FR2992682A1 - Reservoir d'air pour moteur hybride thermique-pneumatique - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un réservoir de stockage d'air (20) pour un moteur hybride thermique-pneumatique. Selon l'invention, le réservoir est incorporé à la ligne d'échappement du moteur, de sorte qu'un échange thermique entre les gaz d'échappement du moteur et l'air du réservoir puisse se produire. Le réservoir peut comporter plusieurs tubes (25, 26, 27) connectés entre eux en parallèle par l'une de leurs deux extrémités, les autres extrémités (29, 30) étant fermées à l'exception de l'une (31) d'entre elles qui est reliée à l'arrivée d'air (32) du réservoir. Les tubes sont espacés les uns des autres de façon à permettre le passage des gaz d'échappement entre les tubes. Le réservoir peut être incorporé au silencieux de la ligne d'échappement.

Description

RESERVOIR D'AIR POUR MOTEUR HYBRIDE THERMIQUE-PNEUMATIQUE [0001] La présente invention concerne un réservoir de stockage d'air sous pression pour moteur hybride thermique-pneumatique. [0002] La lutte contre la pollution des moteurs thermiques est une préoccupation majeure des constructeurs automobiles qui se sont tournés de plus en plus vers les moteurs hybrides. Les plus connus sont les moteurs hybrides du type électrique-thermique qui comprennent chacun un moteur électrique associé à un moteur thermique. Ces moteurs hybrides nécessitent une ou plusieurs batterie(s) pour le stockage de l'énergie électrique. Cependant, ces batteries sont onéreuses, lourdes et difficiles à recycler. [0003] Une autre solution pour assister le moteur thermique consiste à utiliser un moteur hybride pneumatique-thermique. Ce type de moteur se compose d'un moteur thermique auquel un réservoir d'air comprimé a été ajouté. Pendant les phases de décélération du véhicule, le moteur thermique est utilisé comme compresseur afin de remplir un réservoir d'air sous pression. L'air sous pression est ensuite utilisé pour la propulsion pneumatique du véhicule. Ce type de moteur est par exemple décrit dans les demandes de brevet FR 2 865 769, FR 2836181 et EP1308614. [0004] La demande de brevet FR 2 865 769 concerne plus particulièrement un moteur hybride pneumatique-thermique à suralimentation par turbocompresseur. Afin d'accroitre le couple fournit par le moteur, on injecte dans les chambres de combustion, lors de la phase de compression du cycle habituel d'un moteur thermique à quatre temps, à partir d'un réservoir d'air comprimé, une quantité supplémentaire d'air suffisante pour obtenir instantanément le couple moteur demandé. Le réservoir d'air comprimé peut être rempli lors de la phase de compression du cycle habituel d'un moteur quatre temps et préférentiellement pendant les phases de freinage du véhicule (frein moteur). De ce fait, l'efficacité énergétique du procédé est très performante pour les utilisations en ville (nombreuses phases de freinage permettant de récupérer de l'énergie dans le réservoir) mais moins performante sur circuit autoroutier (pour des raisons opposées). [0005] D'autre part, il est connu par la demande de brevet FR2945960 de connecter une citerne d'air comprimé à une ligne d'échappement.
