Brevet FR3164753A1 — publié le 20260123

L’invention concerne un système de turbomachine à deux ou plus d’étages d’un véhicule automobile, comprenant des compresseurs (C1, C2), des turbine (T2, T1) et des générateurs (G2, G1) ; - deux chambres de combustion (CC1, CC2) ; - un refroidisseur (IC) de flux connecté au premier compresseur (C1) et au deuxième compresseur (C2) ; - un échangeur thermique (E1) de type récupérateur, le système de turbomachine comprenant en outre - un moyen de pilotage du débit d’air (Q air ) entrant dans le premier compresseur en fonction de la vitesse de rotation du premier générateur électrique (G2) ; et/ou - un moyen de pilotage d’une première pression (P2) en aval du premier compresseur (C1) en fonction de la vitesse de rotation du deuxième générateur électrique (G1). L’invention concerne également un véhicule, un procédé et un programme sur la base d’un tel système. Figure 1 SYSTEME DE TURBOMACHINE COMPRENANT UN MOYEN DE PILOTAGE DE DEBITS, PRESSION ET TEMPERATURES DE LA TURBOMACHINE, VEHICULE, PROCEDE ET PROGRAMME SUR LA BASE D’UN TEL SYSTEME L'invention se rapporte au domaine des véhicules automobiles comprenant un turbogénérateur, et plus particulièrement des procédés de commandes de tels turbogénérateurs. Actuellement, les systèmes de prolongateur d’autonomie (ou « range extender ») sont basés essentiellement sur un étage de suralimentation mettant en œuvre un compresseur, une chambre de combustion et une turbine à l’image du système de chez Delta Cosworth. L’architecture de génératrice à base des turbogénérateurs électrifiés de Delta Cosworth n’intègre pas de dispositif sur la turbine permettant de gérer la pression post compresseur. Il s’agit d’une turbine à géométrie fixe. De ce fait, les actionneurs se limitent à la quantité de carburant injectée, la quantité de chaleur produite par effet Joule avec la résistance électrique dans le catalyseur électrifié, et la vitesse de rotation de la machine électrique du turbogénérateur électrifié. Le système en cours de développement chez le demandeur est basé sur un système à deux étages de suralimentation réalisés avec deux turbogénérateurs électrifiés ayant chacun une turbine à géométrie variable, ainsi que deux chambres de combustion catalytique, illustré en FIG. 1 . Ce système dispose donc deux catalyseurs dont un est électrifié et positionné en amont de la turbine à basse pression. Dans le cadre de l’invention, la façon de lier les grandeurs mesurables et les grandeurs commandables se fait suivant les relations suivantes : - le débit d’air : ; - la pression après le compresseur basse pression : ; - la pression après le compresseur haute pression : ; - la pression après la turbine haute pression : ; - la température dans la chambre de combustion est ; - la température dans la chambre de combustion est . Les grandeurs mesurables (P 2 , P 3 , P 4 , T chHP , T chLP et Q air ) sont liées aux grandeurs commandables correspondantes respectives ( , , , , , ). Grâce cette méthode, nous avons obtenu une structure de contrôle permettant d’aller chercher les points de fonctionnement à divers points de l’architecture. Ces points de fonctionnement sont issus d’une analyse thermodynamique théorique du cycle à double étage. Notre architecture sur le modèle de commande nous permet d’atteindre ces points de référence. Ces points atteignables dans la limite des approximations faites par le modèle théorique du système à double étage. La stratégie de contrôle de l’art antérieur peut être contournée en choisissant d’autres grandeurs permettant d’établir une façon piloter le système à double étages en choisissant correctement les grandeurs observables nécessaires au pilotage de ce prolongateur d’autonomie. Ce contournement pourrait être réalisé en faisant un pilotage par des paramètres spécifiques. Un objectif de la présente invention est de proposer une solution de pilotage d’un turbocompresseur électrifié au moyen des paramètres de commande. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un système de turbomachine d’un véhicule automobile, comprenant : - un premier turbocompresseur comprenant un premier compresseur, une première turbine et un premier générateur électrique ; - un deuxième turbocompresseur comprenant un deuxième compresseur, une deuxième turbine et un deuxième générateur électrique ; - deux chambres de combustion ; - un refroidisseur de flux connecté au premier compresseur et au deuxième compresseur ; - un échangeur thermique connecté au deuxième compresseur et à une première chambre de combustion, elle-même étant connectée à la deuxième turbine, la deuxième chambre de combustion étant connectée aux deux turbines, le système étant configuré pour mettre en œuvre un flux de fluide du premier compresseur vers le refroidisseur, vers le deuxième compresseur, vers l’échangeur thermique, vers la première chambre de combustion, vers la deuxième turbine, vers la deuxième chambre de combustion, vers la première turbine, de nouveau vers l’échangeur thermique, le système de turbomachine comprenant en outre : - un moyen de pilotage du débit d’air entrant dans le premier compresseur en fonction de la vitesse de rotation du premier générateur électrique ; et/ou - un moyen de pilotage d’une première pression en aval du premier compresseur en fonction de la vitesse de rotation du deuxième générateur électrique. Avantageusement, l’architecture de contrôle selon l’invention, avec le bon couplage entre les grandeurs mesurables et commandables, permet de piloter le prolongateur d’autonomie, dans la limite de ses possibilités, de façon à atteindre les valeurs de référence pour le débit d’air (Q air ), les pressions (P 2 , P 3 , P 4 ) et les températures de chambre de combustion (T chHP , T chLP ). Par ailleurs, le pilotage de ces grandeurs (débit d’air Q air , pressions P 2 , P 3 , P 4 , et températures de chambre de combustion T chHP , T chLP ) permet d’atteindre une puissance électrique de régénération pour chaque générateur. De préférence, la deuxième turbine est une turbine à géométrie variable, et le système de turbomachine comprend en outre un moyen de commande de rotation de la deuxième turbine, et un moyen de pilotage d’une deuxième pression en aval du deuxième compresseur en fonction de l’ouverture de la deuxième turbine. L’ouverture de la turbine représente par exemple un pourcentage d’ouverture des ailettes de la turbine, ou un signal arbitraire ou encore une tension ou un courant de contrôle des actionneurs des ailettes. Cela permet de proposer un moyen de pilotage de ladite pression. Préférentiellement, la première turbine est une turbine à géométrie variable, et le système de turbomachine comprend en outre un moyen de commande de rotation de la première turbine, et un moyen de pilotage d’une troisième pression en aval de la deuxième turbine en fonction de l’ouverture de la première turbine. Cela permet de proposer un moyen de pilotage de ladite pression. Préférentiellement, le système de turbomachine comprend en outre un moyen de commande d’une quantité de fluide injecté dans la première ou la deuxième chambre de combustion, et un moyen de pilotage de la température de ladite chambre de combustion en fonction de ladite quantité de fluide injecté. Cela permet de proposer un moyen de pilotage de la température de ladite chambre de combustion. De préférence, le système de turbomachine comprend en outre au moins un turbocompresseur intermédiaire comprenant un compresseur intermédiaire entre le premier compresseur et le deuxième compresseur, une turbine intermédiaire entre la première turbine et la deuxième turbine, un générateur électrique intermédiaire, ledit turbocompresseur intermédiaire formant au moins un étage intermédiaire, et le deuxième turbocompresseur formant un dernier étage, chaque étage intermédiaire comprenant une chambre de combustion intermédiaire entre les turbines successives ; et un refroidisseur entre les compresseurs successifs, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un moyen de pilotage de la pression en entrée d’un étage intermédiaire en fonction de la vitesse de rotation de la turbine de l’étage suivant. Cela permet de proposer un moyen de pilotage de la pression en entrée et en sortie de chaque étage d’un système à trois niveaux de pression ou plus. L’invention concerne en outre un véhicule automobile comprenant un système de turbomachine selon l’invention. Un autre objet de l’invention concerne un procédé de commande d’un système de turbomachine selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comprend : - une étape de pilotage du débit d’air entrant dans le premier compresseur