EP4638922A1 - Groupe motopropulseur à hydrogène - Google Patents

Groupe motopropulseur à hydrogène

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Publication number
EP4638922A1
EP4638922A1 EP23820886.2A EP23820886A EP4638922A1 EP 4638922 A1 EP4638922 A1 EP 4638922A1 EP 23820886 A EP23820886 A EP 23820886A EP 4638922 A1 EP4638922 A1 EP 4638922A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air
fuel cell
internal combustion
combustion engine
circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23820886.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
David Gerard
Cedric Libert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ampere SAS
Original Assignee
Ampere SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ampere SAS filed Critical Ampere SAS
Publication of EP4638922A1 publication Critical patent/EP4638922A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0203—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels characterised by the type of gaseous fuel
    • F02M21/0206—Non-hydrocarbon fuels, e.g. hydrogen, ammonia or carbon monoxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/75—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using propulsion power supplied by both fuel cells and batteries
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M23/00—Apparatus for adding secondary air to fuel-air mixture
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/10—Air intakes; Induction systems
    • F02M35/10209—Fluid connections to the air intake system; their arrangement of pipes, valves or the like
    • F02M35/10222—Exhaust gas recirculation [EGR]; Positive crankcase ventilation [PCV]; Additional air admission, lubricant or fuel vapour admission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K15/00—Arrangement in connection with fuel supply of combustion engines or other fuel consuming energy converters, e.g. fuel cells; Mounting or construction of fuel tanks
    • B60K15/03—Fuel tanks
    • B60K2015/03309—Tanks specially adapted for particular fuels
    • B60K2015/03315—Tanks specially adapted for particular fuels for hydrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen powertrain.
  • the invention therefore concerns hydrogen propulsion technology and the use of the best means of transforming this energy to move a motor vehicle forward.
  • the electric motor is supplied with electricity by a buffer battery and by a fuel cell system powered by the hydrogen storage system.
  • Application WO2015193111 Al relates to a hydrogen storage unit for supplying hydrogen to an internal combustion engine and a fuel cell.
  • An air intake system is provided for the internal combustion engine and fuel cell.
  • the fuel cell air supply system includes an air compressor associated with an electric motor and a 3-way valve.
  • an air filter for the fuel cell including an air filter and silencer for the internal combustion engine.
  • a powertrain according to the invention combines an internal combustion engine powered by hydrogen and an electric motor powered by a fuel cell, and whose air supply to said internal combustion engine and the fuel cell has been improved.
  • the subject of the invention is a powertrain operating on hydrogen, said powertrain comprising a hydrogen tank, an internal combustion engine supplied with hydrogen by said hydrogen tank and an electric motor operating from a fuel cell powered with hydrogen from this hydrogen tank.
  • the power unit comprises a first air circulation circuit opening into an air inlet of the fuel cell so as to supply air to said fuel cell, and a circulation connection circuit air outlet provided with opening/closing means and connecting an air outlet of the fuel cell to an air inlet of the internal combustion engine to allow oxygen-depleted air from the cell fuel to power the internal combustion engine, the internal combustion engine being supplied with air by a second air circulation circuit.
  • a first air circulation circuit opening into an air inlet of the fuel cell so as to supply air to said fuel cell
  • a circulation connection circuit air outlet provided with opening/closing means and connecting an air outlet of the fuel cell to an air inlet of the internal combustion engine to allow oxygen-depleted air from the cell fuel to power the internal combustion engine, the internal combustion engine being supplied with air by a second air circulation circuit.
  • the air leaving the fuel cell is depleted in oxygen because part of the oxygen present at the inlet of said cell has been consumed for the production of electrical power.
  • This oxygen-depleted air can be routed to the air inlet of the internal combustion engine, allowing said internal combustion engine to operate with oxygen-depleted air. oxygen.
  • This operation allows the internal combustion engine to be used at richness 1 because there will no longer be any oxygen at the engine outlet, while benefiting from diluted intake air, the O2/N2 ratio being reduced compared to to that of the outside air.
  • the opening/closing means which can for example be represented by a three-way valve, can be controlled independently, either to allow the oxygen-depleted air coming from the fuel cell to be routed to a air inlet of the internal combustion engine, or to interrupt the circulation of this oxygen-depleted air between said fuel cell and said internal combustion engine.
  • a powertrain according to the invention can thus operate in three different ways:
  • connection circuit is in a closed position, the fuel cell being supplied with air by the first circuit
  • the means opening/closing of the air circulation connection circuit is in an open position.
  • the first air circulation circuit comprises an air inlet, a first air filter and a first air compressor, these three elements being arranged upstream of the stack fuel relative to the direction of movement of the air in said first circuit to supply compressed air to said cell.
  • This first air circuit allows pressurized air from outside the vehicle to be injected into the fuel cell.
  • the first air compressor is associated with a first electric motor.
  • the injection of pressurized air into the fuel cell is carried out autonomously and caused by activation of the first electric motor.
  • the opening/closing means is a three-way valve placed between the air outlet of the fuel cell and the air inlet of the internal combustion engine, said three-way valve occupying a first position for which it directs the air flow coming from the fuel cell towards the air inlet of the internal combustion engine, or a second position for which it directs the air flow in coming from the fuel cell towards a si- slow.
  • This three-way valve thus makes it possible either to route the oxygen-depleted air coming from the fuel cell to an air inlet of the thermal combustion engine, or to route this oxygen-depleted air to a silencer without supplying the internal combustion engine.
  • the silencer is placed on a line for evacuating the oxygen-depleted gas coming from the combustion pile which is separate from the connection circuit.
  • the air circulation connection circuit comprises a regulation valve placed between the three-way valve and the air inlet of the internal combustion engine, said regulation valve occupying a first position for which it allows the circulation of oxygen-depleted air towards said air inlet, or a second position for which it stops said circulation of depleted air.
