Brevet FR3022585A1 — publié le 20151225

MOTEUR A COMBUSTION DE VEHICULE AUTOMOBILE A RENDEMENT AMELIORE [0001] L'invention concerne les moteurs à récupération thermique à l'échappement à l'aide d'un ou plusieurs moteurs à combustion externe. L'invention concerne notamment de tels moteurs lorsque ce ou ces moteurs à combustion externe sont intégrés au sein même du bloc du moteur conventionnel. Le but est que tous les moteurs thermiques, à combustion interne et à combustion externe, soient regroupés au sein d'un même bloc moteur afin que tous les pistons, ceux du moteur conventionnel et ceux du moteur à combustion externe, soient connectés sur un même vilebrequin pour limiter les pièces mobiles en rotation. Ainsi, l'énergie thermique du moteur conventionnel est récupérée à son l'échappement, et est transformée en travail par le convertisseur thermique-mécanique à savoir le moteur à combustion externe. Cette énergie thermique récupérée est directement renvoyée sur le vilebrequin, étant donné que tous les pistons sont reliés au même arbre. La récupération thermique à l'échappement est un levier très vertueux pour réduire la consommation des véhicules et donc la production de CO2. [0002] Les moteurs de ce type, tels que proposés jusqu'à présent, ne permettent pas des variations de couple nécessaires à la conduite dynamique d'un moteur de véhicule automobile. En effet, les moteurs à combustion externe souffrent d'une inertie importante en termes de variabilité du couple produit. Ce couple est directement lié à la différence de température entre chambre chaude et chambre froide, lesquelles présentent une grande inertie thermique. [0003] Le but de l'invention est de proposer un moteur à combustion de véhicule automobile comprenant un moteur à combustion externe dans lequel on puisse faire varier rapidement le couple délivré. [0004] Ce but est atteint selon l'invention grâce à un moteur à combustion de véhicule automobile incluant un moteur à combustion externe lequel moteur à combustion externe comporte un gaz de travail et est configuré pour soumettre le gaz de travail à une compression, une détente, un réchauffement et un refroidissement, le moteur à combustion externe comportant une chambre de travail contenant le gaz de travail, le moteur à combustion étant caractérisé en ce qu'il comporte un compresseur de gaz et une liaison gazeuse reliant le compresseur de gaz à la chambre de travail du moteur à combustion externe. 3022585 2 [0005] Avantageusement, le moteur comporte un réservoir de gaz comprimé et une conduite reliant le réservoir de gaz comprimé à la chambre de travail. [0006] Avantageusement, le moteur comporte une vanne disposée sur la conduite reliant le réservoir de gaz comprimé à la chambre de travail. 5 [0007] Avantageusement, le compresseur est un cylindre muni d'un piston. [0008] Avantageusement, le moteur comporte un vilebrequin et le cylindre formant compresseur est entrainé par le vilebrequin. [0009] Avantageusement, le cylindre formant compresseur est un cylindre de combustion du moteur. 10 [0010] Avantageusement, le moteur à combustion externe est un moteur Stirling ou Ericsson. [0011] Avantageusement, le moteur à combustion externe est un moteur Stirling de type Béta. [0012] Avantageusement, le moteur produit des gaz d'échappement et le moteur à 15 combustion externe est configuré pour utiliser les gaz d'échappement comme source chaude. [0013] L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant un tel moteur à combustion. [0014] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture 20 de la description détaillée qui va suivre, faite en référence à la figure annexée laquelle représente un moteur à combustion de véhicule automobile selon un mode de réalisation de l'invention. [0015] Le moteur de la figure annexée est un moteur à quatre cylindres dont deux cylindres 1 et 2 sont des cylindres de combustion traditionnels qui émettent leurs gaz 25 d'échappement dans un collecteur d'échappement 3. Un cylindre 4, disposé à une extrémité du moteur, est un cylindre de combustion également utilisé en tant que compresseur aux fins de récupération d'énergie, notamment au freinage, sous forme d'air comprimé. Ainsi, le cylindre 4 est muni d'une soupape supplémentaire, par exemple sous la forme d'une électrovanne, et d'une conduite 5 reliée à un réservoir 6 d'air comprimé. 