FR2977914A1

FR2977914A1 - Procede de fonctionnement d'un moteur thermique-pneumatique et moteur thermique-pneumatique

Info

Publication number: FR2977914A1
Application number: FR1156395A
Authority: FR
Inventors: Clement Dumand
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2013-01-18
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: FR2977914B1; EP2732143A1; CN103649488A; WO2013007913A1; CN103649488B

Abstract

L'invention concerne un procédé de fonctionnement d'un moteur thermique-pneumatique comprenant : -un cylindre (2) comportant une soupape d'admission (3), une soupape d'échappement (4) et une soupape de charge/décharge (5), -un réservoir (8) relié au cylindre (2), La soupape d'admission (3) se fermant et la soupape d'échappement (4) s'ouvrant à des instants déterminés au cours d'un cycle moteur définissant respectivement un taux de compression et de détente effectif, Le procédé comprenant une étape de sélection entre un mode en combustion et un mode pneumatique, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape de réglage, pour le mode fonctionnement sélectionné, de l'instant de fermeture de la soupape d'admission et/ou de l'instant de d'ouverture de la soupape d'échappement au cours du cycle moteur de sorte à ajuster respectivement le taux de compression effectif et/ou de détente effectif afin d'optimiser le rendement du mode sélectionné. L'invention porte aussi sur le moteur thermique-pneumatique.

Description

PROCEDE DE FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR THERMIQUE-PNEUMATIQUE ET MOTEUR THERMIQUE-PNEUMATIQUE

Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de fonctionnement d'un moteur hybride thermique-pneumatique et à un moteur thermique-pneumatique apte à mettre en oeuvre un tel procédé. L'invention concerne plus particulièrement un moteur hybride thermique-pneumatique utilisant les cylindres du moteur comme moyen de compression.

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 CO2 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.

Le concept d'hybridation pneumatique, tout comme les autres concepts de chaine de traction hybride, peut opérer selon un mode de fonctionnement en combustion ou un mode de fonctionnement pneumatique. L'hybridation pneumatique permet d'assurer une récupération d'énergie par exemple au freinage ou en décélération du véhicule. Si la récupération d'énergie cinétique est peu importante, l'impact de l'hybridation pneumatique est négligeable et l'efficacité du système global est très faible. Si la récupération d'énergie cinétique au freinage est importante, l'efficacité globale du système est très bonne.

Il existe donc toujours un besoin pour améliorer l'efficacité d'un moteur hybride pneumatique-thermique dans ses différents modes de fonctionnement possibles.

Un but de la présente invention est donc de proposer un nouveau procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne qui permet d'améliorer l'efficacité d'un moteur hybride de type pneumatique-thermique dans ses différents modes de fonctionnement que ce mode soit un mode en combustion et ou un mode pneumatique.

L'invention porte ainsi sur un procédé de fonctionnement d'un moteur thermique- pneumatique comprenant : -un cylindre comportant une soupape d'admission, une soupape d'échappement et une soupape de charge/décharge, -un réservoir d'air comprimé relié au cylindre au moyen de la soupape de charge/décharge, La soupape d'admission se fermant et la soupape d'échappement s'ouvrant à des instants déterminés au cours d'un cycle moteur comprenant au moins une phase de compression et une phase de détente, les dits instants déterminés définissant respectivement un taux de compression effectif et un taux de détente effectif, Le procédé comprenant une étape de sélection entre un mode de fonctionnement en combustion dans lequel la soupape de charge/décharge est fermée et un mode de fonctionnement pneumatique dans lequel la soupape de charge/décharge contrôle le passage d'air comprimé entre le cylindre et le réservoir, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape de réglage, pour le mode fonctionnement sélectionné, de l'instant de fermeture de la soupape d'admission et/ou de l'instant de d'ouverture de la soupape d'échappement au cours du cycle moteur de sorte à ajuster respectivement le taux de compression effectif et/ou le taux de détente effectif afin d'optimiser le rendement du mode de fonctionnement sélectionné.

Dans une variante dans laquelle le moteur est de taux de compression géométrique fixé, le procédé comprend un premier mode de fonctionnement en combustion et, lorsque ce premier mode de fonctionnement en combustion est sélectionné, le taux de compression effectif et le taux de détente effectif sont ajustés respectivement à un taux de compression de référence ainsi qu'à un taux de détente de référence inférieurs au taux de compression géométrique. Avantageusement, la valeur du taux de compression de référence est sensiblement égale à celle du taux de détente de référence.

