EP1493979A1 - Installation de climatisation de véhicule fonctionnant selon un cycle supercritique - Google Patents

Installation de climatisation de véhicule fonctionnant selon un cycle supercritique Download PDF

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EP1493979A1
EP1493979A1 EP04013750A EP04013750A EP1493979A1 EP 1493979 A1 EP1493979 A1 EP 1493979A1 EP 04013750 A EP04013750 A EP 04013750A EP 04013750 A EP04013750 A EP 04013750A EP 1493979 A1 EP1493979 A1 EP 1493979A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
initial value
air
air conditioning
temperature
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04013750A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Mohamed Ben Yahia
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Climatisation SA
Original Assignee
Valeo Climatisation SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Climatisation SA filed Critical Valeo Climatisation SA
Publication of EP1493979A1 publication Critical patent/EP1493979A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/06—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
    • F25B2309/061—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/26—Problems to be solved characterised by the startup of the refrigeration cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/17—Control issues by controlling the pressure of the condenser

Definitions

  • the invention relates to air conditioning installations, in particular the passenger compartment of a vehicle.
  • Such air conditioning systems are provided with a refrigerant circuit comprising a compressor, a gas cooler, a detent, and a evaporator traveled in this order by the refrigerant.
  • supercritical refrigerants such as CO2
  • CO2 supercritical refrigerants
  • Air conditioning circuits operating with a supercritical fluid generally use an expansion device of the electronic expansion valve type.
  • An electronic expansion valve comprises an adjustable opening valve according to the intensity of a control signal. The flow of fluid at the outlet of the electronic expansion valve then varies depending on the signal strength control and consequently the cooling performance of the air conditioning loop depend on the intensity of this control signal.
  • the intensity the control signal of the detent is controlled by the regulator of air conditioner.
  • the controller of the air conditioning system when starting the air conditioning, the controller of the air conditioning system by default sets the initial intensity of the control signal which acts on the initial opening of valve. Since this initial intensity does not take into account the actual conditions of operation of the air-conditioning system, it sometimes triggers an opening too weak of the regulator and consequently, an overpressure at the outlet of the regulator. This overpressure can cause the maximum power to be exceeded and thus cause a overconsumption of the engine at start-up and in particular an overpressure with a rise very fast pressure. Conversely, when the initial value triggers an opening Too big the regulator, the high pressure slowly increases and the power refrigerant can be insufficient.
  • the invention improves the situation.
  • the electronic control device is suitable for calculating estimating the target value of the high pressure from the initial value of the fluid temperature at the outlet of the gas cooler.
  • the electronic control device is able to calculate an estimate of the value initial temperature of the fluid output gas cooler from the value initial air temperature at the inlet of the gas cooler.
  • the initial value of the fluid temperature at the inlet of the expansion member can be estimated from the initial value of the airflow temperature upstream of the gas cooler.
  • the installation may include a probe placed in the path of the airflow upstream of the gas cooler, able to provide the initial value of the airflow temperature in upstream gas cooler.
  • the electronic control device is capable of to estimate the initial value of the refrigerant flow in the expansion orifice from the initial value of the refrigerant flow in the compressor.
  • the electronic control device is capable of estimating the initial value of the flow rate of refrigerant in the compressor from the target value of the high pressure, the initial value of the pressure of the refrigerant at the outlet of the expansion element and the initial speed of rotation of the compressor.
  • the installation may include a sensor capable of providing the initial value the pressure of the fluid at the outlet of the expansion orifice.
  • the electronic control device is able to transmit the initial value of the signal the air conditioning regulator, the air conditioning regulator being adapted to apply said initial value of the control signal for a shorter duration or equal to 10 seconds.
  • the invention also covers a product program, which can be defined as including the functions used to estimate the power absorbed by the compressor.
  • Appendix A contains the main mathematical equations used to implement implement the installation.
  • the compressor 14 may be an electric or mechanical compressor.
  • the cooling member 11 receives a flow of air 16 to evacuate the heat taken from the refrigerant, which under certain operating conditions is set in motion by a fan motor unit 15.
  • the evaporator 13 receives an air stream 18 from a blower 20 and produces a flow of conditioned air which is sent to the passenger compartment of the vehicle.
  • the air conditioning circuit of Figure 1 operates in a supercritical cycle.
  • the air conditioning circuit is traversed by a supercritical refrigerant, for example the CO2 refrigerant.
  • a supercritical refrigerant for example the CO2 refrigerant.
  • high pressure to high temperature is above the critical pressure of the fluid.
  • the body of cooling 11 is an external cooler ("gas cooler").
  • the internal heat exchanger 9 allows the circulating fluid of the gas cooler 11 to the regulator to give heat to the fluid flowing from the evaporator to the compressor.
  • the detent 12 is an orifice whose section varies according to the intensity of a PWM control signal, hereinafter referred to as an "electronic expander”.
  • FIG. 2 is a diagram showing an air conditioning installation according to the invention, set up in a motor vehicle.
