WO2015018988A1 - Moteur hybride thermique pneumatique à éléments de stockage d'énergie thermique - Google Patents

Moteur hybride thermique pneumatique à éléments de stockage d'énergie thermique Download PDF

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WO2015018988A1
WO2015018988A1 PCT/FR2014/051496 FR2014051496W WO2015018988A1 WO 2015018988 A1 WO2015018988 A1 WO 2015018988A1 FR 2014051496 W FR2014051496 W FR 2014051496W WO 2015018988 A1 WO2015018988 A1 WO 2015018988A1
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WO
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thermal
pneumatic
storage element
heat
cylinder head
Prior art date
Application number
PCT/FR2014/051496
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English (en)
Inventor
Clement Dumand
Emmanuel Revol
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles Sa
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    • 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
    • F02B21/00—Engines characterised by air-storage chambers
    • F02B21/02—Chamber shapes or constructions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M31/00—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture
    • F02M31/02—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture for heating
    • F02M31/04—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture for heating combustion-air or fuel-air mixture
    • F02M31/042—Combustion air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M31/00—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture
    • F02M31/02—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture for heating
    • F02M31/14—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture for heating by using heat from working cylinders or cylinder heads
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to the field of thermal-pneumatic hybrid engines 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 according to the invention. a mode called pneumatic motor.
  • the invention relates more particularly to the storage of thermal energy produced in pneumatic motor mode.
  • the new engines must respond to a problem that is becoming more and more restrictive, in particular to regulatory limits on pollutant emissions and C02 emissions that are becoming more severe.
  • One of the primary functions of the conventional engine is to provide torque to the wheels of the vehicle to advance it. 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
  • electrical hybridization which recovers the kinetic energy of the vehicle via an electric generator and which stores this energy in electrical form
  • pneumatic hybridization which recovers the kinetic energy of the vehicle via an air compressor and stores this energy in the form of compressed air.
  • the concept of pneumatic hybridization is to use the resistive torque input 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 to have a dedicated valve for charging and discharging compressed air.
  • This compression can be done using the engine cylinders provided to have a dedicated valve for charging and discharging 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.
  • pneumatic pump in which air is loaded from the cylinder into the reservoir
  • air motor in which air is discharged from the reservoir into the cylinder .
  • the hybrid pneumatic-thermal engine schematically shown in Figure 1 comprises in a conventional engine block comprising a cylinder head 1 and cylinders 2.
  • Each cylinder comprises in the case shown here two air intake valves 3, a exhaust valve 4, and an additional charge and discharge valve 5 of compressed air.
  • 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 compressed air charging and discharging valve cooperates with a clean dispensing device, not shown, which allows it to be opened and closed according to the needs of the charge and the discharge of gas under pressure, needs which 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 by means of the valves intake 3, an exhaust manifold 7 for exhausting the exhaust gases from the cylinders 2 via the exhaust valve 4.
  • such a pneumatic-thermal hybrid engine also comprises a reservoir 8 for storing gases under pressure.
  • This tank 8 for storing pressurized gas is connected to the cylinders 2 by a gas flow circuit 9, at their valve 5 for charging and discharging gas under pressure.
  • the recovered energy is stored in the form of compressed air, that is to say in a combined form of pressure (mass) and temperature (enthalpy).
  • a compressed air pressure of 20 bar the associated temperature can reach 450 ° C.
  • Pressure storage is sustainable storage, provided that leakage is controlled and the air mass is maintained. Storage of the temperature is more difficult to guarantee over time because it assumes an ideal insulation of the tank 8 and the circuit 9.
  • the circuit 9 must pass through the cylinder head 1 to connect the charge valves 5 to the tank 8.
  • the cylinder head 1 is cooled by water and is made of metal, for example aluminum, which is a conductive material. .
  • the heat exchange between the hot compressed air and the cylinder head 1 will be high and energy will be lost during storage and retrieval of compressed air.
  • the overall efficiency of the system will be reduced by all the thermal losses of the compressed air and particularly by the heat losses in the cylinder head because the lost energy can not be used in the pneumatic motor phase.
  • the limited space available limits the size of the tank, which limits the amount of maximum energy stored in the form of pressure and thus the overall efficiency of the system.
