Brevet FR3163111A1 — publié le 20251212

L’invention concerne un procédé de pilotage d’un système thermodynamique à double étage comportant un premier turbocompresseur (TC1), un deuxième turbocompresseur (TC2), des première (CC1) et deuxième (CC2) chambres de combustion et au moins un injecteur de carburant entre le deuxième turbocompresseur (TC2) et la deuxième chambre de combustion (CC2), le premier turbocompresseur (TC1) comprenant une première turbine (T2), le deuxième turbocompresseur (TC2) comprenant une deuxième turbine (T1) et la deuxième chambre de combustion comportant une résistance chauffante électrique, le procédé comportant des étapes de : a) Mise en fonctionnement de la résistance électrique de la deuxième chambre de combustion ; b) Inversion d’un fonctionnement de la première turbine (T2) pour passer la deuxième turbine en mode compresseur. (Fig. 1) PROCEDE DE PILOTAGE D’UN SYSTEME THERMODYNAMIQUE d’un véhicule automobile Domaine technique de l’invention L’invention se rapporte au domaine des procédés de pilotage de systèmes thermodynamiques à cycle turbine à gaz avec compression refroidie, régénération et réchauffe intermédiaire durant la détente, du type turbomachine, équipant un groupe motopropulseur d’un véhicule automobile. État de la technique antÉrieure Les convertisseurs d’énergie de type turbine à gaz sont actuellement étudiés pour les chaînes de traction fortement électrifiées, notamment celles appelées prolongateur d'autonomie (« Range Extender » selon la terminologie anglo-saxonne) dans les véhicules électrique et/ou hybrides. Un tel convertisseur opère en tant qu’Unité de Puissance Auxiliaire (de l’anglais « Auxiliary Power Unit », soit APU) où son rôle est de recharger les batteries d’un véhicule électrique. Il est ainsi mécaniquement découplé de la chaîne de traction et fonctionne ainsi sur son point de rendement maximal. En particulier, un système thermodynamique à cycle de type turbine à gaz avec compression refroidie, régénération et réchauffe durant la détente (soit un dispositif appelé en anglais « Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine », ou IRReGT) est un dispositif à fort potentiel pour les applications au sein de véhicules automobiles, en particulier ceux comportant une machine électrique de traction. Ce cycle permet d’atteindre un rendement très important mais aussi une densité de puissance très élevée (c’est-à-dire un travail net spécifique élevé, en anglais « Net Specific Work »). Actuellement, dans un tel système thermodynamique, un carburant est injecté dans une chambre de combustion basse pression lorsque deux turbocompresseurs sont mis en rotation. Cette injection et ces mises en rotation interviennent après une réchauffe électrique de la chambre de combustion basse pression. Or il n’y a aucune réchauffe du gaz circulant entre un injecteur basse pression ou la tubulure (entre l’injecteur et l’entrée la chambre de combustion). Cela fonctionne tant qu’une quantité injectée de carburant est suffisamment faible pour ne pas condenser. Il y a donc un risque de condensation du carburant injecté, et par conséquent, que ce carburant alors sous forme liquide touche une résistance électrique de la chambre de combustion avec un risque d’inflammation. L’invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique en proposant notamment une solution permettant de réduire le risque de condensation et donc du risque d’inflammation. Pour ce faire, il est proposé, selon un premier aspect de l’invention, un procédé de pilotage d’un système thermodynamique à double étage comportant un premier turbocompresseur, un deuxième turbocompresseur, des première et deuxième chambres de combustion et au moins un injecteur de carburant entre le deuxième turbocompresseur et la deuxième chambre de combustion, le premier turbocompresseur comprenant une première turbine, le deuxième turbocompresseur comprenant une deuxième turbine et la deuxième chambre de combustion comportant une résistance chauffante électrique, le procédé comportant des étapes de : Mise en fonctionnement de la résistance électrique de la deuxième chambre de combustion ; Inversion d’un fonctionnement de la première turbine pour passer la première turbine en mode compresseur. Selon un mode de réalisation, lors de l’étape d’inversion, la première turbine tourne en sens contraire, faisant circuler un flux de gaz depuis la deuxième chambre de combustion vers l’injecteur de carburant. Selon un mode de réalisation, lors de l’étape d’inversion, la première turbine tourne en oscillant entre des sens contraire et normal de fonctionnement, faisant circuler un flux de gaz entre la deuxième chambre de combustion vers l’injecteur de carburant dans deux sens d’écoulement. Selon un mode de réalisation, lors de l’étape d’inversion, la deuxième