Brevet FR3009580A1 — publié le 20150213

MOTEUR HYBRIDE THERMIQUE PNEUMATIQUE A ELEMENTS DE STOCKAGE D'ENERGIE THERMIQUE Domaine technique de l'invention pool La présente invention se rapporte au domaine des moteurs hybride thermique- pneumatique 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 selon un mode dit moteur pneumatique. [0002] L'invention concerne plus particulièrement le stockage de l'énergie thermique produite en mode moteur pneumatique. Arrière-plan technologique [0003] 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. [0004] Ces contraintes nous poussent à optimiser le moteur thermique dans son fonctionnement, et ce, pour toutes ses phases de vie. [0005] 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. [0006] 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. [0007] 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 : - 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. [00os] 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. [0009] 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. [001 0] 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. [0ou] Une représentation de principe d'un moteur hybride pneumatique-thermique utilisant les cylindres moteur comme moyen de compression est proposée en figure 1. [0012] 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 additionnelle de charge et de 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. [0013] 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. [0014] Dans ce concept de moteur hybride thermique-pneumatique, l'énergie récupérée est donc stockée sous forme d'air comprimé, c'est-à-dire sous une forme combinée de pression (masse) et de température (enthalpie). Par exemple, pour une pression d'air comprimé de 20 bars, la température associée peut atteindre 450°C. Le stockage de la pression est un stockage durable, à condition de maîtriser les fuites et de conserver la masse d'air. Le stockage de la température est plus difficile à garantir dans le temps car il suppose un calorifugeage idéal du réservoir 8 et du circuit 9. [0015] Par ailleurs, le circuit 9 doit traverser la culasse 1 pour connecter les soupapes 5 de charge au réservoir 8. Or, classiquement la culasse 1 est refroidie par eau et est en métal, par exemple en aluminium, qui est un matériau conducteur. Les échanges thermiques entre l'air comprimé chaud et la culasse 1 vont être élevés et de l'énergie sera perdue lors du stockage et du déstockage d'air comprimé. L'efficacité globale du système va être réduite par l'ensemble des pertes thermiques de l'air comprimé et particulièrement par les pertes thermiques dans la culasse car l'énergie perdue ne pourra pas être utilisée en phase moteur pneumatique. [0016] De plus, sur véhicule, le peu d'espace disponible limite la taille du réservoir, ce qui limite la quantité d'énergie maximum stockée sous forme de pression et donc l'efficacité globale du système. L'implantation d'un tel réservoir sur véhicule pose d'autres problèmes : les fortes températures et pression d'air comprimé sont contraignantes dans le choix des matériaux, la forme et le dimensionnement du réservoir, l'isolation thermique du réservoir et des conduits du circuit est difficile à mettre en oeuvre sans augmenter le coût, la masse et l'encombrement ou la complexité du système de stockage d'énergie. [0017] Afin d'augmenter la capacité de stockage de l'énergie récupérée, on connait du document GB2428653 un système de stockage d'énergie thermique disposé sur la conduite d'air comprimé menant au réservoir, cependant une telle disposition ne permet pas de récupérer l'énergie thermique perdue lors du passage de l'air comprimé dans la culasse. [0ols] Il existe donc un besoin pour améliorer le stockage de l'énergie en particulier sous forme thermique produite par un moteur hybride thermique pneumatique en mode 5 pompe pneumatique. [0019] 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 aux cylindres par un circuit de passage des gaz sous pression, le circuit de passage de gaz comprenant une canalisation commune reliée au réservoir et 10 une canalisation dédiée reliant au travers de la culasse le cylindre par une soupape de charge et de décharge, caractérisé en ce que la canalisation dédiée comprend dans sa partie passant dans la culasse un élément de stockage de chaleur destiné à être traversé par les gaz sous pression. [0020] L'effet technique est de capter la chaleur de l'air comprimé est donc d'empêcher 15 cette énergie d'être perdue par la culasse. On améliore ainsi la performance énergétique du système hybride thermique pneumatique. [0021] Dans une variante ou le moteur comprend plusieurs cylindres et le circuit de passage de gaz comprend des canalisations dédiées reliant les cylindres par la culasse, à raison d'une canalisation par cylindres, chaque canalisation dédiée comprend un élément 20 de stockage de chaleur. [0022] Dans une autre variante, les parois de la culasse formant la partie de la canalisation dédiée comprenant l'élément de stockage de chaleur sont isolées thermiquement par une lame d'air tout autour de l'élément de stockage de chaleur, l'élément de stockage de chaleur étant retenu par au moins une bague de maintien. 