  • the vehicle is equipped with the air conditioning 10 described with reference to Figure 1.
  • the installation is furthermore provided with an air conditioning computer 40, comprising a cockpit controller 41 and an air conditioning loop controller 402.
  • the regulator cabin 41 is intended to set the temperature of the pulsed air at the entry of the evaporator 13.
  • the air conditioning regulator 402 imposes a default value of the the initial PWM_init control signal without taking into account the actual conditions of operation. This initial value then controls an initial opening of the orifice of relaxation, not optimized with respect to actual operating conditions that may have as a result overconsumption of the engine or a cooling capacity insufficient.
  • the air conditioning installation according to the invention proposes to optimize the initialization of the opening of the detent device taking into account the actual conditions of operation.
  • French Patent Application No. 0206724 establishes a relationship between the flow rate of refrigerant m CO2_OD in the electronic expander and the pressure of the fluid Pin at the inlet of the electronic expander, the pressure of the fluid Pout at the outlet of the electronic expander, the temperature Tin in input of the electronic holder and the PWM intensity of the control signal, in a circuit operating in a supercritical cycle. This relationship is given in Part A1 of Appendix A.
  • the present invention proposes to optimize the initialization of the electronic expander from the above-mentioned relation linking the PWM intensity, the flow rate of refrigerant in the expansion orifice m CO2_OD , the temperature Tin, the pressure Pout and the pressure Pin .
  • the cockpit regulator 41 and the air conditioning circuit 10 are connected to a device control electronics, for example an electronic card 401 for an exchange information.
  • the electronic card 401 is programmed to solve the equations that allow to obtain an estimate of the initial intensity of the PWM_init control signal.
  • the electronic card 401 can be arranged to transmit the information that results these estimates to the injection computer of the vehicle, when the vehicle is equipped.
  • the air conditioning loop controller 402 having in particular the role of adapting the amount of heat taken from the passenger compartment, said power refrigerant, to reach the setpoint of air temperature blown at the exit of the evaporator or the reference of the cabin sensor.
  • the cabin controller 41 exchanges information with the climate control unit relative to the air setpoint blown at the outlet of the evaporator.
  • the electronic card 401 retrieves information 30 from sensors installed. on the air conditioning unit.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the influence of the control PWM signal on the rate of opening of the electronic expansion valve 12. This figure shows that the rate of opening of the electronic expansion valve is a decreasing function of the PWM control signal.
  • a weak initial PWM_init intensity will trigger a very large opening of the section passage of the regulator and consequently insufficient cooling capacity because the high pressure is too low.
  • a high initial PWM_init intensity will trigger a very small opening of the regulator passage section and consequently an overpressure important when starting the air conditioning loop.
  • FIG. 4 represents the steps of the estimation of the initial value of the PWM control intensity.
  • the electronic card When the electronic card detects in step 100 that the air conditioning A / C is actuated, and in step 101 that the compressor is running, it performs steps 102 to 114 for estimate the initial intensity of the PWM_init control signal.
  • step 102 the electronic card recovers the temperature of the air Tai at the inlet of the gas cooler 11.
  • the temperature Tai of the air upstream of the gas cooler can be measured by a probe 200 placed on the path of the air flow entering the gas cooler 11.
  • the temperature Tai can be estimated by the electronic card, from the instantaneous values of the forward speed Va of the vehicle and the temperature of the air outside the vehicle Text.
  • the forward speed Va is available on the vehicle. It can be provided by example by the engine computer or the air conditioning computer.
  • the installation may include a temperature probe that provides a measure of the Text temperature of the air outside the vehicle.
  • step 104 the electronic card then determines the temperature Tgco of the CO2 fluid, at the outlet of the gas cooler 11 from the value of the temperature of the air flow in upstream of the Tai gas cooler.
  • the plaintiff has observed that choosing the temperature Tgco equal to the temperature of the air flow upstream of the gas cooler, the initialization of the expansion orifice is improved.
  • step 106 the electronic card measures an initial value Pout_init of the pressure of the CO2 fluid, at the outlet of the regulator, before starting the compressor.
  • This pressure can be measured by a sensor 202 placed at the outlet of the gas cooler 11.
  • the electronic card estimates the initial value of the Tin_init temperature of the CO2 fluid at the inlet of the regulator from the difference between the initial value of the Tai air temperature upstream of the gas cooler and an optimal value of the temperature of the air blown at the outlet of the evaporator Tt, according to equation (4) of Annex A.
  • This value is chosen to optimize the comfort in the passenger compartment and to meet the user's cold demand.
  • the temperature value Tt is taken equal to 10 ° C. This value may vary by plus or minus 5 ° C, without this modifying substantially the calculated value of the intensity of the PWM_init control signal.
  • step 110 the electronic card estimates a target value Pin_vrise of the pressure of the CO2 fluid at the inlet of the regulator which allows to obtain optimal conditions of operation.
  • This value Pin_vrise is calculated from the temperature Tgco obtained in step 104, in accordance with equation (5) of Appendix A.
  • the value Pin_vrise allows maximize the coefficient of performance COP.