Dans une autre variante, le procédé comprend un premier mode de fonctionnement pneumatique dit « pompe pneumatique » dans lequel de l'air est chargé du cylindre dans le réservoir et, lorsque ce mode de fonctionnement est sélectionné, le taux de compression effectif est ajusté à une valeur comprise entre le taux de compression de référence et le taux de compression géométrique et le taux de détente effectif est ajusté à une valeur inférieure au taux de détente de référence. Avantageusement, le taux de compression effectif est sensiblement égal au taux de compression géométrique.

Dans une autre variante, le procédé comprend un second mode de fonctionnement pneumatique dit «moteur pneumatique» dans lequel de l'air est déchargé du réservoir dans le cylindre et, lorsque ce mode de fonctionnement est sélectionné, le taux de compression effectif est ajusté à une valeur inférieure au taux de compression de référence et, le taux de détente effectif est ajusté à une valeur comprise entre le taux de détente de référence et le taux de compression géométrique. Avantageusement, le taux de détente effectif est sensiblement égal au taux de compression géométrique.

Dans une autre variante, le procédé comprend un second mode de fonctionnement en combustion, et lorsque ce mode de fonctionnement est sélectionné, le taux de compression effectif est ajusté à une valeur inférieure au taux de compression de référence et, le taux de détente effectif est ajusté à une valeur comprise entre le taux de détente de référence et le taux de compression géométrique. Avantageusement, le taux de détente effectif est sensiblement égal au taux de compression géométrique.

Dans une autre variante, l'écart entre l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement et l'instant de fermeture de la soupape d'admission est maintenu constant.

L'invention porte aussi sur un moteur thermique-pneumatique de taux de compression géométrique fixé opérant selon un cycle moteur comprenant une phase de compression et une phase de détente, comprenant : -un cylindre comportant une soupape d'admission, une soupape d'échappement et une soupape de charge/décharge, -un réservoir d'air comprimé relié au cylindre au moyen de la soupape de charge/décharge, -des moyens de sélection entre un mode de fonctionnement en combustion et un mode de fonctionnement pneumatique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : des moyens de réglage, en fonction du mode fonctionnement sélectionné, de l'instant de fermeture de la soupape d'admission et/ou de l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement au cours du cycle moteur de sorte à ajuster respectivement le taux de compression effectif et/ou le taux de détente effectif afin d'optimiser le rendement du mode de fonctionnement sélectionné.

Dans une variante, les moyens de réglage comprennent un unique arbre à cames associés à un unique déphaseur d'arbre à cames permettant de régler simultanément l'instant de fermeture de la soupape d'admission et l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement au cours du cycle moteur.

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 de type thermique pneumatique selon l'art antérieur. - La figure 2 présente un premier mode de réalisation d'un moteur hybride de type thermique-pneumatique conforme à l'invention. - La figure 3 présente un autre mode de réalisation d'un moteur hybride de type thermique -pneumatique conforme à l'invention. - La figure 4a, illustre sur un diagramme de distribution un exemple représentatif de calages d'ouverture de la soupape d'admission et de la soupape d'échappement pour un mode de fonctionnement en moteur pneumatique ou pour un second mode de combustion. -Les figures 4b, 4c illustrent sur un diagramme de distribution des exemples représentatifs de calages d'ouverture de la soupape d'admission et de la soupape d'échappement respectivement pour le mode pompe pneumatique et le premier mode de fonctionnement en combustion.

Description détaillée La figure 2 présente un premier mode de réalisation préféré d'un moteur hybride pneumatique-thermique conforme à l'invention. Dans cet exemple de réalisation, le moteur hybride de type thermique-pneumatique comporte un bloc moteur comprenant une culasse 1 et un cylindre 2. Le moteur peut comporter plusieurs cylindres 2 identiques, par exemple quatre. Le 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 une soupape d'admission d'air 3, une soupape d'échappement 4, et une soupape de charge/décharge 5 d'air comprimé.