25 [0023] De préférence, la bague de maintien est dans un matériau apte à tolérer les dilatations différentielles de la culasse et de l'élément de stockage de chaleur lorsque le moteur est en fonctionnement. [0024] Dans une autre variante, les parois de culasse formant la partie de la canalisation (9") dédiée comprise entre la soupape de charge et l'élément de stockage 30 d'énergie thermique sont isolées thermiquement. [0025] De préférence, l'isolation thermique est réalisée par une lame d'air derrière une paroi creuse. [0026] Dans une autre variante, l'élément de stockage de chaleur est en acier inoxydable. [0027] Dans une autre variante, l'élément de stockage comprend un gradient de densité de surface d'échange. [0028] Dans une autre variante, l'élément de stockage de chaleur comprend des moyens de limitation de la diffusion thermique axiale. [0029] Dans une autre variante, le réservoir de stockage est en plastique. Brève description des dessins [0030] 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 thermique-pneumatique selon l'art antérieur. - La figure 2 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un moteur hybride thermique-pneumatique selon l'invention. - La figure 3 une représentation schématique d'un agencement de l'élément de stockage de chaleur dans le moteur hybride thermique-pneumatique. Description détaillée [0031] La figure 2 présente un 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 des 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. [0032] 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 2, au moins une soupape d'échappement 4, et une soupape de charge et décharge 5 de gaz sous pression. [0033] Les soupapes d'admission 3 et d'échappement 4 coopèrent avec un dispositif de distribution, par exemple un dispositif de distribution 20 par arbres à cames tel que représenté en figure 3, 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, par exemple un dispositif de distribution 21 mécanique (mécanique pur, hydraulique, pneumatique), électrique, magnétique ou employer la combinaison d'au moins deux dispositifs précités (figure 3), 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. [0034] Comme le montre encore la figure 2, 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. [0035] 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. [0036] 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. [0037] Afin d'améliorer la capacité et du stockage d'énergie sans augmenter le volume fonctionnel du réservoir 8, il est prévu, conformément à l'invention, de disposer dans la partie de la canalisation 9" dédiée passant dans la culasse 1 un élément 10 de stockage d'énergie thermique destiné à être traversé par les gaz sous pression. [0038] De façon à maximiser la quantité d'énergie thermique récupérée, stockée, puis restituée, il est préférable de disposer l'élément 10 de stockage d'énergie thermique au plus près de la soupape 5 de charge et de décharge, ainsi on minimise les transferts thermique de l'air comprimé lors d'une phase de fonctionnement en mode pompe pneumatique ou en mode moteur pneumatique entre la soupape 5 de charge et décharge. Aussi, dans le cas où, comme illustré en figure 2, le moteur hybride thermique pneumatique comprend plusieurs cylindres 2, le circuit 9 de passage de gaz comprenant des canalisations 9" dédiées reliant les cylindres 2 par la culasse 1, à raison d'une canalisation 9" dédiée par cylindres, il est prévu de disposer dans chaque canalisation 9' dédiée un élément 10 de stockage d'énergie thermique. [0039] Afin de réduire les pertes thermiques, les parois de la culasse 1 formant la partie 9a de la canalisation 9" dédiée comprise entre la soupape 5 de charge et l'élément 10 de stockage d'énergie thermique peuvent être isolées thermiquement. L'isolant peut être formé d'un matériau isolant ou peut être une lame d'air derrière une paroi creuse. [0040] Les éléments 10 de stockage de chaleur fonctionnent comme des accumulateurs d'énergie thermique en utilisant la chaleur sensible d'un ou plusieurs matériaux. L'énergie est captée, durant les phases de pompe pneumatique pendant lesquelles est généré un débit d'air comprimé du cylindre 2 vers le réservoir 8, au sein du stockeur 10 thermique pour être restituée lors de phases de moteur pneumatique pendant lesquelles est généré un débit d'air comprimé du réservoir 8 vers le cylindre 2. [0041] Lors d'une phase pompe pneumatique, l'air comprimé chaud et sous pression va traverser l'élément 10 de stockage de chaleur. Si, par exemple, le stockeur thermique a une température initiale proche de la température ambiante, l'air chaud va échanger de l'enthalpie avec l'élément 10 de stockage. Au fur et à mesure que l'air comprimé traverse avec l'élément 10 de stockage de chaleur, cet air va lui céder de l'enthalpie. Cet air sortira de l'élément 10 de stockage de chaleur à la température ambiante côté réservoir en ayant