Brevet FR2999990A1 — publié le 20140627

MOTEUR HYBRIDE PNEUMATIQUE-THERMIQUE Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un moteur hybride pneumatique-thermique, qui récupère de l'énergie via un compresseur d'air et qui stocke cette énergie sous forme d'air comprimé et où la compression est faite en utilisant les cylindres. L'invention concerne plus particulièrement l'atténuation d'onde acoustique dans le circuit d'air comprimé du moteur hybride pneumatique-thermique. Arrière-plan technologique Les nouvelles motorisations doivent répondre à une problématique de plus en plus contraignante, notamment à des limites réglementaires d'émissions de polluants et des émissions de CO2 de plus en plus sévères. Ces contraintes nous poussent à optimiser le moteur thermique dans son fonctionnement, et ce, pour toutes ses phases de vie. L'une des fonctions premières du moteur thermique conventionnel est de fournir du couple aux roues du véhicule pour le faire avancer. Ce couple sert essentiellement à vaincre les diverses forces résistives de frottement et pour vaincre l'inertie du véhicule. L'énergie apportée sous forme de couple par le moteur est convertie en partie en énergie cinétique. Sur les phases de décélération et de freinage, le moteur n'apporte plus de couple aux roues. La décélération du véhicule se fait naturellement grâces aux divers frottements sur les levées de pied et grâce aux systèmes de freins pour les freinages plus forts. Lors de ces phases de freinage, l'énergie cinétique du véhicule est transformée par les freins en chaleur dissipée dans l'environnement proche. II existe des systèmes de récupération de l'énergie cinétique au freinage. Ces systèmes ont pour principe de récupérer l'énergie cinétique du véhicule sur les phases de décélération et de stocker cette énergie sous une nouvelle forme pour la réutiliser lors d'autres phases de vies du véhicule, lors d'une accélération par exemple. Nous pouvons citer par exemple :35 - le KERS (ou Kinetic Energy Recovery System en anglais) qui récupère l'énergie cinétique du véhicule et qui stocke cette énergie sous forme d'énergie cinétique tournante, - l'hybridation électrique qui récupère l'énergie cinétique du véhicule via un générateur électrique et qui stocke cette énergie sous forme électrique, - l'hybridation pneumatique qui récupère l'énergie cinétique du véhicule via un compresseur d'air et qui stocke cette énergie sous forme d'air comprimé. Le concept d'hybridation pneumatique consiste à utiliser le couple résistif en entrée du groupe motopropulseur par exemple sur des phases de freinage pour comprimer de l'air et le stocker dans un réservoir. Cette compression peut se faire en utilisant les cylindres moteur à condition de disposer d'une soupape dédiée à la charge et décharge d'air comprimé. Un mode de réalisation de ce concept est connu par exemple du document FR2865769. Sur les phases d'accélération et de roulage faible vitesse, l'air comprimé stocké dans le réservoir peut être utilisé pour produire un couple positif. On a ainsi un mode de fonctionnement pneumatique dit « pompe pneumatique » dans lequel de l'air est chargé du cylindre dans le réservoir et un mode de fonctionnement pneumatique dit «moteur pneumatique» dans lequel de l'air est déchargé du réservoir dans le cylindre. Une représentation de principe d'un moteur hybride pneumatique-thermique utilisant les cylindres moteur comme moyen de compression est proposée en figure 1. Le moteur hybride pneumatique-thermique représenté schématiquement sur la figure 1 comporte de façon classique un bloc moteur comprenant une culasse 1 et des cylindres 2. Chaque cylindre comporte dans le cas ici représenté deux soupapes d'admission d'air 3, une soupape d'échappement 4, et une soupape de charge et décharge 5 d'air comprimé. Les soupapes d'admission 3 et d'échappement 4 coopèrent avec un dispositif de distribution, par exemple par arbres à cames, non représenté qui permet l'ouverture et la fermeture de ces soupapes en fonction de la position du piston dans le cylindre 2. La soupape de charge et décharge 5 d'air comprimé coopère