Brevet FR3141723A1 — publié le 20240510

L’invention concerne un véhicule automobile comprenant un système de turbogénérateur qui comprend : - des turbocompresseurs multiaxiaux comprenant des compresseurs (C1, C2) et des turbine (T1, T2) ; - un refroidisseur (I) ; - un récupérateur (R) ; - deux chambres de combustion (CC1, CC2) ; - une turbomachine comprenant des turbines dites énergétiques (Te1, Te2), et un générateur électrique (EM). L’invention permet de simplifier l’architecture en utilisant une machine électrique, et de limiter l’encombrement en séparant les axes de turbocompresseurs. L’invention concerne également un procédé sur la base d’un tel véhicule. Figure 2 VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT DES TURBOCOMPRESSEURS MULTIAXIAUX COUPLES A UN GENERATEUR ELECTRIQUE, PROCEDE SUR LA BASE D’UN TEL VEHICULE L’invention se rapporte au domaine des dispositifs et systèmes de turbogénérateur du type à cycle de turbine à gaz, pour véhicule automobile. Les convertisseurs d’énergie de type turbine à gaz sont largement étudiés en ce moment comme prolongateur d’autonomie (« range extender » en langue anglaise) dans les véhicules hybrides de série. Ce convertisseur peut opérer en mode APU (pour Unité de Puissance Auxiliaire ou « Auxiliary Power Unit » en langue anglaise) où son rôle est de recharger les batteries d’un véhicule électrique. Il est ainsi mécaniquement découplé de la chaîne de traction et fonctionne sur son point de rendement maximal. Plusieurs cycles sont en cours d’investigation, y compris les cycles récupératifs simples (RGT pour turbine à gaz récupérative ou « Recuperative Gas Turbine »), mais aussi les cycles récupératifs à refroidisseur (IRGT) et les cycles avec refroidisseur, récupérateur et réchauffe ou « Intercooled Recuperative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise). Le cycle de turbine à gaz avec refroidisseur, récupérateur et réchauffe (IRReGT) illustré en , est un cycle à fort potentiel pour les applications automobiles. Ce cycle permet d’atteindre un rendement important mais aussi une densité de puissance élevée (travail net spécifique élevé). Dans le cycle IRReGT, on peut avoir besoin de deux machines électriques. En effet, on peut avoir une seule machine électrique, mais dans ce cas, il faut mettre les deux e-turbomachines (turbomachine électrifiée, à savoir un compresseur, une turbine et une machine électrique) sur le même axe. Cependant, dans ce cas, l’axe de la turbomachine devient long et il y aura des entrées / sorties chaudes des deux côtés du turbogénérateur. La solution d’avoir deux e-turbomachines séparées est intéressante mais cela implique l’utilisation de deux machines électriques et par conséquent l’utilisation de deux électroniques de puissance, ce qui complexifie le système. La demande de brevet US 2002/0152754 A1 propose de mettre une turbine couplée avec un générateur. Le problème est qu’en sortie de la turbine du deuxième turbocompresseur, il manque une turbine couplée au générateur permettant d’avoir une détente additionnelle. D’un point de vue thermodynamique, le travail de la turbine du deuxième turbocompresseur, sert à entraîner le deuxième compresseur mais il n’y aura pas de travail net supplémentaire. Thermodynamiquement, cela n’a pas d’impact sur le rendement. Le seul impact sera l’augmentation de la pression dans le récupérateur et la chambre de combustion ce qui permet de réduire la taille de ces composants. Un objectif de la présente invention est de remédier aux défauts de l’art antérieur, et notamment de proposer une architecture limitant la complexité de montage d’électronique de puissance, tout en ayant un meilleur rendement que dans l’art antérieur. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un véhicule automobile comprenant un système de turbogénérateur ayant un circuit fluidique d’un amont vers un aval, le système de turbogénérateur comprenant : - un premier turbocompresseur comprenant un premier compresseur et une première turbine sur un premier axe ; - un deuxième turbocompresseur comprenant un deuxième compresseur et une deuxième turbine sur un deuxième axe ; - un refroidisseur en communication fluidique avec le premier compresseur en amont, et avec le deuxième compresseur en aval ; - un récupérateur en communication fluidique avec le deuxième compresseur en amont ; - une première chambre de combustion en communication fluidique avec le récupérateur en amont, et avec la deuxième turbine en aval ; - une turbomachine comprenant une première et une deuxième turbines énergétiques, et un générateur électrique sur un troisième axe, la première turbine énergétique étant en communication fluidique avec la deuxième turbine en amont ; - une deuxième chambre de combustion en communication fluidique avec la première turbine énergétique en amont, et avec la première turbine en aval ; la deuxième turbine énergétique