FR3133403A1 - Dispositif de turbomachine a chambres de combustion de configurations differentes et vehicule comprenant un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de turbomachine pour véhicule automobile, comprenant - au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur et une première turbine ;- une première chambre de combustion (CC1) connectée audit compresseur en amont et à ladite première turbine en aval ;- au moins une deuxième turbine ; et- une deuxième chambre de combustion connectée en amont à ladite première turbine, et en aval à ladite deuxième turbine ; caractérisé en ce que la première chambre de combustion (CC1) est une chambre à double flux configurée pour réduire les formations d’oxydes d’azote ; et la deuxième chambre de combustion est une chambre à simple flux configurée pour réduire les formations de monoxydes de carbone et d’hydrocarbures. L’invention concerne également un véhicule et un procédé sur la base d’un tel dispositif de turbomachine. Fig. 2
Description
L’invention se rapporte au domaine des dispositifs de turbomachines, notamment du type à cycle turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (IRReGT – pour «Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine» en langue anglaise). Ce type de turbomachine comprend généralement des turbines et compresseurs associés à des chambres de combustion avec une récupération de chaleur. L’invention concerne en particulier des applications utiles pour des véhicules automobiles.
L’invention concerne plus particulièrement les technologies de turbogénérateur proposées pour remplacer le moteur thermique à combustion interne dans les chaînes de traction fortement électrifiées, notamment pour les véhicules PHEV (« Plug-in Hybrid Electric Vehicles » en langue anglaise) à architecture hybride série (« Series Hybrid Electric Vehicules » en langue anglaise). La technologie promet les avantages suivants :
- Faible niveau d’émissions ;
- Faible niveau de bruit ;
- Pas de vibrations ;
- Pas de maintenance (à part changement filtre à huile) ;
- Capacité de fonctionner avec plusieurs types de carburants.
Les convertisseurs d’énergie type turbine à gaz sont largement étudiés en ce moment comme prolongateur d’autonomie (ou « range extender » en langue anglaise) dans les véhicules hybrides série. Ce convertisseur APU opère en mode auxiliaire (Auxiliary Power Unit) d’une chaine de traction d’un véhicule comme illustré en , où son rôle est de recharger les batteries B du véhicule. Il est ainsi mécaniquement découplé de la chaîne de traction EM et fonctionne ainsi sur son point de rendement maximal.
Le cycle turbine à gaz avec intercooler, récupérateur et réchauffe (ou « Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine – IRReGT » en langue anglaise) est un cycle à fort potentiel pour les applications automobiles. 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. Le « travail net spécifique » (ou densité de puissance) représente la quantité d’air nécessaire pour produire une puissance donnée.
L’utilisation d’une deuxième chambre de combustion (réchauffe) entre les turbines permet d’augmenter la densité de puissance, ce qui permet de réduire le débit d’air à iso-puissance et de réduire la taille.
Pour augmenter la densité de puissance, on utilise la post combustion dans la deuxième chambre de combustion.
Pour répondre aux exigences de normes en termes de pollution, qui deviennent de plus en plus sévères, le turbogénérateur doit émettre peu de NOx (oxydes d’azote), de CO (monoxydes de carbone) et HC (hydrocarbures).
Or le mécanisme de formation de ces polluants est contradictoire :
- le NOx se forme à haute température en présence d’excès d’O2(dioxygène) dans la combustion. Ainsi, pour le réduire, il faut baisser la température de combustion et augmenter la richesse ;
- les CO et HC se forment en cas de manque d’O2et de température faible (figeage de la cinématique de combustion). Ainsi, pour les réduire, il faut augmenter la température et l’O2.
- le NOx se forme à haute température en présence d’excès d’O2(dioxygène) dans la combustion. Ainsi, pour le réduire, il faut baisser la température de combustion et augmenter la richesse ;
- les CO et HC se forment en cas de manque d’O2et de température faible (figeage de la cinématique de combustion). Ainsi, pour les réduire, il faut augmenter la température et l’O2.
Ces mécanismes peuvent être présentés dans un Diagramme de Pischinger montrant des zones de formation des polluants en fonction de la température locale et de la richesse (excès d’air). L’utilisation de la même technologie pour les deux chambres de combustions rend la minimisation de ces émissions très compliquée.
