Brevet FR3017160A1 — publié le 20150807

Depuis plusieurs années des systèmes sont développés en vue de récupérer l'énergie cinétique d'un véhicule au freinage, l'énergie mise en réserve est restituée au redémarrage dans le but de réaliser des économies de carburant. Le premier système est celui du véhicule hybride dans lequel un moteur électrique est associé à un moteur thermique. Au freinage le moteur électrique est converti en générateur et charges des batteries électriques. Au redémarrage l'énergie mise en réserve est restituée par le moteur électrique. Le système est complexe. Il est difficile d'assurer une progressivité du freinage. Le moteur électrique et ses batteries représentent un surcoût et un surpoids importants. Les batteries électriques ont une durée de vie limitée. Une alternative est la récupération sous forme mécanique par un volant d'inertie. Là encore la progressivité du freinage est difficile à obtenir. Le volant d'inertie représente un surpoids pour le véhicule. Le système proposé sous la dénomination de Turbo-REC (récupération de l'énergie cinétique) permet de récupérer l'énergie cinétique au freinage sous la forme d'une réserve d'air comprimé en convertissant le moteur thermique en compresseur. Un turbocompresseur augmente la pression de l'air à l'admission du moteur, l'augmentation de la pression de l'air à l'admission permet au moteur de comprimer l'air à de fortes pressions et de limiter la taille du réservoir d'air comprimé. Le système commandé par les commandes de frein fonctionne en parallèle du frein mécanique du véhicule. La détente de l'air comprimé restituera l'énergie cinétique mise en réserve au redémarrage du véhicule, l'air comprimé pourra être libéré soit à l'admission du moteur soit à l'échappement. Si l'air comprimé est libéré à l'admission il assurera l'alimentation du moteur à une pression positive à bas régime, l'augmentation de régime du moteur mettra en route le turbocompresseur dont le flux d'air coupera l'alimentation du moteur en air comprimé. Si l'air comprimé est libéré à l'échappement, il permettra d'augmenter la pression de l'air à l'admission à bas régime grâce au turbocompresseur. A haut régime le flux de gaz d'échappement coupera l'alimentation en l'air comprimé du turbocompresseur. Une dérivation de l'échappement permet aux gaz d'échappement de contourner le turbocompresseur quand celui-ci est alimenté par l'air comprimé. Le système utilise des éléments déjà présents dans le véhicule. Il peut être adapté à un véhicule à boîte de vitesse manuelle et sera particulièrement adapté à un véhicule à boîte automatique. Il devra répondre à une contrainte qui est la limite de compression que peut exercer le moteur. Si on obstrue totalement l'échappement d'un véhicule le moteur se comportera comme un compresseur. A chaque cycle du moteur une quantité d'air sera comprimée et une force s'opposera à l'avancée du véhicule. Cette force suivra une courbe en cloche avec une première partie ascendante et une seconde partie descendante. Cette force finira par disparaitre lorsque la pression à l'échappement atteindra le taux de compression du moteur. Le moteur se comportera alors comme un ressort et cessera de comprimer l'air. Il cessera de mettre en réserve de l'énergie cinétique et la force de freinage disparaîtra. Le même phénomène se produit quand on gonfle à l'aide d'une pompe manuelle le pneu d'une bicyclette, lorsque la pression dans le pneu a atteint le taux de compression de la pompe, la pompe se comporte comme un ressort. Les pressions à l'échappement devront se situer dans la partie ascendante de la courbe, dans cette partie ascendante la force de freinage et l'énergie cinétique mise en réserve à chaque cycle du moteur sera proportionnelle au différentiel entre la pression de l'air à l'admission du moteur et la pression de l'air à l'échappement. La force de freinage du véhicule sera proportionnelle au différentiel de pression entre l'admission et l'échappement multipliée par la vitesse de rotation du moteur selon la formule F = DV x DP / t, l'énergie cinétique mise en réserve répondra à la formule E = DV x DP (DV = volume d'air comprimé, DP = différence de pression entre l'admission et l'échappement, t = secondes) Pour permettre un freinage constant et progressif