  • a pneumatic thermal hybrid engine comprising a cylinder head and a cylinder, a pressurized gas storage tank connected to the cylinders by a pressurized gas passage circuit, the circuit gas passageway comprising a common pipe connected to the tank and a dedicated pipe connecting through the cylinder head cylinder by a charge and discharge valve, characterized in that the dedicated pipe comprises in its part passing through the cylinder head an element of heat storage intended to be traversed by the pressurized gases.
  • the technical effect is to capture the heat of the compressed air is to prevent this energy from being lost by the cylinder head. This improves the energy performance of the pneumatic thermal hybrid system.
  • each dedicated pipe comprises a heat storage element.
  • the walls of the cylinder head forming the part of the dedicated pipe comprising the heat storage element are thermally insulated by an air gap all around the heat storage element, the heat storage element being retained by at least one retaining ring.
  • the retaining ring is in a material adapted to tolerate the differential expansions of the cylinder head and the heat storage element when the engine is in operation.
  • the cylinder head walls forming the portion of the duct (9 ") dedicated between the charge valve and the thermal energy storage element are thermally isolated.
  • the thermal insulation is performed by an air knife behind a hollow wall.
  • the heat storage element is made of stainless steel.
  • the storage element comprises a gradient of exchange surface density.
  • the heat storage element comprises means for limiting the axial thermal diffusion.
  • the storage tank is made of plastic.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a thermal-pneumatic hybrid engine according to the prior art.
  • FIG. 2 is a schematic representation of an embodiment of a hybrid thermal-pneumatic engine according to the invention.
  • FIG. 3 a schematic representation of an arrangement of the heat storage element in the hybrid thermal-pneumatic engine.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a hybrid thermal-thermal engine according to the invention.
  • the hybrid pneumatic-thermal engine comprises an engine block comprising a cylinder head 1 and cylinders 2, in this case four in the example illustrated in FIG. 3.
  • Each cylinder 2 accommodates a piston (not represented) , each defining with the cylinder head 1 a combustion chamber.
  • Each cylinder 2 comprises in the case here represented at least one air intake valve 3, in this case two in the example illustrated in Figure 2, at least one exhaust valve 4, and a valve charging and discharging 5 gas under pressure.
  • the intake and exhaust valves 4 and 4 cooperate with a dispensing device, for example a distribution device 20 by camshafts as shown in Figure 3, 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 proper dispensing device, for example a mechanical dispensing device (mechanical pure, hydraulic, pneumatic), electrical, magnetic or employ the combination of at least two aforementioned devices ( Figure 3), which allows its opening and closing according to the needs for charging and discharging gas under pressure, which needs not substantially dependent on the position of the piston in the cylinder 2.
  • the hybrid heat-pneumatic engine also comprises an intake air distributor 6 for the distribution of intake air in the cylinders 2 through the intake valves 3, an exhaust manifold 7 for exhausting the exhaust gases from the cylinders 2 via the exhaust valve 4.
  • the engine also comprises a reservoir 8 for storing gas under pressure.
  • the tank 8 is connected to the cylinders 2, through a circuit 9 for passage of gas under pressure.
  • the pressurized gas passage circuit 9 is connected to the combustion chambers at their charge and discharge valve 5.
  • the gas passage circuit 9 comprises a common pipe 9 'connected to the tank 8 and the pipes 9 "dedicated to the cylinders 2, due to a dedicated pipe 9" per cylinder 2.
  • the thermal energy storage element 10 In order to maximize the amount of thermal energy recovered, stored, and restored, it is preferable to have the thermal energy storage element 10 closer to the valve 5 of charge and discharge, so we minimizes the heat transfer of the compressed air during a phase of operation in pneumatic pump mode or in pneumatic motor mode between the valve 5 of charge and discharge. Also, in the case where, as illustrated in FIG. 2, the pneumatic thermal hybrid engine comprises a plurality of cylinders 2, the gas passage circuit 9 comprises dedicated ducts 9 connecting the cylinders 2 by the cylinder head 1, at a rate of 9 "channel dedicated by cylinders, it is expected to have in each duct 9 'dedicated a thermal energy storage element 10.
  • the walls of the cylinder head 1 forming part 9a of the dedicated pipe 9 "between the charge valve 5 and the thermal energy storage element 10 may be thermally insulated. insulation may be formed of an insulating material or may be an air gap behind a hollow wall.