turbine est à l’arrêt. Selon un mode de réalisation, lors de l’étape d’inversion, la deuxième turbine est en fonctionnement dans un sens normal de fonctionnement. Selon un mode de réalisation, lors de l’étape d’inversion, les première et deuxième turbines tournent à des vitesses prédéterminées de sorte à faire circuler un flux de gaz depuis la deuxième chambre de combustion vers l’injecteur de carburant. Selon un mode de réalisation, lors de l’étape d’inversion, les première et deuxième turbines tournent à des vitesses variables de sorte à faire circuler un flux de gaz entre la deuxième chambre de combustion vers l’injecteur de carburant dans deux sens d’écoulement. Selon un mode de réalisation, au moins la deuxième turbine est une turbine à géométrie variable. Selon un mode de réalisation, lors de l’étape d’inversion, le procédé modifie une ouverture de la deuxième turbine. Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un véhicule automobile comprenant un groupe motopropulseur comportant une machine électrique de traction, une batterie de traction et un système thermodynamique à double étage, ainsi qu’un calculateur qui est agencé de sorte à mettre en œuvre un procédé de pilotage selon l’invention présentant au moins l’une des caractéristiques techniques précédentes. brÈve description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : FIG. 1 : un schéma fonctionnel d’un exemple de système thermodynamique à double étage, de type IRReGT (Intercooled Recuperative Reheat Gas Turbine) ; FIG. 2 : une représentation schématique d’un circuit de production et de stockage d’énergie électrique dans un véhicule de type hybride. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures. description DÉTAILLÉE d’un mode de rÉalisation La FIG. 1 un schéma fonctionnel d’un exemple de système thermodynamique à double étage, de type IRReGT (Intercooled Recuperative Reheat Gas Turbine) sur lequel il est mis en œuvre un mode de réalisation préféré d’un procédé de pilotage du système thermodynamique selon l’invention. En référence à la FIG. 2 , nous allons décrire ici un exemple d’intégration d’un tel système thermodynamique à cycle turbine à gaz dans un groupe motopropulseur d’un véhicule automobile de type hybride ou électrique, et plus précisément au sein d’un circuit de production et de stockage d’énergie électrique de ce véhicule automobile. Un tel système thermodynamique peut notamment fonctionner en tant qu’unité auxiliaire de puissance (APU) dans le cas d’un véhicule automobile électrique. Lorsque ce système thermodynamique opère en tant qu’unité auxiliaire de puissance selon un fonctionnement stabilisé, il recharge la ou les batterie(s) B de traction du groupe motopropulseur du véhicule automobile par l’intermédiaire de machines électriques (EMG à la FIG. 2 , ou plus spécifiquement EMG1 et EMG2 à la FIG. 1 ). La batterie est reliée par des convertisseurs d’énergie électrique courant alternatif-courant continu (blocs DC-AC à la FIG. 2 ), d’une part, au système thermodynamique en tant qu’APU et, d’autre part à une machine électrique de traction ELM du groupe motopropulseur du véhicule automobile. Une chaîne d’entraînement de type connu relie ensuite la machine électrique de traction à des roues W du véhicule automobile. L’APU comporte en outre un calculateur agencé de sorte à pouvoir mettre en œuvre un procédé de pilotage du système thermodynamique, comme le procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention qui va être décrit ultérieurement. Nous allons maintenant détailler un système thermodynamique du type à cycle turbine à gaz précité en référence à la FIG. 1 . Un tel système thermodynamique comprend un premier turbocompresseur TC1 et un deuxième turbocompresseur TC2. Le premier turbocompresseur TC1 comprend un premier compresseur C1 et une première turbine T2. Le deuxième turbocompresseur TC2 comprend un deuxième compresseur C2 et une deuxième turbine T1. Plus particulièrement, le premier turbocompresseur TC1 forme un étage « basse pression », et le deuxième turbocompresseur TC2 forme un étage « haute pression ». Ici, les deux turbines T1 et T2 sont des turbines à géométrie variable (« VGT » pour Variable Geometry Turbine selon la terminologie anglo-saxonne). Les turbocompresseurs sont ici électrifiés, c’est-à-dire qu’ils comportent chacun une machine électrique EMG1, EMG2 opérant à la fois en mode moteur et générateur, c’est-à-dire en tant que moteur pour entraîner et démarrer le système, et en tant que générateur pour récupérer l’énergie produite par combustion. Le système thermodynamique comprend en outre deux chambres de combustion CC1 et CC2, et un refroidisseur de flux IC (également appelé échangeur air/air, ou échangeur air/eau, ou en anglais « intercooler »). Le refroidisseur de flux IC est positionné