MAGS

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Alternateur-générateur varié

Brevet américain no 6,470,680
Date de publication: le 29 octobre 2002.

Abrégé

L’invention concerne un alternateur-générateur doté d’une turbine se situant proche d’un écoulement de gaz d’échappement dans un moteur à combustion interne. Lesdits gaz d’échappement excitent la turbine, produisant la rotation de l’arbre de sortie. Ledit arbre de sortie est connecté à un rotor ce qui est relié à un générateur de telle manière à causer le rendement de puissance électrique par les mouvements de rotation de la turbine et de l’arbre de sortie. L’alternateur-générateur varié peut s’employer à combinaison avec des actuateurs de valves électro-magnétiques et d’un flywheel (un alternateur) / un démarreur. Un processeur peut être utlisé à optimiser la performance de l’alternateur-générateur varié, aussi que celle des autres composants du système.

Revendications

1. Un alternateur destiné à un moteur à combustion interne, comprenant: une turbine située proche du système d’échappement varié du moteur; l’entraînement opérationnel du rotor à l’arbre de sortie, et l’entraînement opérationnel du générateur au rotor, en quoi l’écoulement des gaz d’échappement à travers le système d’échappement varié excitant la turbine produit des mouvements de rotation de l’arbre de sortie et du rotor, de telle sorte à générer de la puissance électrique, laquelle se dirige vers une batterie aussi que vers des systèmes auxiliaries (automobiles), et en quoi le rendement de l’alternateur est réglementé à l’aide des actuateurs de valves électro-magnétiques à régler la coordination de la valve d’échappement.
2. Alternateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine est substantiellement interposée à l’écoulement des gaz d’échappement à travers le système d’échappement varié.
3. Alternateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l’arbre de sortie et le rotor constituent un corps unitaire.
4. Alternateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit alternateur est opérationnellement intégré au flywheel / démarreur à constituer une unité conçue à rendre davantage de puissance mécanique.
5. Alternateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit alternateur fonctionne à vitesses de 20,000 à 30,000 révolutions par minute.
6. Un système conçu à optimiser le fonctionnement d’un moteur à combustion interne comprenant: un alternateur-générateur varié se constituant d’une turbine auprès d’un système d’échappement varié du moteur, un arbre de sortie lié opérationnellement à la turbine, un rotor opérationnellement connecté à l’arbre de sortie, aussi qu’un générateur opérationnellement intégré au rotor, en quoi l’écoulement des gaz d’échappement passant à travers le système d’échappement varié excite la turbine, produisant des mouvements de rotation de l’ar de sortie et du rotor de manière à générer de la puissance électrique; des actuateurs de valves électro-magnétiques opérationnellement integers à l’alternateur-générateur varié, et un processeur opérationnellement intégré aux actuateurs de valves électro-magnétiques et à l’alternateur-générateur varié, en quoi ledit processeur est adapté à moduler selectivement la génération des gaz d’échappement dans le moteur par la coordination de la valve.
7. Système suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la modulation est substantiellement instantanée.
8. Système suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le processeur optimise la performance du moteur tournant au ralenti.
9. Système suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le processeur optimise la performance du moteur en accélérant.
10. Système suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le processeur optimise la performance du moteur en décélérant.
11. Système suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit système peut être programmé à maintenir un profil de vitesse relativement constant.
12. Le système suivant la revendication 6, en ce que l’efficacité thermodynamique du moteur varie entre 1.8 et 2.6.
13. Un alternateur adapté à un moteur à combustion interne comprenant: une turbine positionnée auprès d’un système d’échappement varié, un dispositif à générer de la puissance électrique, aussi qu’un dispositif permettant une connection opérationnelle entre la turbine et ledit dispositif à générer de la puissance électrique, parmi lequel un écoulement de gaz d’échappement à travers le système d’échappement varié excite la turbine, produisant des mouvements de rotation, lesquels excitent le dispositif à générer de la puissance électrique, de manière que ladite puissance électrique est distribuée à une batterie et à des systèmes auxiliaries, en quoi l’alternateur n’est pas connexe à un arbre de sortie du moteur à combustion interne, et en quoi le rendement provenant du dispositif à générer de la puissance électrique peut se réglementer de façon à régler la coordination de la valve.
14. Un système projeté à optimiser la performance du moteur à combustion interne comprenant: un alternateur-générateur varié comportant une turbine située auprès d’un système d’échappement varié, un arbre de sortie fonctionnellement lié à une turbine, un rotor fonctionnellement lié à un arbre de sortie, et un générateur opérationnellement connecté au rotor, en quoi les gaz d’échappement s’écoulant à travers le système d’échappement varié excitent la turbine, et produisent des mouvements de rotation de l’arbre de sortie aussi que du rotor, rendant de la puissance électrique; un dispositif relatif aux valves électro-magnétiques, et un disposif à contrôler l’alternateur-générateur varié et les valves électro-magnétiques, en quoi le dispositif de contrôle est adapté à activer sélectivement le dispositif fonctionnant de valve électro-magnétique afin de moduler la génération des gaz d’échappement.
15. Système suivant la revendication 6, comprenant un chiller adapté à refroidir les gaz d’échappement de manière à augmenter le flux de masse des gaz d’échappement.
16. Système suivant la revendication 14, en ce que le dispositif adapté au refroidissement des gaz d’échappement de façon à augmenter le flux de masse des gaz d’échappement.