  • the heat storage elements 10 function as thermal energy accumulators using the sensible heat of one or more materials. The energy is captured during the pneumatic pump phases during which a compressed air flow is generated from the cylinder 2 to the tank 8, within the thermal storage unit 10 to be restored during pneumatic engine phases during which an engine is generated. compressed air flow from tank 8 to cylinder 2.
  • the hot pressurized compressed air will pass through the heat storage element 10. If, for example, the thermal storage has an initial temperature close to room temperature, the hot air will exchange enthalpy with the storage element. As the compressed air passes through with the heat storage element 10, this air will give it enthalpy. This air will exit from the heat storage element 10 at room temperature on the tank side, having given up some of its energy. If the flow of compressed air continues to pass through the heat storage element 10 for several seconds, a temperature gradient will be created in the material of the element 10. This gradient will progress as long as the flow direction compressed air goes from the cylinders 2 to the tank 8 (pneumatic pump phase).
  • a temperature gradient is installed in the thermal storage unit.
  • the compressed air at ambient temperature stored in the tank 8 will pass through the heat storage element 10 in the opposite direction (ie from the tank 8 to the cylinders 2) and will "charge” in enthalpy following an inverse process to that described for the pneumatic pump mode. Compressed air will first be released at the maximum temperature and then the temperature of the compressed air at the heat storage element outlet 10 will decrease as the stored enthalpy decreases.
  • the walls of the cylinder head 1 forming part 9b of the dedicated pipe 9 "comprising the heat storage element 10 may be thermally insulated.
  • the thermal insulation can be very advantageously provided by an air knife 1 1 disposed all around the heat storage element 10 between the walls of the cylinder head 1 and said heating element. 10 of heat storage. In this case, it is intended to ensure the attachment of the heat storage element 10 and the sealing with the aid of at least one retaining ring 12.
  • a single retaining ring is disposed at the end of the heat storage element 10 oriented towards the reservoir 8. This arrangement is advantageous because it is necessary to avoid overly mechanically constraining the heat storage element 10 because there will be large differential expansions between the cylinder head and the heat storage element 10 and within it itself. It is therefore preferable to maintain the heat storage element 10 by a single fixation, ideally located on the coldest side with the least expansion, that is to say on the reservoir side 8.
  • the material of the retaining ring 12 is chosen elastic enough to tolerate without degradation the differential expansions of the cylinder head 1 and the heat storage element 10 when the engine of the invention is in operation.
  • the material of the retaining ring 12 can thus be made of felt.
  • the sizing of the thermal storage is to be performed considering the amount of maximum recoverable thermal energy. That is to say, the thermal energy corresponding to a complete filling of the tank, the minimum pressure, for example about 5 bar at the maximum pressure, for example about 20 bar for a gasoline engine.
  • the thermal storage capacity of the storer is given by the product of the mass, m, of the storer and the heat capacity, Cp of the component material. As the volume available in the cylinder head is restricted, materials with high density and high heat capacity, such as metals are preferred. For additional reasons of cost and corrosion resistance, a stainless steel heat storage member is preferred.
  • Another dimensioning criterion is the developed surface offered for heat exchange in dimensioned heat storage element 10 by the volume of the storage unit designated exchange surface density or porosity. This value must be adapted according to the intensity of the heat exchange between the gases and the material of the heat storage element.
  • One way to change this density of exchange surface is to change the structure or internal organization of the storer.
  • a heat storage element 10 may be in the form of a carrier with many channels arranged in parallel, the exchange surface density is then a function of the section of the channels. Small section channels will provide a larger developed area than larger section channels of equivalent volume.
  • the storage element 10 may comprise an exchange surface density gradient.
  • the thermal diffusion in the material of the heat storage element 10 must be limited in the axial direction, that is to say in the direction of the flow of gas in the pipe 9
  • the axial thermal diffusion tends to homogenize the temperature along the length of the heat storage element 10 and to degrade the thermal gradient
  • the heat storage element 10 may comprise means for limiting the temperature Thermal diffusion We can for example:
  • an anisotropic material in thermal conduction example of composite materials based on fiber matrices.
  • a discrete material such as fibers, beads, etc. whose thermal conductivity is gradually slowed by small contact surfaces.