cédé une partie de son énergie. Si le flux d'air comprimé continue à traverser l'élément 10 de stockage de chaleur durant plusieurs secondes, un gradient de température va se créer dans le matériau de l'élément 10. Ce gradient va progresser dans tant que le sens du flux d'air comprimé va des cylindres 2 vers le réservoir 8 (phase pompe pneumatique). [0042] Une fois la phase pompe pneumatique terminée, un gradient de température est installé dans le stockeur thermique. Lors de la phase moteur pneumatique suivante, l'air comprimé à température ambiante stocké dans le réservoir 8 va traverser l'élément 10 de stockage de chaleur en sens inverse (i.e. du réservoir 8 vers les cylindres 2) et va se « charger » en enthalpie suivant un processus inverse à celui décrit pour le mode pompe pneumatique. L'air comprimé sortira, tout d'abord, à la température maximum, puis, la température de l'air comprimé en sortie d'élément 10 de stockage de chaleur va décroitre au fur et à mesure que l'enthalpie stockée diminue. [0043] Afin de réduire encore les pertes thermiques, les parois de la culasse 1 formant la partie 9b de la canalisation 9" dédiée comprenant l'élément 10 de stockage de chaleur peuvent être isolées thermiquement. L'isolation thermique peut être assurée par d'un matériau isolant, disposé tout autour de l'élément 10 de stockage de chaleur, entre l'élément 10 de stockage de chaleur et les parois de la culasse 1. Dans ce cas, le matériau isolant, de par sa solidité, assure aussi le maintien de l'élément 10 de stockage de chaleur dans sa canalisation 9". [0044] Comme illustré sur la figure 3, L'isolation thermique peut être très avantageusement assurée par une lame d'air 11 disposée tout autour de l'élément 10 de stockage de chaleur entre les parois de la culasse 1 et ledit élément de 10 de stockage de chaleur. Dans ce cas, il est prévu d'assurer la fixation de l'élément 10 de stockage de chaleur et l'étanchéité à l'aide d'au moins une bague 12 de maintien. Sur la figure 5, une seule bague de maintien est disposée à l'extrémité l'élément 10 de stockage de chaleur orientée du côté du réservoir 8. Cet agencement est avantageux car il faut éviter de trop contraindre mécaniquement l'élément 10 de stockage de chaleur car il va y avoir de forte dilatations différentielles entre la culasse et l'élément 10 de stockage de chaleur et au sein même de celui-ci. Il est donc préférable de maintenir l'élément 10 de stockage de chaleur par une seule fixation, idéalement située du côté le plus froid avec le moins de dilatation, c'est-à-dire côté réservoir 8. [0045] Le matériau de la bague 12 de maintien est choisi assez élastique pour tolérer sans dégradation les dilatations différentielles de la culasse 1 et de l'élément 10 de stockage de chaleur lorsque le moteur de l'invention est en fonctionnement. Le matériau de la bague 12 de maintien peut ainsi être en feutre. [0046] Le dimensionnement du stockeur thermique est à réaliser en considérant la quantité d'énergie thermique maximum récupérable. C'est-à-dire, l'énergie thermique correspondant à un remplissage complet du réservoir, de la pression minimum, par exemple environ 5 bars à la pression maximum, par exemple environ 20 bar pour un moteur thermique essence. La capacité de stockage thermique du stockeur est donnée par le produit de la masse, m, du stockeur et de la capacité calorifique, Cp du matériau le composant. Le volume disponible dans la culasse étant restreint, les matériaux à forte densité et à forte capacité calorifique, tels que les métaux sont à privilégier. Pour des raisons supplémentaires de coût et de tenue à la corrosion, un élément 10 de stockage de chaleur en acier inoxydable est préféré. [0047] Un autre critère de dimensionnement est la surface développée offerte aux échanges thermiques dans élément 10 de stockage de chaleur adimensionnée par le volume du stockeur désigné densité de surface d'échange ou porosité. Cette valeur doit être adaptée en fonction de l'intensité des échanges thermiques entre les gaz et la matière de l'élément 10 de stockage de chaleur. Une façon de modifier cette densité de surface d'échange est de modifier la structure ou l'organisation interne du stockeur. Par exemple, un élément 10 de stockage de chaleur peut se présenter sous la forme d'un support avec de nombreux canaux disposés en parallèle, la densité de surface d'échange est alors fonction de la section des canaux. Des canaux de faible section offriront une surface développée plus importante que des canaux de plus forte section à volume équivalent. Ainsi l'élément 10 de stockage peut comprendre un gradient de densité de surface d'échange. Il faut toutefois faire un compromis entre surface d'échange et pertes de charge des gaz lors du passage dans le stockeur thermique. Lorsque les gaz sont chauds, leur densité est faible et leur vitesse sera élevée dans le stockeur. Il est donc préférable de ne pas faire de trop grande restriction de section en adoptant une faible densité de surface d'échange. Au fur et à mesure que les gaz refroidissent, ils