Cependant ladite citerne est utilisée pour le nettoyage du filtre à particules présent dans les lignes d'échappement des moteurs thermiques mais pas, comme dans la présente invention, pour le fonctionnement d'un moteur hybride pneumatique. De plus, ladite citerne est simplement connectée à la ligne d'échappement mais ne lui est pas intégrée. [0006] La présente invention concerne un réservoir d'air intégré à la ligne d'échappement, l'air du réservoir étant utilisé pour le fonctionnement pneumatique d'un moteur thermique. La pression de l'air est augmentée par échange thermique avec les gaz d'échappement. [0007] De façon plus précise, l'invention concerne un réservoir de stockage d'air pour un moteur hybride thermique-pneumatique, ledit réservoir étant incorporé à la ligne d'échappement du moteur, de sorte qu'un échange thermique entre les gaz d'échappement du moteur et l'air du réservoir puisse se produire. [0008] Un réservoir conforme à l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le réservoir peut comporter une enveloppe munie d'une entrée et d'une sortie pour la circulation des gaz d'échappement dans l'enveloppe et une canalisation pour le stockage d'air sous pression, ladite canalisation étant située dans l'enveloppe et en contact avec les gaz d'échappement circulant dans l'enveloppe. - le réservoir peut être incorporé dans le silencieux de la ligne d'échappement, l'enveloppe du réservoir pouvant être constituée par l'enveloppe du silencieux. - ladite canalisation peut comporter plusieurs tubes connectés entre eux en 30 parallèle par l'une de leurs deux extrémités, les autres extrémités étant fermées à l'exception de l'une d'entre elles qui constitue l'arrivée d'air du réservoir, ladite arrivée d'air pouvant constituer également la sortie d'air du réservoir. - lesdits tubes peuvent être espacés les uns des autres de façon à permettre le passage des gaz d'échappement entre les tubes. - le réservoir peut comporter une plaque de fermeture desdits tubes, la plaque connectant en parallèle les tubes, la plaque pouvant avoir une forme arrondie, sphérique par exemple, pour la distribution de l'air entre les tubes. - le réservoir peut comporter une soupape de décharge permettant de limiter la pression maximale de l'air contenu dans la canalisation. - le réservoir peut comporter des entretoises pour forcer les gaz d'échappement à circuler autour des tubes. Par exemple, le réservoir peut comporter une première et une deuxième entretoises, la première entretoise étant située à proximité de l'entrée des gaz d'échappement dans le réservoir et munie d'ouvertures pour le passage des gaz d'échappement entre les tubes et la deuxième entretoise étant située à proximité de la sortie des gaz d'échappement du réservoir et munie d'évidements ou de découpes pour le passage des gaz d'échappement entre l'enveloppe et les tubes. - ladite canalisation, et donc lesdits tubes, peut être réalisée ou peuvent être réalisés en un matériau ayant un coefficient de conduction thermique au 20 moins égale à 25 W/m.K, par exemple en acier. - une vis de purge peut être située en un point bas de la canalisation. [0009] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et en référence aux 25 dessins annexés qui montrent: - la figure 1, un premier mode de réalisation d'un réservoir conforme à l'invention et représenté schématiquement; - la figure 2, un deuxième mode de réalisation d'un réservoir conforme à l'invention et représenté schématiquement; 30 - la figure 3, une vue en trois dimensions du réservoir représenté schématiquement sur la figure 2; - la figure 4, une vue en trois dimensions de la partie avant du réservoir (partie par laquelle rentrent les gaz d'échappement) de la figure 3, avec une première entretoise; - la figure 5, une vue en trois dimensions de la partie arrière du 5 réservoir (partie par laquelle sortent les gaz) de la figure 3, avec une deuxième entretoise; et - les figures 6 et 7, une vue en coupe du réservoir respectivement au niveau de ladite première entretoise et au niveau de ladite deuxième entretoise. 10 [00010] Le but du réservoir selon l'invention est de stocker de l'air sous pression générés par un moteur thermique, les gaz d'échappement du moteur thermique chauffant l'air sous pression du réservoir de façon à augmenter la pression de l'air. L'air sous pression est destiné à faire fonctionner un moteur thermique en mode pneumatique. 