  • the heat storage element 10 may be a combination of the previously described variants.
  • the use of heat storage units can store separately the energy in the form of pressure from that in the form of enthalpy of the compressed gas. Thus the overall energy efficiency of the engine in use is improved.
  • the reservoir 8 is less thermally constrained since the stored air is close to ambient temperature, which makes it possible to provide a reservoir 8 made of a plastic material which also has the advantage of being inexpensive and easily conformable depending on the temperature. 'available space.

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Abstract

L'invention concerne un moteur hybride thermique pneumatique comprenant une culasse (1 ) et un cylindre, un réservoir (8) de stockage de gaz sous pression relié aux cylindres (2) par un circuit (9) de passage des gaz sous pression, le circuit (9) de passage de gaz comprenant une canalisation (9') commune reliée au réservoir (8) et une canalisation (9") dédiée reliant au travers de la culasse (1) le cylindre (2) par une soupape (5) de charge et de décharge, caractérisé en ce que la canalisation (9") dédiée comprend dans sa partie passant dans la culasse (1) un élément (10) de stockage de chaleur destiné à être traversé par les gaz sous pression.

Description

MOTEUR HYBRIDE THERMIQUE PNEUMATIQUE A ELEMENTS DE STOCKAGE
D'ENERGIE THERMIQUE
Domaine technique de l'invention
[0001] La présente invention se rapporte au domaine des moteurs hybride thermique- pneumatique 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 selon un mode dit moteur pneumatique.
[0002] L'invention concerne plus particulièrement le stockage de l'énergie thermique produite en mode moteur pneumatique.
Arrière-plan technologique
[0003] 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.
[0004] Ces contraintes nous poussent à optimiser le moteur thermique dans son fonctionnement, et ce, pour toutes ses phases de vie.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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. On a ainsi un mode de fonctionnement pneumatique dit « pompe pneumatique » dans lequel de l'air est chargé du cylindre dans le réservoir et un mode de fonctionnement pneumatique dit «moteur pneumatique» dans lequel de l'air est déchargé du réservoir dans le cylindre.
[001 1 ] Une représentation de principe d'un moteur hybride pneumatique-thermique utilisant les cylindres moteur comme moyen de compression est proposée en figure 1 .
[0012] 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 additionnelle de charge et de 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.
[0013] Comme le montre encore la figure 1 , un tel moteur hybride pneumatique- thermique comporte aussi un réservoir 8 de stockage des gaz sous pression. Ce réservoir 8 de stockage de gaz sous pression est relié aux cylindres 2 par un circuit 9 de passage de gaz, au niveau de leur soupape 5 de charge et de décharge de gaz sous pression.
[0014] Dans ce concept de moteur hybride thermique-pneumatique, l'énergie récupérée est donc stockée sous forme d'air comprimé, c'est-à-dire sous une forme combinée de pression (masse) et de température (enthalpie). Par exemple, pour une pression d'air comprimé de 20 bars, la température associée peut atteindre 450 °C. Le stockage de la pression est un stockage durable, à condition de maîtriser les fuites et de conserver la masse d'air. Le stockage de la température est plus difficile à garantir dans le temps car il suppose un calorifugeage idéal du réservoir 8 et du circuit 9.
[0015] Par ailleurs, le circuit 9 doit traverser la culasse 1 pour connecter les soupapes 5 de charge au réservoir 8. Or, classiquement la culasse 1 est refroidie par eau et est en métal, par exemple en aluminium, qui est un matériau conducteur. Les échanges thermiques entre l'air comprimé chaud et la culasse 1 vont être élevés et de l'énergie sera perdue lors du stockage et du déstockage d'air comprimé. L'efficacité globale du système va être réduite par l'ensemble des pertes thermiques de l'air comprimé et particulièrement par les pertes thermiques dans la culasse car l'énergie perdue ne pourra pas être utilisée en phase moteur pneumatique. [0016] De plus, sur véhicule, le peu d'espace disponible limite la taille du réservoir, ce qui limite la quantité d'énergie maximum stockée sous forme de pression et donc l'efficacité globale du système. L'implantation d'un tel réservoir sur véhicule pose d'autres problèmes : les fortes températures et pression d'air comprimé sont contraignantes dans le choix des matériaux, la forme et le dimensionnement du réservoir, l'isolation thermique du réservoir et des conduits du circuit est difficile à mettre en œuvre sans augmenter le coût, la masse et l'encombrement ou la complexité du système de stockage d'énergie.