avec un dispositif de distribution propre, non représenté, qui permet son ouverture et sa fermeture en fonction des besoins de charge et de décharge de gaz sous pression, besoins qui ne dépendent pas essentiellement de la position du piston dans le cylindre 2. Le moteur comprend encore un répartiteur d'air d'admission 6 permettant la distribution d'air d'admission dans les cylindres 2 par l'intermédiaire des soupapes d'admission 3, un collecteur d'échappement 7 permettant l'évacuation des gaz d'échappement des cylindres 2 par l'intermédiaire de la soupape d'échappement 4. Comme le montre encore la figure 1, un tel moteur hybride pneumatique-thermique comporte aussi un réservoir 8 de stockage des gaz sous pression. Ce réservoir 8 de stockage de gaz sous pression est relié aux cylindres 2 par un circuit 9 de passage de gaz, au niveau de leur soupape 5 de charge et de décharge de gaz sous pression. Pour ce concept où la compression est faite en utilisant les cylindres 2, la pression maximale dans le réservoir dépend directement du taux de compression du moteur. Par exemple, pour un moteur essence avec un taux de compression de 11, la pression maximum atteinte dans le réservoir sera de l'ordre de 20 bar. Au-delà de cette pression, le moteur en mode pompe pneumatique, c'est à dire de récupération d'énergie par compression d'air, ne sera plus en mesure de chasser l'air vers le réservoir d'air comprimé. A ces niveaux de pression, lors de l'activation de la soupape de décharge au cours par exemple d'un fonctionnement en mode moteur pneumatique, une onde acoustique est créée dans le circuit de gaz sous pression comme le montre sur la figure 2 l'évolution temporelle de la pression dans le circuit de gaz. Le temps caractéristique des oscillations de pression est du même ordre de grandeur que le temps d'ouverture de la soupape de décharge 5. Quand les soupapes 5 de charge et de décharge s'ouvrent, l'acoustique générée par leurs ouvertures influence le remplissage des cylindres 2 en air. En effet, suivant l'instant d'ouverture de ces soupapes 5, la pression dans le circuit 9 de gaz vue par les cylindres 2 sera fortement variable avec des variations pouvant aller dans le cas présenté en figure 2 de plus ou moins 2 bar par rapport à la pression dans le réservoir 8. L'acoustique générée peut ainsi être favorable ou défavorable au remplissage, ce qui se traduit directement sur une variation du couple de moteur de l'ordre de 15 à 20% en mode moteur pneumatique. Les caractéristiques acoustiques du circuit d'air comprimé peuvent ainsi influencer la loi de remplissage du moteur, phénomène qui est accru par les fortes pressions de stockage dans le réservoir en mode pneumatique. L'objectif est de limiter le risque lié aux caractéristiques acoustiques du circuit pneumatique qui peuvent introduire de l'incertitude dans le remplissage et le couple généré en mode moteur pneumatique. En effet, aujourd'hui, les moteurs sont pilotés en couple. Afin de piloter correctement le moteur il est nécessaire de bien connaitre la relation entre le couple et les différents paramètres de fonctionnement du moteur. Le nombre de paramètres physiques du système (température, pression, régime...) ne permet pas d'estimer avec une précision suffisante ces oscillations de pression d'où l'intérêt de les minimiser. L'objectif est aussi d'améliorer le contrôle en couple du moteur dans le mode moteur pneumatique. Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un moteur hybride thermique- pneumatique comprenant une culasse et un cylindre, un réservoir de stockage de gaz sous pression relié au cylindre par un circuit de passage des gaz sous pression, caractérisé en ce que le circuit comprend un dispositif d'atténuation d'onde acoustique. Dans une variante, le dispositif d'atténuation d'onde acoustique comprend un système passif d'atténuation d'onde acoustique disposé dans une canalisation du circuit de passage des gaz, le système passif étant choisi parmi un ensemble convergent-divergent ou une réduction de section constante sur une portion du passage des gaz. Selon une autre variante, le