30 Une fois stocké dans le réservoir 6, l'air comprimé est renvoyé dans le cylindre 4 lors de phases de demande de couple afin de restituer l'énergie mécanique stockée sous forme de gaz comprimé. Ainsi le cylindre 4 comporte une électrovanne pilotant l'entrée ou la sortie de gaz du cylindre vers le réservoir 6 connecté à cette électrovanne. [0016] Le présent moteur comporte en outre un cylindre 7 lequel constitue un moteur à combustion externe, ici un moteur Stirling de type Béta. Ainsi, le cylindre 7 comporte un 3022585 3 piston de poussée 8 relié par une bielle au vilebrequin 9, et un piston de déplacement ou déplaceur 10, également relié au vilebrequin 9. Le piston de déplacement 10 sépare le cylindre en deux chambres de travail de volume variable, c'est-à-dire une chambre chaude 11 en partie supérieure du cylindre et une chambre froide 12 en partie inférieure du 5 cylindre. La chambre chaude 11 est réchauffée par sa proximité avec le collecteur d'échappement 3 et la chambre froide 12 est refroidie par le circuit de refroidissement 15 du moteur. La chambre froide peut aussi être refroidie par une source froide dédiée. [0017] Ces deux chambres sont reliées par un couple de conduites 13 et 14 lesquelles passent chacune successivement au travers du circuit de refroidissement 15 puis au 10 travers du collecteur d'échappement 3. Ainsi le fluide de travail subit un réchauffement lorsqu'il passe dans la chambre chaude 11 et il subit un refroidissement lorsqu'il passe dans la chambre froide 12. Le fluide de travail étant compressé à l'état froid et dilaté à l'état chaud, le cylindre 7 produit un travail mécanique positif avec un rendement élevé selon le principe du moteur Stirling ou plus généralement du moteur à combustion externe. 15 Le terme externe est ici entendu en tant qu'externe à l'emplacement de la génération d'énergie mécanique à partir de la différence de température entre source chaude et source froide. Le cylindre 7 formant le moteur Stirling est ici pris en « sandwich » entre les cylindres 1 et 2 du moteur conventionnel. [0018] Ainsi, on intègre un cylindre formant un moteur à combustion externe à la place 20 d'une ou de plusieurs chambres de combustion du moteur à combustion interne, qu'il soit à essence, gaz, diesel. Le but est la récupération des pertes thermiques à l'échappement générées par les combustions internes pour alimenter le moteur à combustion externe, qu'il soit un moteur Stirling, Ericsson ou autre. La suppression d'une chambre est préférentiellement accompagnée d'une montée en charge des chambres restantes pour 25 compenser cette perte de couple. Ceci favorise le rendement thermodynamique du moteur à combustion interne et engendre une augmentation de température à l'échappement qui est dans le présent cas la source chaude pour le moteur à combustion externe. [0019] Une conduite 16 relie le réservoir d'air comprimé 6 au cylindre 7. La conduite 16 est équipée d'une vanne commandée 17 de telle sorte que l'air comprimé est injecté ou 30 prélevé dans le cylindre 7 selon que l'on souhaite augmenter ou au contraire réduire la pression du gaz de travail dans le cylindre 7. [0020] On utilise ici le cylindre 4 dédié à l'hybridation pneumatique avec le réservoir 6 et la vanne 17 pour faire augmenter ou diminuer la masse de gaz dans le moteur Stirling 7. C'est cette variation de masse qui entraine une variation de la pression moyenne dans le 35 moteur Stirling donc une variation du couple produit. 