La soupape d'admission 3 et d'échappement 4 coopèrent avec un arbre à cames 10 unique doté de cames d'admission 13 et de cames d'échappement 14. L'arbre à cames 10 permet d'actionner la soupape d'admission 3 et la soupape d'échappement 4 et de commander leur ouverture et fermeture à des instants déterminés au cours d'un cycle moteur comprenant au moins une phase de compression et une phase de détente. On désignera classiquement par Ouverture Soupape Admission, OA, l'instant au cours du cycle moteur pour lequel la soupape d'admission 3 s'ouvre, par Fermeture Soupape Admission, FA, l'instant au cours du cycle moteur pour lequel la soupape d'admission 3 se ferme, par Ouverture Soupape Echappement, 0E, l'instant au cours du cycle moteur pour lequel la soupape d'échappement 4 s'ouvre et par Fermeture Soupape Echappement, FE, l'instant au cours du cycle moteur pour lequel la soupape d'échappement 4 se ferme. Ces instants peuvent classiquement s'exprimer en degré vilebrequin. On peut alors parler de calage angulaire par rapport à la position du vilebrequin du moteur.

L'arbre à cames 10 est relié à un actionneur dénommé « déphaseur » 11 d'arbre à cames permettant de modifier le calage angulaire de l'arbre à cames 10 par rapport au vilebrequin et donc le réglage des valeurs des instants d'ouverture et de fermeture de la soupape d'admission 3 et de la soupape d'échappement 4, OA, FA, OE, FE, et par conséquent le taux de compression effectif ainsi que le taux de détente effectif du moteur hybride ce qui permet d'augmenter les rendements de ses modes de fonctionnement possibles, modes de fonctionnement que nous détaillerons plus loin. Avec un tel déphaseur, la durée d'ouverture et la levée des soupapes restent cependant inchangées lors de ce décalage (soit FA - OA = constante et FE-OE = constante). Le déphaseur 11 est avantageusement un déphaseur pouvant atteindre des déphasages de 90° de l'arbre à cames 10, ce qui permet d'avoir une large plage d'ajustement du taux de compression effectif ainsi que du taux de détente effectif.

La soupape de charge/décharge 5 d'air comprimé coopère avec un dispositif de distribution 12 propre, qui contrôle 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/décharge 5 peut être un dispositif mécanique (mécanique pur, hydraulique, pneumatique), électrique, magnétique ou employer la combinaison d'au moins deux dispositifs précités.

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 de la soupape 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.

Le moteur comprend encore une unité de commande électronique (UCE). L'UCE est configguré pour faire office de moyens de selection du mode de fonctionnement et de moyens de réglage du calage approprié de la soupape d'admission 3 et de la soupape d'échappement 4, c'est à dire régler les valeurs des instants d'ouverture et de fermeture de la soupape d'admission 3 et de la soupape d'échappement 4, OA, FA, OE, FE. L'UCE active par ailleurs le déphaseur 11 et la distribution 12 dédiée à la soupape de charge/décharge 5 en fonction du mode de fonctionnement déterminé. Les modes de fonctionnement possibles du moteur hybride-thermique selon l'invention sont détaillés plus loin. On précise ici tout d'abord la différence que l'on entend entre un taux « géométrique » et un taux « effectif » :

Le taux de compression géométrique, Tcg, d'un moteur à pistons, aussi appelé rapport 10 volumétrique, est un rapport théorique de comparaison entre le volume minimum du cylindre, VPMH lorsque le piston est au point mort haut, PMH, et le volume maximum du cylindre 2, VPMB, lorsque le piston est au point mort bas, PMB.

Le taux de compression géométrique, Tcg, est alors défini par la relation connue : 15 tcg = VPMH VPMB (1) Les moteurs modernes à allumage commandé ont un taux de compression géométrique souvent voisin de 10 et pouvant monter jusqu'à 13, et les Diesel ont un taux de 20 compression géométrique allant en moyenne de 16 à 20. Cette valeur est déterminée lors de la conception du moteur et reste invariable sur les moteurs conventionnels.

Dans le cas du taux de compression géométrique on calcule un rapport de volume comme si les gaz étaient comprimés depuis le point mort bas, PMB, jusqu'au point mort 25 haut, PMH. Par analogie, on peut aussi calculer un taux de détente géométrique, correspondant à un rapport de volume comme si les gaz étaient détendus depuis le point mort haut, PMH, jusqu'au point mort bas, PMB. On comprend qu'en pratique, la valeur du taux de compression géométrique est identique à celle du taux de détente géométrique.