entre et connecté aux premier compresseur C1 et deuxième compresseur C2. Les deux chambres de combustion sont ici des chambres de combustion catalytiques. La deuxième chambre de combustion comporte en outre une résistance chauffante électrique. En variante de réalisation, la première chambre de combustion comporte aussi une résistance chauffante électrique. Le système thermodynamique comprend en outre un récupérateur thermique TR (ou échangeur thermique). Le récupérateur thermique TR est ici connecté au deuxième compresseur C2 en amont et à la première chambre de combustion CC1 en aval. La première chambre de combustion CC1 est ensuite connectée à la deuxième turbine T1. La deuxième chambre de combustion CC2 est connectée aux deux turbines, à savoir en particulier à la deuxième turbine T1 en amont et à la première turbine T2 en aval. Le système thermodynamique comporte un injecteur de carburant INJ en amont de la deuxième chambre de combustion CC2. Cet injecteur de carburant permet d’injecter du carburant dans le flux de gaz issus de la deuxième turbine T1 avant leur entrée dans la deuxième chambre de combustion CC2. De même, le système thermodynamique comporte un autre injecteur de carburant (non illustré) en amont de la première chambre de combustion CC1 permettant d’injecter du carburant dans le flux de gaz issus du récupérateur thermique avant leur entrée dans la première chambre de combustion CC1. Le système thermodynamique comprend en outre une branche de récupération RB1 connectant la première turbine T2 au récupérateur thermique TR et le traversant. Le côté du récupérateur TR traversé par la branche de récupération RB1 est appelé le côté chaud du récupérateur, puisqu’un flux de gaz provient directement de la première turbine T2 après avoir avec subi une deuxième combustion dans la chambre de combustion CC2. Par opposition, le côté du récupérateur TR auquel parvient un air comprimé depuis le compresseur C2, et à partir duquel l’air est dirigé vers la première chambre de combustion CC1 est appelé le côté froid du récupérateur. Le système thermodynamique est configuré pour être parcouru par un flux gazeux F1, décrit plus loin, entre les différents éléments le composant. L’utilisation d’une deuxième chambre de combustion CC2 (pour réchauffe, de l’anglais « reheat ») entre les turbines permet d’augmenter la densité de puissance, ce qui permet de réduire le débit d’air requis à puissance identique et de réduire la taille du dispositif. Nous allons brièvement décrire maintenant le flux gazeux F1 dans le système thermodynamique qui vient d’être décrit. D’une manière générale, le flux gazeux F1 suit les flèches illustrées à la FIG. 1 qui joignent les différents composants et traverse ces composants. De l’air ambiant est tout d’abord aspiré dans un filtre à air AF par le compresseur C1. Cet air une fois filtré entre dans le compresseur C1. L’air y est comprimé avant de pénétrer dans le refroidisseur de flux IC où il est refroidi. Il entre ensuite dans le compresseur C2 où il est comprimé une deuxième fois avant de pénétrer dans le récupérateur TR, plus précisément du côté froid du récupérateur. Dans le récupérateur TR, l’air est préchauffé par les gaz chauds de la branche de récupération RB1 provenant de la sortie de la turbine T2. L’air sortant du récupérateur TR entre ainsi dans la première chambre de combustion CC1. En sortie de la première chambre de combustion CC1, une première détente se produit dans la deuxième turbine (haute pression) T1 puis une phase de réchauffe dans la deuxième chambre de combustion CC2 avant d’entrer dans la première turbine T2 pour subir une deuxième expansion. En sortie de la première turbine T2, les gaz chauds entrent dans le côté chaud du récupérateur TR pour préchauffer l’air en provenance du deuxième compresseur C2, c’est-à-dire du côté froid du récupérateur TR. Nous allons maintenant décrire un procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention. Dans certaines situations de vie, en particulier au moment d’un démarrage, les composants du système thermodynamique sont froids ou à une température telle qu’un carburant injecté risque de condenser sur les parois d’une tubulure, en particulier au niveau de l’injecteur de carburant INJ en amont de la deuxième chambre de combustion CC2. Afin d’éviter ces condensations, le procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention comporte une étape d’inversion durant laquelle l’étage basse pression fonctionne en sens inverse d’un sens de fonctionnement normal. En particulier, la première turbine T2. Cela va permettre de diffuser de la chaleur de la résistance chauffante de la deuxième chambre de combustion CC2 vers l’injecteur de carburant INJ en amont de ladite deuxième chambre de combustion avec un débit d’air produit par la