étant en communication fluidique avec la première turbine en amont, et avec un échangeur de chaleur du récupérateur en aval. L’invention permet de proposer un turbogénérateur opérant suivant le cycle IRReGT, avec une seule machine électrique couplée à deux turbines de détente. Ces turbines de détente permettent de récupérer l’excès de puissance généré par chaque turbocompresseur (ensemble compresseur et turbine). En outre, l’architecture incluant un étage à haute pression et un étage à basse pression, ainsi que le refroidisseur et les chambres de combustion, permet d’augmenter significativement le rendement énergétique du système. De plus l’utilisation d’un générateur au lieu de deux diminue la complexité de montage de l’électronique de puissance. Selon une variante, la turbomachine comprend en outre une troisième turbine énergétique sur le troisième axe, et le système de turbogénérateur comprend en outre : - un deuxième refroidisseur en communication fluidique avec le premier compresseur en aval ; - une troisième chambre de combustion en communication fluidique avec la deuxième turbine énergétique en amont en lieu et place de l’échangeur de chaleur du récupérateur ; - au moins un troisième turbocompresseur qui comprend, sur un quatrième axe, un troisième compresseur en communication fluidique avec le deuxième refroidisseur en aval ; et une troisième turbine en communication fluidique avec la troisième chambre de combustion en amont, et avec la troisième turbine énergétique en aval, la troisième turbine énergétique étant en communication fluidique avec l’échangeur de chaleur du récupérateur en aval. Cela permet d’améliorer davantage le rendement énergétique du système en ajoutant un étage de pression avec un turbocompresseur supplémentaire et une turbine énergétique supplémentaire. Selon une variante, le premier turbocompresseur est dimensionné de sorte que la puissance de la première turbine est égale à la puissance du premier compresseur. Cela permet de générer un excédent de puissance au niveau du premier turbocompresseur. Selon une variante, le deuxième turbocompresseur est dimensionné de sorte que la puissance de la deuxième turbine est égale à la puissance du deuxième compresseur. Cela permet de générer un excédent de puissance au niveau du deuxième turbocompresseur. Selon une variante, le système de turbogénérateur comprend au moins un circuit de chauffage connecté à un échangeur de chaleur d’au moins un refroidisseur. Cela permet d’utiliser le système de turbogénérateur pour réaliser un chauffage, par exemple de l’habitacle du véhicule. Selon une variante, le circuit de chauffage comprend un dispositif de chauffage et une pompe de circulation. Selon une variante, le circuit fluidique comprend un filtre à air en début de circuit. Cela permet de limiter les impuretés de l’air du système de turbogénérateur. L’invention porte en outre sur un procédé de fabrication d’un système de turbogénérateur pour un véhicule automobile selon l’invention, le procédé comprenant les étapes suivantes : - mettre le refroidisseur en communication fluidique avec le premier compresseur en amont, et avec le deuxième compresseur en aval ; - mettre récupérateur en communication fluidique avec le deuxième compresseur en amont ; - mettre la première chambre de combustion en communication fluidique avec le récupérateur en amont, et avec la deuxième turbine en aval ; - mettre la première turbine énergétique en communication fluidique avec la deuxième turbine en amont ; - mettre la deuxième chambre de combustion en communication fluidique avec la première turbine énergétique en amont, et avec la première turbine en aval ; - mettre la deuxième turbine énergétique étant en communication fluidique avec la première turbine en amont, et avec un échangeur de chaleur du récupérateur en aval. L'invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l'invention, dans lesquelles : - illustre schématiquement une architecture de système de turbogénérateur de type IRReGT selon l’art antérieur ; - illustre schématiquement une architecture de système de turbogénérateur de type IRReGT selon un premier mode de réalisation, avec deux turbocompresseurs ; - illustre schématiquement une variante du mode de réalisation de la avec un dispositif de chauffage ; et - illustre schématiquement une architecture de système de turbogénérateurs de type IRReGT selon un deuxième mode de réalisation, avec trois turbocompresseurs. Bien que le cycle IRReGT (Intercooled Recuperative Reheat Gas Turbine) présente des avantages, sa réalisation physique pose certains problèmes. On peut imaginer mettre tout le système sur un seul axe avec une seule machine électrique comme dans l’art antérieur illustré en . Cependant plusieurs problèmes techniques se présentent dans cette configuration : - L'axe qui relie le premier compresseur à la dernière turbine devient long et cela engendre