30 Le taux de compression, 2c en, effectif d'un moteur à pistons, est quant à lui, le rapport réel de compression. En effet, comme déjà évoqué, dans le cas du taux de compression géométrique on calcule un rapport de volume comme si les gaz étaient comprimés depuis le point mort bas, PMB. En réalité les gaz ne sont comprimés que quand la soupape d'admission va se fermer et si la soupape d'échappement s'ouvre avant la fin de la 35 détente, les gaz se détendent brutalement et ne restituent plus le travail moteur. Nous 5 pouvons donc définir le taux de compression effectif, 2c eff, en tenant compte du volume réel VFA, comprimé par le piston entre sa position à la fermeture de la soupape d'admission et le PMH, pendant la phase de compression du cycle moteur. Le taux de compression effectif, 2c eff, est alors défini par la relation suivante : T. eff VFA VPMH (2) Par analogie, on peut aussi calculer un taux de détente effectif, id eff, qui représente le rapport réel de détente. Dans ce cas, il faut prendre en compte le volume réel, VOE, 10 détendu par le piston entre sa position au PMH et l'ouverture de la soupape d'échappement, pendant la phase de détente du cycle moteur. Le taux de détente effectif tid eff, est alors défini par la relation suivante : VOE 'Cd eff VPMH 15 Ainsi, si une soupape d'admission se ferme avant ou après le PMB, VFA est inférieur à VPMB et le taux de compression effectif, 2c eff, sera inférieur au taux de compression géométrique et si une soupape d'échappement s'ouvre avant le PMB, VOE est inférieur à VPMB et le taux de détente effectif id eff, sera inférieur au taux de compression (et détente) 20 géométrique, 2cg. Conformément à l'invention, le moteur thermique-pneumatique peut fonctionner selon un un procédé qui comprend -une étape de sélection entre un mode de fonctionnement en combustion dans lequel la 25 soupape de charge/décharge 5 est fermée et un mode de fonctionnement pneumatique dans lequel la soupape de charge/décharge 5 contrôle le passage d'air comprimé entre le cylindre 2 et le réservoir 8, et, -une étape de réglage, pour le mode fonctionnement sélectionné, de l'instant de fermeture 30 de la soupape d'admission, FA et/ou de l'instant de d'ouverture de la soupape d'échappement, OE au cours du cycle moteur de sorte à ajuster respectivement le taux de compression effectif, 2c eff et/ou le taux de détente effectif, id eff afin d'optimiser le rendement du mode de fonctionnement sélectionné. (3) Les modes de fonctionnement possibles du moteur hybride thermique-pneumatique selon l'invention et les réglages associés sont les suivants:

-Un premier mode de fonctionnement avec combustion : seule la soupape d'admission 3 et la soupape d'échappement 4 sont utilisées, la soupape de charge/décharge 5 d'air comprimé est inactive et fermée. Le moteur fonctionne alors classiquement selon le cycle moteur habituel : admission (A), compression (C), [combustion], détente (D), échappement (E). La figure 4c présente sur un diagramme de distribution les instants d'ouverture et de fermeture, OA, FA, OE, FE, de la soupape d'admission 3 et de la soupape d'échappement 4, sur l'ensemble d'un cycle moteur compris entre deux point mort haut combustion, PMHcomb. Lorsque ce mode de fonctionnement est sélectionné, le taux de compression effectif, 2c eff et le taux de détente effectif id eff correspondent à un taux de compression habituel sur un moteur conventionnel à allumage commandé ou Diesel que l'on désignera par taux de référence et sont déterminés par un calage approprié de l'arbre à cames 10. Dans l'exemple illustré en figure 4.c, représentatif du premier un mode de fonctionnement en moteur thermique à allumage commandé, les instants d'ouverture et de fermeture, OA, FA, OE, FE, de la soupape d'admission 3 et de la soupape d'échappement 4 sont réglés de sorte à ajuster le taux de compression effectif, 2c eff et le taux de détente effectif id eff à un taux de référence de 11. Dans ce mode de fonctionnement, la compression et la détente sont symétriques, les deux taux sont sensiblement égaux.

Le taux de compression effectif, 2c eff, et le taux de détente effectif, id eff, sont inférieurs au taux de compression géométrique Tcg, qui est de 14 dans notre exemple. L'écart entre le taux de référence et le taux de compression géométrique Tcg, constitue une marge de taux qui permet d'améliorer les rendements des modes pneumatiques détaillé plus loin.

-Un second mode de fonctionnement avec combustion : seule la soupape d'admission 3 et la soupape d'échappement 4 sont utilisées, la soupape de charge/décharge 5 d'air comprimé est inactive et fermée. Le moteur fonctionne encore classiquement selon le cycle moteur habituel : admission (A), compression (C), [combustion], détente (D), échappement (E). La figure 4a présente sur un diagramme de distribution les instants d'ouverture et de fermeture, OA, FA, OE, FE de la soupape d'admission 3 et de la soupape d'échappement, sur l'ensemble d'un cycle moteur compris entre deux point mort haut combustion, PMHcomb, dans le cas du second mode de fonctionnement en combustion.