il faudra appliquer un différentiel de pression entre l'admission et l'échappement proportionnel à la pression sur la pédale de frein et inversement proportionnel à la vitesse de rotation du moteur. Le contrôle du différentiel de pression entre l'admission et l'échappement se fera par le contrôle de la pression de l'air à l'échappement. La pression de l'air à l'échappement sera contrôlée par un calculateur qui sera informé de la pression de l'air à l'admission, de la vitesse de rotation du moteur et de la pression exercée sur le frein. Une mesure par un capteur de la pression de l'air à l'échappement permettra au calculateur de vérifier la bonne marche du système. La pression de l'air à l'échappement déterminée par le calculateur sera un multiple de la pression de l'air à l'admission. Le facteur multiplicateur de la pression à l'admission sera situé entre la valeur 1 (absence de freinage) et un facteur multiplicateur limite. Le facteur multiplicateur limite de la pression à l'admission sera le point d'inflexion où la force de freinage commencerait à diminuer si on augmentait la pression à l'échappement, il sera inférieur au taux de compression du moteur, il sera propre au moteur et sera déterminé expérimentalement. Le contrôle de la pression de l'air à l'échappement est assuré par deux vannes situées sur une dérivation de l'échappement qui s'ouvre lors du freinage. Le dispositif est présenté sur la figure 1. 1 vanne obstruant l'échappement 2 vanne d'ouverture du réservoir d'air comprimé 3 réservoir d'air comprimé 4 dérivation de l'échappement 5 et 6 vannes d'ouverture de la dérivation de l'échappement 7 et 8 amortisseurs de pression 9 boucle reliant l'échappement à l'admission 10 et 11 vannes d'ouverture de la boucle 12 turbine de détente du turbocompresseur 13 turbine de compression du turbocompresseur 14 capteur de pression de l'admission 15 clapet d'admission d'air au début du freinage 16 ouverture secondaire d'admission d'air au freinage 17 Vanne contrôlant l'ouverture secondaire 18 clapet anti-retour de l'ouverture secondaire d'admission 19 capteur de pression de l'échappement 20 moteur thermique 21 clapet anti-retour du réservoir d'air comprimé Le calculateur commande deux vannes, une vanne obstruant l'échappement (1) et une vanne située en amont (2) commandant l'ouverture d'un réservoir à air comprimé (3). La dérivation portant les deux vannes (4) s'ouvre quand le conducteur actionne la pédale de frein, l'ouverture de la dérivation se fait par l'action de deux vannes (5 et 6). Le calculateur détermine la pression de l'air à l'échappement par la tension exercée sur ces les vannes (1 et 2). Lorsque la pression limite déterminée par le calculateur sera dépassée les deux vannes laisseront passer l'air. La vanne commandant l'ouverture du réservoir d'air comprimé (2) laisse passer l'air à une pression inférieure à la pression permettant le passage de l'air par la vanne obstruant l'échappement (1), la pression à l'échappement sera donc située entre les pressions permettant l'ouverture de ces deux vannes. Deux amortisseurs de pression (7 et 8) sont situés en amont et en aval de la vanne obstruant l'échappement et permettent d'amortir les variations de pression. Une boucle (9) dont l'ouverture est déclenchée par le frein du véhicule grâce à deux vannes (10 et 11) relie l'échappement à l'admission elle relie la turbine de détente (12) à la turbine de compression du turbocompresseur (13), l'air tournera en boucle dans le système. La longueur de la boucle permet la création d'un gradient décroissant de pression entre la turbine de détente du turbocompresseur et la turbine de compression avec une dépression en amont de la turbine de compression. Le calculateur détermine la force de freinage en fonction de la pression que le conducteur exerce sur la pédale de frein, Si le turbo-REC suffit à assurer cette force de freinage il assurera seul le freinage, si ses capacités sont insuffisantes un complément sera apporté par le frein mécanique. La force de freinage diminuera quand sous l'effet du freinage le moteur ralentira, le conducteur devra rétrograder pendant le freinage comme lorsqu'il utilise le frein moteur. Pour un véhicule à boîte de vitesse automatique, le calculateur pourra commander le rétrogradage pour