[0017] Afin d'augmenter la capacité de stockage de l'énergie récupérée, on connaît du document GB2428653 un système de stockage d'énergie thermique disposé sur la conduite d'air comprimé menant au réservoir, cependant une telle disposition ne permet pas de récupérer l'énergie thermique perdue lors du passage de l'air comprimé dans la culasse.
[0018] Il existe donc un besoin pour améliorer le stockage de l'énergie en particulier sous forme thermique produite par un moteur hybride thermique pneumatique en mode pompe pneumatique.
[0019] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un moteur hybride thermique pneumatique comprenant une culasse et un cylindre, un réservoir de stockage de gaz sous pression relié aux cylindres par un circuit de passage des gaz sous pression, le circuit de passage de gaz comprenant une canalisation commune reliée au réservoir et une canalisation dédiée reliant au travers de la culasse le cylindre par une soupape de charge et de décharge, caractérisé en ce que la canalisation dédiée comprend dans sa partie passant dans la culasse un élément de stockage de chaleur destiné à être traversé par les gaz sous pression.
[0020] L'effet technique est de capter la chaleur de l'air comprimé est donc d'empêcher cette énergie d'être perdue par la culasse. On améliore ainsi la performance énergétique du système hybride thermique pneumatique.
[0021 ] Dans une variante ou le moteur comprend plusieurs cylindres et le circuit de passage de gaz comprend des canalisations dédiées reliant les cylindres par la culasse, à raison d'une canalisation par cylindres, chaque canalisation dédiée comprend un élément de stockage de chaleur.
[0022] Dans une autre variante, les parois de la culasse formant la partie de la canalisation dédiée comprenant l'élément de stockage de chaleur sont isolées thermiquement par une lame d'air tout autour de l'élément de stockage de chaleur, l'élément de stockage de chaleur étant retenu par au moins une bague de maintien. [0023] De préférence, la bague de maintien est dans un matériau apte à tolérer les dilatations différentielles de la culasse et de l'élément de stockage de chaleur lorsque le moteur est en fonctionnement.
[0024] Dans une autre variante, les parois de culasse formant la partie de la canalisation (9") dédiée comprise entre la soupape de charge et l'élément de stockage d'énergie thermique sont isolées thermiquement.
[0025] De préférence, l'isolation thermique est réalisée par une lame d'air derrière une paroi creuse. [0026] Dans une autre variante, l'élément de stockage de chaleur est en acier inoxydable.
[0027] Dans une autre variante, l'élément de stockage comprend un gradient de densité de surface d'échange. [0028] Dans une autre variante, l'élément de stockage de chaleur comprend des moyens de limitation de la diffusion thermique axiale.
[0029] Dans une autre variante, le réservoir de stockage est en plastique.
Brève description des dessins
[0030] 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 thermique- pneumatique selon l'art antérieur.
- La figure 2 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un moteur hybride thermique-pneumatique selon l'invention.
- La figure 3 une représentation schématique d'un agencement de l'élément de stockage de chaleur dans le moteur hybride thermique-pneumatique.
Description détaillée
[0031 ] La figure 2 présente un mode de réalisation d'un moteur hybride pneumatique- thermique conforme à l'invention. Dans ce premier mode de réalisation, le moteur hybride pneumatique-thermique comporte un bloc moteur comprenant une culasse 1 et des cylindre 2, en l'occurrence quatre dans l'exemple illustré en figure 3. Chaque cylindre 2 accueille un piston (non représenté), définissant chacun avec la culasse 1 une chambre de combustion. [0032] 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. [0033] Les soupapes d'admission 3 et d'échappement 4 coopèrent avec un dispositif de distribution, par exemple un dispositif de distribution 20 par arbres à cames tel que représenté en figure 3, 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, par exemple un dispositif de distribution 21 mécanique (mécanique pur, hydraulique, pneumatique), électrique, magnétique ou employer la combinaison d'au moins deux dispositifs précités (figure 3), 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.
[0034] 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.
