HYBRIDE D'UN VEHICULE

L'invention se rapporte à un procédé d'utilisation d'un système de propulsion hybride d'un véhicule. Dans le cadre de cette invention, le système de propulsion hybride possède une composante thermique et une composante pneumatique.

Pour la suite de la description, les termes « cylindre » et « chambre de combustion » sont équivalents. Il est de plus supposé connu que chaque cylindre comprend un piston déplaçable, pour assurer les différentes phases de compression et de détente des gaz durant un cycle moteur. De même, il est supposé connu qu'un moteur thermique est associé à un circuit d'admission d'air et à un circuit ou une ligne d'échappement de gaz d'échappement.

Les limitations des émissions polluantes deviennent de plus en plus restrictives et la consommation de carburant et les émissions de dioxyde de carbone C0 ₂ qui en découlent sont de plus en plus pénalisantes pour les utilisateurs de véhicules. Des contraintes de circulation des véhicules sont déjà appliquées dans certaines villes et le seront de plus en plus, afin de limiter la pollution et l'émission des gaz à effet de serre dans les villes. Certaines villes utilisent déjà des « péages » afin de contraindre les utilisateurs à rouler dans certaines zones, le montant de ces péages étant proportionnels aux émissions de C0 ₂ et aux émissions polluantes.

Les véhicules hybrides, de par leur capacité à combiner deux sources d'énergie embarquées, permettent d'utiliser le moteur thermique préférentiellement dans des zones de rendement énergétique élevé, et d'utiliser l'autre source énergétique dans les zones de rendement plus faibles, afin de réduire la consommation de carburant et les émissions de polluants comme par exemple, les hydrocarbures, le monoxyde d'azote, les oxydes d'azote et différentes particules. La configuration la plus répandue pour les véhicules hybrides actuellement opérationnels, est la combinaison d'un moteur thermique avec un moteur électrique alimenté par une batterie. En fonction de la puissance du moteur électrique et de la capacité de stockage de la batterie, l'hybridation peut aller de la simple assistance au moteur thermique pendant les phases d'accélération, à la prise en charge complète de la traction du véhicule par le moteur électrique sur une distance plus ou moins longue. L'autre mode de fonctionnement hybride est celui appelé optimisation de point de fonctionnement du moteur, le point de fonctionnement d'un moteur étant caractérisé par le régime de rotation du moteurs en tours par minute et par le couple transmis par le moteur en newtons par mètre. Dans ce cas, le moteur thermique génère plus de couple pour faire fonctionner le moteur électrique en mode générateur de courant. La batterie ainsi rechargée peut être utilisée ensuite pour faire fonctionner le moteur électrique en mode générateur de couple sur les roues.

Les véhicules hybrides thermique/électrique présentent toutefois l'inconvénient d'intégrer des composants électriques et électrotechniques, dont le coût est relativement important. Ce coût vient grever le gain de coût d'usage du véhicule, réalisé à travers une baisse significative de la consommation de carburant obtenue grâce à l'hybridation. Les principaux composants évoqués ci-avant, sont le moteur électrique additionnel et son électronique de puissance, le couplage à la transmission et la batterie.

Une solution alternative à l'hybridation thermique/électrique est l'hybridation thermique/pneumatique. Le principe est de récupérer de l'énergie sous forme pneumatique lors des décélérations du véhicule effectuées avec ou sans freinage, et de réutiliser cette énergie dans les autres phases fondamentales de fonctionnement du véhicule, comme par exemple, le démarrage, le roulage à l'air comprimé, et l'assistance pendant les accélérations. Ce type d'hybridation nécessite l'implantation de composants de moindre coût que les composants électriques et électrotechniques, ces composants étant essentiellement constitués par un réservoir d'air comprimé, des clapets et des électrovannes.