maintenir une vitesse de rotation du moteur élevée. La partie suivante décrit le fonctionnement du dispositif La première partie décrit le fonctionnement au freinage. Le fonctionnement est présenté sur la figure 2. Au début du freinage (Fig.2 A) lorsque le conducteur exerce une pression sur le frein du véhicule la dérivation de l'échappement (4) s'ouvre et l'alimentation en carburant est coupée. La boucle (9) s'ouvre entre l'échappement et l'admission du moteur. L'action sur le frein déclenche via le calculateur une mise sous tension des vannes (1,2) proportionnelle à la pression exercée sur le frein, la tension exercée sur la vanne 2 permet une ouverture à une pression légèrement inférieure à la pression permettant l'ouverture de la vanne 1. Lorsque la pression dans la dérivation (4) atteint la pression limite de la vanne permettant l'ouverture du réservoir d'air comprimé (2), le remplissage du réservoir (3) commence (Fig.2 B). Lorsque la pression dans le réservoir d'air comprimé a atteint la pression permettant l'ouverture de sa vanne d'admission (2), la pression augmente dans la dérivation. Quand la pression a atteint la pression permettant l'ouverture de la vanne obstruant l'échappement (Fig.2 C)) de l'air sous pression est libéré et alimente la turbine de détente du turbocompresseur (12). La détente de l'air à travers la turbine de détente du turbocompresseur actionne la turbine de compression et augmente la pression de l'air à l'admission (Fig. 2 D). Le calculateur informé de la pression à l'admission par la sonde de pression (14) réajuste la tension exercée sur les deux vannes (1 et 2) à une tension supérieure afin de maintenir constante la force de freinage, cette augmentation de tension fait monter la pression à l'échappement. Le remplissage du réservoir d'air comprimé se fait à une pression supérieure. Une fois cette pression dépassée la pression augmente encore dans la dérivation, le turbocompresseur est alimenté par de l'air à une pression supérieure, ce qui augmente encore d'avantage la pression à l'admission et après réajustement de la tension sur les deux vannes la pression à l'échappement et dans le réservoir d'air comprimé et ainsi de suite. La taille du réservoir d'air comprimé pourra être limitée, elle dépendra des pressions qui pourront être obtenues à l'admission et de la fraction du taux compression limite que peut exercer le moteur. Le calculateur réajuste la pression à l'échappement en fonction de la pression à l'admission. Quand la pression à l'admission devient positive il compense l'effet d'une pression positive à l'admission et ajuste le différentiel de pression entre l'admission et l'échappement pour maintenir une force de freinage constante. La force de freinage potentielle augmentera car la pression limite à l'échappement est un multiple de la pression à l'admission alors que la force de freinage est un différentiel proche du différentiel entre la pression atmosphérique et la pression à l'échappement. L'admission en l'air se fait au début du freinage à la pression atmosphérique (Fig.2 A, B, C) grâce à une ouverture fermée par un clapet (15) situé en aval de la turbine de compression du turbocompresseur (13). Elle se fait ensuite en amont de la turbine de compression du turbocompresseur (Fig. 2 D) quand le turbocompresseur se met en route. L'augmentation de la la pression en aval de la turbine de compression du turbocompresseur et le flux d'air repoussent le clapet (15). L'apport en air extérieur se fait alors par une conduite secondaire perpendiculaire (16) située en amont de la turbine de compression du turbocompresseur, elle résulte de deux effets, la force de Bernoulli due à la cinétique de l'air et l'effet d'aspiration de la turbine de compression du turbocompresseur. Une vanne commandée par le calculateur (17) permet de contrôler l'apport en air afin de réguler l'augmentation des pressions dans le système, un clapet anti-retour (18) empêche la sortie d'air de la boucle si la pression dans la boucle devient positive. La limite du système sera atteinte lorsque la pression en amont de la turbine de compression ne permettra plus l'afflux d'air nouveau. Il sera néanmoins possible d'augmenter la pression à l'admission par des volets aérodynamique situés à l'extérieur du véhicule et