Pour le second mode de fonctionnement en combustion, la compression et la détente dans le cylindre 2 sont rendus dissymétriques, ce qui permet d'améliorer est l'efficacité du cycle de combustion. Il est ainsi efficace d'adapter le taux de compression effectif, 2c eff, au point de fonctionnement en fonction des transferts et de critère de combustion tel que la garde au cliquetis et de garder un taux de détente effectif id eff maximum pour récupérer un maximum de travail des gaz brûlés.

Afin d'augmenter le taux de détente effectif, tid eff, et de réduire le taux de compression effectif, 2c eff, les instants d'ouverture et de fermeture, OA, FA, 0E, FE de la soupape d'admission et d'échappement 4 sont retardés, comme illustré sur la figure 4.a. par rapport au réglage de référence illustré sur la figure 4.c, c'est-à-dire qu'ils interviennent plus tard au cours du cycle moteur que pour le réglage de référence du premier mode en combustion .

Lorsque ce mode de fonctionnement est sélectionné, le taux de compression effectif 2c eff est ajusté à une valeur inférieure au taux de compression de référence et, le taux de détente effectif tid eff est ajusté à une valeur comprise entre le taux de détente de référence et le taux de compression géométrique 2cg. De préférence, le taux de détente effectif, tid eff, est égal au taux de détente géométrique, Tcg, pour exploiter le plus possible le travail provenant de la combustion.

Le taux de compression effectif, 2c eff, est adapté au point de fonctionnement de moteur 25 sur des critères de pertes thermiques et d'efficacité de combustion (limite cliquetis en essence). Par exemple, pour les moteurs essence, il est souhaitable d'avoir d'une part un taux de compression effectif, 2c eff, maximum sur les points de faible et mi-charge pour maximiser le rendement du cycle et d'autre part sur les points de forte charge d'avoir un taux de compression effectif, 2c eff, réduit par rapport au taux de compression des points 30 de faible et mi-charge pour limiter les phénomènes de cliquetis sans avoir à dégrader fortement la combustion. Ainsi le premier mode de combustion est avantageusement sélectionné pour les points de faible et mi-charge tandis que le second mode de combustion est avantageusement sélectionné pour les points de forte charge. Le taux de compression de référence est avantageusement égal au taux de compression effectif, 35 Tc eff, maximum sur les points de faible et mi-charge pour maximiser le rendement du20 cycle et le taux de compression géométrique supérieur au taux de compression de référence.

-Un premier mode de fonctionnement dit « pompe pneumatique »: la soupape de charge/décharge 5 d'air comprimé est active et s'ouvre à la fin de la phase de compression de manière à contrôler le passage d'air comprimé du cylindre 2 vers le réservoir 8. Le moteur fonctionne alors selon un cycle admission (A), compression (C), [vidange par la soupape charge/décharge 5 de l'air comprimé du cylindre 2 vers le réservoir 8], détente (D), échappement (E). Dans le cas d'un moteur équipant un véhicule automobile, ce mode de fonctionnement est avantageusement mis en oeuvre lors d'une phase de freinage ou encore lors d'une phase de décélération du véhicule, afin de récupérer de l'énergie cinétique sous forme d'air comprimé. D'un point de vue fonctionnel, le mode pompe pneumatique est d'autant plus efficace que le taux de compression effectif, 2c eff, du moteur est élevé. En effet, une augmentation du taux de compression effectif tend à augmenter la quantité d'air chassé vers le réservoir. En augmentant le débit d'air comprimé, nous augmentons donc la puissance de récupération du système dans les phases de décélération et/ou freinage. La quantité d'énergie stockée en vue d'une réutilisation ultérieure est donc elle aussi augmentée. D'autre part, pour le mode pompe pneumatique, le taux de détente effectif, id eff, doit être faible afin d'éviter de trop détendre l'air résiduel n'ayant pas été transféré des cylindres vers le réservoir, autrement dit éviter que la pression dans le cylindre devienne inférieure à la pression à l'échappement. En effet, si la pression lors de la phase de détente devient inférieure à la pression d'échappement, le moteur produit un couple résistif non valorisable énergétiquement.