des problèmes de vibrations à haut régime ; - Le système de turbogénérateur devient encombrant, et on sera contraint par la longueur du système ; - Il faut réussir à assurer une étanchéité à haute pression au niveau de l'entrée du compresseur C2 (le flux étant comprimé à 3 bars) ; - Il faut réussir à assurer une étanchéité à haute pression et haute température au niveau de la sortie de la turbine T1 ; - Il faut réussir à assurer une étanchéité à haute pression et haute température au niveau de l'entrée de la turbine T2. Tous ces problèmes techniques ont poussé le demandeur à découpler les deux turbomachines et avoir deux e-turbomachines (ensemble compresseur, machine électrique, et turbine). Cette architecture comporte : - une e-turbomachine à basse pression (premier turbocompresseur) sur un premier axe A1, formée par un compresseur C1, une machine électrique et une turbine T1 ; et - une e-turbomachine à haute pression (deuxième turbocompresseur) sur un deuxième axe A2, formée par un compresseur C2, une machine électrique et une turbine T2. Le problème du cycle IRReGT dans ce cas est qu’il a besoin de deux machines électriques et donc de deux onduleurs et de deux cartes d’électroniques de puissance, ce qui augmente la complexité de l’électronique de puissance. Pour s’affranchir du problème présenté ci-dessus, l’invention propose un cycle IRReGT pouvant comprendre une seule machine électrique tout en gardant des turbocompresseurs séparés. Le système correspondant est illustré en . Pour ce faire, on va utiliser les deux turbocompresseurs sans machine électrique. Le premier turbocompresseur (à basse pression) est dimensionné de sorte que la puissance de la turbine T1 est égale à la puissance du compresseur C1. La puissance excédentaire (restante non récupérée), sera récupérée sur une turbine dite énergétique Te2 sur un axe A4. De même, on va proposer un turbocompresseur haute pression formé par le compresseur C2, la turbine T2 sur un axe A2. La puissance de la turbine T2 est égale à la puissance du compresseur C2. L’excès de puissance sera récupéré par la turbine énergétique Te1 sur l’axe A4. On aura donc un troisième turbomoteur formé par la machine électrique EM, et les deux turbines énergétiques Te1 et Te2. En faisant ainsi, on peut proposer un cycle avec une seule machine électrique, une seule électronique de puissance et un seul onduleur. Plus spécifiquement, le système comprend : - un premier turbocompresseur comprenant un compresseur C1 et une turbine T1 sur un axe A1 ; - un deuxième turbocompresseur comprenant un compresseur C2 et une turbine T2 sur un axe A2 ; - un refroidisseur I en communication fluidique avec le compresseur C2 en amont, et avec le compresseur C2 en aval ; - un récupérateur R en communication fluidique avec le compresseur C2 en amont ; - une chambre de combustion CC1 en communication fluidique avec le récupérateur R en amont, et avec la turbine T2 en aval ; - une turbomachine comprenant des turbines dites énergétiques Te1, Te2, et un générateur électrique EM sur un axe A3, la turbine énergétique Te1 étant en communication fluidique avec la turbine T2 en amont ; - une chambre de combustion CC2 en communication fluidique avec la turbine énergétique Te1 en amont, et avec la turbine T1 en aval ; la turbine énergétique Te2 étant en communication fluidique avec la turbine T1 en amont, et avec un échangeur de chaleur HE du récupérateur R en aval. Comparé à l’art antérieur US2022/0152754 A1, celui-ci ne récupère pas de puissance en sortie de l’étage à haute pression. Thermodynamiquement, le système ne va pas opérer sur le point de maximum de rendement ou le point de maximum de travail net spécifique, car il n’y a pas de travail généré sur l’étage à haute pression. Les avantages techniques sont les suivants : - Simplification du système dans la variante préférée (une seule machine, un seul onduleur, une seule électronique de puissance) ; - La pièce de production de puissance peut être positionnée à différent endroits dans le volume fonctionnel du système. Dans une variante illustrée en , on peut ajouter un circuit de chauffage avec un dispositif de chauffage H. Dans une autre variante illustrée en , on peut proposer aussi une machine à triple étages avec le même principe, avec en outre : - une autre turbine énergétique Te3 sur l’axe A3 ; - un autre refroidisseur I2 en communication fluidique avec le premier compresseur C1 en aval ; - une autre chambre de combustion CC3 en communication fluidique avec l’autre turbine énergétique Te3 en amont en lieu et place de l’échangeur de chaleur HE du récupérateur R ; - au moins un troisième turbocompresseur qui comprend, sur un autre axe A4, un autre compresseur C3 en communication fluidique avec l’autre refroidisseur I2 en aval ; et une autre turbine T3 en communication fluidique avec l’autre chambre de combustion CC3 en amont, et avec l’autre turbine