WO2012164177A1 - Moteur hybride pneumatique-thermique - Google Patents

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WO2012164177A1
WO2012164177A1 PCT/FR2012/050820 FR2012050820W WO2012164177A1 WO 2012164177 A1 WO2012164177 A1 WO 2012164177A1 FR 2012050820 W FR2012050820 W FR 2012050820W WO 2012164177 A1 WO2012164177 A1 WO 2012164177A1
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WO
WIPO (PCT)
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engine
oxidation
storage means
catalytic
hydrocarbons
Prior art date
Application number
PCT/FR2012/050820
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English (en)
Inventor
Clement Dumand
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles Sa
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.)
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Publication date
Application filed by Peugeot Citroen Automobiles Sa filed Critical Peugeot Citroen Automobiles Sa
Publication of WO2012164177A1 publication Critical patent/WO2012164177A1/fr

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B23/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01B23/02—Adaptations for driving vehicles, e.g. locomotives
    • 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
    • F02B21/00—Engines characterised by air-storage chambers
    • 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
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/02—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps
    • F02B33/06—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/103—Oxidation catalysts for HC and CO only

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid pneumatic-thermal engine, which recovers energy via an air compressor and stores this energy in the form of compressed air and where the compression is made using the cylinders.
  • the new engines must respond to a problem that is becoming more and more restrictive, in particular regulatory limits for pollutant emissions and increasingly severe C02 emissions.
  • One of the primary functions of the conventional heat engine is to provide torque to the wheels of the vehicle to move it forward. This torque is used primarily to overcome the various resistive forces of friction and to overcome the inertia of the vehicle. The energy provided in the form of torque by the engine is converted in part into kinetic energy.
  • the engine no longer provides torque to the wheels.
  • the deceleration of the vehicle is naturally thanks to the various friction on the legrest and thanks to the braking systems for stronger braking.
  • the kinetic energy of the vehicle is transformed by the brakes in heat dissipated in the near environment.
  • KERS Kinetic Energy Recovery System
  • pneumatic hybridization which recovers the kinetic energy of the vehicle via an air compressor and which stores this energy in the form of compressed air.
  • the concept of pneumatic hybridization consists in using the resistive torque at the input of the powertrain for example on braking phases to compress air and store it in a tank. This compression can be done using the engine cylinders provided a valve dedicated to the charge and discharge of compressed air.
  • One embodiment of this concept is known for example from document FR2865769.
  • the compressed air stored in the tank can be used to produce a positive torque.
  • FIG. 1 A principle representation of a hybrid pneumatic-thermal engine using the engine cylinders as compression means is proposed in FIG.
  • the pneumatic-thermal hybrid engine shown diagrammatically in FIG. 1 comprises, in a conventional manner, an engine block comprising a cylinder head 1 and cylinders
  • Each cylinder has in this case shown two air intake valves
  • the intake and exhaust valves 4 cooperate with a dispensing device, for example by camshaft, not shown which allows the opening and closing of these valves depending on the position of the piston in the cylinder 2.
  • the pressure and discharge valve 5 of compressed air cooperates with a clean dispensing device, not shown, which allows its opening and closing according to the needs of charge and discharge of gas under pressure, which needs do not depend essentially on the position of the piston in the cylinder 2.
  • the engine further comprises an intake air distributor 6 for the distribution of intake air in the cylinders 2 via the intake valves 3, a manifold of exhaust 7 allowing the evacuation of the exhaust gases of the cylinders 2 through the exhaust valve 4.
  • such a hybrid tire-heat engine comprises if storage means pressurized gas.
  • These pressurized gas storage means mainly comprise a gas storage tank 8 under pressure and a network 9 of pipes connecting the tank 8 for storing gas under pressure to the cylinders 2 at their valve 5 for charging and discharging gas under pressure.
  • the maximum pressure in the tank directly depends on the compression ratio of the engine. For example, for a petrol engine with a compression ratio of 1 1, the maximum pressure reached in the tank will be of the order of 20 bar. Beyond this pressure, the motor in pneumatic pump mode, that is energy recovery by air compression, will no longer be able to drive air to the compressed air tank.