La figure 4b présente sur un diagramme de distribution un exemple de réglage des instants d'ouverture et de fermeture, OA, FA, OE, FE de la soupape d'admission 3 et d'échappement 4, sur l'ensemble d'un cycle moteur compris entre deux point mort haut combustion, PMHcomb, dans le cas du mode de fonctionnement en pompe pneumatique. Pour ce mode de fonctionnement en pompe pneumatique, afin d'augmenter le taux de compression effectif, Tc eff, et de réduire le taux de détente effectif, id eff, les instants d'ouverture et de fermeture, OA, FA, OE, FE de la soupape d'admission 3 et d'échappement 4 sont avancés comme illustré sur la figure 4.b par rapport au réglage de référence illustrée en figure 4c, c'est-à-dire qu'ils interviennent plus tôt au cours du cycle moteur que pour le réglage de référence.35 Lorsque ce mode de fonctionnement est sélectionné, le taux de compression effectif, 2c eff, est ajusté à une valeur comprise entre le taux de compression de référence et le taux de compression géométrique Tcg, et le taux de détente effectif, tideff, est ajusté à une valeur inférieure au taux de détente de référence. Avantageusement, dans ce mode de fonctionnement, le taux de compression effectif 2c eff, est sensiblement égal au taux de compression géométrique Tcg, Ceci, afin de maximiser la puissance de récupération système.

10 En pratique, le taux de compression géométrique 2cg du moteur est supérieur au taux de compression effectif, 2c eff, maximum requis sur les points de faible et mi-charge, c'est-à-dire le taux de compression de référence ajusté lors du premier mode de combustion.

La récupération d'énergie cinétique se fait en convertissant le couple négatif en entrée du 15 moteur en pression d'air dans un ou plusieurs réservoirs. Cet air est comprimé dans les cylindres du moteur. La soupape de charge/décharge 5 s'ouvre lorsqu'il y a équilibre entre la pression dans le cylindre 2 en phase compression et la pression du réservoir 8 d'air comprimé. Le piston continue à progresser vers le PMH et chasse l'air sous pression vers le réservoir 8. Cet air vidangé des cylindres vers le ou les réservoirs contribue à faire 20 augmenter la pression d'air comprimé. La soupape de charge/décharge est fermée à l'approche du PMH avant que le piston ne redescende vers le PMB et que le débit d'air comprimé ne s'inverse du réservoir 8 vers le cylindre 2.

-Un second mode de fonctionnement dit en « moteur pneumatique » : la soupape de 25 charge/décharge 5 d'air comprimé est active et s'ouvre au début de la phase de détente, D, de manière à contrôler le passage d'air comprimé du réservoir 8 vers le cylindre 2. Le moteur fonctionne alors selon un cycle admission (A), compression (C), [admission dans le cylindre 2 d'air comprimé provenant du réservoir 8 par la soupape de charge/décharge 5], détente (D), échappement (E). Dans le cas d'un moteur équipant un véhicule 30 automobile, ce mode de fonctionnement est avantageusement mis en oeuvre lors d'une phase de propulsion pneumatique sans combustion, de démarrage ou de redémarrage dans le cas d'un moteur équipé dune fonction d'arrêt et de redémarrage automatique.

Il apparaît d'une part que le mode moteur pneumatique est très efficace lorsque le taux de 35 compression effectif, 2c eff, du moteur est faible. Ainsi, la pression dans le cylindre au PMH avant l'injection d'air comprimé est faible et nous sommes en mesure d'injecter de l'air5 comprimé dans les cylindres même si la pression dans le réservoir 8 est faible. De plus, en limitant le taux de compression effectif, 2c eff, du moteur, la masse d'air admise dans les cylindres diminue et nous réduisons le travail de compression. Pour une pression d'air dans le réservoir (8) donnée, nous augmentons le couple moteur maximum réalisable en mode moteur pneumatique. La réduction du taux de compression effectif, 2c eff, peut être conjuguée à une réduction de la pression d'admission afin de réduire la masse d'air admise en mode moteur pneumatique. Nous pouvons utiliser, par exemple, le papillon dans le cas d'un moteur sur une base essence pour réduire la pression d'admission.