15 [00011] La figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation de l'invention. Le réservoir 10 comporte une enveloppe 11, de forme cylindrique, traversée par une ligne d'échappement 12 d'un moteur thermique (non représenté). Le réservoir est intégré à la ligne d'échappement 12. Les gaz d'échappement circulent dans la ligne 12 selon 20 le sens de la flèche 13, mais pourraient circuler dans le sens inverse. Le réservoir comprend une entrée 14 recevant de l'air, par exemple généré par le moteur thermique. L'enveloppe 11 est fermée à ses deux extrémités par des plaques 17 et 18 de forme arrondie, sphérique par exemple, de façon à favoriser la circulation de l'air autour de la ligne 12. L'entrée 14 du réservoir 25 est également la sortie de l'air lorsque le moteur thermique fonctionne en mode pneumatique. L'échange thermique entre les gaz d'échappement et l'air du réservoir s'effectue par la surface de la ligne 12. [00012] Selon une forme de réalisation avantageuse, l'enveloppe 11 peut être enfermée dans le silencieux de la ligne d'échappement, 30 l'enveloppe 11 pouvant alors être constituée par l'enceinte du silencieux. [00013] Les figures 2 à 7 représentent un deuxième mode de réalisation de l'invention. Le réservoir 20 comporte une enveloppe 21 munie d'une entrée 22 recevant les gaz d'échappement d'une ligne d'échappement d'un moteur thermique et une sortie 23 pour lesdits gaz. Le réservoir est donc intégré à la ligne d'échappement. A l'intérieur de l'enveloppe se trouve une canalisation 24 composée de plusieurs tubes, dont trois 25, 26 et 27 sont visibles sur la figure 2, les autres tubes 34, 35, 36 étant visibles sur les figures 3-7. Les tubes sont connectés en parallèle à l'une de leurs deux extrémités à l'aide d'une plaque de fermeture 28, les autres extrémités (29 et 30 sur la figure 2) étant fermées, à l'exception de l'extrémité 31 qui est connectée à l'entrée 32 de l'air dans la canalisation 24. La plaque 28 est de forme arrondie, par exemple sphérique, de façon à favoriser la circulation de l'air entre les tubes. L'entrée 32 est munie d'une soupape de décharge 33 afin de limiter la pression de l'air dans la canalisation 24 à une pression prédéterminée. Alternativement, la soupape de décharge 33 pourrait être intégrée dans l'enveloppe 21 afin de limiter les projections et le bruit. Comme pour le premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'entrée d'air 32 sert aussi de sortie lorsque le moteur thermique fonctionne en mode pneumatique. [00014] Sur les figures 3, 4, 6 et 7 on remarque que les tubes sont au nombre de sept, référencés 25, 26, 27, 34, 35 et 36 (mais bien entendu, un réservoir conforme à l'invention peut comporter moins, ou plus, de sept tubes). Les tubes sont espacés entre eux de façon à favoriser la circulation des gaz d'échappement autour des tubes. [00015] Une première entretoise 37, située à proximité de l'entrée 22 des gaz d'échappement, sert, d'une part, de support aux tubes à l'intérieur de l'enveloppe 21 et, d'autre part, à forcer les gaz d'échappement à circuler autour des tubes. A cette fin, l'entretoise 37 ferme le passage des gaz d'échappement entre les tubes et l'enveloppe 21. Une deuxième entretoise 38, située à proximité de la sortie 23, supporte les tubes dans l'enveloppe 21 et bloque le passage des gaz entre les tubes. L'entretoise 38 comporte des évidements ou découpes 39, 40, 41 et 42 (voir figures 5 et 7) pratiqués à la périphérie de l'entretoise et forçant les gaz à s'évacuer sur les cotés avant de rejoindre la sortie 23. La circulation des gaz dans l'enveloppe 21 est illustrée par les flèches 43, 44, 45, 46 et 47. [00016] D'un point de vue fonctionnel, les gaz d'échappement circulent dans l'enveloppe 21, la première entretoise 37 orientant les gaz vers les tubes. Les gaz échangent thermiquement avec les tubes, lesquels apportent des calories à l'air contenu dans les tubes, élevant ainsi la pression de l'air dans les tubes. Les gaz d'échappement poursuivent leur chemin le long des tubes, puis rencontrent la deuxième entretoise 38 qui les évacuent sur les 10 cotés en passant par les découpes ou évidements 39 à 42. [00017] Une vis de purge 48 est fixée en un point bas de la canalisation 24 afin de pouvoir faire chuter la pression dans la canalisation, par exemple pour la maintenance du réservoir et/ou pour évacuer périodiquement les condensats. 15 [00018] Afin de favoriser les échanges thermiques entre les gaz d'échappement et la canalisation contenant l'air comprimé, la canalisation est réalisée, et donc les tubes composant la canalisation sont de préférence réalisés, en un matériau ayant une bonne conductivité thermique, par exemple un coefficient de conduction thermique au moins égale à 25 Watt 20 par mètre par Kelvin (W/m.K). Par exemple, la canalisation peut être réalisée en acier dont le coefficient de conduction thermique varie entre 26 W/m.K pour l'acier inoxydable et environ 47 W/m.K pour l'acier doux, ou en cuivre dont le coefficient de conduction thermique est environ 372 W/m.K ou encore en aluminium dont le coefficient de conduction thermique est environ 209 25 W/m.K. Pour des raisons de coûts, de fatigue du matériau et de tenue à la pression, l'acier est préféré. [00019] A titre d'exemple, les tubes pourraient avoir les caractéristiques suivantes: diamètre moyen d'environ 40 