Description

DESCRIPTION DE L’ART ANTÉRIEUR

1. Descriptif technique de l’invention

La présente invention a trait à un alternateur relatif à un moteur à combustion interne. L’invention vise plus spécifiquement un alternateur générant de la puissance électrique à l’aide des gaz d’échappement dans le système d’échappement varié d’un moteur à combustion interne.

2. L’art antérieur

Les alternateurs conventionnels adaptés aux moteurs à combustion interne sont connu dans le domaine de la présente invention. Dans le cas d’un moteur à combustion interne, l’alternateur a pour fonctionne le chargement d’une batterie, de façon à ce que ladite batterie puisse alimenter les systèmes auxiliaries de l’automobile de la puissance électrique. En général, les alternateurs conventionnels sont entraînés par le vilebrequin dans le moteur. L’alternateur se relie conventionnellement au vilebrequin à ceinture élastique ou à l’aide d’actionnement par chaîne.

À cause d’être entraîné par l’assemblage du vilebrequin, la puissance totale disponible à la transmission du moteur est réduite. L’alternateur à ceinture ou à actionnement par chaîne crée une traînée capable de restreindre la performance du moteur. De plus, l’inertie relative à l’alternateur se relie divestment au vilebrequin, et peut avoir un effet négatif. Les pertes induites par l’alternateur peuvent être augmentées par de très hautes vitesses.

En outre, d’autres pertes s’induisent à travers des systèmes auxiliaries connexes au vilebrequin, par exemple la climatisation, le système de direction assitée et/ou le ventileur du moteur. Ces pertes-ci sont cumulatives et effectuent une diminution du fonctionnement du moteur.

Dans l’industrie, on a dévéloppé des solutions posées antérieurement relatives aux alternateurs et des systèmes d’auxiliaires. À cet égard-ci, une des premières tentatives proposées était celle du turbochargeur. Le turbochargeur fonctionne à hautes vitesses (par exemple, à 100,000 révolutions par minute (“rpm”), fournissant une haute pression à augmenter la performance du moteur.

On a récemment projeté un système de flywheel / démarreur, vendu sous la marque FAS, appartenant à Aura Systems, Inc., à remplacer le démarreur aussi que l’alternateur opérant dans un moteur à combustion interne. Le système alternateur/démarreur a été conçu à fournir un rendement augmenté de puissance électrique lorsque le moteur fonctionne à basses vitesses. Le système alternateur/démarreur est plus petit qu’un alternateur conventional, à inertie réduite. Le système alternateur / démarreur est actionné par le vilebrequin du moteur. Une application tentative du système alternateur / démarreur se base sur le démarrage instantané / la cessation instantanée en train d’être recherché par les fabricants d’automobiles.

