Brevet FR3143689A1 — publié le 20240621

L’invention concerne un groupe motopropulseur (1, 100) fonctionnant à l’hydrogène, ledit groupe motopropulseur (1, 100) comprenant un réservoir (2) d’hydrogène, un moteur à combustion interne (5) alimenté en hydrogène par ledit réservoir d’hydrogène et un moteur électrique (6) fonctionnant à partir d’une pile à combustible (3) alimentée avec de l’hydrogène en provenance de ce réservoir (2) d’hydrogène. Selon l’invention, le groupe motopropulseur (100) comprend un circuit de liaison (101) de circulation d’air doté d’un moyen d’ouverture/fermeture (102) et reliant une sortie d’air de la pile à combustible (3) à une entrée d’air (103) du moteur à combustion interne (5) pour permettre à l’air appauvri en oxygène en provenance de la pile à combustible (3) d’alimenter le moteur à combustion interne (3). Figure pour l’abrégé : Figure 2 groupe motopropulseur à hydrogène La présente invention concerne un groupe motopropulseur à hydrogène. L’invention concerne donc la technologie de propulsion à hydrogène et l’utilisation du meilleur moyen de transformer cette énergie pour faire avancer un véhicule automobile. Les solutions connues actuellement sont l’utilisation d’un système à pile à combustible couplé à une batterie notamment pour la gestion du démarrage et des transitoires de fonctionnement. D’autres solutions possibles consistent à brûler l’hydrogène dans un moteur à combustion interne. Ces deux solutions impliquent évidemment de devoir stocker de l’hydrogène dans le véhicule sous forme de bouteilles sous pression par exemple. Les avantages de la solution « pile à combustible » sont en particulier un rendement très important sur les charges partielles correspondant à des puissances faibles, et la génération d’une puissance électrique utilisable dans un moteur électrique pour faire avancer le véhicule sans aucune émission polluante réglementée. Les avantages de la solution « moteur à combustion interne » sont en particulier de pouvoir générer de fortes puissances avec un rendement important correspondant à de fortes charges du moteur à combustion interne. Par contre, le moteur à combustion interne produit des polluants réglementés en faible quantité. Afin de pouvoir bénéficier des avantages liés à chacune de ces solutions, celles-ci ont été associées au sein d’un groupe motopropulseur d’un véhicule. De cette manière, le groupe motopropulseur associant ces deux solutions inclut : -Un système de stockage de l’hydrogène comprenant une interface pour son remplissage et permettant d’alimenter en hydrogène le moteur à combustion interne et la pile à combustible, -Un moteur à combustion interne fonctionnant à l’hydrogène relié à l’axe de transmission permettant de faire avancer le véhicule. Le moteur est alimenté en hydrogène par le système de stockage de l’hydrogène, -Un moteur électrique lié à l’axe de transmission permettant de faire avancer le véhicule. Le moteur électrique est alimenté en électricité par une batterie tampon et par un système pile à combustible alimenté par le système de stockage de l’hydrogène. En ce qui concerne le besoin en alimentation en air de ce groupe motopropulseur, il est à préciser que les deux éléments constitués par le moteur à combustion interne et la pile à combustible doivent être chacun alimentés en air lors de leur fonctionnement. Il pourrait alors être envisagé un premier système d’alimentation en air du moteur thermique, et un deuxième système d’alimentation en air de la pile à combustible, lesdits deux systèmes étant distincts et indépendants l’un de l’autre. Or, une telle configuration s’avère encombrante et nécessite la mise en place d’un grand nombre de composants engendrant des coûts supplémentaires importants. La demande WO2015193111 A1 se rapporte à une unité de stockage d’hydrogène pour la fourniture d’hydrogène à un moteur à combustion interne et à une pile à combustible. Un système d’admission d’air est fourni pour le moteur à combustion interne et la pile à combustible. Le système d'alimentation en air de la pile à combustible comprend un compresseur d'air associé à un moteur électrique et une vanne 3 voies. Cependant, ce document ne décrit pas les caractéristiques suivantes : -une vanne 3 voies qui dirige le flux d'air de la pile à combustible vers un silencieux à la sortie de la pile à combustible ou l'air appauvri en oxygène vers l'entrée d'air du moteur à combustion interne, -un système d'alimentation en air comprenant un filtre à air pour la pile à combustible, et un filtre à air et un silencieux pour le moteur à combustion interne. Un groupe motopropulseur selon l’invention associe un moteur à combustion interne alimenté en hydrogène et un moteur électrique alimenté par une pile à combustible, et dont l’alimentation en air dudit moteur à combustion interne et de la pile à combustible a été améliorée. L’invention a pour objet un groupe motopropulseur fonctionnant à l’hydrogène, ledit groupe motopropulseur comprenant un réservoir d’hydrogène, un moteur à combustion interne alimenté en hydrogène par ledit réservoir d’hydrogène et un moteur électrique fonctionnant à partir d’une pile à combustible alimentée avec de l’hydrogène en provenance de ce réservoir d’hydrogène. Selon l’invention, le groupe motopropulseur comprend un premier circuit de circulation d’air débouchant dans une entrée d’air de la pile à combustible de façon à alimenter en air ladite pile à combustible, et un circuit de liaison de circulation d’air doté d’un moyen d’ouverture/fermeture et reliant une sortie d’air de la pile à combustible à une entrée d’air du moteur à combustion interne pour permettre à l’air appauvri en oxygène en provenance de la pile à combustible d’alimenter le moteur à combustion interne, le moteur à combustion interne étant alimenté en air par un deuxième circuit de circulation d’air. De cette manière, grâce à la présence judicieuse du circuit de liaison de circulation d’air entre la pile à combustible et le moteur à combustion interne, ledit moteur à combustion interne peut bénéficier de l’air appauvri en provenance de la pile à combustible. En effet, l’air sortant de la pile à combustible est appauvri en oxygène car une partie de l’oxygène présent en entrée de ladite pile a été consommé pour la production de la puissance électrique. Cet air appauvri en oxygène peut être acheminé vers l’entrée d’air du moteur à combustion interne, permettant audit moteur à combustion interne de fonctionner avec de l’air appauvri en oxygène. Ce fonctionnement permet d’utiliser le moteur à combustion interne à richesse 1 car il n’y aura plus d’oxygène en sortie de moteur, tout en bénéficiant d’un air d’admission dilué, le ratio O2/N2 étant réduit par rapport à celui de l’air extérieur. Le moyen d’ouverture/fermeture, qui peut par exemple être représenté par une vanne trois voies, peut être piloté de façon indépendante, soit pour permettre à l’air appauvri en oxygène en provenance de la pile à combustible d’être acheminé vers une entrée d’air du moteur à combustion interne, soit pour interrompre la circulation de cet air appauvri en oxygène entre ladite pile à combustible et ledit moteur à combustion interne. Un groupe motopropulseur selon l’invention peut ainsi fonctionner de trois manières différentes : -soit uniquement avec la pile à combustible, et dans ce cas le moyen d’ouverture/fermeture du circuit de liaison est dans une position fermée, la pile à combustible étant alimenté en air par le premier circuit, -soit uniquement avec le moteur à combustion seul, et dans ce cas le moyen d’ouverture/fermeture du circuit de liaison est dans une position fermée, ledit moteur à combustion interne fonctionnant avec de l’air uniquement en provenance du deuxième circuit de circulation d’air -soit en combinant le fonctionnement de la pile à combustible et le fonctionnement du moteur à combustion interne pour permettre audit moteur à combustion interne de bénéficier de l’air appauvri en oxygène en provenance de la pile à combustible, et dans ce cas, le moyen d’ouverture/fermeture du circuit de liaison de circulation d’air est dans une position ouverte. Selon une caractéristique possible de l’invention, le premier circuit de circulation d’air comprend une entrée d’air, un premier filtre à air et un premier compresseur d’air, ces trois éléments étant disposés en amont de la pile à combustible par rapport au sens de déplacement de l’air dans ledit premier circuit pour alimenter en air comprimé ladite pile. Ce premier circuit d’air permet d’injecter de l’air sous pression en provenance de l’extérieur du véhicule dans la pile à combustible. Selon une caractéristique possible de l’invention, le premier compresseur d’air est associé à un premier moteur électrique. L’injection d’air sous pression dans la pile à combustible s’effectue de façon autonome et provoquée grâce à une activation du premier moteur électrique. Selon une caractéristique possible de l’invention, le moyen d’ouverture/fermeture est une vanne trois voies placée entre la sortie d’air de la pile à combustible et l’entrée d’air du moteur à combustion interne, ladite vanne trois voies occupant une première position pour laquelle elle oriente le flux d’air en provenance de la pile à combustible vers l’entrée d’air du moteur à combustion interne, ou une deuxième position pour laquelle elle oriente le flux d’air en provenance de la pile à combustible vers un silencieux. Cette vanne trois voies permet ainsi, soit d’acheminer l’air appauvri en oxygène en provenance de la pile à combustible vers une entrée d’air du moteur à combustion thermique, soit d’acheminer cet air appauvri en oxygène vers un silencieux sans alimenter le moteur à combustion interne. Le silencieux est placé sur une ligne d’évacuation du gaz appauvri en oxygène en provenance de la pile çà combustion qui est distincte du circuit de liaison. Selon une caractéristique possible de l’invention, le circuit de de liaison de circulation d’air comprend une vanne de régulation placée entre la vanne trois voies et l’entrée d’air du moteur à combustion interne, ladite vanne de régulation occupant une première position pour laquelle elle permet la circulation de l’air appauvri en oxygène vers ladite entrée d’air, ou une deuxième position pour laquelle elle stoppe ladite circulation d’air appauvri. De cette manière, si la vanne trois voies était dans une position d’ouverture pour laisser passer l’air appauvri en oxygène en provenance de la pile à combustible vers le moteur à combustion interne, cette vanne de régulation permet d’interrompre à tout moment la circulation de cet air appauvri en oxygène en provenance de la vanne trois voies. Cette vanne de régulation permet un réglage plus fin des conditions de circulation du flux d’air appauvri en oxygène, notamment vers le moteur à combustion interne. Cette vanne de régulation vient avantageusement compléter la vanne trois voies. Selon une caractéristique possible de l’invention, le deuxième circuit d’alimentation en air comprend une deuxième entrée d’air, un deuxième filtre à air, un deuxième compresseur d’air et un refroidisseur. Ce deuxième circuit d’air permet d’injecter de l’air sous pression refroidi, en provenance de l’extérieur du véhicule dans le moteur à combustion interne Selon une caractéristique possible de l’invention, l’entrée d’air du moteur à combustion interne dans laquelle débouche le circuit de liaison de circulation d’air en provenance de la pile à combustible, se connecte au deuxième circuit de circulation d’air dans une tubulure reliant le deuxième filtre à air et le deuxième compresseur d’air. Selon une caractéristique possible de l’invention, le groupe motopropulseur comprend un circuit d’échappement d’air prenant naissance à une sortie d’air du moteur à combustion interne, ledit circuit d’échappement d’air comprenant une turbine couplée au deuxième compresseur d’air et alimentée par le flux d’air sortant dudit moteur à combustion interne. Selon une caractéristique possible de l’invention, le circuit d’échappement comprend un silencieux inséré entre la turbine et une sortie d’air dudit circuit d’échappement. Les gaz d’échappement émis par le moteur à combustion interne sont évacués vers l’extérieur du véhicule via le silencieux. Selon une caractéristique possible de l’invention, le groupe motopropulseur comprend une batterie tampon destinée à venir compléter la pile à combustible pour assurer le fonctionnement du moteur électrique. Un groupe motopropulseur selon l’invention présente l’avantage de pouvoir fonctionner dans trois modes différents, à savoir, pile à combustible seule, moteur à combustion interne seul ou suivant combinaison de ladite pile et dudit moteur, grâce à une mise en œuvre judicieuse d’un circuit de liaison de circulation d’air entre la pile à combustible et le moteur à combustion interne. De cette manière, le mode combinant la pile à combustible et le moteur à combustion interne permet audit moteur de fonctionner avec de l’air appauvri en oxygène en provenance de ladite pile et permet d’obtenir un gain sur : -L’architecture de post traitement par rapport à une architecture du post traitement pour une moteur thermique fonctionnant à richesse 1 ou en mélange pauvre, -Le rendement moteur puisqu’il fonctionne en mélange dilué. Cela permet donc de bénéficier de l’avantage de la dilution sur le rendement moteur sans les inconvénients des systèmes de post-traitement en mélange pauvre. On donne ci-après une description détaillée d’un mode de réalisation préféré d’un groupe motopropulseur selon l’invention, en se référant aux figures suivantes : La est une vue schématique simplifiée d’un groupe motopropulseur selon l’état de la technique, La est un schéma simplifié d’un groupe motopropulseur selon l’invention. En se référant à la , un groupe motopropulseur 1 selon l’état de la technique comprend un réservoir 2 d’hydrogène, une pile à combustible 3, une batterie tampon 4, un moteur à combustion interne 5 fonctionnant à l’hydrogène et un moteur électrique.6. Le réservoir d’hydrogène 2 peut par exemple être représenté par au moins une bouteille d’hydrogène sous pression. Une première tubulure 7 joint le réservoir d’hydrogène 2 à la pile à combustible 3 pour permettre à l’hydrogène issu du réservoir 2 d’alimenter la pile à combustible 3. Une deuxième tubulure 8 prend naissance sur la première tubulure 7 en amont de la pile à combustible 3, et s’étend jusqu’au moteur à combustion interne 5, ladite deuxième tubulure 8 permettant d’acheminer de l’hydrogène issu du réservoir 2 vers ledit moteur à combustion interne 5. Le moteur à combustion interne 5 comprend classiquement des chambres 9 à combustion. La pile à combustible 3 complétée par la batterie tampon 4 permet d’assurer le fonctionnement du moteur électrique 6. Le moteur à combustion interne 5 fonctionnant à l’hydrogène et le moteur électrique 4 sont tous les deux reliés à un axe de transmission 10 du véhicule, qui peut être mis en rotation par au moins l’un desdits deux moteurs 4, 5 pour propulser le véhicule. La pile à combustible 3 est alimentée avec de l’air qui est extérieur au véhicule, par l’intermédiaire d’un premier circuit 11 de circulation d’air. Ce premier circuit 11 de circulation d’air comprend dans l’ordre une première entrée d’air 12, un premier filtre 13 à air et un premier compresseur d’air 14 fonctionnant avec un moteur électrique 15 autonome. Le premier filtre 13 nettoie l’air en provenance de la première entrée 12, avant que celui-ci ne soit comprimé par le premier compresseur 14 puis injecté dans la pile à combustion 3. Ce premier circuit 11 de circulation d’air permet d’injecter de l’air sous pression dans la pile à combustible 3 pour assurer son fonctionnement, cet air étant ensuite évacué par une tubulure 16 de sortie prenant naissance sur ladite pile à combustible 3 et se terminant par un silencieux 30. Le moteur à combustion interne 5 est alimenté avec de l’air qui est extérieur au véhicule, par l’intermédiaire d’un deuxième circuit 17 de circulation d’air. Ce deuxième circuit 17 comprend dans l’ordre, une deuxième entrée d’air 18, un deuxième filtre 19 à air, un deuxième compresseur 20 et un refroidisseur 21 placé juste avant le moteur à combustion interne 5. Le deuxième filtre 19 nettoie l’air en provenance de la deuxième entrée 18, avant que celui-ci ne soit comprimé par le deuxième compresseur 20 puis soit ensuite refroidi par le refroidisseur 21. L’air comprimé et refroidi issu du refroidisseur 21 est ensuite injecté dans les chambres de combustion 9 du moteur à combustion interne 5. Les gaz d’échappement sont ensuite évacués des chambres de combustion 9 au moyen d’un circuit d’échappement 22 comprenant une turbine 23 qui est couplée au deuxième compresseur 20, un silencieux 24 et une sortie d’air 25, ledit silencieux 24 étant placé entre ladite turbine 23 et ladite sortie d’air 25. Pour une telle configuration d’un groupe motopropulseur 1, le moteur à combustion interne 5 et le moteur électrique 4 via la pile à combustible 3, fonctionnent simultanément en étant alimentés tous les deux avec de l’air en provenance de l’extérieur du véhicule dans lequel serait monté le groupe motopropulseur. En se référant à la , un groupe motopropulseur 100 selon l’invention se différencie du groupe motopropulseur 1 de l’état de la technique précédemment décrit par le fait que la tubulure de sortie 16 de la pile à combustible 3 ne se termine plus par le silencieux 30, mais est prolongée jusqu’au moteur à combustion interne 5, pour former une tubulure de liaison 101 de circulation d’air entre ledit moteur à combustion interne 5 et ladite pile à combustible 3. Cette tubulure de liaison 101 comprend une vanne trois voies 102 pouvant occuper une première position pour laquelle elle oriente le flux d’air en provenance de la pile à combustible 3 vers une entrée d’air 103 du moteur à combustion interne 5, et une deuxième position pour laquelle elle oriente le flux d’air en provenance de la pile à combustible 3 vers une branche d’évacuation de l’air appauvri en oxygène dotée d’un silencieux 104. L’entrée d’air 103 du moteur à combustion interne 5 est située sur une tubulure 106 de circulation d’air reliant le deuxième filtre 19 à air et le deuxième compresseur 20 du deuxième circuit 17 de circulation d’air. Autrement dit, la tubulure de liaison 101 de circulation d’air reliant la pile à combustible 3 et le moteur à combustion interne 5, débouche dans la tubulure 106 de circulation d’air reliant le deuxième filtre 19 à air et le deuxième compresseur 20 du deuxième circuit 17 de circulation d’air. Une vanne de régulation 107 est insérée sur la tubulure de liaison 101 entre la vanne trois voies 102 et l’entrée d’air 103 du moteur à combustion interne 5, ladite vanne de régulation 107 pouvant occuper : - une première position pour laquelle elle permet à l’air appauvri en oxygène circulant dans la tubulure de liaison 101 de cheminer vers l’entrée d’air 103 du moteur à combustion interne 5, ou -une deuxième position pour laquelle elle stoppe ladite circulation d’air dans la tubulure de liaison 101, empêchant l’air appauvri en oxygène de pénétrer dans ledit moteur à combustion interne 5. . L’originalité d’un groupe motopropulseur 100 selon l’invention est que le moteur à combustion interne 5 fonctionnant à l’hydrogène, peut bénéficier lors de certaines phases de roulage du véhicule, d’un air appauvri en oxygène en provenance de la pile à combustible 3. En effet, l’air sortant de la pile à combustible 3 est appauvri en oxygène car une partie de l’oxygène présent en entrée de ladite pile 3 a été consommée pour la production de la puissance électrique. Grâce à cette alimentation avec de l’air appauvri en oxygène, le moteur à combustion interne 5 peut être utilisé à richesse 1, c’est-à-dire qu’il n’y aura plus d’oxygène à la sortie dudit moteur 5, tout en bénéficiant d’un air d’admission dilué, car le ratio O2/N2est réduit par rapport à celui de l’air extérieur ambiant. Ce mode de fonctionnement avec de l’air appauvri en oxygène permet un gain sur : - L’architecture de post traitement par rapport à une architecture du post traitement pour une moteur thermique fonctionnant à richesse 1 ou en mélange pauvre, -Le rendement moteur puisqu’il fonctionne en mélange dilué. Cela permet donc de bénéficier de l’avantage de la dilution sur le rendement moteur sans les inconvénients des systèmes de post-traitement en mélange pauvre. Groupe motopropulseur (1, 100) fonctionnant à l’hydrogène, ledit groupe motopropulseur (1, 100) comprenant un réservoir (2) d’hydrogène, un moteur à combustion interne (5) alimenté en hydrogène par ledit réservoir d’hydrogène et un moteur électrique (6) fonctionnant à partir d’une pile à combustible (3) alimentée avec de l’hydrogène en provenance de ce réservoir (2) d’hydrogène, caractérisé en ce qu’il comprend un premier circuit (11) de circulation d’air débouchant dans une entrée d’air de la pile à combustible (3) de façon à alimenter en air ladite pile à combustible (3), et en ce qu’il comprend un circuit de liaison (101) de circulation d’air doté d’un moyen d’ouverture/fermeture (102) et reliant une sortie d’air de la pile à combustible (3) à une entrée d’air (103) du moteur à combustion interne (5) pour permettre à l’air appauvri en oxygène en provenance de la pile à combustible (3) d’alimenter le moteur à combustion interne (5), le moteur à combustion interne (5) étant alimenté en air par un deuxième circuit (17) de circulation d’air. Groupe motopropulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier circuit (11) de circulation d’air comprend une entrée d’air (12), un premier filtre (13) à air et un premier compresseur (14) d’air, et en ce que ces trois éléments (12, 13, 14) sont disposés en amont de la pile à combustible (3) par rapport au sens de déplacement de l’air dans ledit premier circuit (11) pour alimenter en air comprimé ladite pile (3). Groupe motopropulseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier compresseur (14) d’air est associé à un premier moteur électrique (15) Groupe motopropulseur selon l’une quelconque des deux revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen d’ouverture/fermeture est une vanne trois voies (102) placée entre la sortie d’air de la pile à combustible (3) et l’entrée d’air (103) du moteur à combustion interne (5), et en ce que ladite vanne trois voies (102) occupe une première position pour laquelle elle oriente le flux d’air en provenance de la pile à combustible (3) vers l’entrée d’air (103) du moteur à combustion interne (5), ou une deuxième position pour laquelle elle oriente le flux d’air en provenance de la pile à combustible (3) vers un silencieux (104). Groupe motopropulseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de liaison (101) de circulation d’air comprend une vanne de régulation (107) placée entre la vanne trois voies (102) et l’entrée d’air (103) du moteur à combustion interne (5), et en ce que ladite vanne de régulation (107) occupe une première position pour laquelle elle permet la circulation de l’air appauvri en oxygène vers ladite entrée d’air (103) ou une deuxième position pour laquelle elle stoppe ladite circulation d’air appauvri. Groupe motopropulseur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le deuxième circuit (17) d’alimentation en air comprend une deuxième entrée (18) d’air, un deuxième filtre (19) à air, un deuxième compresseur d’air (20) et un refroidisseur (21). Groupe motopropulseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’entrée d’air (103) du moteur à combustion interne dans laquelle débouche le circuit de liaison (101) de circulation d’air en provenance de la pile à combustible (3), se connecte au deuxième circuit (17) de circulation d’air dans une tubulure (106) reliant le deuxième filtre à air (19) et le deuxième compresseur d’air (20). Groupe motopropulseur selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu’il comprend un circuit d’échappement (22) d’air prenant naissance à une sortie d’air du moteur à combustion interne (5), et en ce que ledit circuit d’échappement (22) d’air comprend une turbine (23) couplée au deuxième compresseur (20) d’air et alimentée par le flux d’air sortant dudit moteur à combustion interne (5). Groupe motopropulseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit d’échappement (22) comprend un silencieux (24) inséré entre la turbine (23) et une sortie d’air (25) dudit circuit d’échappement (22). Groupe motopropulseur selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend une batterie tampon (4) destinée à venir compléter la pile à combustible (3) pour assurer le fonctionnement du moteur électrique (6).