première turbine T2 et ayant un sens inverse à celui du fonctionnement normal du turbocompresseur TC1. Ceci a pour but de réchauffer le gaz et la tubulure entre la deuxième chambre de combustion CC2 et l’injecteur de carburant INJ. La première turbine T2 fonctionne alors comme un compresseur, elle génère un débit. Par conséquent, préalablement à l’étape d’inversion précitée, le procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention comporte une étape de mise en fonctionnement de la résistance chauffante de la deuxième chambre de combustion CC2. Plusieurs modes de réalisation de l’étape d’inversion sont envisageables pour réchauffer le gaz entre l’injecteur de carburant INJ et la deuxième chambre de combustion, notamment mettre en oscillation une colonne d’air présente en jouant, d’une part, sur des vitesses et des sens de rotation d’une ou des deux turbines T1 et T2, et, d’autre part, sur une position des VGT d’une ou des deux turbines T1 et T2. Dans un premier mode de réalisation du procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention, les deux turbines T1 et T2 sont ouvertes au maximum (VGT T1 = VGT T2 = 100 %). Un but est de réchauffer le gaz par un déplacement de la colonne de gaz. Dans un deuxième mode de réalisation du procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention, lors de l’étape d’inversion, le procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention fait tourner la première turbine T2 en sens inverse pour ramener de la chaleur au niveau de l’injecteur de carburant INJ par un flux d’air sortant dans la première turbine T2 et allant vers la deuxième turbine T1. La deuxième turbine T1 ne tourne pas pendant cette étape. La position de la première turbine T2 est ouverte (VGT T2 =100 %) et la position de la deuxième turbine T1 est fermée (VGT T2 =0 %). Un but est de réchauffer le gaz par une augmentation de la pression dans la tubulure. Dans un troisième mode de réalisation du procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention, lors de l’étape d’inversion, le procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention fait osciller la première turbine T2 (en sens inverse puis en sens normal) pour ramener de la chaleur au niveau de l’injecteur de carburant INJ par le flux d’air sortant dans la première turbine T2 et allant vers la deuxième turbine T1. La colonne de gaz est alors mise en oscillation. Comme pour le deuxième mode de réalisation du procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention, la deuxième turbine T1 ne tourne pas pendant cette étape. La position de la première turbine T2 est ouverte (VGT T2 =100 %) et la position de la deuxième turbine T1 est fermée (VGT T2 =0 %). Cela a pour conséquence de chauffer à la fois la deuxième chambre de combustion CC2 (c’est le rôle initial de la résistance électrique de ladite deuxième chambre de combustion CC2) et la zone au niveau de l’injecteur de carburant INJ par le flux d’air (chauffé par la résistance électrique de la deuxième chambre de combustion CC2). Un but est de réchauffer le gaz par une augmentation de la pression dans la tubulure. Dans un quatrième mode de réalisation du procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention, lors de l’étape d’inversion, le procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention fait tourner la deuxième turbine T1 en sens normal et fait tourner la première turbine T2 en sens contraire à des vitesses fixes. Les deux turbines T1 et T2 sont ouvertes (VGT T1 = VGT T2 = 100 %). Une rotation des deux turbines T1 et T2 est prédéterminée de façon à établir un débit d’air ayant un sens contraire à l’écoulement normal lorsque le système thermodynamique fonctionne normalement en « range extender ». Dans ce mode de réalisation du procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention, la colonne d’air n’est pas oscillante comme précédemment, mais remonte continuellement de l’échappement vers l’admission. Un but est de réchauffer le gaz par un déplacement de la colonne de gaz. Dans un cinquième mode de réalisation du procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention, lors de l’étape d’inversion, le procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention fait tourner la deuxième turbine T1 en sens normal et fait tourner la première turbine T2 en sens contraire en faisant varier l’une ou les deux vitesses de rotation (avec ou sans inversion de sens) afin de créer une oscillation dans le flux de gaz pour ramener de la chaleur au niveau de l’injecteur de carburant INJ. Comme dans le troisième mode de réalisation du procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention précédemment décrit, cette oscillation a pour but, d’une part, de réchauffer les gaz entre l’injecteur de carburant INJ et la deuxième chambre de