De plus, un système d’actuateur de valves électro-magnétiques a été projeté et se vend sous la marque EVA, appartenant à Aura Systems, Inc. Le système d’actuateur de valves électro-magnétique a été conçu en vue d’augmenter l’éfficacité du moteur et de réduire les émissions par l’élimition du dispositif de commande et soupapes conventionnel dans un moteur à combustion interne. Le système d’actuateur de valves électro-magnétiques commande la distribution à lévée à l’aide de deux électro-aimants unclenching la valve en position ouverte ou fermée. Le système d’actuateur de valves électro-magnétiques peut fonctionner avec des carburants variés relatif aux moteur d’automobiles, et peut optimiser la performance du moteur en augmentant l’éfficacité operationnelle des valves, et en fournissant un flux perpétuel et adaptif de carburant et d’air.

D’autres modèles d’automobiles hybrides sont en train de se dévélopper. À titre d’exemple, il y a l’automobile alimenté de piles à combustion à l’hydrogène. Ces piles à combustible fournissent l’énergie à alimenter la transmission à travers des réactions chimiques. Il faut donc y avoir plus de recherche stimulant les dévéloppements de la technologie des piles à combustion, à cause de leur coût, leur inefficacité, et du besoin de les refroidir à très basses températures à fonctionner optimalement. D’autres hybrides, incluant ceux d’automobiles électriques, sont encore en train de se dévélopper.

L’exigence existe donc d’optimiser la performance des moteurs à combustion interne existants en réduisant les effets négaftifs créés par les constituents liés au vilebrequin. De plus, il faut aussi intégrer la technologie émergente à un système qui optimise la performance du moteur, qui augmente l’efficacité l’usage des carburants, et qui améliore les technologies de contrôle des emissions.

SOMMAIRE DE L’INVENTION

D’un côté, l’invention renvoit un alternateur destiné à un moteur à combustion interne, comprenant une turbine, un arbre de sortie, un rotor, et un générateur. L’écoulement des gaz d’échappement alimente la turbine à travers un système d’échappement varié de telle manière à suciter des mouvements rotatifs à l’arbre de sortie aussi qu’au rotor. La rotation du rotor dans le générateur crée de la puissance électrique.

De l’autre côté, l’invention concerne un système adapté à l’optimisation de la performance du moteur à combustion interne, comprenant un alternateur-générateur varié, des actuators de valves électro-magnétiques et un processeur. Le système assure la modulation des gaz d’échappement de manière à rendre l’optimisation de la performance du moteur, aux opérations normales aussi qu’à celles telles qu’au ralenti, à l’accéleration et au décélération. De plus, l’invention a pour but l’optimisation de l’efficacité thermodynamique du moteur.

Les autres aspects et avantages de cette invention seront apparent de la description suivante ainsi que des revendications annexes.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

La Figure 1 démontre un diagramme d’une concrétisation de l’invention.

La Figure 2 est une vue schématique d’une concrétisation de l’invention.

La Figure 3 est un exemple de la performance simulée d’un moteur à combustion interne à combinaison avec un alternateur-générateur varié.

La Figure 4 démontre la performance simulée d’un moteur à combustion interne à combinaison avec un alternateur-générateur varié.

La Figure 4 est un exemple de la performance simulée d’un moteur à combustion interne à combinaison avec un alternateur-générateur varié.

La Figure 6 est une vue schématique d’une concrétisation de l’invention démontrant l’intégration de l’alternateur-générateur varié à un système.

DESCRIPTION DÉTAILÉE

Les concrétisation de l’invention sont exposées aux Figures 1 à 6. La discussion de l’alternateur-générateur varié se base sur l’intégration du système au moteur de l’automobile. Cependant on a inclu cet exemple afin d’éclaircissement descriptif de l’invention, il faut noter que l’intention n’est pas celle de limiter le domaine de l’application de cette invention. L’alternateur-générateur peut s’incorporer au moteur à combustion interne.