  • this control valve makes it possible to interrupt at any time the circulation of this oxygen-depleted air coming from the three-way valve.
  • This regulation valve allows finer adjustment of the circulation conditions of the oxygen-depleted air flow, particularly towards the internal combustion engine.
  • This control valve advantageously complements the three-way valve.
  • the second air supply circuit comprises a second air inlet, a second air filter, a second air compressor and a cooler.
  • This second air circuit allows cooled pressurized air to be injected from outside the vehicle into the internal combustion engine.
  • the air inlet of the internal combustion engine into which the air circulation connection circuit coming from the fuel cell opens connects to the second circulation circuit of air in a tube connecting the second air filter and the second air compressor.
  • the powertrain comprises an air exhaust circuit originating from an air outlet of the internal combustion engine, said air exhaust circuit comprising a coupled turbine to the second air compressor and powered by the air flow leaving said internal combustion engine.
  • the exhaust circuit comprises a silencer inserted between the turbine and an air outlet of said exhaust circuit. Exhaust gases emitted by the internal combustion engine are discharged outside the vehicle through the muffler.
  • the powertrain comprises a buffer battery intended to complement the fuel cell to ensure the operation of the electric motor.
  • a powertrain according to the invention has the advantage of being able to operate in three different modes, namely, fuel cell alone, internal combustion engine alone or according to a combination of said cell and said engine, thanks to an implementation judicious work of an air circulation connection circuit between the fuel cell and the internal combustion engine.
  • the mode combining the fuel cell and the internal combustion engine allows said engine to operate with oxygen-depleted air coming from said cell and makes it possible to obtain a gain on:
  • FIG.l is a simplified schematic view of a powertrain according to the state of the art
  • FIG.2 is a simplified diagram of a powertrain according to the invention.
  • a powertrain 1 according to the state of the art comprises a hydrogen tank 2, a fuel cell 3, a buffer battery 4, an internal combustion engine 5 powered by hydrogen and an electric motor.6.
  • the hydrogen tank 2 can for example be represented by at least one pressurized hydrogen bottle.
  • a first tube 7 joins the hydrogen tank 2 to the fuel cell 3 to allow the hydrogen from the tank 2 to supply the fuel cell 3.
  • a second tube 8 originates on the first tube 7 upstream of the fuel cell 3, and extends to the internal combustion engine 5, said second tube 8 making it possible to convey hydrogen from the tank 2 to said internal combustion engine 5.
  • the internal combustion engine 5 comprises conventionally combustion chambers 9.
  • the fuel cell 3 supplemented by the buffer battery 4 ensures the operation of the electric motor 6.
  • the internal combustion engine 5 running on hydrogen and the electric motor 4 are both connected to a transmission axis 10 of the vehicle, which can be rotated by at least one of said two motors 4, 5 to propel the vehicle.
  • the fuel cell 3 is supplied with air which is external to the vehicle, via a first air circulation circuit 11.
  • This first air circulation circuit 11 comprises in order a first air inlet 12, a first air filter 13 and a first air compressor 14 operating with an autonomous electric motor 15.
  • the first filter 13 cleans the air coming from the first inlet 12, before it is compressed by the first compressor 14 then injected into the combustion cell 3.
  • This first air circulation circuit 11 makes it possible to inject air under pressure into the fuel cell 3 to ensure its operation, this air then being evacuated through an outlet pipe 16 originating on said fuel cell 3 and ending in a silencer 30.
  • the internal combustion engine 5 is supplied with air which is external to the vehicle, via a second air circulation circuit 17.
  • This second circuit 17 comprises, in order, a second air inlet 18, a second air filter 19, a second compressor 20 and a cooler 21 placed just before the internal combustion engine 5.
  • the second filter 19 cleans the air coming from the second inlet 18, before it is compressed by the second compressor 20 then is then cooled by the cooler 21.
  • the compressed and cooled air coming from the cooler 21 is then injected into the combustion chambers 9 of the internal combustion engine 5.
  • the exhaust gases are then evacuated from the combustion chambers 9 by means of an exhaust circuit 22 comprising a turbine 23 which is coupled to the second compressor 20, a silencer 24 and an outlet. air 25, said silencer 24 being placed between said turbine 23 and said air outlet 25.
  • a power unit 100 differs from the power unit 1 of the state of the art previously described by the fact that the outlet tube 16 of the fuel cell fuel 3 no longer ends with the silencer 30, but is extended to the internal combustion engine 5, to form a connecting tube 101 for air circulation between said internal combustion engine 5 and said fuel cell 3.
  • This connecting pipe 101 comprises a three-way valve 102 which can occupy a first position for which it directs the air flow coming from the fuel cell 3 towards an air inlet 103 of the internal combustion engine 5, and a second position for which it directs the air flow coming from the fuel cell 3 towards an oxygen-depleted air evacuation branch provided with a silencer 104.
  • the air inlet 103 of the engine internal combustion 5 is located on an air circulation pipe 106 connecting the second air filter 19 and the second compressor 20 of the second air circulation circuit 17.
  • the air circulation connecting pipe 101 connecting the fuel cell 3 and the internal combustion engine 5 opens into the air circulation pipe 106 connecting the second air filter 19 and the second compressor 20 of the second air circulation circuit 17.
  • a regulation valve 107 is inserted on the connecting pipe 101 between the three-way valve 102 and the air inlet 103 of the internal combustion engine 5, said regulation valve 107 being able to occupy: - a first position for which it allows for the oxygen-depleted air circulating in the connecting pipe 101 to travel towards the air inlet 103 of the internal combustion engine 5, or
  • the originality of a powertrain 100 is that the internal combustion engine 5 operating on hydrogen can benefit, during certain phases of vehicle running, from oxygen-depleted air coming from of the fuel cell 3.
  • the air leaving the fuel cell 3 is depleted in oxygen because part of the oxygen present at the inlet of said cell 3 has been consumed for the production of electrical power.
  • the internal combustion engine 5 can be used at richness 1, that is to say that there will no longer be any oxygen at the outlet of said engine 5 , while benefiting from diluted intake air, because the O2/N2 ratio is reduced compared to that of the ambient outside air.
  • This mode of operation with oxygen-depleted air allows a gain in:
  • the post-processing architecture compared to a post-processing architecture for a heat engine operating at richness 1 or in a lean mixture