Le principe du moteur hybride pneumatique est connu et est à présent dans le domaine public. A titre d'exemple, en se référant à la figure 1, un système de propulsion hybride d'un véhicule automobile, comprend une composante thermique à travers un moteur 1 doté de quatre chambres 2 de combustion, et une composante pneumatique à travers un réservoir 3 d'air sous pression récupéré lors des phases de décélération du véhicule. Les différents flux d'air dans chaque chambre de combustion 2 sont gérés par deux soupapes d'admission 4, une soupape d'échappement 5 et une soupape de charge 6. Schématiquement, de l'air incident est envoyé dans chaque chambre de combustion 2 du moteur thermique 1 par l'intermédiaire d'un collecteur d'admission 14, la pression de cet air étant réglée par un boîtier 8 papillon motorisé situé en amont dudit collecteur 14. L'actionnement de chaque soupape d'admission 4 permet de piloter le débit de l'air incident à injecter dans chaque chambre 2. L'ouverture de chaque soupape d'échappement 5 crée un passage de fuite pour les gaz d'échappement issus de la combustion dans chacune desdites chambres 2, lesdits gaz étant alors acheminés, au moyen d'un collecteur d'échappement 15, vers un circuit d'échappement 13. Un volet 10 de by-pass est implanté dans la ligne d'échappement 13 du moteur 1, pour réacheminer les gaz, soit directement vers l'extérieur du véhicule par une sortie 11 de cette ligne 13 au moyen d'un circuit de by-pass 21, soit vers un pot catalytique 12 afin de les traiter avant de les rejeter propres à l'extérieur dudit véhicule via cette sortie 11. Le réservoir 3 est en communication avec chacune des chambres 2 de combustion, grâce à un conduit de liaison 16, qui débouche dans un collecteur de charge 17 permettant de distribuer l'air dans chacune desdites chambres 2. Chaque soupape de charge 6 gère le passage de l'air entre chaque chambre 2 de combustion et ledit réservoir 3. Ainsi, lorsque le réservoir 3 s'est rempli d'air, chaque soupape de charge 6 peut s'ouvrir pour permettre le passage de l'air en provenance du réservoir 3 vers chaque chambre 2 de combustion, pour notamment assurer une injection complémentaire d'air dans lesdites chambres 2.

Un tel système hybride de propulsion fonctionne selon 3 modes :

a. Un mode conventionnel, qui est le mode de fonctionnement standard du moteur 1 en combustion. Dans ce cas, les soupapes 6 de charge demeurent en position fermée et le réservoir 3 d'air n'est pas impliqué.

b. Un mode pompe, qui est activé durant les phases de décélération et de freinage du véhicule. Le réservoir 3 d'air comprimé est rempli durant ce mode. Chaque soupape de charge 6 est alors commandée pour s'ouvrir et faire transiter l'air de chaque cylindre 2 vers le réservoir 3 durant la phase de compression.

c. Un mode pneumatique, qui est activé durant les phases de démarrage du moteur 1 et de roulage du véhicule uniquement à l'air comprimé. Chaque soupape de charge 6 est commandée pour s'ouvrir et faire transiter l'air comprimé du réservoir 3 vers chaque cylindre 2 durant la phase de détente.

Le volet 10 de by-pass du circuit d'échappement 13, est utilisé pour éviter aux gaz évacués durant les modes pompe et pneumatique de traverser le pot catalytique 12 et ainsi de refroidir sa thermique. Ce volet 12 peut occuper deux positions :

a. Une première position pour laquelle les gaz évacués par les soupapes 5 d'échappement des chambres 2 de combustion pendant les modes pompe et pneumatique, sont déviés vers le circuit de by-pass 21 pour éviter le pot catalytique 12, avant d'être rejetés à l'extérieur du véhicule. Ils sont en effet composés uniquement d'air comprimé détendu, à une faible température comprise entre -10°C et 15°C. Cela permet ainsi de conserver la thermique du pot catalytique 12, nécessaire au traitement des gaz brûlés issus des chambres 2 de combustion.

b. Une deuxième position pour laquelle les gaz évacués par les soupapes 5 d'échappement des chambres 2 de combustion, pendant le mode conventionnel, passent bien au travers du pot catalytique 12 pour être dépollués avant d'être rejetés dans l'atmosphère. En effet, pour le mode conventionnel de fonctionnement du moteur thermique 1, les gaz d'échappement sont portés à haute température et sont chargés de particules polluantes. Il est donc prioritaire de les traiter avec le pot catalytique 12 avant de les rejeter propres dans l'atmosphère. Or, malgré l'implantation d'un réservoir d'air comprimé, destiné à venir suppléer un moteur thermique, la production de dioxyde de carbone (C02) par le moteur thermique demeure toujours trop élevée. Il est donc important d'augmenter l'autonomie du véhicule en mode pneumatique, afin de réduire l'utilisation du moteur thermique. Cette autonomie est notamment liée à la masse d'air stockée, et à son niveau de consommation spécifique. La masse d'air stockée est dépendante du volume du réservoir, de la pression et de la température de l'air stocké. Le volume du réservoir est limité par l'architecture du véhicule et ne peut donc pas être réaménagé facilement. La pression maximale est dictée par ce que le moteur est capable de fournir en mode pompe, et ne peut donc pas être modifiée sans un changement radical des caractéristiques dudit moteur, notamment de la dimension des chambres de combustion. Ces deux voies d'amélioration demeurant difficiles à réaliser, voire impossible, il reste donc une optimisation de la consommation de l'air par le moteur, pour obtenir le point de fonctionnement moteur désiré.