[0035] Le moteur comporte aussi un réservoir 8 de stockage de gaz sous pression. Le réservoir 8 est relié aux cylindres 2, par l'intermédiaire d'un circuit 9 de passage de gaz sous pression. Le circuit 9 de passage de gaz sous pression est relié aux chambres de combustion au niveau de leur soupape de charge et de décharge 5. [0036] Le circuit 9 de passage de gaz comprend une canalisation 9' commune reliée au réservoir 8 et des canalisations 9" dédiées reliées aux cylindres 2, à raison d'une canalisation 9" dédiée par cylindre 2.
[0037] Afin d'améliorer la capacité et du stockage d'énergie sans augmenter le volume fonctionnel du réservoir 8, il est prévu, conformément à l'invention, de disposer dans la partie de la canalisation 9" dédiée passant dans la culasse 1 un élément 10 de stockage d'énergie thermique destiné à être traversé par les gaz sous pression.
[0038] De façon à maximiser la quantité d'énergie thermique récupérée, stockée, puis restituée, il est préférable de disposer l'élément 10 de stockage d'énergie thermique au plus près de la soupape 5 de charge et de décharge, ainsi on minimise les transferts thermique de l'air comprimé lors d'une phase de fonctionnement en mode pompe pneumatique ou en mode moteur pneumatique entre la soupape 5 de charge et décharge. Aussi, dans le cas où, comme illustré en figure 2, le moteur hybride thermique pneumatique comprend plusieurs cylindres 2, le circuit 9 de passage de gaz comprenant des canalisations 9" dédiées reliant les cylindres 2 par la culasse 1 , à raison d'une canalisation 9" dédiée par cylindres, il est prévu de disposer dans chaque canalisation 9' dédiée un élément 10 de stockage d'énergie thermique.
[0039] Afin de réduire les pertes thermiques, les parois de la culasse 1 formant la partie 9a de la canalisation 9" dédiée comprise entre la soupape 5 de charge et l'élément 10 de stockage d'énergie thermique peuvent être isolées thermiquement. L'isolant peut être formé d'un matériau isolant ou peut être une lame d'air derrière une paroi creuse.
[0040] Les éléments 10 de stockage de chaleur fonctionnent comme des accumulateurs d'énergie thermique en utilisant la chaleur sensible d'un ou plusieurs matériaux. L'énergie est captée, durant les phases de pompe pneumatique pendant lesquelles est généré un débit d'air comprimé du cylindre 2 vers le réservoir 8, au sein du stockeur 10 thermique pour être restituée lors de phases de moteur pneumatique pendant lesquelles est généré un débit d'air comprimé du réservoir 8 vers le cylindre 2.
[0041 ] Lors d'une phase pompe pneumatique, l'air comprimé chaud et sous pression va traverser l'élément 10 de stockage de chaleur. Si, par exemple, le stockeur thermique a une température initiale proche de la température ambiante, l'air chaud va échanger de l'enthalpie avec l'élément 10 de stockage. Au fur et à mesure que l'air comprimé traverse avec l'élément 10 de stockage de chaleur, cet air va lui céder de l'enthalpie. Cet air sortira de l'élément 10 de stockage de chaleur à la température ambiante côté réservoir en ayant cédé une partie de son énergie. Si le flux d'air comprimé continue à traverser l'élément 10 de stockage de chaleur durant plusieurs secondes, un gradient de température va se créer dans le matériau de l'élément 10. Ce gradient va progresser dans tant que le sens du flux d'air comprimé va des cylindres 2 vers le réservoir 8 (phase pompe pneumatique).
[0042] Une fois la phase pompe pneumatique terminée, un gradient de température est installé dans le stockeur thermique. Lors de la phase moteur pneumatique suivante, l'air comprimé à température ambiante stocké dans le réservoir 8 va traverser l'élément 10 de stockage de chaleur en sens inverse (i.e. du réservoir 8 vers les cylindres 2) et va se « charger » en enthalpie suivant un processus inverse à celui décrit pour le mode pompe pneumatique. L'air comprimé sortira, tout d'abord, à la température maximum, puis, la température de l'air comprimé en sortie d'élément 10 de stockage de chaleur va décroître au fur et à mesure que l'enthalpie stockée diminue.