  • FIG. 6 illustrates the relationship linking the fluid pressure to the inlet of the expansion device Pin_vised and the coefficient of performance COP.
  • the optimum value of fluid pressure at the input of the expansion element Pin_vrise corresponds to a coefficient of performance maximum.
  • the Applicant has determined that for a given temperature Tgco output of the gas cooler, there is a value of the Pin_vrise pressure which maximizes the coefficient of performance according to equation (5) of Annex A.
  • curves a ', b' and c 'in broken lines represent the evolution of the fluid pressure at the inlet of the expansion orifice Pin as a function of the Tgco fluid temperature for three different outdoor conditions.
  • step 112 the electronic board estimates the initial value of the flow of refrigerant M CO2_OD_ init in the expansion orifice. This value of the flow must make it possible to obtain an optimal high pressure and corresponds to the flow of fluid sucked by the compressor at startup.
  • the flow rate of refrigerant in the compressor is related to the compressor capacity C y , the high pressure, the low pressure and the speed of rotation of the compressor N, according to equation (3) of Appendix A.
  • the parameters k3 and k4 are constants that characterize the degradation of the volumetric efficiency as a function of the compression ratio. For example k3 can be of the order of 0.95 to 0.96 and k4 of the order of 0.85.
  • Pin_vrise high pressure is provided in step 110 and the low Pout_init is supplied in step 106.
  • the compressor At startup, the compressor is in maximum displacement and in this case the cylinder capacity Cy is known.
  • the initial value of the rotation speed N0 is available on the vehicle. She can be provided for example by the engine computer.
  • the electronic card can therefore calculate the fluid flow rate for a compressor in maximum cubic capacity according to this equation.
  • Equation (1) in Appendix A gives the general form of the relationship between fluid flow refrigerant in the expansion orifice at the temperature of the fluid entering the Tin regulator, the fluid pressure at the inlet of the Pin expander, the fluid pressure at the outlet of the expander Pout, and the intensity of the PWM control signal.
  • the function k is a characteristic defining the opening of the expander 12 as a function of the PWM current supplied to the valve.
  • ⁇ 0 is the density of the fluid at the inlet of the expander and is estimated from the temperature of the fluid entering the expansion orifice Tin and the pressure of the fluid entering the expansion orifice Pin, according to the relation (2) of Annex A.
  • step 114 the electronic card solves equation (1) of Annex A from the operating conditions at the start of the air conditioning, ie from the initial value of the fluid pressure Pout_init at the input of the the expansion orifice obtained in step 106, the initial value of the temperature of the fluid at the inlet of the Tin_init expansion orifice obtained in step 108, the target value of the fluid pressure Pin_vrise calculated at the step 110, and the initial value of the flow of refrigerant in the expansion member m CO2_OD_init estimated at step 112.
  • This equation provides the initial intensity PWM_init of the command signal from the CO2 electronic expansion valve. This intensity is transmitted to the regulator of 402 which uses it to initialize the electronic expansion valve 12. This value will be applied only at start-up for a predefined period of time between 3 and About 10 seconds.
  • FIG. 5 illustrates the effects of the initialization of the electronic expansion valve according to the invention.
  • curve represented by small squares represents the evolution of the outlet pressure of the regulator as a function of time in the air conditioning system of the invention.
  • curve in solid line represents the evolution of the pressure output of the regulator as a function of time, according to an embodiment of the prior art where the initial intensity of the PWM signal is chosen by default.
  • the initialization of the electronic expansion valve proposed by the air conditioning system according to the invention is particularly useful when the vehicle is idling, when the starting the air conditioning and at high temperature. In these circumstances, there is effect a risk of overpressure which may lead to exceeding the maximum pressure on duty.
  • the present invention also aims at the software code that it involves, while especially when it is made available on any support readable on a computer.
  • computer-readable medium covers a storage medium, for example magnetic or optical, as well as a transmission means, such as a signal digital or analog.

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Abstract

L'invention propose une installation de climatisation, notamment pour véhicule à moteur, munie d'un régulateur de climatisation et d'un circuit de fluide frigorigène fonctionnant selon un cycle supercritique. Le circuit comportant un compresseur, un organe de refroidissement, un orifice de détente dont le degré d'ouverture varie en fonction de l'intensité d'un signal de commande, un évaporateur. Le régulateur de climatisation est apte à commander le degré d'ouverture initial de l'orifice de détente au démarrage de la climatisation à partir d'une valeur initiale prédéfinie du signal de commande. Le dispositif électronique de commande est propre à calculer la valeur initiale du signal de commande (PWM_init) à partir: d'une estimation de la valeur initiale de la température du fluide à l'entrée de l'organe de détente (Tin_init), de la valeur initiale de la pression du fluide à la sortie de l'organe de détente (Pout_init) et de la valeur initiale du débit de fluide frigorigène dans l'orifice de détente (mCO2_OD_init), et d'une estimation de la valeur de la pression du fluide en entrée de l'orifice de détente (Pin_visée) qui maximise le coefficient de performance, dite valeur visée de la haute pression. <IMAGE>

Description

L'invention concerne les installations de climatisation, notamment de l'habitacle d'un véhicule.
