SYSTEME DE PROPULSION HYBRIDE D'UN VEHICULE DOTE D'UN CIRCUIT D'ECHAPPEMENT AMELIORE L'invention se rapporte à un système de propulsion hybride d'un 5 véhicule, doté d'un circuit d'échappement amélioré. Un système de propulsion hybride selon l'invention, 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 10 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. 15 Les limitations des émissions polluantes deviennent de plus en plus restrictives et la consommation de carburant et les émissions de dioxyde de carbone CO2, 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 20 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 CO2 et aux émissions polluantes. Les véhicules hybrides, de par leur capacité à combiner deux sources 25 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 30 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. 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 et de gaz 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, un circuit d'admission 7 permet d'acheminer de l'air 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 boitier 8 papillon motorisé, situé en amont dudit collecteur 14. L'actionnement de chaque soupape d'admission 4 permet de piloter le débit de cet air 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, dans un conduit d'échappement 9 du circuit d'échappement 13. Un volet 10 de contournement est placé sur ledit conduit d'échappement 9, pour acheminer les gaz d'échappement, soit directement vers l'extérieur du véhicule par une sortie 11 du circuit d'échappement 13 via un circuit de contournement 18, soit vers un pot catalytique 12 afin de traiter lesdits gaz, avant de les rejeter 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 charge 16, qui débouche dans un collecteur de charge 17 permettant de distribuer l'air issu dudit réservoir 3, 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 est par exemple rempli d'air, chaque soupape de charge 6 peut s'ouvrir pour permettre le passage de cet air 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 restent fermées. 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 afin de 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 afin de faire transiter l'air comprimé du réservoir 3 vers le cylindre 2 durant la phase de détente. Le volet 10 de contournement de la ligne d'échappement 13, est utilisé pour éviter aux gaz évacués durant les modes pompe et pneumatique de 10 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 dans le 15 conduit 18 de contournement en évitant 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. L'évitement du pot catalytique 12 permet ainsi de conserver la thermique dudit 20 pot 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 25 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 30 traiter avec le pot catalytique 12 avant de les rejeter dans l'atmosphère.
L'un des avantages majeurs d'un système de propulsion hybride pneumatique est de ne pas nécessiter un moteur additionnel, comme dans le cas d'un véhicule hybride électrique, car la fonction de récupération d'énergie et de propulsion est réalisée par le moteur thermique, à combustion conventionnelle. Mais un problème souvent rencontré avec un système de propulsion hybride pneumatique, est qu'il faut réussir à intégrer une soupape de charge dans chaque cylindre, ayant une taille suffisante, pour pouvoir assurer efficacement le passage de l'air entre chaque chambre de combustion et la 10 réserve d'air comprimé, dans chaque poste de la culasse du moteur. En effet, cette intégration doit tenir compte de la présence d'au moins une soupape d'admission et d'au moins une soupape d'échappement pour chaque cylindre, toutes ces soupapes devant être pilotées indépendamment les unes des autres, et devant conserver une efficacité maximum, sans être perturber par 15 la présence et le fonctionnement des autres soupapes. De telles intégrations ont déjà été réalisées, et on fait l'objet de brevets. On peut, par exemple, citer le brevet US7231998, dans lequel l'intégration de la soupape de charge conduit, soit à supprimer l'une des deux soupapes d'échappement pour un moteur dont les cylindres sont associés à 20 quatre soupapes, soit à diminuer la taille de l'unique soupape d'échappement pour un moteur dont les cylindres ne sont associés qu'à deux soupapes. Pour ces deux configurations, il en résulte une perte de perméabilité des soupapes d'échappement, cette perméabilité correspondant à la capacité d'évacuer les gaz d'échappement vers l'extérieur du cylindre, cette capacité étant liée au 25 débit maximum cumulé, autorisé par chaque soupape d'échappement. L'une des conséquences majeures de cette perte de perméabilité, se traduit par une baisse des performances du moteur et une augmentation significative de la consommation de carburant, notamment sur les points de fonctionnement où le régime et la charge dudit moteur sont élevés, car c'est sur ces points de 30 fonctionnement que les besoins en perméabilité sont les plus importants. Les systèmes de propulsion hybride selon l'invention sont configurés pour être performants et efficaces, quelle que soit la phase d'utilisation du moteur, en réglant efficacement et de façon constante, le problème de perméabilité entrevu sur les systèmes de propulsion hybrides déjà existants. L'invention a pour objet un système de propulsion hybride d'un véhicule, comprenant une réserve d'air comprimé, un moteur thermique et une ligne d'échappement, ledit moteur étant doté d'au moins une chambre de combustion associée à au moins une soupape d'admission, à au moins une soupape d'échappement et à au moins une soupape de charge, ladite réserve étant en communication avec chaque chambre par l'intermédiaire d'un conduit de charge débouchant dans un