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Abstract

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 cir¬ culation 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).

Description

Description
Titre de l'invention : Groupe motopropulseur à hydrogène
[0001] La présente invention concerne un groupe motopropulseur à hydrogène.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] La demande WO2015193111 Al 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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 si- lencieux. 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.
[0016] 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.
[0017] 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
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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. [0021] 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.
[0022] 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.
[0023] 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 :
[0024] [Fig.l] La [Fig.l] est une vue schématique simplifiée d’un groupe motopropulseur selon l’état de la technique,
[0025] [Fig.2] La [Fig.2] est un schéma simplifié d’un groupe motopropulseur selon l’invention.
[0026] En se référant à la [Fig.l], 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. [0027] 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.
[0028] 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.
[0029] 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.
[0030] En se référant à la [Fig.2], 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. .
[0031] 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.

Claims

Revendications
[Revendication 1] 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 (3), le moteur à combustion interne (5) étant alimenté en air par un deuxième circuit (17) de circulation d’air.
[Revendication 2] 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).
[Revendication 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)
[Revendication 4] 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).
[Revendication 5] Groupe motopropulseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de liaison (101) de circulation d’air comprend une vanne de ré- gulation (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.
[Revendication 6] 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).
[Revendication 7] Groupe motopropulseur selon la revendication 7, 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).
[Revendication 8] Groupe motopropulseur selon l’une quelconque des revendications 7 ou
8, 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).
[Revendication 9] 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).
[Revendication 10] 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).
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