De telles installations de climatisation sont munies d'un circuit de fluide réfrigérant comportant un compresseur, un refroidisseur de gaz, un organe de détente, et un évaporateur parcourus dans cet ordre par le fluide réfrigérant.
L'utilisation des fluides frigorigènes supercritiques, tel que le CO2, s'est développée dans les circuits de climatisation des véhicules pour limiter les effets néfastes sur l'environnement des composants fluorés, utilisés classiquement comme fluides frigorigènes. Les fluides frigorigènes supercritiques, en particulier le CO2, possèdent en effet un potentiel de réchauffement de la planète nettement inférieur à celui des fluides frigorigènes sous-critiques tels que les composés fluorés.
Les circuits de climatisation fonctionnant avec un fluide supercritique utilisent en général un organe de détente de type détendeur électronique. Un détendeur électronique comporte une vanne à ouverture réglable en fonction de l'intensité d'un signal de commande. Le débit de fluide en sortie du détendeur électronique varie alors en fonction de l'intensité du signal de commande et par suite les performances frigorifiques de la boucle de climatisation dépendent de l'intensité de ce signal de commande.
Dans une installation de climatisation fonctionnant selon un cycle supercritique, l'intensité du signal de commande de l'organe de détente est contrôlée par le régulateur de climatisation.
Toutefois, au démarrage de la climatisation, le régulateur de l'installation de climatisation fixe par défaut l'intensité initiale du signal de commande qui agit sur l'ouverture initiale de la vanne. Comme cette intensité initiale ne prend pas en compte les conditions réelles de fonctionnement de l'installation de climatisation, il arrive qu'elle déclenche une ouverture trop faible du détendeur et par suite, une surpression en sortie du détendeur. Cette surpression peut entraíner un dépassement de la puissance maximale et provoquer ainsi une surconsommation du moteur au démarrage et notamment une surpression avec une montée très rapide de la pression. Inversement, lorsque la valeur initiale déclenche une ouverture trop importante du détendeur, la haute pression augmente lentement et la puissance frigorifique peu alors être insuffisante.
L'invention vient améliorer la situation.
Elle propose à cet effet une installation de climatisation, notamment pour véhicule à moteur, munie d'un régulateur de climatisation et d'un circuit de fluide frigorigène fonctionnant selon un cycle supercritique. Le circuit comporte un compresseur, un organe de refroidissement, un orifice de détente dont le degré d'ouverture varie en fonction de l'intensité d'un signal de commande, un évaporateur, le régulateur de climatisation étant apte à commander le degré d'ouverture initial de l'orifice de détente au démarrage de la climatisation à partir d'une valeur initiale prédéfinie du signal de commande. Avantageusement, l'installation comporte en outre un dispositif électronique de commande propre à calculer ladite valeur initiale du signal de commande à partir:
  • d'une estimation de la valeur initiale de la température du fluide à l'entrée de l'organe de détente, de la valeur initiale de la pression du fluide à la sortie de l'organe de détente et de la valeur initiale du débit de fluide frigorigène dans l'orifice de détente, et
  • d'une estimation de la valeur de la pression du fluide en entrée de l'orifice de détente qui maximise le coefficient de performance, dite valeur visée de la haute pression.
Selon un aspect de l'invention, le dispositif électronique de commande est propre à calculer l'estimation de la valeur visée de la haute pression à partir de la valeur initiale de la température du fluide en sortie du refroidisseur de gaz.
Le dispositif électronique de commande peut comprendre une fonction de calcul utilisant l'équation linéaire suivante liant la valeur visée de la haute pression à la température du fluide en sortie du refroidisseur de gaz : Pin_visée = 2,56. Tgco - 4,2
Le dispositif électronique de commande est propre à calculer une estimation de la valeur initiale de la température du fluide en sortie du refroidisseur de gaz à partir de la valeur initiale de la température de l'air en entrée du refroidisseur de gaz.
La valeur initiale de la température du fluide à l'entrée de l'organe de détente peut être estimée à partir de la valeur initiale de la température du flux d'air en amont du refroidisseur de gaz.
L'installation peut comporter une sonde, placée sur le trajet du flux d'air en amont du refroidisseur de gaz, propre à fournir la valeur initiale de la température du flux d'air en amont refroidisseur de gaz.
En variante, le dispositif électronique de commande peut calculer la valeur initiale de la température du flux d'air en amont du refroidisseur de gaz à partir:
  • de la température de l'air extérieur et
  • de la vitesse d'avancement du véhicule.
Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif électronique de commande est capable d'estimer la valeur initiale du débit de fluide frigorigène dans l'orifice de détente à partir de la valeur initiale du débit de fluide frigorigène dans le compresseur.
Le dispositif électronique de commande est capable d'estimer la valeur initiale du débit de fluide frigorigène dans le compresseur à partir de la valeur visée de la haute pression, de la valeur initiale de la pression du fluide frigorigène en sortie de l'organe de détente et de la vitesse de rotation initiale du compresseur.