L'article « Pneumatic-combustion hybrid engine : a study of the effect of the valve train sophistication on pneumatic modes » (Les Rencontres Scientifiques de l'IFP, Advances in Hybrid Powertrains, 25-26 November 2008, P.Brejaud et al) divulgue une étape consistant à forcer la fermeture des soupapes d'admission lorsque le moteur est en mode pneumatique. Un premier inconvénient lié à cette solution est son surcoût, car elle nécessite de modifier les moyens de commande des soupapes d'admission tout spécialement pour le fonctionnement en mode pneumatique. Un second inconvénient est constitué par son mauvais rendement à faible charge.

Les procédés de fonctionnement d'un système de propulsion hybride selon l'invention, permettent d'optimiser les phases d'utilisation du moteur thermique et les phases d'utilisation de l'air en provenance du réservoir, de façon à réduire la production de C02, et tout en s'affranchissant des inconvénients précités.

L'invention a pour objet un procédé d'utilisation d'un système de propulsion hybride d'un véhicule, comprenant un réservoir d'air comprimé et un moteur thermique doté d'au moins un cylindre, chacun desdits cylindres pouvant être alimenté en air par un circuit d'admission doté d'un dispositif de régulation de la pression de l'air et par le réservoir d'air. La principale caractéristique d'un procédé d'utilisation selon l'invention, est qu'il comprend les étapes suivantes :

- Une étape de fixation d'un paramètre représentatif du point de fonctionnement du moteur,

- Une étape d'adaptation de la pression de l'air en provenance du circuit d'admission au moyen du dispositif de régulation, de manière à minimiser la consommation d'air en provenance du réservoir pour atteindre ledit point de fonctionnement.

Un système de propulsion hybride a une composante thermique et une composante pneumatique permettant d'alimenter en air chacun des cylindres du moteur, au moyen d'un circuit d'alimentation en air conventionnel via un dispositif de régulation de la pression de l'air et des soupapes d'admission, et au moyen d'un réservoir d'air autonome. Ces deux sources d'alimentation en air sont pilotées indépendamment l'une de l'autre, et peuvent donc être déclenchées simultanément ou avec un décalage temporels, pouvant occasionner ou non des plages de recouvrement. Ainsi, en voulant privilégier une alimentation en air en provenance du réservoir au détriment d'une alimentation en air fournie par le circuit d'alimentation, afin de limiter les émissions de C02, il a été constaté de façon surprenante, par la demanderesse, qu'il était possible de réduire la consommation de cet air issu du réservoir, pour atteindre un point de fonctionnement donné du moteur, en faisant varier la pression de l'air venant dudit circuit d'alimentation . Ainsi, lorsqu'un conducteur souhaite atteindre un point de fonctionnement spécifique du moteur en mode pneumatique, en enfonçant la pédale d'accélération, il est possible d'adapter la pression de l'air dans le circuit d'admission, de façon à minimiser la consommation de l'air issu du réservoir. Un procédé d'utilisation selon l'invention, permet une utilisation économique de l'air issu du réservoir, tout en obtenant la performance du moteur recherchée par le conducteur. Il est supposé que la pression maximale de l'air dans le réservoir est un paramètre figé.

Avantageusement, le dispositif de régulation de la pression est un boîtier papillon motorisé. Le boîtier papillon permet une régulation de la pression de l'air d'admission, qui est précise et bien contrôlée. L'ouverture de ce boîtier étant variable, il peut donc proposer une plage continue de pression de l'air dans le circuit d'admission .

De façon préférentielle, le point de fonctionnement du moteur est caractérisé par le couple et par le régime moteur. Le régime moteur est déterminé par le nombre de tours par minute du moteur, et le couple moteur s'évalue en Newton . Mètres.

Préférentiellement, le paramètre représentatif de la charge du point de fonctionnement est une pression moyenne indiquée. Ce paramètre est connu sous la dénomination PMI.

De façon préférentielle, le niveau de pression de l'air d'admission est réglé par le boîtier papillon, de manière à minimiser la consommation spécifique d'air Csair provenant du réservoir d'air, et qui est le rapport du débit Qres en provenance du réservoir sur la puissance indiquée Pind . Par analogie avec la consommation spécifique indiquée (CSI) permettant de comparer les rendements en fonctionnement thermique conventionnel, c'est la consommation spécifique d'air Csair qui est utilisée dans le cadre d'un procédé d'utilisation selon l'invention . Ce paramètre est donné par la formule suivante :

Csair=Qres/Pind

où Csair est la consommation spécifique d'air provenant du réservoir en (g/kWh), Qres est le débit d'air provenant du réservoir (en g/h) et Pind est la puissance indiquée en kW.

