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La récupération de la chaleur des gaz d’échappement en utilisant le cycle thermodynamique de Rankinea est l’une des voies envisagées pour réduire la consommation des moteurs thermiques.

Bien maîtrisée pour des applications stationnaires, telles que les centrales thermiques, cette technologie devient très complexe pour les transports, en raison de conditions de fonctionnement éminemment transitoires, ce qui rend indispensable un système de contrôle/commande efficace.

Trois cas d'application ont été considérés par les équipes d’IFPEN :
 

  • les véhicules légers
      
  • les camions poids lourds,
      
  • et les trains à propulsion hybride Diesel-électriqueb.


La conception, pour chacun d’eux, d’un système Rankine pilote a nécessité de nouveaux développements en automatique, basés sur des modèles :
 

  • pour la régulation de la surchauffe en sortie d'évaporateur (cf. figure) : une nouvelle loi de commande non linéaire, permettant l'asservissement de la température et de la pression, a été proposée ;
           
  • pour la supervision énergétique du système Rankine : une démarche d’optimisation dynamique, permettant de calculer les consignes de la commande en fonction des conditions de roulage, a été mise en œuvre, afin de maximiser l'efficacité énergétique.

 

Régulation de surchauffe, sortie évaporateur
Régulation de surchauffe, sortie évaporateur.

 

La validation expérimentale du système a montré qu’il pouvait être maintenu dans des conditions permettant une récupération continue d’énergie, même sur des cycles routiers très dynamiques(1). On a ainsi pu vérifier que le gain énergétique apporté par l'optimisation dynamique en temps réel était significatif par rapport à l’existant(+ 7 %)(2).

Ces travaux pionniers font aujourd’hui référence dans le domaine de la commande des systèmes Rankine.


a- Cycle adiabatique permettant de transformer la chaleur en travail mécanique.
    
b- Ces derniers ont fait l’objet d’un co-développement avec la société Enogia.

 


(1)  J. Peralez, M. Nadri, P. Dufour, P. Tona, A. Sciarretta. Organic Rankine Cycle for Vehicles: Control Design and Experimental Results - IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2017, 25(3), pp. 952 - 965. 
>> DOI: 10.1109/TCST.2016.2574760
    
(2)  J. Peralez, P. Tona, M. Nadri, P. Dufour, A. Sciarretta. 
Optimal control for an organic rankine cycle on board a diesel-electric railcar - Journal of Process Control, vol. 33, 2015, pp. 1-13, ISSN 0959-1524. 
>> DOI : 10.1016/j.jprocont.2015.03.009

 


Contact scientifique : paolino.tona@ifpen.fr

> NUMÉRO 30 DE SCIENCE@IFPEN