En complément, l'installation peut comporter un capteur propre à fournir la valeur initiale de la pression du fluide à la sortie de l'orifice de détente.
Le dispositif électronique de commande est apte à transmettre la valeur initiale du signal de commande au régulateur de climatisation, le régulateur de climatisation étant apte à appliquer ladite valeur initiale du signal de commande pendant une durée inférieure ou égale à 10 secondes.
L'invention couvre également un programme-produit, qui peut être défini comme comprenant les fonctions mises en oeuvre pour estimer la puissance absorbée par le compresseur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels:
  • la figure 1 est un schéma d'une installation de climatisation fonctionnant selon un cycle supercritique;
  • la figure 2 est un schéma d'une installation de climatisation de véhicule automobile à moteur muni d'un dispositif électronique de commande, selon l'invention;
  • la figure 3 est un diagramme illustrant la courbe de régulation de l'ouverture de l'organe de détente par rapport au signal de commande;
  • la figure 4 est un organigramme illustrant les différentes étapes mises en oeuvre par l'installation de climatisation selon l'invention;
  • la figure 5 illustre l'évolution du débit de fluide et de la pression de fluide en fonction du temps; et
  • la figure 6 illustre la relation entre la pression optimale du fluide en sortie du refroidisseur de gaz et la température de fluide en sortie du refroidisseur de gaz.
L'annexe A comporte les équations mathématiques principales utilisées pour mettre en oeuvre l'installation.
Les dessins contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la description, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant.
On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente un schéma d'un circuit de climatisation 10 destiné à être intégré à un véhicule automobile. Le circuit de climatisation est parcouru par un fluide frigorigène. Le circuit comporte en outre:
  • un compresseur 14 propre à recevoir le fluide à l'état gazeux et à le comprimer,
  • un refroidisseur de gaz 11 propre à refroidir le gaz comprimé par le compresseur, à pression sensiblement constante,
  • un organe de détente 12 propre à abaisser la pression du fluide issu d'un échangeur interne 9, et
  • un évaporateur 13 propre à faire passer le fluide à l'état liquide provenant de l'organe de détente à l'état gazeux, à pression sensiblement constante, pour produire un flux d'air climatisé 21 qui est envoyé vers l'habitacle du véhicule.
Le compresseur 14 peut être un compresseur électrique ou mécanique.
L'organe de refroidissement 11 reçoit un flux d'air 16 pour évacuer la chaleur prélevée au fluide frigorigène, qui dans certaines conditions de fonctionnement est mis en mouvement par un groupe moto-ventilateur 15.
L'évaporateur 13 reçoit un flux d'air 18 d'un pulseur 20 et produit un flux d'air climatisé qui est envoyé vers l'habitacle du véhicule.
Le circuit de climatisation de la figure 1 fonctionne selon un cycle supercritique. Par suite, le circuit de climatisation est parcouru par un fluide frigorigène supercritique, par exemple le fluide frigorigène CO2. Pour les fluides supercritiques, la haute pression à forte température est supérieure à la pression critique du fluide. Par ailleurs, l'organe de refroidissement 11 est un refroidisseur externe ("gas cooler").
L'échangeur thermique interne 9 permet au fluide circulant du refroidisseur de gaz 11 vers le détendeur de céder de la chaleur au fluide circulant de l'évaporateur vers le compresseur.
L'organe de détente 12 selon l'invention est un orifice dont la section varie en fonction de l'intensité d'un signal de commande PWM, désigné ci-après par "détendeur électronique".
Dans les circuits de climatisation fonctionnant selon un cycle supercritique, le refroidissement du fluide après compression n'entraíne pas de changement de phase. Le fluide ne passe à l'état liquide qu'au cours de la détente. L'échangeur thermique interne 9 permet de refroidir fortement le fluide sortant du refroidisseur externe 11.
La figure 2 est un schéma représentant une installation de climatisation selon l'invention, mise en place dans un véhicule automobile. Le véhicule est équipé du circuit de climatisation 10 décrit en référence à la figure 1.
L'installation est en outre munie d'un calculateur de climatisation 40, comprenant un régulateur d'habitacle 41 et un régulateur de boucle de climatisation 402. Le régulateur d'habitacle 41 est destiné à fixer la consigne de température de l'air pulsé à l'entrée de l'évaporateur 13.
Dans les installations de climatisation de l'art antérieur, au démarrage de l'installation de climatisation, le régulateur de climatisation 402 impose une valeur par défaut de la valeur initiale du signal de commande PWM_init sans tenir compte des conditions réelles de fonctionnement. Cette valeur initiale commande alors une ouverture initiale de l'orifice de détente, non optimisée par rapport aux conditions réelles de fonctionnement qui peut avoir comme conséquence une surconsommation du moteur ou une puissance frigorifique insuffisante.
L'installation de climatisation selon l'invention propose d'optimiser l'initialisation de l'ouverture de l'organe de détente en prenant en compte les conditions réelles de fonctionnement.