collecteur de charge, chaque soupape de charge régulant le passage de l'air entre la réserve d'air et chaque chambre. La principale caractéristique d'un système de propulsion hybride selon l'invention, est qu'il comporte un conduit de dérivation d'air reliant le conduit de charge à la ligne d'échappement. De cette manière, lors de la phase d'échappement d'un cycle moteur, chaque soupape de charge va pouvoir s'ouvrir et servir temporairement de soupape d'échappement, pour venir suppléer les soupapes d'échappement, en permettant une évacuation des gaz d'échappement par le collecteur de charge, puis par la ligne d'échappement par l'intermédiaire du conduit de dérivation. En effet, en raison de la présence des soupapes de charge, les soupapes d'échappement se retrouvent sous- dimensionnées et ne peuvent pas assurer efficacement à elles seules, l'évacuation des gaz d'échappement présents dans les cylindres. La présence du conduit de dérivation va ainsi permettre aux soupapes de charge de jouer momentanément le rôle d'une soupape d'échappement. La ligne d'échappement est constituée par l'ensemble des équipements et des différents conduits permettant d'évacuer habituellement les gaz d'échappement présents dans chaque cylindre vers l'extérieur du véhicule. Le conduit de charge prend naissance au niveau de la réserve d'air, et débouche dans le collecteur de charge qui permet de distribuer, via chacune des soupapes de charge, l'air dans les cylindres. La réserve d'air emmagasine de l'air exclusivement en provenance des chambres de combustion par l'intermédiaire de l'ouverture des soupapes de charge.
Avantageusement, un dispositif de sélection placé à l'intersection du conduit de charge et du conduit de dérivation, est apte à occuper une première position permettant d'ouvrir le conduit de dérivation et de fermer le conduit de charge, et une deuxième position permettant d'ouvrir le conduit de charge et de fermer le conduit de dérivation. En effet, lors de la phase d'échappement d'un cycle moteur, lorsque les soupapes de charge sont utilisées comme des soupapes d'échappement, il n'est pas souhaitable que les gaz d'échappement, qui transitent par le collecteur de charge, soient acheminés dans la réserve d'air. Le dispositif de sélection est alors réglé dans sa première position pour acheminer les gaz d'échappement présents dans le collecteur de charge vers le circuit d'échappement. A l'inverse, lorsqu'il est envisagé de remplir la réserve avec de l'air en provenance des chambres de combustion, ou lorsqu'il est envisagé d'injecter un complément d'air à partir de la réserve dans lesdites chambres, alors le dispositif de sélection est réglé dans sa deuxième position, tout passage de l'air vers la ligne d'échappement étant prohibé. De façon préférentielle, le dispositif de sélection est équipé d'un volet mobile en rotation, conçu pour pivoter entre la première et la deuxième position. Ce volet est assimilable à un volet de contournement. Il peut également être figé dans une multiplicité de positions intermédiaires entre la première et la deuxième position pour accroitre le spectre des configurations pouvant être traitées. De façon avantageuse, le dispositif de sélection est motorisé. Il peut ainsi être commandé dans une ou l'autre de ses deux positions, indépendamment de la phase du cycle moteur considérée. Cette motorisation octroie une grande souplesse d'utilisation d'un système de propulsion hybride selon l'invention Préférentiellement, la ligne d'échappement comprend un volet de contournement situé en amont d'un pot catalytique et un conduit de 30 contournement dudit pot catalytique. De cette manière, les gaz en provenance des chambres de combustion peuvent être, soit directement rejetés dans l'atmosphère, soit être préalablement nettoyés par le catalyseur afin d'être rejetés sans émettre de pollution. Selon un premier mode de réalisation préféré d'un système de propulsion selon l'invention, le conduit de dérivation d'air débouche dans la 5 ligne d'échappement, entre le volet de contournement et le pot catalytique. Avec cette configuration, tous les gaz d'échappement en provenance du collecteur de charge, via le conduit de dérivation, seront systématiquement acheminés dans le pot catalytique afin d'être nettoyés avant d'être expulsés à l'extérieur du véhicule. En effet, puisque le conduit de dérivation ne sert qu'à 10 convoyer des gaz d'échappement chauds et chargés en particules polluantes, il est nécessaire que ces gaz soient nettoyés avant d'être émis dans l'atmosphère. Selon un deuxième mode de réalisation préféré d'un système de propulsion selon l'invention, le conduit de dérivation débouche dans la ligne 15 d'échappement en amont du volet de contournement. Pour cette configuration, lorsque le conduit de dérivation est activé pour acheminer les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement, le volet de contournement devra alors être piloté pour envoyer, de façon systématique, ces gaz chauds et polluants dans le pot catalytique. Cette configuration est privilégiée pour 20 réduire l'encombrement d'un système de propulsion hybride selon l'invention, en réduisant notamment la longueur des tubes et/ou des tuyaux impliqués. L'invention a pour deuxième objet un premier mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système de propulsion conforme à l'invention, soit lors d'une phase de décélération et de freinage pour remplir la 25 réserve d'air, soit lors d'une phase de démarrage où de roulage pour alimenter en air chaque chambre uniquement à partir de la réserve. La principale caractéristique d'un tel procédé est qu'il comprend, - une étape de réglage du dispositif de sélection dans sa deuxième position, 30 - une étape d'ouverture des soupapes de charge.