commandés par le frein qui dirigeront de l'air sous pression vers les conduites d'admission. La pression à l'admission pourra également être augmentée en ajoutant un compresseur mécanique en amont de la conduite secondaire l'admission. Lors d'un freinage puissant le calculateur commandera une forte tension des vannes, ce qui provoquera une augmentation importante de la pression à l'échappement. le flux d'air sera dirigé pendant une durée prolongée vers le réservoir d'air comprimé qui se remplira à une pression importante, une fois le réservoir rempli, le passage de l'air à travers le turbocompresseur augmentera la pression à l'admission et permettra d'augmenter la pression à l'échappement et dans le réservoir d'air comprimé. Un freinage doux entrainera un passage plus rapide de l'air à travers le turbocompresseur. Par une augmentation plus progressive de la pression à l'admission il provoquera une montée plus progressive de la pression à l'échappement et de la pression dans le réservoir d'air comprimé. La perte d'énergie due à la détente de l'air dans le réservoir d'air comprimé au début du remplissage sera diminuée. Le freinage entrainera une baisse de régime du moteur et le calculateur augmentera la tension exercée sur les vannes. L'augmentation de la pression à l'échappement augmentera ainsi que la pression dans le réservoir d'air comprimé. Si le conducteur rétrograde l'augmentation du régime du moteur s'accompagnera d'un relâchement des vannes et d'une augmentation de la pression à l'admission suivie d'une remise sous tension des vannes sous l'effet du calculateur. Une variation de la pression sur le frein entrainera une variation de la tension exercée sur les vannes. Un relâchement du frein entrainera un relâchement de la vanne obstruant l'échappement et via le turbocompresseur une augmentation de la pression à l'admission du moteur. L'augmentation de la pression à l'admission du moteur provoquera via le calculateur une augmentation de la tension exercée sur les vannes et une nouvelle augmentation de la pression à l'échappement. En cas de rétrogradage ou de relâchement du frein le remplissage du réservoir d'air comprimé cessera puis reprendra quand la pression à l'échappement aura dépassé la pression de l'air dans le réservoir d'air comprimé. Un clapet anti-retour (21) évitera que le réservoir d'air comprimé ne se vide lorsque la pression dans le réservoir d'air comprimé sera supérieure à la pression à l'échappement. Deux amortisseurs de pression (7 et 8) en amont et en aval de la vanne obstruant l'échappement permettent d'amortir les variations de pression. En fin de freinage lorsque le véhicule est proche de l'arrêt, le calculateur commande la fermeture de la dérivation de l'échappement et de la boucle reliant l'échappement et l'admission, il rétablit l'alimentation en essence, le freinage est basculé sur le frein mécanique. Le même effet est obtenu si le conducteur actionne l'embrayage, le rétablissement du circuit d'air par l'actionnement de l'embrayage permet le démarrage en côte, il évite que le moteur ne se bloque au freinage quand on actionne l'embrayage pour rétrograder. Le calculateur ne rétablira l'alimentation en essence si on actionne l'embrayage que si le véhicule est à l'arrêt pour permettre le démarrage en côte et éviter de remettre le moteur en route inutilement au freinage lorsque le conducteur rétrograde pour rétablir la force de freinage du Turbo-REC. La partie suivante décrit le fonctionnement au redémarrage Au redémarrage du véhicule l'air comprimé peut être dirigé soit vers l'admission du moteur, soit vers l'échappement. Si l'air comprimé est dirigé vers l'admission l'air comprimé assurera une alimentation du moteur à une pression positive à bas régime. Le dispositif est présenté sur la figure 3 qui complète la figure 1. 