La demande de brevet français N°0206724 établit une relation entre le débit de fluide frigorigène mCO2_OD dans le détendeur électronique et la pression du fluide Pin en entrée du détendeur électronique, la pression du fluide Pout en sortie du détendeur électronique, la température Tin en entrée du détenteur électronique et l'intensité PWM du signal de commande, dans un circuit fonctionnant selon un cycle supercritique. Cette relation est donnée dans la partie A1 de l'annexe A.
La présente invention propose d'optimiser l' initialisation du détendeur électronique à partir de la relation précitée liant l'intensité PWM, le débit de fluide frigorigène dans l'orifice de détente mCO2_OD, la température Tin, la pression Pout et la pression Pin.
Le régulateur de l'habitacle 41 et le circuit de climatisation 10 sont reliés à un dispositif électronique de commande, par exemple une carte électronique 401 pour un échange d'informations.
La carte électronique 401 est programmée pour résoudre les équations qui permettent d'obtenir une estimation de l'intensité initiale du signal de commande PWM_init.
La carte électronique 401 peut être agencée pour transmettre les informations qui résultent de ces estimations au calculateur d'injection du véhicule, lorsque le véhicule en est muni.
Elle est en liaison avec le régulateur de boucle de climatisation 402, ce dernier ayant notamment le rôle d'adapter la quantité de chaleur prélevée dans l'habitacle, dite puissance frigorifique, pour atteindre la consigne de température d'air soufflé à la sortie de l'évaporateur ou la consigne de la sonde de l'habitacle.
Le régulateur d'habitacle 41 échange des informations avec le régulateur de climatisation relatives à la consigne d'air soufflé à la sortie de l'évaporateur.
La carte électronique 401 récupère des informations 3 0 provenant de capteurs mis en place sur l'appareil de climatisation.
La figure 3 est un diagramme illustrant l'influence du signal PWM de commande sur le taux d'ouverture du détendeur électronique 12. Cette figure montre que le taux d'ouverture du détendeur électronique est une fonction décroissante du signal de commande PWM. Une intensité initiale PWM_init faible déclenchera une ouverture très importante de la section de passage du détendeur et par suite une puissance frigorifique insuffisante car la haute pression est trop faible. Inversement, une intensité initiale PWM_init élevée déclenchera une ouverture très faible de la section de passage du détendeur et par suite une surpression importante au démarrage de la boucle de climatisation.
La description qui suit sera faite en référence à la figure 4 qui représente les étapes de l'estimation de la valeur initiale de l'intensité de commande PWM.
Lorsque la carte électronique détecte à l'étape 100 que la climatisation A/C est actionnée, et à l'étape 101 que le compresseur est en marche, elle effectue les étapes 102 à 114 pour estimer l'intensité initiale du signal de commande PWM_init.
Plus précisément, à l'étape 102, la carte électronique récupère la température de l'air Tai en entrée du refroidisseur de gaz 11.
La température Tai de l'air en amont du refroidisseur de gaz peut être mesurée par une sonde 200 placé sur le trajet du flux d'air entrant dans le refroidisseur de gaz 11.
En variante, la température Tai peut être estimée par la carte électronique, à partir des valeurs instantanées de la vitesse d'avancement Va du véhicule et de la température de l'air extérieur au véhicule Text.
La vitesse d'avancement Va est disponible sur le véhicule. Elle peut être fournie par exemple par le calculateur moteur ou le calculateur de climatisation.
L'installation peut comprendre une sonde de température qui fournit une mesure de la température Text de l'air extérieur au véhicule.
A l'étape 104, la carte électronique détermine ensuite la température Tgco du fluide CO2, en sortie du refroidisseur de gaz 11 à partir de la valeur de la température du flux d'air en amont du refroidisseur de gaz Tai. En particulier, la demanderesse a observé qu'en choisissant la température Tgco égale à la température du flux d'air en amont du refroidisseur de gaz, l'initialisation de l'orifice de détente est améliorée.
A l'étape 106, la carte électronique mesure une valeur initiale Pout_init de la pression du fluide CO2, à la sortie du détendeur, avant le démarrage du compresseur. Cette pression peut être mesurée par un capteur 202 placé en sortie du refroidisseur de gaz 11.
A l'étape 108, la carte électronique estime la valeur initiale de la température Tin_init du fluide CO2 à l'entrée du détendeur à partir de la différence entre la valeur initiale de la température de l'air Tai en amont du refroidisseur de gaz et une valeur optimale de la température de l'air soufflé en sortie de l'évaporateur Tt, conformément à l'équation (4) de l'annexe A. Cette valeur est choisie pour optimiser le confort dans l'habitacle et pour répondre à la demande de froid de l'utilisateur. En particulier la valeur de température Tt est prise égale à 10°C. Cette valeur peut varier de plus ou moins 5 °C, sans que cela modifie sensiblement la valeur calculée de l'intensité du signal de commande PWM_init.