3022585 4 [0021] Le cylindre 4 sert donc ici de compresseur d'air lors des phases de frein moteur par exemple. Le gaz comprimé peut alors être réutilisé soit sur ce même cylindre pour produire un couple à régime nul par exemple ou pour modifier la quantité de gaz de travail dans le moteur Stirling. Le fluide de travail employé dans le moteur Stirling 7 est donc ici 5 l'air ambiant comprimé. En variante le fluide de travail est constitué par les gaz brûlés dans le cas où les gaz envoyés dans le réservoir 6 sont les gaz brulés dans le cylindre 4. Là encore, le cylindre 4 joue le rôle de compresseur puisqu'il expulse un gaz ayant une pression nettement supérieure à la pression à laquelle il a réceptionné les composants ayant généré ce gaz. Dans ces deux cas on dispose de la possibilité de faire varier 10 rapidement la masse d'air ou de gaz brulé dans le cylindre 7 donc le couple du moteur Stirling formé par ce cylindre. Bien que l'on ait décrit ici l'adoption d'un réservoir d'air comprimé 6 sur la liaison gazeuse entre le cylindre 6 et le cylindre 7, il est possible en variante que la liaison gazeuse entre ces deux réservoir puisse avoir une autre configuration qui permette d'alimenter le cylindre en gaz comprimé par le cylindre 4, que 15 gaz soit de l'air frais ou un gaz d'échappement. [0022] Ainsi, en couplant un moteur conventionnel avec un moteur à combustion externe et avec un équipement d'hybridation pneumatique du moteur conventionnel, il devient possible de faire varier rapidement la masse de gaz interne de la machine Stirling. Cette action sur le gaz de travail du moteur à combustion externe est plus rapide sur le couple 20 mécanique généré par ce moteur qu'une variation des températures des sources dont la propagation des effets c'est-à-dire l'augmentation ou la diminution des températures des échangeurs en contact avec le gaz de travail, est limitée par l'inertie thermique des matériaux de structure et du fluide de travail. [0023] On intègre ainsi les pistons d'un moteur Stirling dans un bloc moteur conventionnel 25 à la place d'un ou plusieurs de ses cylindres. Tous les pistons, à savoir ceux du moteur conventionnel et ceux du moteur Stirling sont ici reliés à un même vilebrequin. Mettre plusieurs vilebrequins nuirait au rendement global du groupe motopropulseur intégrant les deux types de combustion, à savoir interne et externe. La liaison sur un même vilebrequin de sortie limite donc mécaniquement les pertes par frottement directement induites par le 30 nombre de pièces tournantes. Cette architecture où deux types de moteur sont disposés au sein d'un même bloc favorise le rendement global de la machine thermique, qu'elle soit conventionnelle ou à combustion externe. Le moteur Stirling peut être à simple ou à double effet. [0024] Sur la figure, le réservoir 6 est connecté au moteur Stirling 7 par la chambre 35 chaude 11 afin de ne pas surcharger le schéma. Mais il est tout de même préférable de 3022585 5 renvoyer cet air comprimé dans la chambre froide 12 entre le piston de déplacement 10 et le piston de poussée ou de puissance 8. Ceci permet de limiter l'énergie à apporter pour faire monter en température la nouvelle quantité d'air entrant dans le moteur Stirling. Le réservoir 6 peut être rempli en air par le moteur Stirling lui-même, en choisissant la phase 5 de compression de la chambre à laquelle le réservoir 6 est connecté et en laissant l'électrovanne 17 ouverte à ce moment. Il est possible d'augmenter le rendement global du présent moteur en intégrant un stockeur thermique, analogue au régénérateur d'un moteur Stirling, entre la soupape de sortie du cylindre de compression 4 et le réservoir 6. [0025] On a décrit ici un moteur dans lequel le cylindre de compression 4 est également 10 un cylindre de combustion. En variante, le cylindre de compression 4 est un cylindre dédié à la compression d'air, qui n'est le siège d'aucune combustion. Egalement en variante, le cylindre 4 peut être dépourvu de son rôle de poussée mécanique par retour de l'air comprimé dans ce cylindre. [0026] L'énergie thermique évacuée par le collecteur d'échappement 3 est transformée en 15 énergie mécanique par le moteur Stirling directement sur le vilebrequin 9. La récupération est optimale puisque l'énergie est renvoyée sur le vilebrequin. On obtient donc dans le présent exemple un moteur à double hybridation thermique/pneumatique et thermique/thermique. Cette récupération d'énergie à l'échappement directement réacheminée sur le vilebrequin 9 permet également une réduction de la consommation 20 puisque l'énergie thermique initialement perdue est transformée en travail utile