Un objectif de l’invention est de proposer une solution de turbomachine plus écoresponsable permettant réduire les émissions NOx, de CO et de HC.
Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un dispositif de turbomachine pour véhicule automobile, comprenant
- au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur et une première turbine ;
- une première chambre de combustion connectée audit compresseur en amont et à ladite première turbine en aval ;
- au moins une deuxième turbine ; et
- une deuxième chambre de combustion connectée en amont à ladite première turbine, et en aval à ladite deuxième turbine ;
caractérisé en ce que la première chambre de combustion est une chambre à double flux configurée pour réduire les formations d’oxydes d’azote ; et la deuxième chambre de combustion est une chambre à simple flux configurée pour réduire les formations de monoxydes de carbone et d’hydrocarbures.
- au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur et une première turbine ;
- une première chambre de combustion connectée audit compresseur en amont et à ladite première turbine en aval ;
- au moins une deuxième turbine ; et
- une deuxième chambre de combustion connectée en amont à ladite première turbine, et en aval à ladite deuxième turbine ;
caractérisé en ce que la première chambre de combustion est une chambre à double flux configurée pour réduire les formations d’oxydes d’azote ; et la deuxième chambre de combustion est une chambre à simple flux configurée pour réduire les formations de monoxydes de carbone et d’hydrocarbures.
Avantageusement, l’invention propose le couplage de deux chambres de combustion de technologies différentes, afin de réduire les émissions globales de la machine.
La première chambre à double flux (de type sans flamme par exemple - « Mild » ou « Flameless » en langue anglaise) permet de réduire les NOx en jouant sur la concentration d’O2locale et sur le prémélange, car l’injection d’O2dans la chambre de combustion (interne) est moindre. Cette réduction de NOx sera accompagnée de production de CO et HC.
La deuxième chambre de combustion à simple flux (en particulier de type catalytique) permet ainsi de réduire le CO et le HC produit dans la première chambre. Cette deuxième chambre ne forme pas de NOx car on sera à 100% de gaz EGR (« Exhaust Gas Recirculation » en langue anglaise).
Selon une variante, la première chambre de combustion comprend une chambre de combustion centrale et un volume périphérique connectés en entrée à des buses d’injection. Cela permet d’utiliser les buses pour séparer le débit d’air en un double flux dans la première chambre de combustion.
Selon une variante, la première chambre de combustion comprend une chambre de combustion centrale et un volume périphérique avec une configuration de type sans flamme. Cela permet d’utiliser ces technologies pour séparer le débit d’air en un double flux dans la première chambre de combustion.
Selon une variante, la deuxième chambre de combustion comprend au moins un catalyseur imprégné d’au moins un matériau catalytique. De préférence, ledit matériau catalytique comprend au moins l’un parmi du Rhodium, du Palladium, et du Platine. Cela permet de réduire les émissions de CO, HC et NOx.
Selon une variante, le dispositif de turbomachine a une configuration de type turbine à gaz avec réchauffe.
Selon une variante, le dispositif de turbomachine a une configuration comprenant un récupérateur.
Selon une variante, le dispositif de turbomachine comprend plusieurs turbocompresseurs, ladite deuxième turbine étant une turbine d’un des turbocompresseurs.
L’invention porte en outre sur un procédé de fabrication d’un dispositif de turbomachine pour véhicule automobile, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
- connecter une arrivée de flux à au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur et une première turbine ;
- connecter une première chambre de combustion audit compresseur en amont et à ladite première turbine en aval ;
- connecter une deuxième chambre de combustion à ladite première turbine en amont et à une deuxième turbine en aval ;
caractérisé en ce que la première chambre de combustion est une chambre à double flux configurée pour réduire les formations d’oxydes d’azote ; et la deuxième chambre de combustion est une chambre à simple flux configurée pour réduire les formations de monoxydes de carbone et d’hydrocarbures.
- connecter une arrivée de flux à au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur et une première turbine ;
- connecter une première chambre de combustion audit compresseur en amont et à ladite première turbine en aval ;
- connecter une deuxième chambre de combustion à ladite première turbine en amont et à une deuxième turbine en aval ;
caractérisé en ce que la première chambre de combustion est une chambre à double flux configurée pour réduire les formations d’oxydes d’azote ; et la deuxième chambre de combustion est une chambre à simple flux configurée pour réduire les formations de monoxydes de carbone et d’hydrocarbures.