énergétique Te3 en aval, l’autre turbine énergétique Te3 étant en communication fluidique avec l’échangeur de chaleur HE du récupérateur R en aval. Par ailleurs, on peut utiliser le même concept mais avec différents types de turbomachines ou de machine de compression et de détente. L'idée reste valable pour des technologies de compresseurs / turbines de type scroll, à engrenage, à vis ; les turbomachines radiales, axiales, ou à pistons. Le fait d’utiliser une seule machine électrique permet de réduire l’impact environnemental positif (moins d’utilisation de ressources / matériaux). Véhicule automobile comprenant un système de turbogénérateur ayant un circuit fluidique d’un amont vers un aval, le système de turbogénérateur comprenant : - un premier turbocompresseur comprenant un premier compresseur (C1) et une première turbine (T1) sur un premier axe (A1) ; - un deuxième turbocompresseur comprenant un deuxième compresseur (C2) et une deuxième turbine (T2) sur un deuxième axe (A2) ; - un refroidisseur (I) en communication fluidique avec le premier compresseur (C1) en amont, et avec le deuxième compresseur (C2) en aval ; - un récupérateur (R) en communication fluidique avec le deuxième compresseur (C2) en amont ; - une première chambre de combustion (CC1) en communication fluidique avec le récupérateur (R) en amont, et avec la deuxième turbine (T2) en aval ; - une turbomachine comprenant une première et une deuxième turbines énergétiques (Te1, Te2), et un générateur électrique (EM) sur un troisième axe (A3), la première turbine énergétique (Te1) étant en communication fluidique avec la deuxième turbine (T2) en amont ; - une deuxième chambre de combustion (CC2) en communication fluidique avec la première turbine énergétique (Te1) en amont, et avec la première turbine (T1) en aval ; la deuxième turbine énergétique (Te2) étant en communication fluidique avec la première turbine (T1) en amont, et avec un échangeur de chaleur (HE) du récupérateur (R) en aval. Véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbomachine comprend en outre une troisième turbine énergétique (Te3) sur le troisième axe (A3), et en ce que le système de turbogénérateur comprend en outre : - un deuxième refroidisseur (I2) en communication fluidique avec le premier compresseur (C1) en aval ; - une troisième chambre de combustion (CC3) en communication fluidique avec la deuxième turbine énergétique (Te3) en amont en lieu et place de l’échangeur de chaleur (HE) du récupérateur (R) ; - au moins un troisième turbocompresseur qui comprend, sur un quatrième axe (A4), un troisième compresseur (C3) en communication fluidique avec le deuxième refroidisseur (I2) en aval ; et une troisième turbine (T3) en communication fluidique avec la troisième chambre de combustion (CC3) en amont, et avec la troisième turbine énergétique (Te3) en aval, la troisième turbine énergétique (Te3) étant en communication fluidique avec l’échangeur de chaleur (HE) du récupérateur (R) en aval. Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le premier turbocompresseur est dimensionné de sorte que la puissance de la première turbine (T1) est égale à la puissance du premier compresseur (C1). Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le deuxième turbocompresseur est dimensionné de sorte que la puissance de la deuxième turbine (T2) est égale à la puissance du deuxième compresseur (C2). Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système de turbogénérateur comprend au moins un circuit de chauffage connecté à un échangeur de chaleur (HE) d’au moins un refroidisseur (I). Véhicule automobile selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de chauffage comprend un dispositif de chauffage (H) et une pompe de circulation (P). Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit fluidique comprend un filtre à air (AF) en début de circuit. Procédé de fabrication d’un système de turbogénérateur pour un véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, le procédé comprenant les étapes suivantes : - mettre le refroidisseur (I) en communication fluidique avec le premier compresseur (C1) en amont, et avec le deuxième compresseur (C2) en aval ; - mettre récupérateur (R) en communication fluidique avec le deuxième compresseur (C2) en amont ; - mettre la première chambre de combustion (CC1) en communication fluidique avec le récupérateur (R) en amont, et avec la deuxième turbine (T2) en aval ; - mettre la première turbine énergétique (Te1) en communication fluidique avec la deuxième turbine (T2) en amont ; - mettre la deuxième chambre de combustion (CC2) en communication fluidique avec la première turbine énergétique (Te1) en amont, et avec la première turbine (T1) en aval ; - mettre la deuxième turbine énergétique (Te2) étant en communication fluidique avec la première turbine (T1) en amont, et avec un échangeur de chaleur (HE) du récupérateur (R) en aval.