en fonction de la vitesse de rotation du premier générateur électrique (G2), et/ou - une étape de pilotage de la pression en aval du premier compresseur en fonction de la vitesse de rotation du deuxième générateur électrique. Dans le cas d’un système à plusieurs étages, cette étape est réalisée en fonction de la vitesse de rotation du générateur électrique de l’étage suivant. De préférence, le procédé de commande comprend en outre une étape de pilotage de la pression en entrée d’un étage en fonction de la vitesse de rotation de la turbine de l’étage suivant. L’invention a en outre trait à un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de commande selon l’invention, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. L'invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées, dans lesquelles : - FIG. 1 illustre schématiquement une architecture de système de turbomachine selon l’invention, à deux étages ; - FIG. 2 illustre schématiquement une architecture de système de turbomachine selon l’invention, à plus de deux étages. L’invention concerne un système de turbomachine d’un véhicule automobile. Le système comprend deux turbocompresseurs : le premier turbocompresseur comprend un premier compresseur C1 dit à basse pression, une première turbine T2 dite à basse pression, ainsi qu’un premier générateur électrique G2 ; le deuxième turbocompresseur comprend un deuxième compresseur C2 dit à haute pression, une deuxième turbine T1 dite à haute pression, ainsi qu’un deuxième générateur électrique G1. Les turbocompresseurs peuvent être montés sur des axes A1, A2 séparés comme illustrés dans les figures ; ou être montés sur un même arbre. Le système comprend en outre deux chambres de combustion CC1, CC2, et un refroidisseur IC de flux connecté au premier compresseur C1 et au deuxième compresseur C2. Le système comprend en outre un échangeur thermique E1 connecté au deuxième compresseur C2 et à la première chambre de combustion CC1. La première chambre de combustion CC1 est connectée à la deuxième turbine T1. La deuxième chambre de combustion CC2 est connectée aux deux turbines. Le système est configuré pour mettre en œuvre un flux de fluide F1 du premier compresseur C1 vers le refroidisseur IC, vers le deuxième compresseur C2, vers l’échangeur thermique E1, vers la première chambre de combustion CC1, vers la deuxième turbine T1, vers la deuxième chambre de combustion CC2, vers la première turbine T2, de nouveau vers l’échangeur thermique E1. Les architectures contrôle peuvent prendre la forme simplifiée ou des formes plus élaborées avec par exemple le rejet de la perturbation. Cette architecture de turbogénératrice à deux étages est un système non-linéaire ayant des phénomènes couplés. Certaines des multiples interactions entre les grandeurs (physiques mesurables ou pas) et les grandeurs de commande peuvent être traitées dans la partie contrôle comme des perturbations. On pourrait, par exemple, adopter des structures de contrôle ayant des formes complexes traitant ces interactions comme une perturbation, dont la régulation pourrait être faite avec le rejet de cette perturbation dans l’asservissement réalisé. Lorsque le système à étage est complexifié avec un second étage, les commandes peuvent suivre l’architecture décrite dans la FIG. 1 . Les relations suivantes montrent la façon dont les grandeurs mesurables sont liées aux grandeurs commandables : - le débit d’air : ; - la pression après le compresseur haute pression : ; - la température dans la chambre de combustion est ; - la température dans la chambre de combustion est ; - la pression après le compresseur basse pression : ; - la pression après la turbine haute pression : . Ce choix a été réalisé en procédant par étapes successives de complexification entre un turbogénérateur à simple étage et un turbogénérateur à double étage. Ces relations sont obtenues après avoir maintenu la structure de base établie avec un seul turbocompresseur, à savoir le pilotage du débit d’air par la vitesse de la machine électrique de la partie haute pression : , la pression entre le compresseur à haute pression et la turbine à haute pression par le pilotage de l’ouverture/position de la turbine à géométrie variable : . Les températures des chambres catalytiques étant pilotées respectivement par les quantités