Hybridation pneumatique

Basbous (2013) raffine les travaux d’Ibrahim (2010) qui sont, eux-mêmes, en partie appuyés sur son propre mémoire (Basbous, 2009) qui détaille le modèle d’un hybride pneumatique diesel. Ces efforts de recherche portent sur l’identification d’une configuration optimale pour la restitution de l’énergie stockée en injectant directement l’air comprimé dans le moteur. L’idée est reprise, tout récemment, par Liet al.(2016) qui y incorporent un système de récupération de chaleur. L’hypothèse avancée est qu’il existe deux voies de production du couple dans le moteur diesel, soit : la voie du carburant et la voie pneumatique. Les modèles présentés sont appuyés sur une vérification expérimentale avec une génératrice hybridée de 5kW (Ibrahim, 2010) ainsi que des simulations récentes à l’échelle de 50kW (Liet al., 2016).

Des travaux dans le domaine de l’automobile décrivent aussi l’hybridation pneumatique des machines à combustion interne. Notamment, Dönitzet al.(2009a) étudient le fonctionnement d’un moteur possédant six modes d’opération, dont un mode de compresseur à air ainsi qu’un mode entièrement pneumatique. Des travaux antérieurs avaient aussi démontré l’augmentation d’efficacité liée à la suralimentation pneumatique (Dönitz et al., 2009a). Des réductions de consommation de 32 % (Dönitzet al., 2009a) et 34 % (Higelinet al., 2002) sont rapportées dans des simulations avec des cycles variés. L’hybridation pneumatique des moteurs à combustion interne est donc envisagée par d’autres équipes et constitue un domaine d’étude actif en soi.

1.4.4.1 Modifications à la culasse

Basbous (2013) note que les travaux de Dönitz et al. (2009a), de Dönitzet al. (2009b) et de Higelinet al.(2002) font en général appel à des modifications substantielles de la culasse des moteurs par l’ajout d’une soupape dédiée à la suralimentation par de l’air comprimé. Ces

mo-difications compliquent la conception et mènent à des restrictions importantes sur le plan des débits des gaz ou encore limitent le rapport volumétrique du moteur (Dönitzet al., 2009b). De plus, Basbous (2013) remarque que les travaux ne traitent pas du cas d’un moteur à allumage par compression. En effet, le fonctionnement hybridé comporte, dans ce cas, un défi supplé-mentaire lié à la gestion du très sensible délai d’auto-inflammation pour les moteurs diesel (Basbous, 2013; Lakshminarayanan et Aghav, 2010).

Kang et al. (2008) proposent un concept différent, le Air Power Assist (APA), qui consiste à souffler l’air comprimé à l’entrée de la turbine du turbocompresseur. Malheureusement, ce concept requiert un entraînement hydraulique des soupapes avec une séquence d’opération très éloignée de ce qu’il est possible de mettre en oeuvre avec un moteur diesel traditionnel.

Dans la même lignée que le APA, une série de simulations visant l’optimisation du calage des soupapes en mode pneumatique démontrent des efficacités de restitution qui atteignent 48 % dans des cycles automobiles avec freinage regénératif (Trajkovicet al., 2010, 2009, 2007).

On remarque, au final, que les travaux portant sur des moteurs hybrides pneumatiques sont clairement partagés en deux catégories :

• avec modificationà la culasse du moteur, notamment par l’ajout de soupapes, par le recours au séquençage variable des soupapes ou encore par la modification importante de la séquence et la durée de leur mouvement (Trajkovicet al., 2010; Dönitz et al., 2009a,b; Kang et al., 2008; Trajkovicet al., 2009, 2007; Higelinet al., 2002) ;

• sans modificationparticulière au moteur (Li et al., 2016; Basbous, 2013, 2009; Ibrahim, 2010).

La relative petitesse du marché que représente l’approvisionnement des sites isolés ne permet probablement pas la rentabilisation de la production de générateurs diesel dont l’architecture est grandement modifiée. Pour cette raison, l’idée de proposer un système hybride fonctionnant sans modification spécifique à la culasse du moteur revêt un intérêt notable et est favorisée dans ce mémoire face aux autres approches jugées plus complexes et plus coûteuses.