D'autre part, pour utiliser efficacement l'air comprimé injecté dans les cylindres, il est avantageux d'ajuster en fonction du point de fonctionnement en mode moteur pneumatique le taux de détente effectif, id eff, à une valeur optimale en réglant l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement, OE de sorte que la pression dans le cylindre soit sensiblement égale à la pression à l'échappement. En effet, si l'air est sous-détendu avec une pression dans le cylindre supérieure à la pression échappement, une partie de l'énergie contenue dans le cylindre n'est pas exploitée et est perdue sous forme d'onde de pression à l'ouverture de la soupape d'échappement, 0E. Au contraire, si l'air est trop détendu durant la détente, une boucle de travail négative sera générée en fin de détente. Compte tenu qu'en mode moteur pneumatique nous apportons de la masse d'air au système aux alentours du PMH, le taux de détente effectif, id eff, optimum sera systématiquement plus élevé que le taux de compression effectif, 2c eff-

La figure 4a présente sur un diagramme de distribution un exemple de réglage des instants d'ouverture et de fermeture, OA, FA, 0E, FE de la soupape d'admission 3 et d'échappement 4, sur l'ensemble d'un cycle moteur compris entre deux point mort haut combustion, PMHcomb, dans le cas du mode de fonctionnement en moteur pneumatique.

Pour le mode de fonctionnement en moteur pneumatique, afin d'augmenter le taux de détente effectif, 'Cd eff, et de réduire le taux de compression effectif, id eff, les instants d'ouverture et de fermeture, OA, FA, 0E, FE de la soupape d'admission et d'échappement 4 sont retardés, comme illustré sur la figure 4.a. par rapport au réglage de référence illustré sur la figure 4.c, c'est-à-dire qu'ils interviennent plus tard au cours du cycle moteur que pour le réglage de référence.

Lorsque ce mode de fonctionnement est sélectionné, le taux de compression effectif, id eff, est ajusté à une valeur inférieure au taux de compression de référence et, le taux de détente effectif, tid eff, est ajusté à une valeur comprise entre le taux de détente de référence et le taux de compression géométrique, 2cg. Avantageusement, le taux de détente effectif, tideff, est sensiblement égal au taux de compression géométrique, 2cg.

Le système de réglage de l'instant de fermeture de la soupape d'admission, FA et d'ouverture de la soupape d'échappement, OE à un arbre à cames 10 unique admission/échappement associé à un unique déphaseur 11 permet de régler simultanément l'instant de fermeture de la soupape d'admission (FA) et l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement (0E) au cours du cycle moteur et permet d'assurer tous les modes de fonctionnement présentés tout en assurant également une forte compacité. Ce système monté sur un moteur à fort taux de compression géométrique, c'est-à-dire un taux de compression géométrique supérieur à un moteur conventionnel (exemple 14 pour un moteur essence) permet de maximiser l'efficacité énergétique des modes pneumatiques (pompe et moteur) et d'intégrer un second mode de combustion plus adapté sur les points de forte charge pour limiter le risque de cliquetis sans avoir à dégrader la combustion.

L'intérêt de la solution est que l'on note que quelque soit le mode de fonctionnement sélectionné, en parallèle d'un besoin d'un fort taux de compression effectif, il y a un besoin d'un faible taux de détente effectif. Il apparait donc que faire varier les instants d'ouverture et de fermeture de la soupape d'admission 3 et de la soupape d'échappement 4 de sorte à ajuster simultanément et de manière couplée le taux de compression effectif et le taux de détente effectif représente donc un compromis optimum entre l'amélioration de l'efficacité énergétique des modes de fonctionnement possibles et le coût des moyens de réglages.