Ces deux étapes sont majoritairement simultanées. Ainsi, lorsqu'il est envisagé de remplir la réserve en air, où lorsqu'il est envisagé d'injecter une quantité supplémentaire d'air en provenance de ladite réserve dans les chambres de combustion au moyen des soupapes de charge, seul n'est concerné que le conduit de charge. Le conduit de dérivation ne joue aucun rôle et est donc fermé. L'invention a pour troisième objet un deuxième mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système de propulsion conforme à l'invention, lors de la phase d'échappement d'un cycle moteur en fonctionnement conventionnel. La principale caractéristique d'un tel procédé est qu'il comprend, - une étape d'ouverture de chaque soupape d'échappement, - une étape d'ouverture de chaque soupape de charge, - une étape de réglage du dispositif de sélection dans sa première position. Ces trois étapes sont majoritairement simultanées. Lorsque les soupapes de charge s'ouvrent en même temps que les soupapes d'échappement pour permettre également l'évacuation des gaz d'échappement, le conduit de charge doit être fermé pour éviter que des gaz d'échappement chauds et pollués ne pénètrent dans la réserve. A l'inverse le conduit de dérivation doit être ouvert pour que les gaz d'échappement présents dans le collecteur de charge puissent être reversés dans la ligne d'échappement avant d'être diffusés dans l'atmosphère. Les systèmes de propulsion hybrides selon l'invention, ont l'avantage de pouvoir optimiser les conditions d'évacuation des gaz d'échappement des cylindres d'un moteur, en utilisant un équipement déjà présent et destiné à une autre fonction, et sans ajout significatif de pièce ou de dispositif complexe. Ils présentent de plus l'avantage d'être souples d'utilisation en multipliant les configurations possibles de mise en oeuvre, pour répondre à une multiplicité de besoins, parmi lesquels une alimentation complémentaire en air des cylindres du moteur, et des conditions améliorées des gaz d'échappement. Enfin, ils ont l'avantage d'être d'un encombrement et d'un coût constants par rapport aux systèmes déjà existants, tout en présentant des fonctionnalités supplémentaires. On donne ci-après, une description détaillée, d'un mode de 5 réalisation préféré d'un système de propulsion hybride selon l'invention, en se référant aux figures 1 à 4. - La figure 1 est une vue schématique d'un système de propulsion hybride de l'état de la technique, - La figure 2 est une vue schématique d'un premier mode de 10 réalisation préféré d'un système de propulsion hybride selon l'invention, - La figure 3 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation préféré d'un système de propulsion hybride selon l'invention, 15 - La figure 4 est un diagramme montrant le mouvement des différentes soupapes en fonction de la phase d'un cycle moteur, pour un système de propulsion hybride selon l'invention. La figure 1 a déjà été décrite. Les éléments communs aux figures 1, 2 et 3 sont désignés avec la 20 même référence. En se référant à la figure 2, un premier mode de réalisation préféré d'un système de propulsion hybride selon l'invention, se distingue d'un système de propulsion hybride de l'état de la technique, par le fait qu'il met en oeuvre un deuxième volet 19 de contournement et un conduit de dérivation 20 25 d'air reliant le conduit de charge 16 au circuit d'échappement 13. Plus précisément, ce conduit de dérivation 20 débouche dans le circuit d'échappement 13, au niveau d'un point de raccordement 21 situé entre le volet de contournement 10 et le pot catalytique 12. Le deuxième volet 19 de contournement est placé à l'intersection du conduit de charge 16 et du conduit 30 de dérivation 20, et peut occuper au moins deux positions : une première position pour laquelle il ferme le conduit de charge 16 et ouvre le conduit de dérivation 20, et une deuxième position pour laquelle il obture ledit conduit de dérivation 20 et ouvre le conduit de charge 16. Ce deuxième volet 19 de contournement est motorisé et peut être figé dans une multiplicité de positions intermédiaires, situées entre la première position et la deuxième position. Ce deuxième volet 19 de contournement permet ainsi, de façon sélective, soit d'établir une communication entre le réservoir d'air 3 et les chambres de combustion 2 du moteur 1, soit d'établir une communication entre lesdites chambres 2 et le circuit d'échappement 13 par l'intermédiaire du conduit de dérivation 20.