dispositif d'atténuation d'onde acoustique comprend un système passif d'atténuation d'onde acoustique disposé dans une canalisation du circuit de passage des gaz, le système passif étant choisi parmi un divergent, un saut de section suivi d'un divergent, un double saut de section suivi d'un divergent, la divergence étant orientée relativement au sens de l'écoulement du gaz quand le gaz se déplace du réservoir vers le cylindre. De préférence dans cette variante, le système passif est un saut de section suivi d'un divergent, la divergence étant orientée relativement au sens de l'écoulement du gaz quand le gaz se déplace du réservoir vers le cylindre. De préférence, dans le cas où le moteur comprend au moins deux cylindres et le circuit de passage de gaz comprend une canalisation commune reliée au réservoir et des canalisations dédiées reliées aux cylindres, le dispositif d'atténuation d'onde acoustique comprend un volume de tranquillisation disposée dans le circuit de passage de gaz entre la canalisation commune et les canalisations dédiées. De préférence encore, le volume du volume de tranquillisation est au moins égal à la cylindrée unitaire du moteur. De préférence, le dispositif d'atténuation d'onde acoustique est disposé à l'extérieur de la culasse. De préférence, le dispositif d'atténuation d'onde acoustique est adapté à un régime moteur inférieur à 2000 tr/min. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 présente un schéma de principe d'un moteur hybride pneumatique selon l'art antérieur. - La figure 2 présente une évolution temporelle d'oscillation de pression dans le circuit de gaz sous pression d'un moteur hybride pneumatique selon l'art antérieur lors d'un fonctionnement en mode moteur pneumatique. En abscisse l'évolution temporelle est représentée relativement classiquement en position angulaire vilebrequin DV. - La figure 3 présente un schéma de principe d'un premier mode de réalisation d'un moteur hybride pneumatique selon l'invention. - La figure 4 présente un schéma de principe d'un second mode de réalisation d'un moteur hybride pneumatique selon l'invention - La figure 5 présente un schéma de principe d'un troisième mode de réalisation d'un moteur hybride pneumatique selon l'invention. - Les figures 6a à 6e présentent différents systèmes passifs d'atténuation d'onde acoustique. - La figure 7 présente plus en détail un système d'atténuation du type présenté en figure 6d. - La figure 8 présente les effets d'un système d'atténuation du type présenté en figure 6d sur la pression dans le circuit de passage de gaz. - La figure 9 présente les effets d'un système d'atténuation du type présenté en figure 6d sur la pression moyenne indiquée pour une montée en régime en mode moteur pneumatique. Description détaillée La figure 3 présente un premier mode de réalisation d'un moteur hybride pneumatique-thermique conforme à l'invention. Dans ce premier mode de réalisation, le moteur hybride pneumatique-thermique comporte un bloc moteur comprenant une culasse 1 et au moins un cylindre 2, en l'occurrence quatre dans l'exemple illustré en figure 3. Chaque cylindre 2 accueille un piston (non représenté), définissant chacun avec la culasse 1 une chambre de combustion. Chaque cylindre 2 comporte dans le cas ici représenté au moins une soupape d'admission d'air 3, en l'occurrence deux dans l'exemple illustré en figure 3, au moins une soupape d'échappement 4, et une soupape de charge et décharge 5 de gaz sous pression. Les soupapes d'admission 3 et d'échappement 4 coopèrent avec un dispositif de distribution, par exemple par arbres à cames, non représenté qui permet l'ouverture et la fermeture de ces soupapes en fonction de la position du piston dans le cylindre 2. La soupape de charge et décharge 5 coopère avec un dispositif de distribution propre, non représenté, qui permet son ouverture et sa fermeture en fonction des besoins de charge et de décharge de gaz sous pression, besoins qui ne dépendent pas essentiellement de la position du piston dans le cylindre 2. Le dispositif de distribution de la soupape de charge et décharge 5 peut être un