1 réservoir d'air comprimé 2 vanne d'ouverture du réservoir d'air comprimé 3 régulateur de pression 4 clapet d'admission d'air comprimé clapet de rejet de l'air provenant du turbocompresseur 6 vannes d'ouverture de la dérivation de l'échappement 7 vannes d'ouverture de la boucle entre l'échappement et 5 l'admission Le fonctionnement est présenté sur la figure 4. En absence d'action sur le frein, si la vitesse du véhicule est réduite ou en cas d'actionnement de l'embrayage le circuit d'air est rétabli. La dérivation de l'échappement est fermée de même que la boucle reliant l'échappement à l'admission (Fig. 4 A). L'actionnement par le conducteur de la pédale d'accélération ouvre le réservoir d'air comprimé (Fig. 4 B), cette ouverture se fait par la vanne (2), elle est proportionnelle à la pression qu'exerce le conducteur sur la pédale d'accélération. L'arrivée d'air comprimé repousse un clapet (4), ce qui coupe l'alimentation du moteur par l'air en provenance du turbocompresseur, le moteur est alimenté par l'air comprimé en provenance du réservoir (1). L'ouverture du clapet ouvre également un second clapet (5) articulé au premier qui permet de rejeter vers l'extérieur l'air provenant du turbocompresseur. Ceci évite que le blocage de la turbine de compression du fait de la coupure de l'admission ne bloque la turbine de détente et n'entrave l'échappement du véhicule. Le moteur est alimenté par l'air comprimé provenant du réservoir, sa pression est contrôlée par un régulateur (3), elle est proportionnelle à la force exercée sur l'accélérateur. Quand le régime du moteur augmente, la mise en route du turbocompresseur augmente la pression à l'admission en amont du clapet (Fig.4 C), l'air en provenance du turbocompresseur repousse le clapet d'admission d'air comprimé (4) et ferme le second clapet (5), le moteur est alimenté par le turbocompresseur. Aux changements de vitesse l'alimentation en air comprimé reprendra à bas régime puis se coupera à nouveau quand le moteur augmentera en régime. L'énergie stockée sera restituée quand le réservoir d'air comprimé sera vidé. Si l'air comprimé est dirigé vers l'échappement il fera augmenter la pression à l'admission à bas régime grâce au 10 turbocompresseur. Le dispositif est présenté sur la figure 5 qui complète la figure 1. 1 réservoir d'air comprimé 2 vanne d'ouverture du réservoir d'air comprimé 15 3 régulateur de pression 4 clapet d'arrivée de l'air comprimé 5 clapet ouvrant le shunt de l'échappement 6 shunt de l'échappement 7 dérivation de l'échappement 20 8 boucle entre l'échappement et l'admission Le fonctionnement est présenté sur la figure 6. En absence d'action sur le frein, si la vitesse du véhicule est réduite ou en cas d'actionnement de l'embrayage le circuit d'air est rétabli. La dérivation de l'échappement 25 est fermée de même que la boucle reliant l'échappement à l'admission (Fig. 6 A). Quand le conducteur accélère (Fig. 6 B), la pression sur l'accélérateur provoque une ouverture proportionnelle de la vanne d'ouverture (2) du réservoir d'air comprimé (1). L'air comprimé repousse un clapet (4), il est dirigé vers la turbine de détente du turbocompresseur. Le mouvement du clapet actionne un second clapet articulé au premier (5) qui ouvre une dérivation de l'échappement (6), cette dérivation permet aux gaz d'échappement de contourner le turbocompresseur quand le moteur tourne à bas régime. Le turbocompresseur est actionné par la réserve d'air comprimé et permet d'alimenter le moteur à une pression positive. Un régulateur de pression (3) permet de limiter la pression de l'air comprimé injecté dans le turbocompresseur. Quand le moteur augmente en régime (Fig. 6 C), l'augmentation de la pression à l'échappement et le flux de gaz d'échappement repoussent le clapet (4) et coupent l'alimentation du turbocompresseur par l'air comprimé provenant du réservoir (1), par l'actionnement du second clapet articulé au premier (5) ils ferment également la dérivation de l'échappement (6). L'alimentation du turbocompresseur se fait par les gaz d'échappement puis à nouveau par l'air provenant du réservoir d'air comprimé aux changements de vitesse quand le régime du moteur diminuera jusqu'à épuisement de la réserve d'air comprimé. Le dispositif est présenté avec un contrôle électronique de la pression à l'échappement. Un système plus économique et reposant sur des principes mécaniques est possible pour un coût réduit. Il reposerait sur un double étrier. La pression sur la pédale de frein s'exerce sur l'axe d'un premier étrier qui a d'un côté le frein mécanique et de l'autre le Turbo-REC. L'axe sur lequel s'exerce la pression de freinage se déplace en fonction de la vitesse de rotation du moteur, ce qui peut être assuré par une dérivation du