Un premier mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système de propulsion conforme à l'invention, soit lors d'une phase de décélération et de freinage pour remplir le réservoir 3 d'air, soit lors d'une phase de démarrage où de roulage lorsqu'il est envisagé d'alimenter en air chaque chambre 2 uniquement à partir dudit réservoir 3, comprend les étapes suivantes : - une étape de réglage du deuxième volet 19 de contournement dans sa deuxième position, - une étape d'ouverture de toutes les soupapes de charge. Pour ce procédé, il s'agit d'établir une communication entre les chambres 2 de combustion et le réservoir d'air 3, soit pour remplir ledit réservoir 3 à partir de l'air contenu dans les chambres de combustion 2, lors d'une phase de décélération ou de freinage, soit pour injecter de l'air complémentaire dans lesdites chambres 2 à partir de ce réservoir 3, lors d'une phase de démarrage ou de roulage. Il est entendu que les deux étapes principales de ce procédé sont majoritairement simultanées. Un deuxième mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système de propulsion conforme à l'invention, lors de la phase d'échappement d'un cycle moteur en fonctionnement conventionnel, comprend les étapes suivantes, - une étape d'ouverture de chaque soupape d'échappement 5, - une étape d'ouverture de chaque soupape de charge 6, - une étape de réglage du deuxième volet 19 de contournement dans sa première position. Lors d'une phase d'échappement d'un cycle moteur, les soupapes d'échappement 5 ne sont pas suffisamment dimensionnées pour assurer, à elles seules, cette fonction d'échappement, en raison de la présence des soupapes de charge 6. En se référant à la figure 4, montrant les différents profils de levée des soupapes 4, 5, 6 en fonction de la phase du cycle moteur considérée, chaque soupape de charge 6 se lève en même temps que les soupapes d'échappement 5, pour contribuer temporairement à assurer avec chaque soupape d'échappement 5 cette fonction d'échappement des gaz brûlés vers le circuit d'échappement 13. En effet, la courbe 22 traduisant la levée de la soupape de charge 5 est centrée sur la courbe 23 traduisant la levée de chaque soupape d'échappement 5, ces deux courbes précédant la courbe 24 traduisant la levée de chaque soupape d'admission 4. Lorsque le conduit de dérivation 20 est momentanément ouvert par le deuxième volet 19 de contournement, il permet d'acheminer les gaz d'échappement, qui transitent provisoirement par le collecteur de charge 17, vers le circuit d'échappement 13 en amont du pot catalytique 12. En effet, ces gaz brûlés sont chauds et transportent des particules polluantes, et doivent impérativement passer par le catalyseur 12 afin d'être nettoyés avant d'être rejetés propres dans l'atmosphère. Lorsque le deuxième volet de contournement 19 est dans sa première position, il empêche également les gaz d'échappement de remonter dans le réservoir d'air 3. Chaque soupape de charge 6 étant pilotée par un actionneur camless, qui peut être hydraulique, électrique ou électromécanique, les instants d'ouverture et de fermeture de ladite soupape 6 ainsi que le niveau de levée maximum peuvent être ajustés de façon rigoureuse et précise, en fonction des besoins du moment. En se référant à la figure 3, un deuxième mode de réalisation préféré d'un système de propulsion hybride selon l'invention, se différencie du premier mode de réalisation précédemment décrit, en ce que le point de raccordement 25 du conduit de dérivation 20 sur le circuit d'échappement 13 ne s'effectue plus entre le volet de contournement 10 et le catalyseur 12, mais en amont dudit volet de contournement 10. Cette nouvelle variante structurelle remplit exactement la même fonction que la première variante précédemment décrite. En revanche, elle présente un intérêt en termes d'encombrement et de conditionnement, puisque les différents conduits mis en oeuvre, et en particulier le conduit de dérivation 20, seront plus courts, plus faciles à implanter et donc moins coûteux. Quelle que soit sa variante de réalisation, un système de propulsion hybride selon l'invention présente un avantage supplémentaire : les gaz d'échappement dans le collecteur de charge 17, sont portés à une température de plusieurs centaines de degrés, et peuvent donc réchauffer ledit collecteur 17. Cette augmentation de la thermique de ce collecteur de charge 17, est bénéfique lors de l'utilisation des modes pompe et pneumatique, pendant lesquels l'air comprimé transitant dans le collecteur de charge 17, a tendance à se refroidir, si celui-ci n'est pas réchauffé au préalable. La baisse de température de l'air comprimé conduit à une baisse de la quantité d'énergie interne du fluide, et donc à une baisse de rendement thermodynamique.