est le suivant. Pour un moteur à combustion interne comprenant un taux de compression géométrique de l'ordre de 10, la pression dans ce circuit d'air comprimé 1 peut atteindre environ 20 à 25 bars. [0041] On a en parallèle lors de cette compression un échauffement 30 de l'air qui est comprimé. Sans matériau à changement de phase, la température du circuit d'air comprimé 1 peut atteindre environ 100 °C s'il est peu isolé thermiquement, et 250 °C s'il est fortement isolé thermiquement. [0042] On choisi un matériau à changement de phase 22 comprenant, pour les conditions de fonctionnement du circuit d'air comprimé 1, de pression notamment, un passage de l'état solide à l'état liquide à une température inférieure à 80°C, qui peut être en particulier être proche de 60°C. Quand le matériau 22 atteint cette température de changement de phase, on a alors une liquéfaction de ce matériau qui reste à une température constante pendant tout le changement de phase, et absorbe une énergie importante correspondant à sa chaleur latente de fusion. [0043] De cette manière, on limite l'échauffement de l'air sous pression du circuit d'air comprimé 1, ce qui facilite le choix des matériaux pour la conception de ce circuit et diminue les pertes de calories vers le milieu ambiant, qui sont proportionnelles au carré de la différence de température. [0044] Ensuite, on a, lors de la détente endothermique de l'air comprimé dans le moteur à combustion interne 2, pour générer un couple moteur, quand la température du matériau à changement de phase 22 passe en dessous de sa température de solidification, une restitution d'énergie thermique venant du changement de phase. On récupère ainsi une quantité d'énergie correspondant à la chaleur latente dégagée par la solidification. [0045] D'une manière générale, les différents matériaux comportant une température de changement d'état adaptée pour cette application, une chaleur latente de changement de phase assez importante, ainsi qu'une température d'ébullition supérieure aux températures les plus élevées atteintes, peuvent convenir. [0046] Un premier type de matériau particulièrement adapté comporte un sel qui peut se trouver dans un état intermédiaire de surfusion, comprenant un état liquide dans des conditions de pression et de température pour lesquelles il devrait normalement se trouver dans sa phase solide. A partir de cet état de surfusion, une perturbation extérieure comme une petite énergie d'activation ou l'apport d'un germe, provoque une cristallisation de ce matériau. [0047] Différents types de sels peuvent convenir comme le sodium hydraté, le triméthylol éthane hydraté, et l'éthanoate de sodium trihydraté, nommé aussi acétate de sodium trihydraté. [0048] En particulier, l'acétate de sodium trihydraté est un produit peu dangereux, peu réactif et non inflammable, comprenant un point de fusion théorique de 58°C, avec la possibilité d'un état de surfusion, et un point d'ébullition de 123°C. Lorsqu'il est chauffé à l'état cristallisé, à partir de 58°C, on obtient un état métastable où il absorbe de la chaleur, pour donner un éthanoate de sodium et de l'eau. [0049] Un deuxième type de matériau adapté pour cette application, comporte des sels hydratés classiques, ne comportant pas d'état intermédiaire de surfusion. Un troisième type de matériau adapté, comporte des alliages moléculaires qui permettent de choisir la température de fusion et la plage de fusion. [0050] Le changement de phase d'un matériau de fusion d'un état à l'autre peut se répéter un nombre de fois non limité, ce qui donne un système pouvant comporter une durée de vie importante. [0051] On peut utiliser en particulier le matériau à changement de phase pour lisser les températures du stockage d'air comprimé, en limitant les hausses ou les baisses de cette température lors du stockage ou du déstockage de l'air, ce qui préserve de plus la tenue des matériaux du circuit d'air comprimé. [0052] On peut utiliser les changements de phase de manière fréquente pendant les cycles de fonctionnement du véhicule hybride. On peut aussi les utiliser après un arrêt du véhicule pendant un certain temps, pour réchauffer l'air comprimé dans le réservoir 16 qui s'est refroidi pendant cet arrêt, afin de remonter sa température, et d'obtenir une pression plus élevée permettant d'effectuer un démarrage du moteur à combustion interne à l'aide de l'énergie pneumatique.