La figure 3 présente un autre mode de réalisation d'un moteur hybride thermique-pneumatique conforme à l'invention. Ce mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce qu'il comprend un premier arbre à cames 10 dédié à l'actionnement d'au moins une soupape d'admission 3 (deux dans l'exemple de la figure 3) et un second arbre à cames 10' dédié à l'actionnement d'au moins une soupape d'échappement 4 (une dans l'exemple de la figure 3). Le premier et le second arbre à cames 10, 10' sont chacun reliés respectivement à un premier et second déphaseur 11, 11'. En raison de la présence d'un déphaseur dédié à chaque arbre à cames, ce mode de réalisation est moins compact que le premier mode de réalisation, cependant il permet de découpler le réglage des instants d'ouverture et de fermeture entre la soupape d'admission 3 et la soupape d'échappement 4. Selon le mode de fonctionnement sélectionné, le taux de compression effectif, 2c eff, peut être ajusté indépendamment du taux de détente effectif, id eff, et donc d'améliorer encore plus, par l'adaptation appropriée du taux de compression effectif, 2c eff, et/ou du taux de détente effectif, tid eff, l'optimisation les rendements des modes de fonctionnement du moteur hybride.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de fonctionnement d'un moteur thermique-pneumatique comprenant : -un cylindre (2) comportant une soupape d'admission (3), une soupape d'échappement (4) et une soupape de charge/décharge (5), -un réservoir (8) d'air comprimé relié au cylindre (2) au moyen de la soupape de charge/décharge (5), La soupape d'admission (3) se fermant et la soupape d'échappement (4) s'ouvrant à des instants déterminés (FA, 0E) au cours d'un cycle moteur comprenant au moins une phase de compression et une phase de détente, les dits instants déterminés définissant respectivement un taux de compression effectif (Tc eff) et un taux de détente effectif (id eff), Le procédé comprenant une étape de sélection entre un mode de fonctionnement en combustion dans lequel la soupape de charge/décharge (5) est fermée et un mode de fonctionnement pneumatique dans lequel la soupape de charge/décharge (5) contrôle le passage d'air comprimé entre le cylindre (2) et le réservoir (8), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape de réglage, pour le mode fonctionnement sélectionné, de l'instant de fermeture de la soupape d'admission (FA) et/ou de l'instant de d'ouverture de la soupape d'échappement (0E) au cours du cycle moteur de sorte à ajuster respectivement le taux de compression effectif (Tc eff) et/ou le taux de détente effectif (id eff) afin d'optimiser le rendement du mode de fonctionnement sélectionné.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur étant de taux de compression géométrique (reg) fixé, le procédé comprend un premier mode de fonctionnement en combustion et, lorsque ce premier mode de fonctionnement en combustion est sélectionné, le taux de compression effectif (Tc eff) et le taux de détente effectif (Tc eff) sont ajustés respectivement à un taux de compression de référence ainsi qu'à un taux de détente de référence inférieurs au taux de compression géométrique (reg).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, la valeur du taux de compression de référence est sensiblement égale à celle du taux de détente de référence.
4. Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un premier mode de fonctionnement pneumatique dit « pompe pneumatique » dans lequel de l'air est chargé du cylindre (2) dans le réservoir (8) et, lorsque ce mode de fonctionnement est sélectionné, le taux de compression effectif (Tc eff) est ajusté à une valeur comprise entre le taux de compression de référence et le taux de compression géométrique (reg) et le taux de détente effectif (id eff) est ajusté à une valeur inférieure au taux de détente de référence.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le taux de compression effectif (TCeff) est sensiblement égal au taux de compression géométrique (reg).
6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un second mode de fonctionnement pneumatique dit « moteur pneumatique » dans lequel de l'air est déchargé du réservoir (8) dans le cylindre (2) et, lorsque ce mode de fonctionnement est sélectionné, le taux de compression effectif (Tc eff) est ajusté à une valeur inférieure au taux de compression de référence et, le taux de détente effectif (id eff) est ajusté à une valeur comprise entre le taux de détente de référence et le taux de compression géométrique (reg).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le taux de détente effectif (tideff) est sensiblement égal au taux de compression géométrique (reg).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un second mode de fonctionnement en combustion, et lorsque ce mode de fonctionnement est sélectionné, le taux de compression effectif (Tc eff) est ajusté à une valeur inférieure au taux de compression de référence et, le taux de détente effectif (id eff) est ajusté à une valeur comprise entre le taux de détente de référence et le taux de compression géométrique (reg).
9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que le taux de détente effectif (tideff) est sensiblement égal au taux de compression géométrique (reg).
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écart entre l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement (0E) et l'instant de fermeture de la soupape d'admission (FA) est maintenu constant.
11. Moteur thermique-pneumatique de taux de compression géométrique fixé opérant selon un cycle moteur comprenant une phase de compression et une phase de détente, comprenant : -un cylindre (2) comportant une soupape d'admission (3), une soupape d'échappement (4) et une soupape de charge/décharge (5), -un réservoir (8) d'air comprimé relié au cylindre (2) au moyen de la soupape de charge/décharge (5), -des moyens de sélection entre un mode de fonctionnement en combustion et un mode de fonctionnement pneumatique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : des moyens de réglage, en fonction du mode fonctionnement sélectionné, de l'instant de fermeture de la soupape d'admission (FA) et/ou de l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement (0E) au cours du cycle moteur de sorte à ajuster respectivement le taux de compression effectif (Tc eff) et/ou le taux de détente effectif (id eff) afin d'optimiser le rendement du mode de fonctionnement sélectionné.
12. Moteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de réglage comprennent un unique arbre à cames (10) associés à un unique déphaseur d'arbre à cames (11) permettant de régler simultanément l'instant de fermeture de la soupape d'admission (FA) et l'instant d'ouverture de la soupape d'échappement (0E) au cours du cycle moteur.