Un autre objet de l’invention concerne un véhicule automobile comprenant un dispositif de turbomachine selon l’invention.
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 un agencement de dispositif de turbomachine en tant qu’unité de puissance auxiliaire (Auxiliary Power Unit) pour une configuration de prolongateur d’autonomie de véhicule automobile ;
- illustre schématiquement une première chambre de combustion d’un dispositif de turbomachine selon un premier mode de réalisation ;
- illustre schématiquement des buses d’injection pour une première chambre de combustion selon la ;
- illustre schématiquement une première chambre de combustion d’un dispositif de turbomachine selon un deuxième mode de réalisation ;
- illustre un schéma fonctionnel d’un dispositif de turbomachine convenant à l’invention, ayant une configuration du type à turbine à gaz à réchauffe (ReGT – «Reheat Gas Turbine» en langue anglaise) ;
- illustre un schéma fonctionnel d’un dispositif de turbomachine convenant à l’invention, ayant une configuration du type à turbine à gaz à réchauffe et refroidisseur (IReGT – «Intercooler Reheat Gas Turbine» en langue anglaise) ;
- illustre un schéma fonctionnel d’un dispositif de turbomachine convenant à l’invention, ayant une configuration du type à turbine à gaz à réchauffe et récupérateur (RReGT – «Recuperative Reheat Gas Turbine» en langue anglaise) ;
- illustre un schéma fonctionnel d’un dispositif de turbomachine convenant à l’invention, ayant une configuration du type à turbine à gaz à réchauffe avec refroidisseur et récupérateur (IRReGT – «Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine» en langue anglaise).
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L’invention concerne un dispositif de turbomachine pour véhicule automobile.
Le dispositif de turbomachine comprend au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur C1, une première turbine T1, et au minimum une deuxième turbine T2. Selon la variante considérée, le dispositif peut comprendre plusieurs turbocompresseurs comme illustrés dans les figures 6 et 8. Dans ce cas, au moins un compresseur C2 supplémentaire peut être prévu.
Le dispositif de turbomachine comprend en outre une chambre de combustion CC1 connectée audit compresseur C1 en amont et à ladite première turbine T1 en aval. Selon la variante considérée, la chambre de combustion CC1 peut être connectée à l’autre compresseur C2 (figures 6 et 8). Elle peut être directement connectée audit compresseur, ou indirectement par l’intermédiaire d’un récupérateur R1.
Le dispositif de turbomachine comprend en outre une deuxième chambre de combustion CC2 connectée en amont à ladite première turbine T1, et en aval à ladite deuxième turbine T2.
Selon l’invention, la première chambre de combustion CC1 est une chambre à double flux configurée pour réduire les formations d’oxydes d’azote ; et la deuxième chambre de combustion CC2 est une chambre à simple flux configurée pour réduire les formations de monoxydes de carbone et d’hydrocarbures.
En particulier, l’invention consiste à utiliser sur une micro-turbine ou turbogénérateur à cycle thermodynamique avec réchauffe (ReGT / RReGT / IReGT / IRReGT /…), deux technologies de chambres de combustion CC1, CC2 différentes pour contrôler les émissions de NOx, CO et HC.
La première chambre de combustion CC1 est optimisée pour réduire le NOx et la deuxième chambre de combustion CC2 est optimisée pour réduire le CO et HC. La première chambre de combustion CC1 est de préférence de technologie dite sans flame ou douce (« flameless » ou « Mild » en langue anglaise) et la deuxième chambre de combustion CC2 est de préférence une chambre catalytique. La deuxième chambre de combustion CC2 peut être selon l’art antérieur par exemple.
La dépollution des systèmes de micro-turbines est un point délicat. Ces machines, contrairement à un moteur thermique à combustion interne, fonctionnent en continu (combustion continue) et donc la température doit être maintenue à des niveaux relativement faibles pour la tenue des matériaux.
Cela se fait en contrôlant le débit d’air et la quantité injectée et en maintenant une richesse (coefficient d’excès d’air par rapport à la combustion stœchiométrique) faible.
Ainsi, ces machines opèrent généralement avec des températures sortie chambre de combustion de l’ordre de 950°C à 1150°C.
Or avec ces températures et ces richesses, la réduction des NOx est problématique car il reste toujours un excès d’O2dans la combustion, favorisant la formation de NOx local.