dispositif mécanique (mécanique pur, hydraulique, pneumatique), électrique, magnétique ou employer la combinaison d'au moins deux dispositifs précités. Comme le montre encore la figure 3, le moteur hybride pneumatique-thermique comprend aussi un répartiteur d'air d'admission 6 permettant la distribution d'air d'admission dans les cylindres 2 par l'intermédiaire des soupapes d'admission 3, un collecteur d'échappement 7 permettant l'évacuation des gaz d'échappement des cylindres 2 par l'intermédiaire de la soupape d'échappement 4. Le moteur comporte aussi un réservoir 8 de stockage de gaz sous pression. Le réservoir 8 est relié aux cylindres 2, par l'intermédiaire d'un circuit 9 de passage de gaz sous pression. Le circuit 9 de passage de gaz sous pression est relié aux chambres de combustion au niveau de leur soupape de charge et de décharge 5. Le circuit 9 de passage de gaz comprend une canalisation 9' commune reliée au réservoir 8 et des canalisations 9" dédiées reliées aux cylindres 2, à raison d'une canalisation 9" dédiée par cylindre 2. Conformément à l'invention, le circuit 9 de passage de gaz comprend un dispositif d'atténuation d'onde acoustique. Dans ce premier mode de réalisation le dispositif d'atténuation d'onde acoustique comprend un volume 10 de tranquillisation disposée dans le circuit 9 de passage de gaz entre la canalisation 9' commune et les canalisations 9" dédiées. Le volume 10 de tranquillisation fait la liaison entre la canalisation 9' commune et les canalisations 9" dédiées. Un tel volume de tranquillisation est ici un moyen simple, et peu coûteux pour atténuer en partie les ondes acoustiques générée lors du fonctionnement du moteur hybride pneumatique-thermique en mode pneumatique ou en mode moteur pneumatique. Le volume de tranquillisation est disposé à l'extérieur de la culasse 1. De préférence, le volume du volume 10 de tranquillisation est au moins égal à la cylindrée unitaire du moteur. Le volume du volume de tranquillisation correspond à une réserve d'air suffisante pour stocker l'air d'un cylindre, soit un volume au minimum égal à la cylindrée unitaire. Si le volume du volume 10 10 est inférieur à la cylindrée unitaire, cet élément ne peut pas agir comme zone tampon dont le rôle est d'amortir la dynamique du flux venant du cylindre et ainsi amortir l'acoustique résultante. La figure 4 présente maintenant un second mode de réalisation conforme à l'invention. Ce second mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation présenté en figure 3 en ce que le dispositif d'atténuation d'onde acoustique est complété par un système passif 11 d'atténuation d'onde acoustique disposé au niveau de la canalisation commune 9' permettant le passage des gaz sous pression en provenance ou vers le réservoir 8. Dans la configuration présentée en figure 4, le système 11 peut être un de ceux présentés en demi-section aux figures 6a à 6e. Dans configuration, le système passif 11 d'atténuation d'onde acoustique est disposé à l'extérieur de la culasse et permet de profiter du volume de tranquillisation pour amplifier l'effet d'atténuation de l'onde. Pour des raisons de compacité et de facilité de d'implantation, un unique système passif 11 peut être prévu. La figure 6a présente un système passif d'atténuation d'onde acoustique composé d'un divergent, c'est-à-dire une augmentation progressive de section de passage des gaz. Afin de d'atténuer les ondes acoustiques et favoriser le contrôle du remplissage du cylindre 2 (figure 4) lors d'un fonctionnement en mode moteur pneumatique, la divergence est orientée dans la canalisation 9' relativement au sens de l'écoulement quand le gaz se déplace du réservoir 8 vers le cylindre 2. La figure 6b présente un système passif d'atténuation d'onde acoustique composé d'un ensemble convergent- divergent et la figure 6c présente un système passif d'atténuation d'onde acoustique composé d'une réduction de section constante sur une portion du passage des gaz. Les systèmes passifs des figures 6b et 6c ont pour avantage d'être symétriques et donc d'avoir des propriétés d'atténuation des acoustiques sensiblement