A l'étape 110, la carte électronique estime une valeur visée Pin_visée de la pression du fluide CO2 en entrée du détendeur qui permet obtenir des conditions optimales de fonctionnement. Cette valeur Pin_visée est calculée à partir de la température Tgco obtenue à l'étape 104, conformément à l'équation (5) de l'annexe A. La valeur Pin_visée permet de maximiser le coefficient de performance COP.
La figure 6 illustre la relation liant la pression du fluide en entrée de l'organe de détente Pin_visée et le coefficient de performance COP. La valeur optimale de la pression du fluide en entrée de l'organe de détente Pin_visée correspond à un coefficient de performance maximal. La Demanderesse a déterminé que, pour une température Tgco donnée en sortie du refroidisseur de gaz, il existe une valeur de la pression Pin_visée qui maximise le coefficient de performance, conformément à l'équation (5) de l'annexe A.
En effet, sur la figure 6, les trois courbes a', b', c' en traits interrompus représentent l'évolution de la pression du fluide en entrée de l'orifice de détente Pin en fonction de la température du fluide Tgco pour trois conditions extérieures différentes. Par ailleurs, les courbes a, b, c en traits pleins sur la figure 6 représentent l'évolution de la pression du fluide en entrée de l'orifice de détente Pin en fonction du coefficient de performance COP calculé ou constaté respectivement pour ces trois conditions extérieures. On constate que le coefficient de performance est maximal quand la courbe D d'équation Pin=2,56*Tgco - 4,2 coupe les courbes en pointillées. Il est ainsi possible de lire en ordonnée la haute pression optimale visée pour atteindre le meilleur COP.
A l'étape 112, la carte électronique estime la valeur initiale du débit de fluide frigorigène MCO2_OD_init dans l'orifice de détente. Cette valeur du débit doit permettre l'obtention d'une haute pression optimale et correspond au débit de fluide aspiré par le compresseur au démarrage.
La Demanderesse a observé qu'on peut obtenir un tel fonctionnement optimal en estimant le débit de fluide frigorigène dans l'orifice de détente à partir du débit de fluide dans le compresseur et notamment en le prenant égal à celui-ci.
Le débit de fluide frigorigène dans le compresseur est lié à la cylindrée du compresseur Cy, à la haute pression, à la basse pression et à la vitesse de rotation du compresseur N, selon l'équation (3) de l'annexe A. Les paramètres k3 et k4 sont des constantes qui caractérisent la dégradation du rendement volumétrique en fonction du taux de compression. Par exemple k3 peut être de l'ordre de 0,95 à 0,96 et k4 de l'ordre de 0,85. La haute pression Pin_visée est fournie à l'étape 110 et la basse pression Pout_init est fournie à l'étape 106.
Au démarrage, le compresseur est en cylindrée maximale et dans ce cas la cylindrée Cy est connue. La valeur initiale de la vitesse de rotation N0 est disponible sur le véhicule. Elle peut être fournie par exemple par le calculateur moteur. La carte électronique peut donc calculer le débit de fluide pour un compresseur en cylindrée maximale selon cette équation.
L'équation (1) de l'annexe A donne la forme générale de la relation qui lie le débit de fluide frigorigène dans l'orifice de détente à la température du fluide en entrée du détendeur Tin, la pression du fluide en entrée du détendeur Pin, la pression du fluide en sortie du détendeur Pout, et à l'intensité du signal de commande PWM.
Dans l'équation (1), la fonction k est une caractéristique définissant l'ouverture du détendeur 12 en fonction du courant PWM soumis à la vanne. ρ0 est la densité du fluide à l'entrée du détendeur et est estimée à partir de la température du fluide en entrée de l'orifice de détente Tin et de la pression du fluide en entrée de l'orifice de détente Pin, selon la relation (2) de l'annexe A.
A l'étape 114, la carte électronique résout l'équation (1) de l'annexe A à partir des conditions de fonctionnement au démarrage de la climatisation, i.e. à partir de la valeur initiale de la pression du fluide Pout_init en entrée de l'orifice de détente obtenue à l'étape 106, de la valeur initiale de la température du fluide en entrée de l'orifice de détente Tin_init obtenue à l'étape 108, de la valeur visée de la pression du fluide Pin_visée calculée à l'étape 110, et de la valeur initiale du débit de fluide frigorigène dans l'organe de détente mCO2_OD_init estimée à l'étape 112.
La résolution de cette équation fournit l'intensité initiale PWM_init du signal de commande du détendeur électronique au CO2. Cette intensité est transmise au régulateur de climatisation 402 qui l'utilise pour initialiser le détendeur électronique 12. Cette valeur sera appliquée uniquement au démarrage pendant un laps de temps prédéfini compris entre 3 et 10 secondes environ.
La figure 5 illustre les effets de l'initialisation du détendeur électronique selon l'invention.
La courbe matérialisée par des petits carrés (courbe (b)) représente l'évolution de la pression en sortie du détendeur en fonction du temps, dans l'installation de climatisation de l'invention. La courbe en trait continu (courbe (a)) représente l'évolution de la pression en sortie du détendeur en fonction du temps, selon une réalisation de l'art antérieur où l'intensité initiale du signal PWM est choisie par défaut.