système hydraulique du moteur. Ainsi si la vitesse de rotation du moteur est faible, l'axe du premier étrier est proche de la partie reliée au frein mécanique et inversement. A l'autre extrémité du premier étrier se trouve le second étrier qui actionne le Turbo-REC. Le second étrier transmet la force exercée par le frein aux deux vannes assurant l'obstruction de l'échappement et l'ouverture du réservoir d'air comprimé. Ainsi si la vitesse du moteur est faible le freinage est assuré principalement par le frein mécanique. Si la vitesse du moteur est élevée le freinage est principalement assuré par le Turbo-REC. La force de freinage reste proportionnelle à la force exercée sur le frein du véhicule. Il sera possible d'assurer une augmentation de la force exercée sur les vannes proportionnelle à la pression à l'admission afin d'augmenter de façon proportionnelle la pression à l'échappement par un système reposant sur des principes mécaniques. Cette fonction pourrait être exercé par une dérivation du système hydraulique contrôlée par la pression à l'admission qui assurerait soit une force proportionnelle soit une contre-force inversement proportionnelle à la pression de l'air à l'admission. Le dispositif présenté sous la dénomination de Turbo-REC permettra pour un coût limité des économies de carburant importantes. Il utilise des éléments déjà présents sur le véhicule. Le surpoids du dispositif est faible et il permet d'assurer la progressivité du freinage. Il ne présente pas d'éléments sensibles à l'usure ou à durée de vie limitée. Il apportera également au moteur un surcroit de puissance au redémarrage et en reprise et se particulièrement adapté à un véhicule urbain ou à vocation sportive. REVENDICATIONS1) Dispositif destiné à la récupération de l'énergie cinétique d'un véhicule au freinage caractérisé en ce qu'il convertit le moteur thermique en compresseur par l'obstruction contrôlée de l'échappement et d'un réservoir à air comprimé. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'obstruction de l'échappement et du réservoir à air comprimé sont sous le contrôle d'un calculateur qui détermine la tension de deux vannes situées sur une dérivation de l'échappement (Fig. 1; 4), la dérivation s'ouvre lorsque le conducteur actionne la commande de frein, une vanne obstrue l'échappement (1) et une vanne ouvre le réservoir à air comprimé (2). 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le calculateur qui est informé de la pression de l'air à l'admission par une sonde de pression (14) et de la vitesse de rotation du moteur convertit la force exercée sur la commande de frein en une surpression à l'échappement assurant une force de freinage proportionnelle à la force exercée sur la commande de frein et indépendante de la vitesse de rotation du moteur et de la pression de l'air à l'admission. 4) Dispositif selon une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la tension exercée sur la vanne ouvrant le réservoir à air comprimé (2) et la tension exercée sur la vanne obstruant l'échappement (1) permettent le passage de l'air dans le réservoir à air comprimé (3) à une pression inférieure à la pression qui permet le passage de l'air à travers la vanne obstruant l'échappement (1). 5) Dispositif selon une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'air sous pression s'échappant de la vanne obstruant l'échappement (1) alimente un turbocompresseur qui augmente la pression de l'air à l'admission du 25 moteur. 6) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'une boucle s'ouvrant lorsque le conducteur actionne la commande de frein (9) relie la turbine de détente du turbocompresseur (12) à la turbine de compression du turbocompresseur (13). 30 7) Dispositif selon la revendication 5 et la revendication 6 caractérisé en ce qu'une ouverture secondaire d'admission (16) située entre la turbine de détente du turbocompresseur (12) et la turbine de compression du turbocompresseur (13) permet l'alimentation en air extérieur du moteur lorsque le turbocompresseur entre en action (Fig. 2; D). 35 8) Dispositif selon la revendication 5 et la revendication 6 caractérisé en ce qu'un clapet (15) permet l'alimentation en air du moteur lorsque la conduite d'échappement est obstruée par la vanne (1) (Fig. 2; A, B, C).