  • the storage capacity is of the order of magnitude of the kinetic energy available on a small braking system ( 30 km / h at 0 km / h). Since the amount of energy stored is low, this concept proposes to recover and use energy in very short times.
  • This technology relies on the responsiveness and ability of the system to quickly switch from a heat engine mode to a pneumatic pump mode or from a pneumatic motor mode to a heat engine mode.
  • the liquid film will continue to diffuse fuel into the air intake.
  • This fuel-laden air will potentially be stored in the compressed air tank and will create a risk of dangerous self-ignition for the vehicle, its passengers and its surrounding environment.
  • a first solution envisaged would be to wait a number of engine cycles without injecting fuel and leaving the butterfly open to dry the fuel contained in the liquid films. This fuel would be sent directly to the exhaust where it would be treated by the 3-way catalytic system of the exhaust line.
  • we can not start the energy recovery which penalizes the energy recovery time in pneumatic pump mode and therefore the amount of energy recovered. .
  • the aim of the invention is to propose a solution making it possible to overcome the problem of hydrocarbons that can be stored together with air in the compressed air reservoir of a pneumatic hybrid engine, while keeping the capacity to pass through. quickly from a heat engine mode to a pneumatic pump mode.
  • the invention thus relates to a hybrid pneumatic-thermal engine comprising a cylinder head and a cylinder accommodating a piston thus defining a combustion chamber, pressurized gas storage means, said storage means comprising a reservoir connected to the chamber of combustion by a conduit for the passage of gases under pressure, characterized in that the pressurized gas storage means further comprise a catalytic device for oxidizing the hydrocarbons.
  • a catalytic device for oxidizing the hydrocarbons in the storage means, we are no longer forced to wait for the elimination by evaporation of the hydrocarbons prior to the implementation of a pneumatic pump mode, these hydrocarbons will be eliminated. directly in the storage means, this time saving allows us to quickly switch from a heat engine mode to a pneumatic pump mode and provides a recovered energy gain.
  • the catalytic oxidation device for hydrocarbons comprises a catalytic oxidation unit disposed in a part of the duct outside the cylinder head.
  • the catalytic device comprises a catalytic oxidation unit disposed in the tank.
  • the catalytic oxidation unit is arranged at the inlet of the tank, in order to treat the entire stream of pressurized gas entering the tank.
  • the conduit comprises a collector portion integrated with the cylinder head.
  • the catalytic oxidation device for hydrocarbons comprises a catalytic oxidation unit arranged in the duct, as close as possible to the combustion chamber.
  • the storage means comprise a heat insulation.
  • the heat engine is preferably of the indirect fuel injection type, because with this type of engine liquid hydrocarbon films are present after an injection cutoff and a significant amount of fuel continues to enter the cylinders.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a hybrid pneumatic motor according to the prior art.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a first embodiment of a pneumatic hybrid engine according to the invention comprising a conduit for the passage of gases under pressure common to the various cylinders and a catalytic block for the oxidation of hydrocarbons in the conduit for passing gases under pressure.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a second embodiment of a pneumatic hybrid engine according to the invention, comprising a conduit for the passage of gases under pressure per cylinder and a catalytic block for the oxidation of hydrocarbons in each conduit of passage of gases under pressure.
  • FIG. 4 shows a block diagram of a pneumatic hybrid engine according to the invention comprising a catalytic block of oxidation of hydrocarbons in the tank.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a hybrid thermal-thermal engine according to the invention.
  • the pneumatic-thermal hybrid engine comprises an engine block comprising a cylinder head 1 and at least one cylinder 2, in this case four in the example illustrated in FIG. 2.
  • Each cylinder 2 accommodates a piston (no shown), each defining with the cylinder head 1 a combustion chamber.
  • Each cylinder 2 comprises in the case represented here at least one air intake valve 3, in this case two in the example illustrated in FIG. 2, at least one exhaust valve 4, and a charge valve and discharge 5 of gas under pressure.