vont gagner en densité, perdre en vitesse dans le stockeur et nous pouvons tolérer une augmentation de densité de surface d'échange sans le payer en perte de charge. [0048] Pour être efficace, la diffusion thermique dans le matériau de l'élément 10 de stockage de chaleur doit être limitée dans le sens axial, c'est-à-dire dans le sens de l'écoulement de gaz dans la canalisation 9" dédiée. En effet, la diffusion thermique axiale tend à homogénéiser la température suivant la longueur de l'élément 10 de stockage de chaleur et dégrader le gradient thermique. Ainsi, l'élément 10 de stockage de chaleur peut comprendre des moyens de limitation de la diffusion thermique. Nous pouvons par exemple : Utiliser une suite d'élément 10 de stockage de chaleur séparés par une lame d'air pour casser la conduction thermique. Utiliser un matériau anisotrope en conduction thermique : exemple des matériaux composites à base de matrices en fibres. Utiliser un matériau discret de type fibres, billes, etc. dont la conductivité thermique de proche en proche est ralentie par de faibles surfaces de contact. Utiliser un matériau avec une faible conductivité thermique. [0049] Nous pouvons aussi utiliser un matériau qui change de capacité calorifique avec la température : une faible capacité calorifique à faible température et une forte capacité calorifique à forte température. Ainsi, le matériau va rapidement monter en température car la capacité calorifique est faible et va pouvoir stocker une quantité importante d'énergie à forte température. [0050] L'élément 10 de stockage de chaleur peut être une combinaison des variantes précédemment décrites. [0051] L'utilisation de stockeurs de chaleur permet de stocker séparément l'énergie sous forme de pression de celle sous forme d'enthalpie du gaz comprimé. Ainsi le rendement énergétique global du moteur en utilisation est amélioré. [0052] L'autre partie de l'énergie sera contenu dans la masse d'air comprimé refroidie, donc avec une densité accrue. Par ailleurs le réservoir 8 est moins contraint thermiquement puisque l'air stocké est proche de la température ambiante, ce qui permet de prévoir un réservoir 8 en un matériau plastique qui aussi l'avantage d'être peu couteux et facilement conformable en fonction de l'espace disponible. REVENDICATIONS1. Moteur hybride thermique pneumatique comprenant une culasse (1) et un cylindre (2), un réservoir (8) de stockage de gaz sous pression relié aux cylindres (2) par un circuit (9) de passage des gaz sous pression, le circuit (9) de passage de gaz comprenant une canalisation (9') commune reliée au réservoir (8) et une canalisation (9") dédiée reliant au travers de la culasse (1) le cylindre (2) par une soupape (5) de charge et de décharge, caractérisé en ce que la canalisation (9") dédiée comprend dans sa partie passant dans la culasse (1) un élément (10) de stockage de chaleur destiné à être traversé par les gaz sous pression. 2. Moteur hybride thermique pneumatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur comprenant plusieurs cylindres (2) et le circuit (9) de passage de gaz comprenant des canalisations (9") dédiées reliant les cylindres (2) par la culasse (1), à raison d'une canalisation par cylindres, chaque canalisation (9') dédiée comprend un élément (10) de stockage de chaleur. 3. Moteur hybride thermique pneumatique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les parois de la culasse (1) formant la partie (9b) de la canalisation (9") dédiée comprenant l'élément (10) de stockage de chaleur sont isolées thermiquement par une lame d'air (11) tout autour de l'élément (10) de stockage de chaleur, l'élément (10) de stockage de chaleur étant retenu par au moins une bague (12) de maintien. 4. Moteur hybride thermique pneumatique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bague (12) de maintien est dans un matériau apte à tolérer les dilatations différentielles de la culasse (1) et de l'élément (10) de stockage de chaleur lorsque le moteur est en fonctionnement. 5. Moteur hybride thermique pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois de culasse (1) formant la partie (9a) de la canalisation (9") dédiée comprise entre la soupape (5) de charge et l'élément (10) de stockage d'énergie thermique sont isolés thermiquement. 6. Moteur hybride thermique pneumatique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'isolation thermique est réalisée par une lame d'air derrière une paroi creuse. 7. Moteur hybride thermique pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément (10) de stockage de chaleur est en acier inoxydable. 8. Moteur hybride thermique pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément (10) de stockage comprend un gradient de densité de surface d'échange. 9. Moteur hybride thermique pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément (10) de stockage de chaleur comprend des moyens de limitation de la diffusion thermique axiale. 10. Moteur hybride thermique pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir (8) de stockage est en plastique.