injectées en amont de ces chambres : et , on en déduit les associations restantes possibles pour lier des grandeurs mesurables et commandables restantes : et . Cependant, on peut facilement contourner cette architecture. Ce contournement est l’objet de la présente demande de brevet. Il est possible de conserver un pilotage du débit d’air par la vitesse d’une machine électrique d’un turbocompresseur électrifié. Ici, la nouvelle relation pour ce pilotage est : : c’est bien la machine du turbocompresseur électrifié à basse pression qui est choisie pour la gestion du débit d’air. Ainsi, selon l’invention, le système de turbomachine comprend en outre un moyen de pilotage du débit d’air (Q air ) entrant dans le premier compresseur en fonction de la vitesse de rotation du premier générateur électrique (G2). Dans le cadre d’une turbogénératrice à deux étages, nous mettons en œuvre un pilotage des températures dans les chambres de combustion. Ainsi, les températures des chambres catalytiques restent pilotées respectivement par les quantités injectées en amont de ces chambres : et . De plus, les pressions P 3 et P 4 semblent difficilement pilotables autrement que par les deux turbines à géométrie variable. De ce fait, nous mettons en œuvre les relations suivantes entre ces pressions et les grandeurs commandables : et . De ces choix, il en résulte que la pression entre les deux compresseurs est pilotée par la vitesse de rotation de la machine électrique du turbocompresseur HP : La pression après le compresseur basse pression : Ainsi, selon l’invention, le système de turbomachine comprend en outre un moyen de pilotage de la pression en aval du premier compresseur en fonction de la vitesse de rotation du deuxième générateur électrique (G1). L’architecture « bas niveau » de la structure de contrôle de la turbogénératrice à double étage permet de déterminer plusieurs points de fonctionnement. Ces points de fonctionnement sont issus d’une analyse thermodynamique théorique du cycle à double étage (voir plus). Notre architecture sur le modèle de commande nous permet d’atteindre ces points de référence. Ces points atteignables dans la limite des approximations faites par le modèle théorique du système à double étage. Avec cette méthode, dont le débit d’air est piloté par la machine électrique basse pression, dont la pression P 3 est pilotée par la turbine à géométrie variable à haute pression ; et la température de la chambre de combustion à haute pression est pilotée par la quantité injectée en amont de celle-ci, on pourrait piloter autant d’étages que nécessaire. On illustre ici avec 3 étages ( FIG. 2 ). Avec l’approche de l’invention, on détermine facilement le lien entre les grandeurs mesurables et les grandeurs commandables. Le choix réalisé est le suivant : Le débit d’air est fonction de la vitesse de rotation de turbocompresseur électrifié de plus basse pression : . Pour chaque pression entre le compresseur de plus basse pression et le compresseur de plus haute pression, nous choisissons de piloter de la façon suivante : Pour chaque pression entre la turbine de plus haute pression et de plus basse pression, nous choisissons de piloter de la façon suivante : avec Avec - , la pression en sortie du compresseur du dernier étage de plus haute pression ; et - , la pression en entrée de la turbine de plus haute pression, c’est-à-dire celle en sortie de la chambre combustion de plus haute pression. La température dans la chambre de combustion est . L’intérêt de l’invention réside dans la simplification de l’association entre les grandeurs commandables et les grandeurs mesurables. L’invention concerne en outre un procédé de commande d’un système de turbomachine mettant en œuvre les moyens décrits précédemment. Le procédé comprend une étape de pilotage du débit d’air Q air en fonction de la vitesse de rotation du premier générateur électrique G2. Le procédé comprend en outre une étape de pilotage de la pression en aval du premier compresseur en fonction de la vitesse de rotation du deuxième générateur électrique G1. Dans le cas de systèmes à plusieurs étages, le procédé de commande peut comprendre en outre une étape de pilotage de la pression en entrée d’un étage en fonction de la vitesse de rotation de la turbine de l’étage suivant. Système de turbomachine d’un