1.4.4.2 Modèles du moteur hybride pneumatique diesel

Comme mentionné, la spécificité de l’hybridation pneumatique passe par la reconnaissance d’une voie de production supplémentaire de couple dans le moteur diesel. Dans le cas où la culasse du moteur demeure non modifiée, le mécanisme qui serait en jeu s’articulerait autour de l’augmentation de l’efficacité indiquée du moteur par l’ajout d’air comprimé directement dans l’admission (Li et al., 2016; Ibrahim, 2010; Basbous, 2009) selon les travaux fondateurs de Younes (1993), eux mêmes basés sur une interprétation de Ferencet al.(1987). Ces chercheurs considèrent que la puissanceP_mot du moteur diesel s’exprime comme étant :

P_mot=PCI·q_φ·ηi (1.2)

avec le pouvoir calorifique inférieur du carburant PCI et le débit de carburant q_φ. L’effica-cité indiquée du moteur,ηi, serait elle-même tirée d’une expression quadratique du ratio air-carburant,λ, selon Younes (1993) :

ηi=a_λ+b_λ ·λ+c_λ·λ² (1.3)

avec les paramètres a_λ, b_λ et c_λ choisis pour obtenir une courbe en cloche inversée avec un maximum correspondant au ratio air-carburant stoechiométrique. Cette approche permet de lier la quantité d’air admis dans le moteur à l’efficacité de la combustion. Elle est reprise, directement ou sous une forme légèrement modifiée, dans de nombreuses publications, autant dans le domaine spécifique de l’hybridation éolien diesel (Liet al., 2016; Higelinet al., 2002;

Schechter, 2000; Basbous, 2009; Ibrahimet al., 2011b) que dans des travaux variés portant sur la commande de moteur (Wanget al., 2014; Outbibet al., 2006).

Les limites de ce type de modèle sont pourtant énoncées par Basbous (2009) ainsi que par Ibra-him (2010) qui suggèrent de pousser l’étude de la thermodynamique de l’hybridation pneuma-tique des moteurs en détaillant l’écoulement dans la culasse et autour des soupapes, les

trans-ferts de chaleur vers les parois du moteur ainsi que les diverses pertes par friction dans les éléments mécaniques du moteur soumis à la pression supplémentaire.

Basbous (2013) reprend cette analyse, cette fois avec une approche beaucoup plus détaillée, mais concentre plutôt ses efforts sur l’identification de la limite maximale des performances du système. Il laisse alors tomber l’étude détaillée des frictions dans le moteur, ce qui aurait pourtant pu être fait avec des modèles connus (Guzzella et Onder, 2009; Rakopoulos et al., 2009; Ferguson et Kirkpatrick, 2000).

Fait étonnant, un article de 2011 co-écrit par Younes (Omran et al., 2011) offre un modèle révisé permettant de modéliser le comportement d’un moteur diesel en prédisant la pression moyenne effective indiquée (PME_ind). Ce modèle numérique, validé expérimentalement, ne fait pas intervenir le ratio air-carburant et se distingue donc clairement des approches anté-rieures favorisées par ce chercheur (Younes, 1993) depuis les idées de Ferencet al.(1987).

Il apparaît donc nécessaire de distinguer le travail fait dans ce mémoire en proposant un modèle du SHEDAC qui tient compte de la thermodynamique du moteur en reprenant les éléments dé-taillés introduits par Basbous (2013) mais qui inclurait aussi un éventail des sources de friction et des autres pertes dans le moteur au sens des travaux de Rakopoulos et al.(2009), de Guz-zella et Onder (2009), de Ferguson et Kirkpatrick (2000), de Heywood (1988) et de Woschni (1967). Ceci consoliderait les liens entre les approches du domaine de l’hybridation éolien diesel avec celles, plus traditionnelles, des moteurs à combustion interne.