  • the intake and exhaust valves 4 cooperate with a dispensing device, for example by camshaft, not shown which allows the opening and closing of these valves depending on the position of the piston in the cylinder 2.
  • the charge and discharge valve 5 cooperates with a clean dispensing device, not shown, which allows its opening and closing according to the needs of charge and discharge of pressurized gas, needs which do not depend essentially on the position of the piston in the cylinder 2.
  • the distribution device of the charge and discharge valve 5 may be a mechanical device (pure mechanical, hydraulic, pneumatic), electric, magnetic or employ the combination of at least two aforementioned devices.
  • the pneumatic-thermal hybrid engine also comprises an intake air distributor 6 for the distribution of intake air into the cylinders 2 via the intake valves 3, a exhaust manifold 7 for exhausting the exhaust gases from the cylinders 2 via the exhaust valve 4.
  • the engine also comprises pressurized gas storage means.
  • pressurized gas storage means mainly comprise a tank 8 for storing pressurized gas and a conduit 9 for the passage of gas under pressure connecting the tank 8 for storing pressurized gas to the combustion chamber at their charge valve. and discharge 5.
  • the invention consists in placing a hydrocarbon treatment device in the storage means.
  • the hydrocarbon treatment device is preferably a catalytic oxidation device. Indeed, such catalytic oxidation device converts carbon monoxide, CO and hydrocarbons, HC, into carbon dioxide, CO2, and water under conditions of excess oxygen also called mixing conditions poor.
  • the catalytic oxidation device may consist of one or more catalytic oxidation units arranged in various locations for storage means.
  • the pressurized gas storage means comprise a catalytic oxidation unit 10 (which will also be referred to as "oxidation catalyst") of hydrocarbons.
  • the oxidation catalyst 10 may, for example, be in the form of a ceramic block 100 comprising channels through which the gases to be treated circulate, the block serving as a substrate on which an active agent is deposited, such as platinum and / or palladium.
  • the oxidation reaction needs a priming temperature generally between 120 ° C and 150 ° C to be initiated. In operation in pneumatic pump mode, this priming temperature is advantageously ensured by heating the gases due to their compression in the cylinders 2.
  • the duct 9 for passage of the pressurized gases has a first portion 91 collector of pressurized gas connecting the chambers. combustion chamber and a second portion 92 outside the cylinder head 1.
  • the first collector portion 91 is integrated in the cylinder head 1, for example directly to the foundry, and opens out of the latter by a common outlet January 1.
  • the second part 92 connects the common outlet 1 1 to the tank 8.
  • the hydrocarbon oxidation catalyst 10 is disposed in the second portion 92 of the outer passage duct 9 to the cylinder head 1. This configuration is advantageous for reasons of compactness and ease of implementation in the engine.
  • a hybrid pneumatic-thermal engine whose engine is of the indirect fuel injection engine type, it comprises fuel injection means (not shown) in the intake air, upstream of the engines. cylinders 2, advantageously in the air distributor 6.
  • the operation is as follows for a so-called four-stroke engine: -The fuel injection is cut off. Immediately after the injection cutoff, however, fuel is present on the walls of the distributor 6 in the form of a liquid film. - The air admitted into the cylinders 2 during their intake phase is compressed during the compression phase. This admitted air comprises hydrocarbons resulting from the evaporation of the liquid film.
  • the charge and discharge valve 5 opens and closes at appropriate times allowing the transfer of the intake air with the evaporated hydrocarbons from the combustion chamber of the cylinder 2 to the storage means and the pressurized holding of the gases transferred to the storage means,
  • the oxidation catalyst oxidizes the hydrocarbons from the liquid films and present in the intake air and converted into flue gases.
  • the oxidation of the hydrocarbons being moreover exothermic, it contributes to increase the pressure and the energy stored in the tank 8.
  • FIG. 3 shows a second embodiment.
  • This embodiment differs from the first embodiment in that each of the four cylinders 2 is connected to the reservoir 8 by a separate conduit 9a, 9b, 9c, 9d.
  • Each of the conduits 9a, 9b, 9c, 9d comprises an oxidation catalyst 10a, 10b, 10c, 10d.