Une concrétisation de l’invention est représentée dans la Figure 1, et renvoit un alternateur-générateur varié (Manifold Alternator Generator -“MAG”) 8 avec une turbine 14. Le MAG 8 est opératiionnellement connexe à un système d’échappement varié 10 au-dessu d’un moteur à combustion interne 11. Les déchets gazeux de la combustion dans la chambre du piston (aucun dessin) et l’addition des gaz d’échappement qui se produit par l’augmentation contrôlée du moteur à combustion interne 11 rendent un écoulement d’échappement 12 ce qui alimente la turbine 14 et qui peut s’interposer dans l’écoulement 12.

Une autre concrétisation de l’invention est représetntée dans la Figure 2 et illustre l’interaction des elements du MAG 8. L’écoulement d’échappement 12 alimente la turbine 14, qui produit ultérieurement les mouvements rotatifs de l’arbre de sortie 16. La concrétisation de la Figure 2 repré l’arbre de sortie 16 connecté à un rotor 18 avec un dispositif de couplage 20. Les dispositif de couplage sont connus dans ce domaine et le fait d’inclure cet élément à la concrétisation dans la Figure 2 n’a pas pour but de restreindre l’application de la présente invention. À titre d’exemple, le dispositif de couplage 20 est un couplage flexible qui répare le désalignement entre l’arbre de sortie 16 et le rotor 18.

La rotation de l’arbre 16 est traduite au rotor 18 à travers le dispositif de couplage 20. Le rotor 18 se tourne dans le générateur 22 afin de produire de la puissance électrique. La puissance électrique se distribue aux systèmes auxiliaries à travers des conduits électriques 24. La puissance électrique est généralement menée à une batterie (aucun dessin) ce qui distribue l’électricité à divers constituents (p.ex. les phares de l’automobile, etc.). Le MAG 8, étant utilisé de telle façon, pourvoit la puissance aux systèmes auxiliaries (p.ex. la climatisation, les systèmes de direction assistée, etc.) sans que l’énergie soit directement captée du vilebrequin. Le résusltat est l’efficacité augmentée ainsi qu’une augmentation à l’égard de la puissance disponible à la transmission (aucun dessin) connectée au moteur 11.

L’interposition de la turbine 14 à l’écoulement d’échappement 12 retient de l’énergie présente aux déchets gazeux en tant que des sous-produits de la combustion du moteur. L’usage efficace de la puissance de l’échappement renvoit la retention de deux constituants de l’énergie: un élément de déchet “libre”, et un élément provenant du vilebrequin. Le constituant libre est disponible sans que la puissance totale disponible au vilebrequin soit réduite, et se produit par l’énergie cinétique intrinsèque provenant des gaz d’échappement. Le constituant relatif au vilebrequin renvoit l’énergie de combustion extraite du système du moteur à l’aide de la commande adaptive des valves, ce qui rend une perte de puissance à la transmission du moteur. Cependant la perte de puissance provenant de la retention de l’élément du vilebrequin est essentiellement moins que la perte de puissance dérivée des alternateurs conventionnels entraînés à l’aide d’un vilebrequin. Dans une concré de la présente invention, l’application de l’énergie dérivée des déchets gazeux d’échappement rend une réduction de 60% de la perte de puissance comparée à la perte de puissance des alternateurs conventionnels entraînés à l’aide d’un vilebrequin (p. ex. la climatisation).

La réduction de la perte de puissance de l’alternateur de la présente invention comparée à un alternateur conventional est apparante lors qu’on calcule l’efficacité thermodynamique du moteur à combustion interne. La modélisation a été réalisée en utilisant les équations d’état adaptées à un moteur à combusion interne et qui soit d’ailleurs un moteur à aspiration atmosphérique, quatre temps, et à allumage par étincelles, comme exposé par S.L. Soo, Engineering Thermodynamics (Prentice Hall 1958). L’approximation cinétique MAG/ travail d’une force turbo/ la perte peuvent être induits du gaz parfait comme: ##EQU1##

Où W6 = le rendement brut de l’alternateur-générateur, R = la constante des gaz, T5 = température variée (degrés K), k = la constante polytrophique de l’air (C.sub.p./C.sub.v.), p6 = la pression variée et dp = incréments d’extraction (“blow-down”).