identiques selon que le gaz circule (cf. figure 4) des cylindres 2 vers le réservoir 8 en mode pompe pneumatique ou que le gaz circule du réservoir 8 vers les cylindres 2 en mode moteur pneumatique. La figure 6d présente un système passif d'atténuation d'onde acoustique composé d'un saut de section, autrement dit une réduction brusque de section de passage des gaz suivi d'un divergent. Dans cette configuration, le divergent suit immédiatement le saut de section. La figure 6e présente un système passif d'atténuation d'onde acoustique composé d'un double un double saut de section suivi d'un divergent, autrement dit deux fois consécutivement le système présenté à la figure 6d. Les systèmes présentés aux figures 6 d et 6d n'étant pas symétriques, afin de privilégier l'atténuation d'onde acoustique et favoriser le contrôle du remplissage du cylindre 2 (figure 4) lors d'un fonctionnement en mode moteur pneumatique, la divergence est orientée dans la canalisation 9' (cf. figure 4) relativement au sens de l'écoulement du gaz quand le gaz se déplace du réservoir 8 vers le cylindre 2. La figure 5 présente maintenant un troisième mode de réalisation conforme à l'invention. Ce troisième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation présenté en figure 3 en ce que le dispositif d'atténuation d'onde acoustique est complété par un système 11' passif d'atténuation d'onde acoustique disposé au niveau des canalisations 9" dédiées aux cylindres 2 et permettant le passage des gaz sous pression en provenance du réservoir 8 vers chaque cylindre ou de chaque cylindre 2 vers le réservoir 8. Dans la configuration présentée en figure 4, le système passif 11' peut être un de ceux présentés en demi-section aux figures 6a à 6e. Il est apparu que le système présenté à la figure 6d est le plus efficace au regard de sa capacité à atténuer efficacement les ondes acoustiques sur une large bande de fréquence et donc, la fréquence des ondes acoustiques étant directement dépendantes du régime moteur, sur une large plage de régime moteur. Ce système, comme le montre plus précisément la figure 7, se modélise par un solide de révolution composé d'un saut de diamètre d'une section S1 en amont du saut à une section S2 de la restriction de diamètre suivi d'un divergent de la section S2 à une section S3. L'étude théorique suivante indique que le saut de diamètre ainsi que l'angle du divergent permet de définir l'atténuation subit par l'onde acoustique. La matrice de transfert d'un état (pression, vitesse) (ul, pl) à un état (u2, p2) au travers du saut de diamètre s'exprime par l'équation suivante : (1 Kd M2 Z2 r, (1) (1(-1)K d N4 1-12 (Tsaut,11 Tsaut,12 * (132 1 = - 2 'saut,21 'saut,221 u21 Avec : Kd = (1-S2/S1)/2, le diamètre diminuant dans le saut, M2, le nombre de Mach à la sortie du changement de section, Z2, l'impédance acoustique complexe, le coefficient isentropique, La matrice de transfert d'un état (pression, vitesse) (u2, p2) à un état (u3, p3) au travers du divergent est donnée par l'équation suivante : (P2 \ r z ^ sin(ko z cos(koL) L) jZd sin(koL) z1 kozi z1 = . r r / ^ 1 sin(koL) r1 z1 coskoL) sin(k°L)+ z1 cos(koL) 1 ± Zd 2 \,. kz1z2i z k z koZi Z2 2 i 0 1 i Soit encore : /P T T (2) ' divergent,11 2 divergent,12 2 Tdivergent,21 'divergent ,22 1.33 Avec : Zd , l'impédance acoustique complexe du divergent, L, la longueur du divergent, zi, comme présenté à la figure 7, représente la longueur tronquée du divergent et z2 la longueur totale incluant zi du divergent. Autrement dit z2 = L +zi. ko = 2nfic, avec c la vitesse du son et f la fréquence, Dans un dispositif dont on connait la matrice de transfert, l'atténuation de l'onde, LD exprimé en décibel est donnée par la relation suivante : LD = 20 log (3) En faisant une hypothèse où la fréquence f est considérée comme faible ce qui est valable dans le cas d'un régime moteur inférieur à 2000tr/min, les équations 1 et 2 se simplifient. Ainsi, l'atténuation de l'onde au travers du saut de diamètre s'exprime par la relation suivante : LD = 20 log11 + KdM21 (4) De la même manière, l'atténuation de l'onde au travers du