véhicule automobile, comprenant : - un premier turbocompresseur comprenant un premier compresseur (C1), une première turbine (T2) et un premier générateur électrique (G2) ; - un deuxième turbocompresseur comprenant un deuxième compresseur (C2), une deuxième turbine (T1) et un deuxième générateur électrique (G1) ; - deux chambres de combustion (CC1, CC2) ; - un refroidisseur (IC) de flux connecté au premier compresseur (C1) et au deuxième compresseur (C2) ; - un échangeur thermique (E1) connecté au deuxième compresseur (C2) et à une première chambre de combustion (CC1), elle-même étant connectée à la deuxième turbine (T1), la deuxième chambre de combustion (CC2) étant connectée aux deux turbines, le système étant configuré pour mettre en œuvre un flux de fluide (F1) du premier compresseur (C1) vers le refroidisseur (IC), vers le deuxième compresseur (C2), vers l’échangeur thermique (E1), vers la première chambre de combustion (CC1), vers la deuxième turbine (T1), vers la deuxième chambre de combustion (CC2), vers la première turbine (T2), de nouveau vers l’échangeur thermique (E1), le système de turbomachine comprenant en outre - un moyen de pilotage du débit d’air (Q air ) entrant dans le premier compresseur en fonction de la vitesse de rotation du premier générateur électrique (G2) ; et/ou - un moyen de pilotage d’une première pression (P2) en aval du premier compresseur (C1) en fonction de la vitesse de rotation du deuxième générateur électrique (G1). Système de turbomachine selon la revendication 1, dans lequel la deuxième turbine (T1) est une turbine à géométrie variable, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un moyen de commande de rotation de la deuxième turbine (T1), et un moyen de pilotage d’une deuxième pression (P3) en aval du deuxième compresseur (C2) en fonction de l’ouverture de la deuxième turbine (T1). Système de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel la première turbine (T2) est une turbine à géométrie variable, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un moyen de commande de rotation de la première turbine (T2), et un moyen de pilotage d’une troisième pression (P4) en aval de la deuxième turbine (T1) en fonction de l’ouverture de la première turbine (T2). Système de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un moyen de commande d’une quantité de fluide injecté (Q inj-HP , Q inj-LP ) dans la première (CC1) ou la deuxième chambre de combustion (CC2), et un moyen de pilotage de la température (T ch ) de ladite chambre de combustion (CC1, CC2) en fonction de ladite quantité de fluide injecté (Q inj-HP , Q inj-LP ). Système de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins un turbocompresseur intermédiaire comprenant un compresseur intermédiaire (CI) entre le premier compresseur (C1) et le deuxième compresseur (C2), une turbine intermédiaire (TI) entre la première turbine (T2) et la deuxième turbine (T1), un générateur électrique (GI) intermédiaire, ledit turbocompresseur intermédiaire formant au moins un étage intermédiaire, et le deuxième turbocompresseur formant un dernier étage, chaque étage intermédiaire comprenant une chambre de combustion intermédiaire (CCI) entre les turbines successives (T2, T1) ; et un refroidisseur (ICI) entre les compresseurs (C1, C2) successifs, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un moyen de pilotage de la pression en entrée d’un étage en fonction de la vitesse de rotation de la turbine de l’étage suivant. Véhicule automobile comprenant un système de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. Procédé de commande d’un système de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend : - une étape de pilotage du débit d’air (Q air ) entrant dans le premier compresseur en fonction de la vitesse de rotation du premier générateur électrique (G2), et/ou - une étape de pilotage de la pression en aval du premier compresseur en fonction de la vitesse de rotation du deuxième générateur électrique (G1). Procédé de commande selon la revendication 7 prise dans son rattachement à la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape de pilotage de la pression en entrée d’un étage intermédiaire en fonction de la vitesse de rotation de la turbine de l’étage suivant. Programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.