mm, épaisseur de 1 à 2 mm, longueur de 1 à 1,10 m, tenue à la pression de 1 à 20 bars et volume d'air 30 dans la canalisation environ 15 litres. [00020] Comme pour le premier mode de réalisation représenté à la figure 1, l'enveloppe 21 peut être entièrement contenue à l'intérieur du silencieux de la ligne d'échappement. L'enveloppe peut alors être constituée par l'enveloppe du silencieux. Cette dernière peut aussi être isolée thermiquement afin de protéger les pièces environnantes, mais aussi pour éviter le refroidissement des échappements ce qui permet une récupération plus importante de l'énergie thermique des gaz d'échappement, donc une montée plus rapide de la pression dans le réservoir (ce qui est intéressant pour les petits trajets, urbains par exemple). [00021] Des matériaux absorbants les sons peuvent être placés à l'intérieur de l'enveloppe 21, par exemple entre les tubes, de façon à obtenir un traitement acoustique de la ligne d'échappement. Des entretoises supplémentaires peuvent aussi être utilisées pour amortir les ondes de pression des gaz d'échappement. [00022] Les tubes sont disposés à l'intérieur de l'enveloppe 21, laquelle peut être adaptée à l'environnement. Par exemple et comme représenté sur les figures 3 à 7, l'enveloppe 21 a une forme trapézoïdale de façon à s'adapter à une implantation sous la caisse du véhicule. Cette forme peut bien entendu être différente, par exemple cylindrique ou parallélépipédique. [00023] La présente invention permet donc de récupérer l'énergie thermique des gaz d'échappement, évitant ainsi d'avoir à réchauffer ultérieurement l'air du réservoir de fonctionnement pneumatique du moteur par des systèmes consommateurs d'énergie tels que des systèmes électriques.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1. Réservoir de stockage d'air (10, 20) pour un moteur hybride thermique- pneumatique, caractérisé en ce qu'il est incorporé à la ligne d'échappement dudit moteur, de sorte qu'un échange thermique entre les gaz d'échappement du moteur et l'air du réservoir puisse se produire.
  2. 2. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en que, ladite ligne d'échappement comprenant un silencieux, ledit réservoir est incorporé dans ledit silencieux.
  3. 3. Réservoir selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe (11, 21) munie d'une entrée (22) et d'une sortie (23) pour la circulation des gaz d'échappement dans ladite enveloppe et une canalisation (12, 24) pour le stockage d'air sous pression, ladite canalisation étant située dans ladite enveloppe et en contact avec lesdits gaz d'échappement circulant dans ladite enveloppe.
  4. 4. Réservoir selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite canalisation (24) comporte plusieurs tubes (25, 26, 27) connectés entre eux en parallèle par l'une de leurs deux extrémités, les autres extrémités (29, 30) étant fermées à l'exception de l'une (31) d'entre elles qui est reliée à l'arrivée d'air (32) dudit réservoir.
  5. 5. Réservoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits tubes sont espacés les uns des autres de façon à permettre le passage des gaz d'échappement entre les tubes.
  6. 6. Réservoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite arrivée d'air (32) constitue également la sortie d'air du réservoir.
  7. 7. Réservoir selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque de fermeture (28) desdits tubes, ladite plaque connectant en parallèle lesdits tubes.
  8. 8. Réservoir selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite plaque (28) a une forme arrondie pour la distribution de l'air entre lesdits tubes.
  9. 9. Réservoir selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite plaque (28) à une forme sphérique.
  10. 10. Réservoir selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une soupape de décharge (33) permettant de limiter la pression maximale de l'air contenu dans ladite canalisation.
  11. 11. Réservoir selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte des entretoises (37, 38) pour forcer les gaz d'échappement à circuler autour desdits tubes.
  12. 12. Réservoir selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une première (37) et une deuxième (38) entretoises, ladite première entretoise (37) étant située à proximité de l'entrée (22) des gaz d'échappement dans le réservoir et étant munie d'ouvertures pour le passage des gaz d'échappement entre lesdits tubes et ladite deuxième entretoise (38) étant située à proximité de la sortie (23) des gaz d'échappement du réservoir et étant munie d'évidements (39-42) pour le passage des gaz d'échappement entre ladite enveloppe et lesdits tubes.
  13. 13. Réservoir selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite enveloppe (11, 21) est constituée par l'enveloppe dudit silencieux de la ligne d'échappement.
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