Une modélisation destinée au moteur à combustion interne se base sur l’Équation 1. La modélisation ainsi qu’un corollaire de computation se représentent dans les Figures 3 à 5. Remarquez que les calculs utilisés à produire les Figures 3 à 5 excluent l’élément de déchet libre dû à la capacité d’énergie cinétique intrinsèque des gaz d’échappement. Les termes suivants facilitent l’interprétation de l’information dans les Figures 3 à 5: q = la chaleur de combustion (BTU); Rv = taux de compression volumétrique; Nb = l’efficacité de combustion; Nm = l’efficacité mécanique; Bb = le cycle factoriel; Bc = perte de refroidissement; pl = pression ambiante / livres par pouce carré (psi); T1 = température ambiantale à degrés K; dp6’ = gradient d’extraction; P6’ = pression variée induite; w1 = rendement brut de travail par livre d’air; w2 = rendement négatif du travail de la boucle par livre d’air; w1’ = rendement brut de travail (au cycle standard à quatre temps; dw2’ = rendement négatif du travail de la boucle induit par MAG (efficacité MAG); capCC = capacité du moteur au cm.sup.3; alt.ft. = altitude aux pieds; Rpm = rotation du moteur par minute; ccft3 = rapport conversion; v.il.ft3 = volume spécifique de l’air; m/lb/h = rapport flux de la masse de l’air; W1 = rendement du moteur à kW; w2’ = W2’ = rendement négatif du travail de la boucle induite par MAG à kW; W1’ = rendement brut du moteur à kW; DW2’ = rapport travail négatif de la boucle; Wcom = consommation/demande de travail de turbo; WRF = consommation /demande de travail réfrigérateur; et Compx = prérefroidissement v. l’efficacité turbo.

Suivant la Figure 3, ayant des gains aux incréments de pression de 2.0 psi (p.ex. sur une base d’environ 1.7 psi à 2.0 psi plus que la pression ambiantale), on peut extraire un total de 1.9 kW des chambres de pistons, rendant une efficacité thermodynamique de 1.8. Remarquez que l’efficacité thermodynamique du système se définie aux modèles précités comme dw6/2’. Le moteur montré dans la Figure 4 a une capacité de 1000 cm.sup.3 (1000cc) et tourne à 1000 rpm.

En se référant à la Figure 4, un moteur avec une capacité de 1000 cc, tournant à 3000 rpm est représenté avec des gains aux incréments de pression de 2.0 psi. Un total d’énergie de 5.6 kW peut être éxtrait des chambres de pistons rendant une efficacité thermodynamique de 1.8.

L’effet de varier les gains aux incréments de pression s’illustre dans la Figure 5. Dans ce modèle-ci, ayant un gain à l’incrément de pression de 0.5 psi ( sur une base d’environ 1.7 à 2.0 psi plus que l’ambiant), on peut extraire un total de 2.0 kW des chambres de pistons, rendant une efficacité thermodynamique de 2.5.

Les lignes 37 et 39 dans les Figures 3 - 5 illustrent le rendement brut du moteur avant et après la décharge d’échappement augmentée, respectivement. Les lignes 43 - 48 démontrent la synergie (ou l’éfficacité) du refroidissement du flux d’échappement. Suivant les Figures, le “coût” (p.ex. la perte d‘énergie) du refroidissement du flux d’échappement (p. ex le boost au flux de la masse ambiantale) est environ 50% du coût du turbochargeur.