  • the oxidation catalysts 10a, 10b, 10c, 10d are placed as close as possible to their combustion chamber, in order to benefit as much as possible from the temperature of the compressed gases and thus to reach their initiation temperature as quickly as possible.
  • the oxidation catalysts 10a, 10b, 10c, 10d may be arranged in the cylinder head 1 or outside the cylinder head 1, but as far as possible closer to their combustion chamber.
  • FIG. 4 shows a third embodiment.
  • This embodiment differs from the first embodiment in that the oxidation catalyst 10 'is placed directly in the tank 8.
  • the oxidation catalyst 10' is placed at the inlet 12 of the tank 8.
  • This configuration has the advantage of limiting the congestion of the complete system. This configuration is not preferred if there are high heat losses upstream of the tank 8 because then the thermal conditions of catalyst priming may not be reached quickly. It may then be advantageous to provide heat insulating means for storing pressurized gas, that is to say the tank 8 and the conduit 9 for the passage of pressurized gas connecting the reservoir 8 for storing gas under pressure to the combustion chamber . In this case, the insulation of the tank also isolates the oxidation catalyst 10 '.
  • Thermal insulation makes it possible, by limiting the heat losses, to reach the thermal conditions of initiation of the oxidation catalyst 10 'more quickly and to preserve them.
  • Insulation of the pressurized gas storage means may also be provided for the other examples of embodiment mentioned above.
  • the invention is not limited to the embodiments described.
  • the invention also includes the exemplary embodiments combining one or more hydrocarbon treatment devices from the previously described embodiments. For example, by combining the first example with the third example so as to place an oxidation catalyst in the duct 9 for passing the pressurized gases and another in the tank 8.
  • Arranging a plurality of oxidation catalysts in the storage means has the effect of advantage of reducing the unit size of each of the oxidation catalysts which facilitates their implantation. Their shape can also be adapted to the space constraints around the engine.
  • the dimensioning (volume, developed area of gas / catalyst contact, concentration of precious metals, etc.) of the catalytic block or blocks present in the storage means may be based on the expected maximum flow rate of hydrocarbons to be treated.
  • the dimensioning can also take into account the pressure drops in order to remain as permeable as possible.
  • the invention is particularly suitable for an indirect injection gasoline engine, but it may be suitable for other types of engines such as a diesel engine, gasoline direct injection, natural gas, from the moment when unburned hydrocarbons are present during a transition from the thermal mode to a passage in pneumatic pump mode.
  • the invention has the advantage of reducing the risks associated with the use of pneumatic hybridization, in particular on an indirect injection gasoline engine. It allows a rapid transition from thermal mode to pneumatic pump mode, which improves the energy recovery compared to other envisaged solutions such as waiting for the drying of the fuel contained in the liquid film to the walls in the case of a pump.
  • the invention also has the advantage of upgrading these unburnt hydrocarbons which, without the invention, remain unused and are discharged into the exhaust line. With the invention, these hydrocarbons are converted into enthalpy by the oxidation catalyst. This increase in enthalpy will help to increase the pressure and the energy stored in the tank. This energy will be converted into mechanical energy during operation in pneumatic motor mode.

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Abstract

L'invention concerne un moteur hybride pneumatique-thermique comprenant une culasse (1) et un cylindre (2) accueillant un piston définissant ainsi une chambre de combustion, des moyens de stockage de gaz sous pression, les dits moyens de stockage comportant un réservoir (8) relié à la chambre de combustion par un conduit (9) de passage, caractérisé en ce que les moyens de stockage de gaz sous pression comprennent de plus un dispositif catalytique d'oxydation des hydrocarbures.

Description

Moteur hybride pneumatique-thermique
Domaine technique de l'invention
La présente invention se rapporte à un moteur hybride pneumatique-thermique, qui récupère de l'énergie via un compresseur d'air et qui stocke cette énergie sous forme d'air comprimé et où la compression est faite en utilisant les cylindres.
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 C02 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. Pour ce concept où la compression est faite en utilisant les cylindres 2, la pression maximale dans le réservoir dépend directement du taux de compression du moteur. Par exemple, pour un moteur essence avec un taux de compression de 1 1 , la pression maximum atteinte dans le réservoir sera de l'ordre de 20 bar. Au-delà de cette pression, le moteur en mode pompe pneumatique, c'est à dire de récupération d'énergie par compression d'air, ne sera plus en mesure de chasser l'air vers le réservoir d'air comprimé.
A ces niveaux de pression et pour des volumes de réservoir compatibles pour une application automobile du type véhicule léger, par exemple inférieurs à 50 litres, la capacité de stockage est de l'ordre de grandeur de l'énergie cinétique disponible sur un petit freinage (30 km/h à 0 km/h). La quantité d'énergie stockée étant faible, ce concept propose de récupérer et d'utiliser l'énergie dans des temps très courts. Cette technologie repose sur la réactivité et la capacité du système à passer rapidement d'un mode moteur thermique à un mode pompe pneumatique ou d'un mode moteur pneumatique à un mode moteur thermique.
Pour les moteurs à essence à fonctionnement en mode homogène à richesse 1 , il existe deux façons d'injecter le carburant : injection indirecte dans les conduits d'admission (ou NE pour l'acronyme d'Injection Indirecte Essence) et injection directe dans la chambre de combustion (ou IDE pour l'acronyme d'Injection Directe Essence). Pour les moteurs à injection directe essence, le carburant injecté lors d'un cycle est consommé lors de ce cycle puis évacué sous forme de gaz brûlés à l'échappement. Pour une injection indirecte essence, le carburant est injecté dans les conduits d'admission. Ce carburant forme un film liquide sur les parois. Ce film liquide est persistant évolue à une échelle de temps bien plus longue que celle du cycle moteur. Ainsi, nous constatons lors des transitoires de charge, par exemple, un décalage entre la quantité de carburant injectée et la quantité de carburant réellement admise dans le cylindre. De plus, après une coupure d'injection en NE, une quantité non négligeable de carburant continue à entrer dans les cylindres tant que le film liquide perdure dans les conduits d'admission.
Lors d'une transition entre le mode moteur thermique et le mode pompe pneumatique pour un moteur NE, le film liquide va continuer à diffuser du carburant dans l'air d'admission. Cet air chargé en carburant va potentiellement être stocké dans le réservoir d'air comprimé et va créer un risque d'auto-allumage dangereux pour le véhicule, ses passagers et son environnement proche. Une première solution envisagée serait d'attendre un certain nombre de cycles moteur sans injecter de carburant et laissant le papillon ouvert pour sécher le carburant contenu dans les films liquides. Ce carburant serait envoyé directement à l'échappement où il serait traité par le système de catalyse 3 voies de la ligne d'échappement. Cependant, avec cette solution, tant que le film liquide n'est pas séché, nous ne pouvons pas débuter la récupération d'énergie, ce qui pénalise la durée de récupération d'énergie en mode pompe pneumatique et donc la quantité d'énergie récupérée.
L'invention vise à proposer une solution permettant de s'affranchir du problème des hydrocarbures susceptibles d'être stockés en même temps que l'air dans le réservoir d'air comprimé d'un moteur hybride pneumatique, tout en gardant la capacité à passer rapidement d'un mode moteur thermique à un mode pompe pneumatique.
L'invention porte ainsi sur un moteur hybride pneumatique-thermique comprenant une culasse et un cylindre accueillant un piston définissant ainsi une chambre de combustion, des moyens de stockage de gaz sous pression, les dits moyens de stockage comportant un réservoir relié à la chambre de combustion par un conduit de passage des gaz sous pression, caractérisé en ce que les moyens de stockage de gaz sous pression comprennent de plus un dispositif catalytique d'oxydation des hydrocarbures. Ainsi, en disposant un dispositif catalytique d'oxydation des hydrocarbures dans les moyens de stockage, nous ne sommes plus contraint d'attendre l'élimination par évaporation des hydrocarbures préalablement à la mise en œuvre d'un mode pompe pneumatique, ces hydrocarbures seront éliminés directement dans les moyens de stockage, ce gain de temps nous permet de passer rapidement d'un mode moteur thermique à un mode pompe pneumatique et apporte un gain d'énergie récupérée.
Dans une variante, le dispositif catalytique d'oxydation des hydrocarbures comprend un bloc catalytique d'oxydation disposé dans une partie du conduit extérieure à la culasse.
Dans une autre variante, le dispositif catalytique comprend un bloc catalytique d'oxydation disposé dans le réservoir. Avantageusement le bloc catalytique d'oxydation est disposé en entrée du réservoir, afin de traiter l'intégralité du fluc de gaz sous pression entrant dans le réservoir. Dans une autre variante encore, le conduit comprend une partie collectrice intégrée à la culasse. Dans une variante, le dispositif catalytique d'oxydation des hydrocarbures comprend un bloc catalytique d'oxydation disposé dans le conduit, au plus près de la chambre de combustion.
De préférence, les moyens de stockage comprennent un calorifugeage.
Le moteur thermique est de préférence du type à injection indirecte essence, car avec ce type de moteur des films liquides d'hydrocarbures sont présents après une coupure d'injection et une quantité non négligeable de carburant continue à entrer dans les cylindres.
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 pneumatique selon l'art antérieur.
- La figure 2 présente un schéma de principe d'un premier mode de réalisation d'un moteur hybride pneumatique selon l'invention comprenant un conduit de passage des gaz sous pression commun aux différents cylindres et un bloc catalytique d'oxydation des hydrocarbures dans le conduit de passage des gaz sous pression.
- La figure 3 présente un schéma de principe d'un second mode de réalisation d'un moteur hybride pneumatique selon l'invention comprenant un conduit de passage des gaz sous pression par cylindre et un bloc catalytique d'oxydation des hydrocarbures dans chaque conduit de passage des gaz sous pression.
- La figure 4 présente un schéma de principe d'un moteur hybride pneumatique selon l'invention comprenant un bloc catalytique d'oxydation des hydrocarbures dans le réservoir.
Description détaillée La figure 2 présente un premier exemple de réalisation d'un moteur hybride pneumatique- thermique conforme à l'invention. Dans ce premier exemple de réalisation, le moteur hybride pneumatique-thermique comporte un bloc moteur comprenant une culasse 1 et au moins un cylindre 2, en l'occurrence quatre dans l'exemple illustré en figure 2. Chaque 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 au moins une soupape d'admission d'air 3, en l'occurrence deux dans l'exemple illustré en figure 2, au moins une soupape d'échappement 4, et une soupape de charge et décharge 5 de gaz sous pression. 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 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 dispositif de distribution de la soupape de charge et décharge 5 peut être un dispositif mécanique (mécanique pur, hydraulique, pneumatique), électrique, magnétique ou employer la combinaison d'au moins deux dispositifs précités.
Comme le montre encore la figure 2, le moteur hybride pneumatique-thermique comprend aussi 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.
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.
L'invention consiste à placer un dispositif de traitement des hydrocarbures dans les moyens de stockage. Le dispositif de traitement des hydrocarbures est de préférence un dispositif catalytique d'oxydation. En effet, tel dispositif catalytique d'oxydation transforme le monoxyde de carbone, CO et les hydrocarbures, HC, en dioxyde de carbone, C02, et en eau dans des conditions d'excès en dioxygène dite aussi conditions de mélange pauvre. Le dispositif catalytique d'oxydation peut être constitué d'un ou plusieurs blocs catalytiques d'oxydation disposés en divers endroits des moyens de stockage.
Dans ce premier exemple de réalisation, et conformément à l'invention, les moyens de stockage en gaz sous pression comprennent un bloc catalytique d'oxydation 10 (que l'on désignera aussi sous l'expression « catalyseur d'oxydation ») des hydrocarbures. De manière connue, le catalyseur d'oxydation 10 peut par exemple se présenter sous la forme d'un bloc 100 de céramique comprenant des canaux à travers lesquels circulent les gaz à traiter, le bloc servant de substrat sur lequel est déposé un agent actif tel du platine et/ou du palladium. La réaction d'oxydation a besoin d'une température d'amorçage généralement comprise entre 120°C et 150°C pour être initiée. En fonctionnement en mode pompe pneumatique, cette température d'amorçage est avantageusement assurée par réchauffement des gaz dû à leur compression dans les cylindres 2. Le conduit 9 de passage des gaz sous pression présente une première partie 91 collectrice de gaz sous pression reliant les chambres de combustion et une seconde partie 92 extérieure à la culasse 1 . Avantageusement, la première partie 91 collectrice est intégrée à la culasse 1 , par exemple directement à la fonderie, et débouche de celle-ci par une sortie commune 1 1 . La seconde partie 92 relie la sortie commune 1 1 au réservoir 8.
Dans ce premier exemple de réalisation, le catalyseur d'oxydation 10 des hydrocarbures est disposé dans la seconde partie 92 du conduit 9 de passage extérieure à la culasse 1 . Cette configuration est avantageuse pour des raisons de compacité et de facilité d'implantation dans le moteur.
Dans le cas d'un moteur hybride pneumatique-thermique dont le moteur thermique est du type moteur à injection indirecte essence, celui-ci comprend des moyens d'injection de carburant (non représentés) dans l'air d'admission, en amont des cylindres 2, avantageusement dans le répartiteur d'air 6.
Lorsque le moteur hybride pneumatique-thermique effectue une transition du mode thermique au mode pompe pneumatique, c'est-à-dire de recharge du réservoir 8, le fonctionnement est le suivant pour un moteur dit à quatre temps : -L'injection de carburant est coupée. Immédiatement après la coupure d'injection, du carburant est toutefois présent sur les parois du répartiteur 6 sous forme d'un film liquide. - L'air admis dans les cylindres 2 durant leur phase d'admission est comprimée pendant la phase de compression. Cet air admis comprend des hydrocarbures issus de l'évaporation du film liquide.
-La soupape de charge et de décharge 5 s'ouvre et se referme aux moments appropriés permettant le transfert de l'air admis avec les hydrocarbures évaporés de la chambre de combustion du cylindre 2 vers les moyens de stockage et le maintien sous pression des gaz transférés dans les moyens de stockage,
- Le catalyseur d'oxydation 10 oxyde les hydrocarbures provenant des films liquides et présents dans l'air admis et convertis en gaz brûlés. L'oxydation des hydrocarbures étant de plus exothermique, elle contribue à augmenter la pression et l'énergie stockée dans le réservoir 8.
La figure 3 présente un deuxième exemple de réalisation. Ce mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que chacun des quatre cylindres 2 est relié au réservoir 8 par un conduit 9a, 9b, 9c, 9d distinct. Chacun des conduits 9a, 9b, 9c, 9d comprend un catalyseur d'oxydation 10a, 10b, 10c, 10d. Avantageusement les catalyseurs d'oxydation 10a, 10b, 10c, 10d sont placés au plus près de leur chambre de combustion, afin de bénéficier au maximum de la thermique des gaz comprimés et donc d'atteindre au plus vite leur température d'amorçage. Les catalyseurs d'oxydation 10a, 10b, 10c, 10d peuvent être disposés dans la culasse 1 ou extérieurement à la culasse 1 , mais dans la mesure du possible au plus près de leur chambre combustion.
La figure 4 présente un troisième exemple de réalisation. Ce mode de réalisation diffère du premier exemple de réalisation en ce que le catalyseur d'oxydation 10' est placé directement dans le réservoir 8. De préférence le catalyseur d'oxydation 10' est placé à l'entrée 12 du réservoir 8. Cette configuration a pour avantage de limiter l'encombrement du système complet. Cette configuration n'est pas à privilégier s'il y a de fortes pertes thermiques en amont du réservoir 8 car alors les conditions thermiques d'amorçage du catalyseur pourraient ne pas être atteintes rapidement. Il peut alors être avantageux de prévoir un calorifugeage des moyens de stockage de gaz sous pression, c'est dire du réservoir 8 et du conduit 9 de passage de gaz sous pression reliant le réservoir 8 de stockage de gaz sous pression à la chambre de combustion. Dans ce cas le calorifugeage du réservoir isole aussi le catalyseur d'oxydation 10'. Le calorifugeage permet, en limitant les pertes de chaleur, d'atteindre plus rapidement les conditions thermiques d'amorçage du catalyseur d'oxydation 10' et de les conserver. Un calorifugeage des moyens de stockage de gaz sous pression peut aussi être prévu pour les autres exemples de réalisation précités. L'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits. L'invention comprend aussi les exemples de réalisation combinant un ou plusieurs dispositifs de traitement des hydrocarbures issus des exemples de réalisation présentés précédemment. Par exemple en combinant le premier exemple au troisième exemple de façon à placer un catalyseur d'oxydation dans le conduit 9 de passage des gaz sous pression et un autre dans le réservoir 8. Disposer plusieurs catalyseurs d'oxydation dans les moyens de stockage a pour avantage de réduire la taille unitaire de chacun des catalyseurs d'oxydation ce qui facilite leur implantation. Leur forme peut aussi être adaptée aux contraintes d'espace autour du moteur.
Le dimensionnement (volume, surface développée de contact gaz / catalyseur, concentration en métaux précieux...) du ou des blocs catalytiques présents dans les moyens de stockage peut se faire à partir du débit maximum attendu d'hydrocarbures à traiter. Le dimensionnement peut aussi prendre en compte les pertes de charge afin de rester le plus perméable possible.
L'invention convient particulièrement à un moteur à injection indirecte essence, mais elle peut convenir sur d'autre type de moteurs tel qu'un moteur Diesel, à essence à injection directe, à gaz naturel, à partir du moment où des hydrocarbures imbrûlés sont présents lors d'un passage du mode thermique à un passage en mode pompe pneumatique.
L'invention a pour avantage de réduire les risques liés à l'utilisation de l'hybridation pneumatique en particulier sur un moteur à injection indirecte essence. Elle permet un passage rapide du mode thermique au mode pompe pneumatique ce qui améliore la récupération d'énergie par rapport à d'autres solutions envisagées telle que l'attente du séchage du carburant contenu dans le film liquide aux parois dans le cas d'une hybridation pneumatique d'un moteur à injection indirecte essence, L'invention a encore pour avantage de valoriser ces hydrocarbures imbrûlés qui sans l'invention restent inutilisés et sont rejetés dans la ligne d'échappement. Avec l'invention, ces hydrocarbures sont convertis en enthalpie par le catalyseur d'oxydation. Cette augmentation d'enthalpie va contribuer à augmenter la pression et l'énergie stockée dans le réservoir. Cette énergie sera convertie en énergie mécanique lors d'un fonctionnement en mode moteur pneumatique.

Claims

Revendications
1 . Moteur hybride pneumatique-thermique comprenant une culasse (1 ) et un cylindre (2) accueillant un piston définissant ainsi une chambre de combustion, des moyens de stockage de gaz sous pression, les dits moyens de stockage comportant un réservoir (8) relié à la chambre de combustion par un conduit (9) de passage des gaz sous pression, caractérisé en ce que les moyens de stockage de gaz sous pression comprennent de plus un dispositif catalytique d'oxydation des hydrocarbures.
2. Moteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce le dispositif catalytique d'oxydation des hydrocarbures comprend un bloc catalytique d'oxydation (10) disposé dans une partie (92) du conduit (9) extérieure à la culasse (1 ).
3. Moteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif catalytique comprend un bloc catalytique d'oxydation (10') disposé dans le réservoir (8).
4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bloc catalytique d'oxydation est disposé en entrée (12) du réservoir (8).
5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit (9) comprend une partie collectrice (91 ) intégrée à la culasse (1 ).
6. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif catalytique d'oxydation des hydrocarbures comprend un bloc catalytique d'oxydation (10a, 10b, 10c, 10d) disposé dans le conduit (9a, 9b, 9c, 9d), au plus près de la chambre de combustion.
7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de stockage comprennent un calorifugeage.
8. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur thermique est du type à injection indirecte essence.
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