combustion CC2, et, d’autre part, de continuer la réchauffe de la deuxième chambre de combustion CC2 elle-même. Un avantage de ce cinquième mode de réalisation du procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention est le fait que les deux turbines T1 et T2 tournent chacune dans un sens (la deuxième turbine T1 en sens normal et la première turbine T2 en sens contraire) sans avoir besoin de changer de direction pour mettre la colonne de gaz en oscillation. C’est un pilotage des vitesses respectives de chacune des deux turbines T1 et T2 qui permet une oscillation, en les faisant varier de façon déphasée. La mise en œuvre d’un tel procédé de pilotage d’un système thermodynamique selon l’invention selon l’un des modes de réalisations précédemment décrits permet de ne pas modifier l’architecture initiale du système thermodynamique, par exemple en introduisant des résistances supplémentaires, pour réchauffer la colonne de gaz entre l’injecteur de carburant INJ et la deuxième chambre de combustion CC2. Cela permet donc de limiter le coût du réchauffement des gaz, tout en minimisant (voire de supprimer) les risques de condensation de carburant et donc d’inflammation. Naturellement, l’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que la personne de l’art est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention. Il est souligné que toutes les caractéristiques, telles qu’elles se dégagent pour une personne de l’art à partir de la présente description, des dessins et des revendications attachées, même si concrètement elles n’ont été décrites qu’en relation avec d’autres caractéristiques déterminées, tant individuellement que dans des combinaisons quelconques, peuvent être combinées à d’autres caractéristiques ou groupes de caractéristiques divulguées ici, pour autant que cela n’a pas été expressément exclu ou que des circonstances techniques rendent de telles combinaisons impossibles ou dénuées de sens. Procédé de pilotage d’un système thermodynamique à double étage comportant un premier turbocompresseur (TC1), un deuxième turbocompresseur (TC2), des première (CC1) et deuxième (CC2) chambres de combustion et au moins un injecteur de carburant entre le deuxième turbocompresseur (TC2) et la deuxième chambre de combustion (CC2), le premier turbocompresseur (TC1) comprenant une première turbine (T2), le deuxième turbocompresseur (TC2) comprenant une deuxième turbine (T1) et la deuxième chambre de combustion comportant une résistance chauffante électrique, caractérisé en ce que le procédé comporte des étapes de : Mise en fonctionnement de la résistance électrique de la deuxième chambre de combustion ; Inversion d’un fonctionnement de la première turbine (T2) pour passer la première turbine en mode compresseur. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de l’étape d’inversion, la première turbine tourne en sens contraire, faisant circuler un flux de gaz depuis la deuxième chambre de combustion vers l’injecteur de carburant. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de l’étape d’inversion, la première turbine tourne en oscillant entre des sens contraire et normal de fonctionnement, faisant circuler un flux de gaz entre la deuxième chambre de combustion vers l’injecteur de carburant dans deux sens d’écoulement. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lors de l’étape d’inversion, la deuxième turbine est à l’arrêt. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lors de l’étape d’inversion, la deuxième turbine est en fonctionnement dans un sens normal de fonctionnement. Procédé selon l’une revendications 1 ou 2 et la revendication 5, caractérisé en ce que lors de l’étape d’inversion, les première et deuxième turbines tournent à des vitesses prédéterminées de sorte à faire circuler un flux de gaz depuis la deuxième chambre de combustion vers l’injecteur de carburant. Procédé selon les revendications 1 ou 3 et la revendication 5, caractérisé en ce que lors de l’étape d’inversion, les première et deuxième turbines tournent à des vitesses variables de sorte à faire circuler un flux de gaz entre la deuxième chambre de combustion vers l’injecteur de carburant dans deux sens d’écoulement. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’au moins la deuxième turbine est une turbine à géométrie variable. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lors de l’étape d’inversion, le procédé modifie une ouverture de la deuxième turbine. Véhicule automobile comprenant un groupe motopropulseur comportant une machine électrique de traction (ELM), une batterie (B) de traction et un système thermodynamique à double étage, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un calculateur (APU) qui est agencé de sorte à mettre en œuvre un procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 9.