[0043] Afin de réduire encore les pertes thermiques, les parois de la culasse 1 formant la partie 9b de la canalisation 9" dédiée comprenant l'élément 10 de stockage de chaleur peuvent être isolées thermiquement. L'isolation thermique peut être assurée par d'un matériau isolant, disposé tout autour de l'élément 10 de stockage de chaleur, entre l'élément 10 de stockage de chaleur et les parois de la culasse 1 . Dans ce cas, le matériau isolant, de par sa solidité, assure aussi le maintien de l'élément 10 de stockage de chaleur dans sa canalisation 9".
[0044] Comme illustré sur la figure 3, L'isolation thermique peut être très avantageusement assurée par une lame d'air 1 1 disposée tout autour de l'élément 10 de stockage de chaleur entre les parois de la culasse 1 et ledit élément de 10 de stockage de chaleur. Dans ce cas, il est prévu d'assurer la fixation de l'élément 10 de stockage de chaleur et l'étanchéité à l'aide d'au moins une bague 12 de maintien. Sur la figure 5, une seule bague de maintien est disposée à l'extrémité l'élément 10 de stockage de chaleur orientée du côté du réservoir 8 . Cet agencement est avantageux car il faut éviter de trop contraindre mécaniquement l'élément 10 de stockage de chaleur car il va y avoir de forte dilatations différentielles entre la culasse et l'élément 10 de stockage de chaleur et au sein même de celui-ci. Il est donc préférable de maintenir l'élément 10 de stockage de chaleur par une seule fixation, idéalement située du côté le plus froid avec le moins de dilatation, c'est-à-dire côté réservoir 8.
[0045] Le matériau de la bague 12 de maintien est choisi assez élastique pour tolérer sans dégradation les dilatations différentielles de la culasse 1 et de l'élément 10 de stockage de chaleur lorsque le moteur de l'invention est en fonctionnement. Le matériau de la bague 12 de maintien peut ainsi être en feutre.
[0046] Le dimensionnement du stockeur thermique est à réaliser en considérant la quantité d'énergie thermique maximum récupérable. C'est-à-dire, l'énergie thermique correspondant à un remplissage complet du réservoir, de la pression minimum, par exemple environ 5 bars à la pression maximum, par exemple environ 20 bar pour un moteur thermique essence. La capacité de stockage thermique du stockeur est donnée par le produit de la masse, m, du stockeur et de la capacité calorifique, Cp du matériau le composant. Le volume disponible dans la culasse étant restreint, les matériaux à forte densité et à forte capacité calorifique, tels que les métaux sont à privilégier. Pour des raisons supplémentaires de coût et de tenue à la corrosion, un élément 10 de stockage de chaleur en acier inoxydable est préféré. [0047] Un autre critère de dimensionnement est la surface développée offerte aux échanges thermiques dans élément 10 de stockage de chaleur adimensionnée par le volume du stockeur désigné densité de surface d'échange ou porosité. Cette valeur doit être adaptée en fonction de l'intensité des échanges thermiques entre les gaz et la matière de l'élément 10 de stockage de chaleur. Une façon de modifier cette densité de surface d'échange est de modifier la structure ou l'organisation interne du stockeur. Par exemple, un élément 10 de stockage de chaleur peut se présenter sous la forme d'un support avec de nombreux canaux disposés en parallèle, la densité de surface d'échange est alors fonction de la section des canaux. Des canaux de faible section offriront une surface développée plus importante que des canaux de plus forte section à volume équivalent. Ainsi l'élément 10 de stockage peut comprendre un gradient de densité de surface d'échange. Il faut toutefois faire un compromis entre surface d'échange et pertes de charge des gaz lors du passage dans le stockeur thermique. Lorsque les gaz sont chauds, leur densité est faible et leur vitesse sera élevée dans le stockeur. Il est donc préférable de ne pas faire de trop grande restriction de section en adoptant une faible densité de surface d'échange. Au fur et à mesure que les gaz refroidissent, ils vont gagner en densité, perdre en vitesse dans le stockeur et nous pouvons tolérer une augmentation de densité de surface d'échange sans le payer en perte de charge.