sur le vilebrequin. [0027] On utilise donc ici un des cylindres équipé d'une soupape pilotable supplémentaire comme compresseur de gaz ou d'air sur certaines phases de roulage tels que les phases de frein moteur. Cet air comprimé est renvoyé du coté chaud ou du côté froid suivant 25 l'architecture adoptée du moteur Stirling en pilotant l'électrovanne 17. Cette masse supplémentaire a pour but l'augmentation de la pression dans le moteur Stirling donc le couple transmis sur le vilebrequin. Cette masse supplémentaire est préférentiellement élevée en température lorsqu'elle est transférée dans la chambre chaude du Stirling. L'augmentation de la température est avantageusement réalisée via une augmentation de 30 la charge dans le moteur conventionnel pour accroitre la température de l'échappement. Il est également possible d'optimiser l'échange thermique entre le collecteur d'échappement 3 et l'échangeur chaud du moteur Stirling avec une pièce spécifique permettant un échange à contre-courant. Cette optimisation peut également intégrer des conduits de réchauffement ou « heat-pipes » selon la terminologie anglophone entre le collecteur 35 d'échappement 3 et l'échangeur chaud tel que proposé dans le document US 4 121 423. 3022585 6 [0028] Selon un aspect avantageux du présent mode de réalisation, on ajoute une autre vanne pilotée 19 permettant de relier une chambre de travail du moteur Stirling à l'atmosphère via une conduite 18. Cette conduite 18 peut être connectée à la conduite d'échappement 3 sur le véhicule dans un souci d'intégration. Une telle vanne pilotée 19 5 permet notamment un baisse de pression rapide dans le moteur Stirling en cas de baisse brutale de la demande de couple. Une autre architecture mixant une des nombreuses architectures du moteur Stirling avec un moteur conventionnel peut être adoptée. Selon une variante, le moteur Stirling étant une machine réversible, il peut être utilisé pour fournir du froid au circuit de refroidissement lorsque le moteur Stirling est entrainé. Selon une 10 variante encore, le compresseur peut être un compresseur externe, notamment un compresseur monté entre la vanne 19 et l'atmosphère. REVENDICATIONS1. Moteur à combustion de véhicule automobile incluant un moteur à combustion externe lequel moteur à combustion externe (7) comporte un gaz de travail et est configuré pour soumettre le gaz de travail à une compression, une détente, un réchauffement et un refroidissement, le moteur à combustion externe comportant une chambre de travail (11,12) contenant le gaz de travail, le moteur à combustion étant caractérisé en ce qu'il comporte un compresseur de gaz (4) et une liaison gazeuse (5,6) reliant le compresseur de gaz (4,5,6) à la chambre de travail (11,12) du moteur à combustion externe (7). 2. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir de gaz comprimé (6) et une conduite reliant le réservoir de gaz comprimé (6) à la chambre de travail (11,12). 3. Moteur à combustion selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une vanne (17) disposée sur la conduite reliant le réservoir de gaz comprimé (6) à la chambre de travail (11,12). 4. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le compresseur (4) est un cylindre (4) muni d'un piston. 5. Moteur à combustion selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un vilebrequin (9) et le cylindre formant compresseur (4) est entrainé par le vilebrequin (9). 6. Moteur à combustion selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que le cylindre formant compresseur (4) est un cylindre de combustion du moteur. 7. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur à combustion externe (7) est un moteur Stirling (7) ou Ericsson. 8. Moteur à combustion selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moteur à combustion externe (7) est un moteur Stirling de type Béta (7). 9. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il produit des gaz d'échappement (3) et le moteur à combustion externe (7) est configuré pour utiliser les gaz d'échappement (3) comme source chaude. 10. Véhicule automobile comprenant un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes.