Domaine technique de l'invention

La présente invention se rapporte à un moteur hybride pneumatique-thermique, qui récupère de l'énergie via un compresseur d'air et qui stocke cette énergie sous forme d'air comprimé et où la compression est faite en utilisant les cylindres.

Arrière-plan technologique

Les nouvelles motorisations doivent répondre à une problématique de plus en plus contraignante, notamment à des limites réglementaires d'émissions de polluants et des émissions de C02 de plus en plus sévères.

Ces contraintes nous poussent à optimiser le moteur thermique dans son fonctionnement, et ce, pour toutes ses phases de vie.

L'une des fonctions premières du moteur thermique conventionnel est de fournir du couple aux roues du véhicule pour le faire avancer. Ce couple sert essentiellement à vaincre les diverses forces résistives de frottement et pour vaincre l'inertie du véhicule. L'énergie apportée sous forme de couple par le moteur est convertie en partie en énergie cinétique.

Sur les phases de décélération et de freinage, le moteur n'apporte plus de couple aux roues. La décélération du véhicule se fait naturellement grâces aux divers frottements sur les levées de pied et grâce aux systèmes de freins pour les freinages plus forts. Lors de ces phases de freinage, l'énergie cinétique du véhicule est transformée par les freins en chaleur dissipée dans l'environnement proche.

Il 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.

Le concept d'hybridation pneumatique consiste à utiliser le couple résistif en entrée du groupe motopropulseur par exemple sur des phases de freinage pour comprimer de l'air et le stocker dans un réservoir. Cette compression peut se faire en utilisant les cylindres moteur à condition de disposer d'une soupape dédiée à la charge et décharge d'air comprimé. Un mode de réalisation de ce concept est connu par exemple du document FR2865769. Sur les phases d'accélération et de roulage faible vitesse, l'air comprimé stocké dans le réservoir peut être utilisé pour produire un couple positif.

Une représentation de principe d'un moteur hybride pneumatique-thermique utilisant les cylindres moteur comme moyen de compression est proposée en figure 1 .

Le moteur hybride pneumatique-thermique représenté schématiquement sur la figure 1 comporte de façon classique un bloc moteur comprenant une culasse 1 et des cylindres

2. Chaque cylindre comporte dans le cas ici représenté deux soupapes d'admission d'air

3, une soupape d'échappement 4, et une soupape de charge et décharge 5 d'air comprimé. Les soupapes d'admission 3 et d'échappement 4 coopèrent avec un dispositif de distribution, par exemple par arbres à cames, non représenté qui permet l'ouverture et la fermeture de ces soupapes en fonction de la position du piston dans le cylindre 2. La soupape de charge et décharge 5 d'air comprimé coopère avec un dispositif de distribution propre, non représenté, qui permet son ouverture et sa fermeture en fonction des besoins de charge et de décharge de gaz sous pression, besoins qui ne dépendent pas essentiellement de la position du piston dans le cylindre 2. Le moteur comprend encore un répartiteur d'air d'admission 6 permettant la distribution d'air d'admission dans les cylindres 2 par l'intermédiaire des soupapes d'admission 3, un collecteur d'échappement 7 permettant l'évacuation des gaz d'échappement des cylindres 2 par l'intermédiaire de la soupape d'échappement 4. Comme le montre encore la figure 1 , un tel moteur hybride pneumatique-thermique comporte aussi des moyens de stockage en gaz sous pression. Ces moyens de stockage en gaz sous pression comprennent principalement un réservoir 8 de stockage de gaz sous pression et un réseau 9 de canalisations reliant le réservoir 8 de stockage de gaz sous pression aux cylindres 2 au niveau de leur soupape 5 de charge et de décharge de gaz sous pression. Pour ce concept où la compression est faite en utilisant les cylindres 2, la pression maximale dans le réservoir dépend directement du taux de compression du moteur. Par exemple, pour un moteur essence avec un taux de compression de 1 1 , la pression maximum atteinte dans le réservoir sera de l'ordre de 20 bar. Au-delà de cette pression, le moteur en mode pompe pneumatique, c'est à dire de récupération d'énergie par compression d'air, ne sera plus en mesure de chasser l'air vers le réservoir d'air comprimé.

A ces niveaux de pression et pour des volumes de réservoir compatibles pour une application automobile du type véhicule léger, par exemple inférieurs à 50 litres, la capacité de stockage est de l'ordre de grandeur de l'énergie cinétique disponible sur un petit freinage (30 km/h à 0 km/h). La quantité d'énergie stockée étant faible, ce concept propose de récupérer et d'utiliser l'énergie dans des temps très courts. Cette technologie repose sur la réactivité et la capacité du système à passer rapidement d'un mode moteur thermique à un mode pompe pneumatique ou d'un mode moteur pneumatique à un mode moteur thermique.

Pour les moteurs à essence à fonctionnement en mode homogène à richesse 1 , il existe deux façons d'injecter le carburant : injection indirecte dans les conduits d'admission (ou NE pour l'acronyme d'Injection Indirecte Essence) et injection directe dans la chambre de combustion (ou IDE pour l'acronyme d'Injection Directe Essence). Pour les moteurs à injection directe essence, le carburant injecté lors d'un cycle est consommé lors de ce cycle puis évacué sous forme de gaz brûlés à l'échappement. Pour une injection indirecte essence, le carburant est injecté dans les conduits d'admission. Ce carburant forme un film liquide sur les parois. Ce film liquide est persistant évolue à une échelle de temps bien plus longue que celle du cycle moteur. Ainsi, nous constatons lors des transitoires de charge, par exemple, un décalage entre la quantité de carburant injectée et la quantité de carburant réellement admise dans le cylindre. De plus, après une coupure d'injection en NE, une quantité non négligeable de carburant continue à entrer dans les cylindres tant que le film liquide perdure dans les conduits d'admission.

Lors d'une transition entre le mode moteur thermique et le mode pompe pneumatique pour un moteur NE, le film liquide va continuer à diffuser du carburant dans l'air d'admission. Cet air chargé en carburant va potentiellement être stocké dans le réservoir d'air comprimé et va créer un risque d'auto-allumage dangereux pour le véhicule, ses passagers et son environnement proche. Une première solution envisagée serait d'attendre un certain nombre de cycles moteur sans injecter de carburant et laissant le papillon ouvert pour sécher le carburant contenu dans les films liquides. Ce carburant serait envoyé directement à l'échappement où il serait traité par le système de catalyse 3 voies de la ligne d'échappement. Cependant, avec cette solution, tant que le film liquide n'est pas séché, nous ne pouvons pas débuter la récupération d'énergie, ce qui pénalise la durée de récupération d'énergie en mode pompe pneumatique et donc la quantité d'énergie récupérée.

L'invention vise à proposer une solution permettant de s'affranchir du problème des hydrocarbures susceptibles d'être stockés en même temps que l'air dans le réservoir d'air comprimé d'un moteur hybride pneumatique, tout en gardant la capacité à passer rapidement d'un mode moteur thermique à un mode pompe pneumatique.

L'invention porte ainsi sur un moteur hybride pneumatique-thermique comprenant une culasse et un cylindre accueillant un piston définissant ainsi une chambre de combustion, des moyens de stockage de gaz sous pression, les dits moyens de stockage comportant un réservoir relié à la chambre de combustion par un conduit de passage des gaz sous pression, caractérisé en ce que les moyens de stockage de gaz sous pression comprennent de plus un dispositif catalytique d'oxydation des hydrocarbures. Ainsi, en disposant un dispositif catalytique d'oxydation des hydrocarbures dans les moyens de stockage, nous ne sommes plus contraint d'attendre l'élimination par évaporation des hydrocarbures préalablement à la mise en œuvre d'un mode pompe pneumatique, ces hydrocarbures seront éliminés directement dans les moyens de stockage, ce gain de temps nous permet de passer rapidement d'un mode moteur thermique à un mode pompe pneumatique et apporte un gain d'énergie récupérée.

Dans une variante, le dispositif catalytique d'oxydation des hydrocarbures comprend un bloc catalytique d'oxydation disposé dans une partie du conduit extérieure à la culasse.

Dans une autre variante, le dispositif catalytique comprend un bloc catalytique d'oxydation disposé dans le réservoir. Avantageusement le bloc catalytique d'oxydation est disposé en entrée du réservoir, afin de traiter l'intégralité du fluc de gaz sous pression entrant dans le réservoir. Dans une autre variante encore, le conduit comprend une partie collectrice intégrée à la culasse. Dans une variante, le dispositif catalytique d'oxydation des hydrocarbures comprend un bloc catalytique d'oxydation disposé dans le conduit, au plus près de la chambre de combustion.

De préférence, les moyens de stockage comprennent un calorifugeage.

Le moteur thermique est de préférence du type à injection indirecte essence, car avec ce type de moteur des films liquides d'hydrocarbures sont présents après une coupure d'injection et une quantité non négligeable de carburant continue à entrer dans les cylindres.

Brève description des dessins

D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles :

- La figure 1 présente un schéma de principe d'un moteur hybride pneumatique selon l'art antérieur.

- La figure 2 présente un schéma de principe d'un premier mode de réalisation d'un moteur hybride pneumatique selon l'invention comprenant un conduit de passage des gaz sous pression commun aux différents cylindres et un bloc catalytique d'oxydation des hydrocarbures dans le conduit de passage des gaz sous pression.

- La figure 3 présente un schéma de principe d'un second mode de réalisation d'un moteur hybride pneumatique selon l'invention comprenant un conduit de passage des gaz sous pression par cylindre et un bloc catalytique d'oxydation des hydrocarbures dans chaque conduit de passage des gaz sous pression.

- La figure 4 présente un schéma de principe d'un moteur hybride pneumatique selon l'invention comprenant un bloc catalytique d'oxydation des hydrocarbures dans le réservoir.

Description détaillée La figure 2 présente un premier exemple de réalisation d'un moteur hybride pneumatique- thermique conforme à l'invention. Dans ce premier exemple de réalisation, le moteur hybride pneumatique-thermique comporte un bloc moteur comprenant une culasse 1 et au moins un cylindre 2, en l'occurrence quatre dans l'exemple illustré en figure 2. Chaque cylindre 2 accueille un piston (non représenté), définissant chacun avec la culasse 1 une chambre de combustion. Chaque cylindre 2 comporte dans le cas ici représenté au moins une soupape d'admission d'air 3, en l'occurrence deux dans l'exemple illustré en figure 2, au moins une soupape d'échappement 4, et une soupape de charge et décharge 5 de gaz sous pression. Les soupapes d'admission 3 et d'échappement 4 coopèrent avec un dispositif de distribution, par exemple par arbres à cames, non représenté qui permet l'ouverture et la fermeture de ces soupapes en fonction de la position du piston dans le cylindre 2. La soupape de charge et décharge 5 coopère avec un dispositif de distribution propre, non représenté, qui permet son ouverture et sa fermeture en fonction des besoins de charge et de décharge de gaz sous pression, besoins qui ne dépendent pas essentiellement de la position du piston dans le cylindre 2.

Le dispositif de distribution de la soupape de charge et décharge 5 peut être un dispositif mécanique (mécanique pur, hydraulique, pneumatique), électrique, magnétique ou employer la combinaison d'au moins deux dispositifs précités.

Comme le montre encore la figure 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.

Le moteur comporte aussi des moyens de stockage en gaz sous pression. Ces moyens stockage en gaz sous pression comprennent principalement un réservoir 8 de stockage de gaz sous pression et un conduit 9 de passage de gaz sous pression reliant le réservoir 8 de stockage de gaz sous pression à la chambre de combustion au niveau de leur soupape de charge et de décharge 5.

L'invention consiste à placer un dispositif de traitement des hydrocarbures dans les moyens de stockage. Le dispositif de traitement des hydrocarbures est de préférence un dispositif catalytique d'oxydation. En effet, tel dispositif catalytique d'oxydation transforme le monoxyde de carbone, CO et les hydrocarbures, HC, en dioxyde de carbone, C02, et en eau dans des conditions d'excès en dioxygène dite aussi conditions de mélange pauvre. Le dispositif catalytique d'oxydation peut être constitué d'un ou plusieurs blocs catalytiques d'oxydation disposés en divers endroits des moyens de stockage.

Dans ce premier exemple de réalisation, et conformément à l'invention, les moyens de stockage en gaz sous pression comprennent un bloc catalytique d'oxydation 10 (que l'on désignera aussi sous l'expression « catalyseur d'oxydation ») des hydrocarbures. De manière connue, le catalyseur d'oxydation 10 peut par exemple se présenter sous la forme d'un bloc 100 de céramique comprenant des canaux à travers lesquels circulent les gaz à traiter, le bloc servant de substrat sur lequel est déposé un agent actif tel du platine et/ou du palladium. La réaction d'oxydation a besoin d'une température d'amorçage généralement comprise entre 120°C et 150°C pour être initiée. En fonctionnement en mode pompe pneumatique, cette température d'amorçage est avantageusement assurée par réchauffement des gaz dû à leur compression dans les cylindres 2. Le conduit 9 de passage des gaz sous pression présente une première partie 91 collectrice de gaz sous pression reliant les chambres de combustion et une seconde partie 92 extérieure à la culasse 1 . Avantageusement, la première partie 91 collectrice est intégrée à la culasse 1 , par exemple directement à la fonderie, et débouche de celle-ci par une sortie commune 1 1 . La seconde partie 92 relie la sortie commune 1 1 au réservoir 8.

Dans ce premier exemple de réalisation, le catalyseur d'oxydation 10 des hydrocarbures est disposé dans la seconde partie 92 du conduit 9 de passage extérieure à la culasse 1 . Cette configuration est avantageuse pour des raisons de compacité et de facilité d'implantation dans le moteur.

Dans le cas d'un moteur hybride pneumatique-thermique dont le moteur thermique est du type moteur à injection indirecte essence, celui-ci comprend des moyens d'injection de carburant (non représentés) dans l'air d'admission, en amont des cylindres 2, avantageusement dans le répartiteur d'air 6.

Lorsque le moteur hybride pneumatique-thermique effectue une transition du mode thermique au mode pompe pneumatique, c'est-à-dire de recharge du réservoir 8, le fonctionnement est le suivant pour un moteur dit à quatre temps : -L'injection de carburant est coupée. Immédiatement après la coupure d'injection, du carburant est toutefois présent sur les parois du répartiteur 6 sous forme d'un film liquide. - L'air admis dans les cylindres 2 durant leur phase d'admission est comprimée pendant la phase de compression. Cet air admis comprend des hydrocarbures issus de l'évaporation du film liquide.

-La soupape de charge et de décharge 5 s'ouvre et se referme aux moments appropriés permettant le transfert de l'air admis avec les hydrocarbures évaporés de la chambre de combustion du cylindre 2 vers les moyens de stockage et le maintien sous pression des gaz transférés dans les moyens de stockage,

- Le catalyseur d'oxydation 10 oxyde les hydrocarbures provenant des films liquides et présents dans l'air admis et convertis en gaz brûlés. L'oxydation des hydrocarbures étant de plus exothermique, elle contribue à augmenter la pression et l'énergie stockée dans le réservoir 8.

La figure 3 présente un deuxième exemple de réalisation. Ce mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que chacun des quatre cylindres 2 est relié au réservoir 8 par un conduit 9a, 9b, 9c, 9d distinct. Chacun des conduits 9a, 9b, 9c, 9d comprend un catalyseur d'oxydation 10a, 10b, 10c, 10d. Avantageusement les catalyseurs d'oxydation 10a, 10b, 10c, 10d sont placés au plus près de leur chambre de combustion, afin de bénéficier au maximum de la thermique des gaz comprimés et donc d'atteindre au plus vite leur température d'amorçage. Les catalyseurs d'oxydation 10a, 10b, 10c, 10d peuvent être disposés dans la culasse 1 ou extérieurement à la culasse 1 , mais dans la mesure du possible au plus près de leur chambre combustion.

La figure 4 présente un troisième exemple de réalisation. Ce mode de réalisation diffère du premier exemple de réalisation en ce que le catalyseur d'oxydation 10' est placé directement dans le réservoir 8. De préférence le catalyseur d'oxydation 10' est placé à l'entrée 12 du réservoir 8. Cette configuration a pour avantage de limiter l'encombrement du système complet. Cette configuration n'est pas à privilégier s'il y a de fortes pertes thermiques en amont du réservoir 8 car alors les conditions thermiques d'amorçage du catalyseur pourraient ne pas être atteintes rapidement. Il peut alors être avantageux de prévoir un calorifugeage des moyens de stockage de gaz sous pression, c'est dire du réservoir 8 et du conduit 9 de passage de gaz sous pression reliant le réservoir 8 de stockage de gaz sous pression à la chambre de combustion. Dans ce cas le calorifugeage du réservoir isole aussi le catalyseur d'oxydation 10'. Le calorifugeage permet, en limitant les pertes de chaleur, d'atteindre plus rapidement les conditions thermiques d'amorçage du catalyseur d'oxydation 10' et de les conserver. Un calorifugeage des moyens de stockage de gaz sous pression peut aussi être prévu pour les autres exemples de réalisation précités. L'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits. L'invention comprend aussi les exemples de réalisation combinant un ou plusieurs dispositifs de traitement des hydrocarbures issus des exemples de réalisation présentés précédemment. Par exemple en combinant le premier exemple au troisième exemple de façon à placer un catalyseur d'oxydation dans le conduit 9 de passage des gaz sous pression et un autre dans le réservoir 8. Disposer plusieurs catalyseurs d'oxydation dans les moyens de stockage a pour avantage de réduire la taille unitaire de chacun des catalyseurs d'oxydation ce qui facilite leur implantation. Leur forme peut aussi être adaptée aux contraintes d'espace autour du moteur.

Le dimensionnement (volume, surface développée de contact gaz / catalyseur, concentration en métaux précieux...) du ou des blocs catalytiques présents dans les moyens de stockage peut se faire à partir du débit maximum attendu d'hydrocarbures à traiter. Le dimensionnement peut aussi prendre en compte les pertes de charge afin de rester le plus perméable possible.

L'invention convient particulièrement à un moteur à injection indirecte essence, mais elle peut convenir sur d'autre type de moteurs tel qu'un moteur Diesel, à essence à injection directe, à gaz naturel, à partir du moment où des hydrocarbures imbrûlés sont présents lors d'un passage du mode thermique à un passage en mode pompe pneumatique.

L'invention a pour avantage de réduire les risques liés à l'utilisation de l'hybridation pneumatique en particulier sur un moteur à injection indirecte essence. Elle permet un passage rapide du mode thermique au mode pompe pneumatique ce qui améliore la récupération d'énergie par rapport à d'autres solutions envisagées telle que l'attente du séchage du carburant contenu dans le film liquide aux parois dans le cas d'une hybridation pneumatique d'un moteur à injection indirecte essence, L'invention a encore pour avantage de valoriser ces hydrocarbures imbrûlés qui sans l'invention restent inutilisés et sont rejetés dans la ligne d'échappement. Avec l'invention, ces hydrocarbures sont convertis en enthalpie par le catalyseur d'oxydation. Cette augmentation d'enthalpie va contribuer à augmenter la pression et l'énergie stockée dans le réservoir. Cette énergie sera convertie en énergie mécanique lors d'un fonctionnement en mode moteur pneumatique.