De même, si on baisse la température pour s’éloigner de la zone de formation de NOx, on se retrouve avec des températures faibles et une formation de CO et HC importante.
Le fait d’avoir dans le cycle deux chambres de combustions CC1, CC2, permet d’avoir plus de degrés de liberté sur le contrôle de ces émissions (NOx d’un côté, et CO + HC de l’autre côté). Ainsi, le mécanisme de formation de ces émissions est complètement inversé. En effet, la haute température et l’excès d’O2favorisent la formation de NOx mais réduit le CO et HC ; et inversement, la faible température et la faible concentration d’O2réduit le NOx mais augmente le CO + HC.
L’invention concerne une solution technologique, faisable et industrialisable pour réduire à la fois le NOx, le CO et HC, à la source, sans besoin de système de dépollution spécifique.
Pour résoudre ce problème, nous avons utilisé une technologie de chambre de combustion douce (Mild) à double flux dans la première chambre de combustion CC1, illustrée en .
Dans cette architecture, le débit d’air M_air et divisé en deux parties, une partie M_air 1 entre dans la chambre de combustion interne CI et l’autre partie M_air 2 circule autour (dans un volume périphérique VP). A cet effet, des buses d’injection BI telles, qu’illustrée en , peuvent être utilisées.
Cela permet de réduire la quantité d’O2dans la chambre de combustion interne CI réduisant ainsi la probabilité qu’une molécule d’O2croise une molécule de N2à haute température pour former du NOx.
Le débit d’air total (M_air) est égal au débit d’air primaire (M_air 1) auquel s’ajoute le débit d’air secondaire (M_air 2).
A l’intérieur de la chambre de combustion interne CI, on peut avoir plusieurs technologies possibles, comme les chambres douce (Mild), sans flamme (Flameless) ou d’autres types de chambre (même les chambres à injecteurs simple).
Dans cette première chambre de combustion CC1, on donc va réussir à maitriser les niveaux de NOx très bas, en jouant sur la concentration d’O2, sur le mélange (la combustion) et sur la température maximale. La limitation de la température maximale va générer un peu de CO et de HC qui vont être traités dans la deuxième chambre de combustion CC2.
Dans la deuxième chambre de combustion CC2, on va être en chambre à simple flux. Cette chambre CC2 comprend un catalyseur imprégné de matériaux catalytiques (Rhodium, Palladium, Platine par exemple) qui vont permettre de réduire le CO, HC et NOx à haute température.
Cette deuxième chambre de combustion CC2 étant à simple flux, tout le débit d’air passe à l’intérieur. Etant donné qu’une première combustion a eu lieu (dans la première chambre de combustion CC1), les gaz qui rentrent dans la deuxième chambre de combustion CC2 contiennent du CO2et de H2O (produit de la combustion d’hydrocarbures). Ces gaz entrant dans cette deuxième chambre de combustion CC2 sont à 100% des gaz d’EGR, et donc naturellement cette deuxième chambre CC2 produit moins de NOx car la concentration d’O2est plus faible. Etant une chambre catalytique, elle permet d’oxyder complètement les CO et HC.
Le couplage de deux technologies de chambres de combustion CC1, CC2 semble être un moyen idéal pour atteindre les faibles émissions de NOx, HC et CO.
Une première chambre de combustion CC1 à technologie douce (Mild) illustrée en , a été testée par exemple et montre des très bas niveaux de NOx.
Des essais sur la première chambre de combustion CC1 de type douce (Mild), démontrant la qualité de la réduction des NOx et CO.
De même, des essais sur une deuxième chambre de combustion CC2 de type catalytique montrent des résultats intéressants, surtout sur la réduction du CO. Ceci confirme qu’un couplage de ces deux technologies dans une machine de type IRReGT est un moyen efficace pour réduire les émissions à la source.
La configuration avec deux chambres de combustion CC1, CC2 selon l’invention, est compatible avec toutes les architectures thermodynamiques utilisant une réchauffe (c’est-à-dire avec un récupérateur R1). Certaines de ces alternatives sont illustrées dans les figures 5 à 8.
Certaines de ces architectures incluent en outre un refroidisseur IC1 comment l’illustrent les figures 6 et 8.