Avantageusement, un procédé selon l'invention, comprend une étape d'élaboration d'une cartographie, pour un moteur et un réservoir d'air donnés, donnant le pourcentage d'ouverture du boîtier papillon en fonction de la pression dans le réservoir d'air, du couple demandé par le conducteur, et du régime de rotation du moteur, de manière à minimiser la consommation d'air en provenance dudit réservoir. De cette manière, pour un point de fonctionnement particulier du moteur, caractérisé par un couple et un régime moteur, il est aisé de se reporter à la cartographie ainsi élaborée, pour lire directement quelle doit être la pression de l'air dans le circuit d'admission permettant une consommation minimale de l'air issu du réservoir. De façon préférentielle, l'alimentation en air de chaque cylindre par le circuit d'admission est assurée par au moins une soupape d'admission, l'alimentation en air de chacun desdits cylindres par le réservoir étant assurée par au moins une soupape de charge. Chacune de ces soupapes possède son propre mécanisme d'actionnement et peut être déclenchée indépendamment les unes des autres.

Les procédés d'utilisation d'un système de propulsion hybride d'un véhicule selon l'invention ont l'avantage de ne nécessiter aucun équipement supplémentaire, ni un retrait de pièces, pour parvenir à exploiter de façon économe et performante ledit système de propulsion. Ils ont de plus l'avantage d'accroître l'autonomie du véhicule en mode pneumatique, non pas en impliquant une source additionnelle d'air sous pression, mais en utilisant de façon optimisée les différents composants du système de propulsion hybride.

On donne ci-après une description détaillée d'un procédé selon l'invention, permettant d'utiliser dans des conditions optimisées, un système de propulsion hybride comprenant un moteur thermique et un réservoir d'air sous pression, en se référant aux figures 1 et 2.

- La figure 1 est une vue schématique d'un système de propulsion hybride déjà existant,

- La figure 2 est un diagramme présentant la consommation spécifique d'air Csair en fonction de la pression moyenne indiquée PMI pour différentes pressions dans le circuit d'admission d'air et dans le réservoir.

La figure 1 a déjà été décrite. Un principe de la présente invention est de piloter avantageusement le boîtier papillon 8 sans modifier les lois de commande des soupapes d'admission 4.

Il est rappelé qu'un système de propulsion hybride d'un véhicule selon l'invention est schématiquement représenté sur la figure 1 et qu'il comprend une composante thermique à travers un moteur thermique 1 et une composante pneumatique grâce à un réservoir 3 d'air sous pression. Un procédé selon l'invention d'utilisation d'un tel système de propulsion hybride comprend les étapes suivantes :

- Une étape de fixation d'un paramètre représentatif du point de fonctionnement du moteur 1. Cette étape de fixation est réalisée par un utilisateur, qui va enfoncer la pédale d'accélérateur pour essayer d'atteindre un point de fonctionnement du moteur 1 en mode pneumatique. Un point de fonctionnement du moteur 1 se caractérise essentiellement par deux paramètres : le couple (en N.m) et le régime (en tours/min). Il s'agit donc pour cet utilisateur d'essayer d'atteindre ce point de fonctionnement du moteur 1, en n'utilisant que l'air provenant du réservoir d'air sous pression (mode pneumatique). Le paramètre qui est représentatif de la charge du point de fonctionnement du moteur 1, est la pression moyenne indiquée (PMI). En résumé, cette étape de fixation consiste à attribuer une valeur de PMI, qui correspond à ce que souhaite obtenir un utilisateur en actionnant la pédale d'accélérateur.