[0048] Pour être efficace, la diffusion thermique dans le matériau de l'élément 10 de stockage de chaleur doit être limitée dans le sens axial, c'est-à-dire dans le sens de l'écoulement de gaz dans la canalisation 9" dédiée. En effet, la diffusion thermique axiale tend à homogénéiser la température suivant la longueur de l'élément 10 de stockage de chaleur et dégrader le gradient thermique. Ainsi, l'élément 10 de stockage de chaleur peut comprendre des moyens de limitation de la diffusion thermique. Nous pouvons par exemple :
Utiliser une suite d'élément 10 de stockage de chaleur séparés par une lame d'air pour casser la conduction thermique.
Utiliser un matériau anisotrope en conduction thermique : exemple des matériaux composites à base de matrices en fibres. - Utiliser un matériau discret de type fibres, billes, etc. dont la conductivité thermique de proche en proche est ralentie par de faibles surfaces de contact.
Utiliser un matériau avec une faible conductivité thermique.
[0049] Nous pouvons aussi utiliser un matériau qui change de capacité calorifique avec la température : une faible capacité calorifique à faible température et une forte capacité calorifique à forte température. Ainsi, le matériau va rapidement monter en température car la capacité calorifique est faible et va pouvoir stocker une quantité importante d'énergie à forte température. [0050] L'élément 10 de stockage de chaleur peut être une combinaison des variantes précédemment décrites.
[0051 ] L'utilisation de stockeurs de chaleur permet de stocker séparément l'énergie sous forme de pression de celle sous forme d'enthalpie du gaz comprimé. Ainsi le rendement énergétique global du moteur en utilisation est amélioré.
[0052] L'autre partie de l'énergie sera contenu dans la masse d'air comprimé refroidie, donc avec une densité accrue. Par ailleurs le réservoir 8 est moins contraint thermiquement puisque l'air stocké est proche de la température ambiante, ce qui permet de prévoir un réservoir 8 en un matériau plastique qui aussi l'avantage d'être peu coûteux et facilement conformable en fonction de l'espace disponible.

Claims

REVENDICATIONS
1. Moteur hybride thermique pneumatique comprenant une culasse (1 ) et un cylindre (2), un réservoir (8) de stockage de gaz sous pression relié aux cylindres (2) par un circuit (9) de passage des gaz sous pression, le circuit (9) de passage de gaz comprenant une canalisation (9') commune reliée au réservoir (8) et une canalisation (9") dédiée reliant au travers de la culasse (1 ) le cylindre (2) par une soupape (5) de charge et de décharge, caractérisé en ce que la canalisation (9") dédiée comprend dans sa partie passant dans la culasse (1 ) un élément (10) de stockage de chaleur destiné à être traversé par les gaz sous pression.
2. Moteur hybride thermique pneumatique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le moteur comprenant plusieurs cylindres (2) et le circuit (9) de passage de gaz comprenant des canalisations (9") dédiées reliant les cylindres (2) par la culasse (1 ), à raison d'une canalisation par cylindres, chaque canalisation (9') dédiée comprend un élément (10) de stockage de chaleur.
3. Moteur hybride thermique pneumatique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les parois de la culasse (1 ) formant la partie (9b) de la canalisation (9") dédiée comprenant l'élément (10) de stockage de chaleur sont isolées thermiquement par une lame d'air (1 1 ) tout autour de l'élément (10) de stockage de chaleur, l'élément (10) de stockage de chaleur étant retenu par au moins une bague (12) de maintien.
4. Moteur hybride thermique pneumatique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bague (12) de maintien est dans un matériau apte à tolérer les dilatations différentielles de la culasse (1 ) et de l'élément (10) de stockage de chaleur lorsque le moteur est en fonctionnement.
5. Moteur hybride thermique pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois de culasse (1 ) formant la partie (9a) de la canalisation (9") dédiée comprise entre la soupape (5) de charge et l'élément (10) de stockage d'énergie thermique sont isolés thermiquement.
6. Moteur hybride thermique pneumatique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'isolation thermique est réalisée par une lame d'air derrière une paroi creuse.
7. Moteur hybride thermique pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément (10) de stockage de chaleur est en acier inoxydable.
8. Moteur hybride thermique pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément (10) de stockage comprend un gradient de densité de surface d'échange.
9. Moteur hybride thermique pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément (10) de stockage de chaleur comprend des moyens de limitation de la diffusion thermique axiale.
10. Moteur hybride thermique pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir (8) de stockage est en plastique.
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