Le fait de réduire les émissions à la source permet d’avoir un gain sur la fabrication du système. En effet, les matériaux catalytiques sont très rares et complexes à mettre en forme, notamment le Rhodium. Ce matériau est le principal matériau pour réduire les NOx. Ainsi, avec la première chambre de combustion CC1 à double flux, on peut réduire la quantité du Rhodium dans la chambre catalytique (deuxième chambre de combustion CC2). De plus, avec un cycle à réchauffe, le débit d’air est réduit, ce qui résulte en une réduction de la quantité de matériaux catalytique nécessaire.
L’invention permet de proposer un convertisseur à forte densité de puissance et faible volume, permettant de s’intégrer facilement dans un véhicule électrique pour hybrider sa batterie et proposer une voiture à forte autonomie et faible impact environnemental.
L’invention concerne en outre un procédé de fabrication d’un dispositif de turbomachine tel que décrit précédemment. Le procédé de fabrication comprend une étape pour connecter une arrivée de flux à au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur C1, optionnellement C2 selon la variante considérée, et une première turbine T1.
Le procédé se caractérise par la mise en place d’une première chambre de combustion CC1 qui est une chambre à double flux configurée pour réduire les formations d’oxydes d’azote ; et d’une deuxième chambre de combustion CC2 qui est une chambre à simple flux configurée pour réduire les formations de monoxydes de carbone et d’hydrocarbures.
Le procédé de fabrication comprend en outre une étape pour connecter la première chambre de combustion CC1 audit compresseur C1 en amont et à ladite première turbine T1 en aval.
Le procédé de fabrication comprend en outre une étape pour connecter la deuxième chambre de combustion CC2 à ladite première turbine T1 en amont et à une deuxième turbine T2 en aval.
Le dispositif est ensuite monté pour être utilisé de préférence dans un véhicule automobile.
L’invention concerne en outre un véhicule automobile comprenant un dispositif de turbomachine tel que décrit précédemment.
Claims (10)
- Dispositif de turbomachine pour véhicule automobile, comprenant
- au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur (C1, C2) et une première turbine (T1) ;
- une première chambre de combustion (CC1) connectée audit compresseur (C1, C2) en amont et à ladite première turbine (T1) en aval ;
- au moins une deuxième turbine (T2) ; et
- une deuxième chambre de combustion (CC2) connectée en amont à ladite première turbine (T1), et en aval à ladite deuxième turbine (T2) ;
caractérisé en ce que la première chambre de combustion (CC1) est une chambre à double flux configurée pour réduire les formations d’oxydes d’azote ; et la deuxième chambre de combustion (CC2) est une chambre à simple flux configurée pour réduire les formations de monoxydes de carbone et d’hydrocarbures. - Dispositif de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première chambre de combustion (CC1) comprend une chambre de combustion centrale (CI) et un volume périphérique (VP) connectés en entrée à des buses d’injection (BI).
- Dispositif de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première chambre de combustion (CC1) comprend une chambre de combustion centrale (CI) et un volume périphérique (VP) avec une configuration de type sans flamme.
- Dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la deuxième chambre de combustion (CC2) comprend au moins un catalyseur imprégné d’au moins un matériau catalytique.
- Dispositif de turbomachine selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit matériau catalytique comprend au moins l’un parmi du Rhodium, du Palladium, et du Platine.
- Dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il a une configuration de type turbine à gaz avec réchauffe.
- Dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il a une configuration comprenant un récupérateur (R1).
- Dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs turbocompresseurs, ladite deuxième turbine (T2) étant une turbine d’un des turbocompresseurs.
- Procédé de fabrication d’un dispositif de turbomachine pour véhicule automobile, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
- connecter une arrivée de flux à au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur (C1, C2) et une première turbine (T1) ;
- connecter une première chambre de combustion (CC1) audit compresseur (C1, C2) en amont et à ladite première turbine (T1) en aval ;
- connecter une deuxième chambre de combustion (CC2) à ladite première turbine (T1) en amont et à une deuxième turbine (T2) en aval ;
caractérisé en ce que la première chambre de combustion (CC1) est une chambre à double flux configurée pour réduire les formations d’oxydes d’azote ; et la deuxième chambre de combustion (CC2) est une chambre à simple flux configurée pour réduire les formations de monoxydes de carbone et d’hydrocarbures. - Véhicule automobile comprenant un dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
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Citations (5)
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-
2022
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