divergent s'exprime par la relation suivante : LD = 2010g z2 (5) z1 Les équations 4 et 5 montrent que le système atténuateur est indépendant de la fréquence de l'onde considérée. Les principales caractéristiques d'un tel système d'atténuation d'onde acoustique seront un fort changement de section, de sorte à réduire le facteur Kd et un fort divergent, de sorte à diminuer le rapport z2/z1. Avec un tel système, la pression dans le circuit 9 de passage de gaz sous pression est fortement tranquillisée comme le montre la figure 8. Sur la figure 8, la courbe 12 représente l'évolution de la pression dans le circuit 9 de passage de gaz sans atténuateur, la courbe 13 représente l'évolution de la pression dans le circuit 9 de passage de gaz avec atténuateur, la courbe 14, la pression moyenne dans le réservoir 8. Avec un tel système d'atténuation, une dépression est observée à l'ouverture, OS, de chaque soupape 5 de charge, cependant la pression dans le circuit 9 est très vite stabilisée autour de la pression moyenne du réservoir 8. L'effet de la tranquillisation de la pression dans le circuit 9 de passage des gaz se traduit directement en mode moteur pneumatique sur le contrôle de la Pression Moyenne Indiquée (ou PMI), soit le couple moteur. La figure 9 présente une montée en régime de 1000 à 2000 tr/min en mode moteur pneumatique. Sur la figure 9, la courbe 15 représente la PMI mesurée sans l'atténuateur et sur la courbe 16 la PMI mesurée avec l'atténuateur. Comme le montre la figure 9, la PMI est bien plus linéaire, et donc plus facilement contrôlable, avec la présence de l'atténuateur que sans sa présence. L'invention présente l'avantage d'être simple et robuste par l'utilisation d'un système passif sans pièce mécanique mobile.10 REVENDICATIONS1. Moteur hybride pneumatique-thermique comprenant une culasse (1) et un cylindre (2), un réservoir (8) de stockage de gaz sous pression relié au cylindre (2) par un circuit (9) de passage des gaz sous pression, caractérisé en ce que le circuit (9) comprend un dispositif d'atténuation d'onde acoustique. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'atténuation d'onde acoustique comprend un système (11, 11') passif d'atténuation d'onde acoustique disposé dans une canalisation (9', 9") du circuit (9) de passage des gaz, le système (11, 11') passif étant choisi parmi un ensemble convergent-divergent ou une réduction de section constante sur une portion du passage des gaz. 3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'atténuation d'onde acoustique comprend un système (11, 11') passif d'atténuation d'onde acoustique disposé dans une canalisation (9', 9") du circuit (9) de passage des gaz, le système (11, 11') passif étant choisi parmi un divergent, un saut de section suivi d'un divergent, un double saut de section suivi d'un divergent, la divergence étant orientée relativement au sens de l'écoulement du gaz quand le gaz se déplace du réservoir (8) vers le cylindre (2). 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le système (11, 11') passif est un saut de section suivi d'un divergent, la divergence étant orientée relativement au sens de l'écoulement du gaz quand le gaz se déplace du réservoir (8) vers le cylindre (2). 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur comprenant au moins deux cylindres (2) et le circuit (9) de passage de gaz comprenant une canalisation (9') commune reliée au réservoir (8) et des canalisations (9") dédiées reliées aux cylindres (2), le dispositif d'atténuation d'onde acoustique comprend un volume (10) de tranquillisation disposée dans le circuit (9) de passage de gaz entre la canalisation (9') commune et les canalisations (9") dédiées. 6. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le volume du volume (10) de tranquillisation est au moins égal à la cylindrée unitaire du moteur. 7. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'atténuation d'onde acoustique est disposé à l'extérieur de la culasse (1). 8. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'atténuation d'onde acoustique est adapté à un régime moteur inférieur à 2000 tr/min.