Une autre concrétisation est représentée dans la Figure 6. Le MAG 8 est illustré montrant un moteur à combustion interne 30 et un système se constituant d’un actuateur de valves électro-magnétiques 32. Le rendement du MAG8 est réglé par un processeur 28 connecté au MAG 8, le moteur 30, et le système se constituant d’un actuateur de valves électro-magnétiques 32. Le processeur 28, en employant le système 32 à opérer les valves, peut être utilisé infinitésimalement à régler la coordination adaptive des valves de sorte à optimiser la combustion du moteur 30. La combustion optimisée augmente l’efficacité en diminuant les emissions. De plus, le processeur 28 peut s’utiliser à la réalisation des programmes lesquels préserveraient des profils constants des vitesses de charge. À titre d’exemple, la transmission de puissance peut être gérée de sorte à maintenir un rendement constant de la climatisation avec des vitesses variables relatives au moteur. En outre, en employant le MAG 8 à combinaison avec un système d’actuateur de valves électro-magnétiques 32 (étant donné un cycle a lieu chaque 1/3000e d’un seconde), la décharge des gaz d’échappement peut être instantanément modulée d’une manière optimale et substantielle dans le but d’optimiser la performance relaitve aux operations du moteur de ralentir (idling), et opérations normales ou transitionnelles (en accélérant ou en décélérant).

Le système relatif à l’actuateur de valves électro-magnétiques 32 permet en outre la coordination laquelle peut être utilisée à moduler l’opération des valves d’échappement. La modulation de la coordination des valves d’échappement peut permettre la génération d’une courbe de vitesse de charge assez constante sans tenir compte si l’automobile soit au ralenti, en vitesse de croisière, en accélérant ou en décélérant. Par exemple, au ralenti, la coordination des valves d’échappement peuvent être réglées à fournir une plus grande décharge de gaz d’échappement à alimenter le MAG 8. Ce type de modulation des valves d’éhappement s’appelle augmentation par extraction (“blow-down augmentation”). Remarquez que la modification ou l’augmentation de l’extraction d’échappement n’a aucun effet sur l’efficacité de combustion ni sur le rendement d’émissions.

Une autre concrétisation de la présente invention (aucun dessin) renvoit un MAG opérationnellement connecté à un flywheel / un démarreur à produire un “turbocompresseur” ou un booster de puissance capable de pourvoir une transmission de puissance à haute tension aux constituents divers du moteurs. Contrairement à un turbocompresseur conventionnel, où il faut que la turbine tourne à de très hautes vitesses (environ 100,000 rpm) de sorte à entraîner effectivement le turbocompresseur, la turbine du système “MAG / flywheel alternateur-générateur” peut être calibré à pouvoir opérer à basses vitesses (environ 20,000 à 30,000 rpm). Les basses vitesses peuvent augmenter l’efficacité du système ainsi que prolonger la durée de vie des constituants méchaniques.

À propos de l’alternateur conventional, la puissance est captée directement du vilebrequin à un gain de 1:1 relatif au rendement du moteur. Lors qu’on emploie un MAG le rendement est environ 1:2,5 (excluant les premiers kilowatts qui constituent l’énergie “libre” en tant que l’axiome “turbo”). Au cas où on extrairait une capacité notamment augmentée (10 - 20 kW de puissance, à combinaison avec un MAG et un flywheel / un démarreur, il est possible d’y avoir un gain diminué de 1:2.

Le système MAG facilite la caption d’énergie des gaz d’échappement. Le système MAG utilise l’énergie des déchets et la chaleur du flux d’échappement et peut réduire les emissions ainsi que rendre un échappement plus refroidi. De plus, il s’ensuit que l’intégration de la technologie MAG peut entraîner des moteurs plus simplifiés. L’extraction de l’énergie des déchets et de la chaleur du flux d’échappement ainsi que l’introduction des moteurs plus simplifiés atténueront l’impact des moteurs à combustion interne sur l’environnement.

De plus, le système MAG a été conçu à pourvoire un système assurant l’optimisation de la performance des moteurs à combustion interne. Le MAG peut être intégré aux moteurs existants et peut être adapté à être utilisé aux futurs moteurs. Le MAG relie la technologie existante des moteurs à combustion interne aux dévéloppements au domaine automobile.

Les universities apprécieront qu’il est possible de conceptualiser d’autres concrétisations conformément aux revendication de cette invention. Le domaine de la présente invention revoit donc une application limitative en ce qui concerne les revendications exposées ci-dessus.