- Une étape d'adaptation de la pression d'air dans le circuit d'admission, au moyen d'un dispositif de régulation 8 placé sur ledit circuit, de manière à minimiser la consommation d'air en provenance du réservoir 3 pour atteindre ledit point de fonctionnement. En effet, il a été observé que le point de fonctionnement sélectionné lors de la première étape à travers l'attribution d'une valeur de PMI, pouvait être atteint avec une consommation spécifique minimisée de l'air en provenance du réservoir 3, grâce à une valeur adaptée de la pression de l'air incident circulant dans le circuit d'admission d'air, ladite valeur étant pilotée au moyen d'un boitier papillon motorisé 8. Ceci est particulièrement visible sur le diagramme de la figure 2. Chaque courbe de ce diagramme donne la consommation d'air spécifique Csair en fonction de la PMI à atteindre, pour une valeur donnée de la pression de l'air dans le circuit d'admission et pour une valeur donnée de la pression dans le réservoir 3 d'air comprimé. A titre d'exemple, sur ce diagramme, pour une pression du réservoir de 15 bars et pour réaliser une PMI de 3 bars, il faudra privilégier une pression dans le circuit d'admission qui sera maximale, en l'occurrence lOOOmbars, grâce à un pourcentage d'ouverture du boîtier papillon motorisé 8 maximal. En effet, en se référant à la courbe 20, qui est représentative d'une pression de lOOOmbars dans le circuit d'admission, la consommation spécifique d'air Csair sera voisine de 24 g/kWh, alors que cette consommation passera à 26 ou 27 g/kWh si la pression dans le circuit d'admission n'est que de 500mbars comme l'indique la courbe 21. Toujours en se référant à ces deux courbes 20,21, au delà d'une PMI de 4 bars à atteindre, il sera préférable de fermer le boîtier papillon motorisé 8, pour obtenir une pression de 500mbars dans le circuit d'admission, et minimiser la Csair. Il est important de souligner que le procédé selon l'invention n'est pas limité au seul exemple illustré sur le diagramme de la figure 2. Cet exemple permet simplement d'illustrer la possibilité de limiter la consommation spécifique de l'air en provenance du réservoir 3, pour atteindre un point de fonctionnement donné du moteur, en faisant varier la valeur de la pression de l'air, via le boîtier papillon 8 motorisé, dans le circuit d'alimentation en air des cylindres 2 du moteur.

Il est rappelé que pour éviter que des gaz stockés dans un cylindre 2 ne transitent vers le réservoir 3, la soupape de charge 6 n'est ouverte que lorsque la pression dans le cylindre 2 est proche de la pression dans le réservoir 3. Si la pression dans le circuit d'admission 14 est élevée, la pression dans le cylindre au point mort haut (PMH) est grande, ce qui conduit à attendre plus longtemps que la pression dans le cylindre 2 soit proche de la pression dans le réservoir 3, avant de procéder à l'ouverture de la soupape de charge 6. A l'inverse, si la pression dans le répartiteur 14 d'admission est faible, la pression cylindre au PMH est petite, ce qui conduit à pouvoir ouvrir plus tôt la soupape de charge 6 et à ainsi bénéficier d'une course de détente plus importante. A faible charge, la durée d'ouverture de chaque soupape de charge 6 étant faible, la course de détente du piston est suffisante pour détendre l'ensemble de l'air comprimé injecté par chaque soupape de charge 6, même si l'instant d'ouverture est retardé du fait d'une pression cylindre au PMH élevée, quand la pression dans le répartiteur 14 d'admission est grande. On en profite donc pour réduire le pompage à l'admission et par conséquent pour réduire la PMI basse pression.

A forte charge, les durées d'ouverture de chaque soupape de charge 6 sont plus élevées, ce qui conduit à positionner le créneau d'ouverture de la soupape de charge 6 d'autant plus tard, que la pression dans le répartiteur 14 d'admission est élevée. Ce créneau peut être tellement tardif, que l'air comprimé ne dispose plus de la course de piston nécessaire pour se détendre, ce qui est préjudiciable d'un point de vue rendement. Pour réaliser la même PMI avec une pression dans le répartiteur 14 d'admission faible, le créneau d'ouverture de chaque soupape de charge 6 sera positionné plus tôt dans le cycle moteur, permettant de bénéficier d'une course de détente plus grande. Cette situation est bénéfique pour le rendement, malgré la création d'une boucle basse pression (BP) négative. Lorsque le gain de PMI Haute Pression par un meilleur calage de l'ouverture de la soupape de charge 6, compense les pertes sur la PMI Basse Pression, les consommations spécifiques d'air Csair en provenance du réservoir 3, se croisent.

En mode pneumatique, le pourcentage d'ouverture du boîtier papillon motorisé 8 dans le circuit d'admission d'air est donc une fonction de la pression de l'air dans le réservoir (Près), du couple (C) demandé par l'utilisateur par l'enfoncement de la pédale d'accélérateur, et du régime de rotation (N) du moteur 1. Ce pourcentage d'ouverture peut être cartographié en fonction de ces paramètres, pour permettre d'évaluer instantanément la valeur de ce pourcentage, en fonction du point de fonctionnement du moteur à atteindre.