Sur la courbe (a) correspondant à l'art antérieur, on observe une surpression S importante, après l' initialisation, qui provoque une surcharge sur le compresseur et donc sur le moteur.
Sur la courbe (b) correspondant à l'installation de climatisation selon l'invention, on observe en revanche une montée en pression qui est sans surpression tout en étant assez rapide pour disposer au plus tôt de la puissance frigorifique.
L'initialisation du détendeur électronique proposée par l'installation de climatisation selon l'invention est particulièrement utile lorsque le véhicule fonctionne au ralenti, lors de la mise en marche de la climatisation et à forte température. Dans ces conditions, il y a en effet un risque de surpression qui peut conduire à un dépassement de la pression maximale de service.
La présente invention vise également le code logiciel qu'elle fait intervenir, tout particulièrement lorsqu'il est mis à disposition sur tout support lisible sur un ordinateur. L'expression "support lisible par ordinateur" couvre un support de stockage, par exemple magnétique ou optique, aussi bien qu'un moyen de transmission, tel qu'un signal numérique ou analogique.
Annexe A
mCO2_OD = k(PWM). [ρ0.(Pin -Pout)] ρ0 = fonction (Pin, Tin) mCO2_cpr =N. Cy. ρ(Pout). [k3.N.(Pin/Pout) +k4.N] Tin_init = Tai + Tt Pin_visée = 2,56. Tgco - 4,2

Claims (11)

  1. Installation de climatisation, notamment pour véhicule à moteur, munie d'un régulateur de climatisation et d'un circuit de fluide frigorigène fonctionnant selon un cycle supercritique,
    ledit circuit comportant un compresseur (14), un organe de refroidissement (11), un orifice de détente (12) dont le degré d'ouverture varie en fonction de l'intensité d'un signal de commande (PWM), un évaporateur (13), le régulateur de climatisation étant apte à commander le degré d'ouverture initial de l'orifice de détente au démarrage de la climatisation à partir d'une valeur initiale prédéfinie du signal de commande (PWM_init), caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dispositif électronique de commande propre à calculer ladite valeur initiale du signal de commande à partir:
    d'une estimation de la valeur initiale de la température du fluide à l'entrée de l'organe de détente (Tin_init), de la valeur initiale de la pression du fluide à la sortie de l'organe de détente (Pout_init) et de la valeur initiale du débit de fluide frigorigène dans l'orifice de détente (mCO2_OD_init), et
    d'une estimation de la valeur de la pression du fluide en entrée de l'orifice de détente (Pin_visée) qui maximise le coefficient de performance (COP), dite valeur visée de la haute pression.
  2. Installation de climatisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif électronique de commande est propre à calculer l'estimation de la valeur visée de la haute pression (Pin_visée) à partir de la valeur initiale de la température du fluide en sortie du refroidisseur de gaz (Tgco).
  3. Installation de climatisation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif électronique de commande comprend une fonction de calcul utilisant l'équation linéaire suivante liant la valeur visée de la haute pression (Pin_visée) à la température du fluide en sortie du refroidisseur de gaz (Tgco) : Pin_visée = 2,56. Tgco - 4,2
  4. Installation de climatisation selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisée en ce que le dispositif électronique de commande est propre à calculer une estimation de la valeur initiale de la température du fluide en sortie du refroidisseur de gaz (Tgco) à partir de la valeur initiale de la température de l'air en entrée du refroidisseur de gaz (Tai).
  5. Installation de climatisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la valeur initiale de la température du fluide à l'entrée de l'organe de détente (Tin_init) est estimée à partir de la valeur initiale de la température du flux d'air en amont du refroidisseur de gaz (Tai).
  6. Installation de climatisation selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en qu'elle comporte une sonde (200), placée sur le trajet du flux d'air en amont du refroidisseur de gaz (11), propre à fournir la valeur initiale de la température du flux d'air en amont refroidisseur de gaz (Tai).
  7. Installation de climatisation selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que le dispositif électronique de commande (401) est propre à calculer la valeur initiale de la température du flux d'air en amont du refroidisseur de gaz (Tai) à partir:
    de la température de l'air extérieur (Text) et
    de la vitesse d'avancement (Va) du véhicule.
  8. Installation de climatisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif électronique de commande est capable d'estimer la valeur initiale du débit de fluide frigorigène dans l'orifice de détente (mCO2_OD_init) à partir de la valeur initiale du débit de fluide frigorigène dans le compresseur (mCO2_cpr).
  9. Installation de climatisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif électronique de commande est capable d'estimer la valeur initiale du débit de fluide frigorigène dans le compresseur (mCO2_cpr) à partir de la valeur visée de la haute pression (Pin_visée), de la valeur initiale de la pression du fluide frigorigène en sortie de l'organe de détente (Pout_init) et de la vitesse de rotation initiale du compresseur (N0).
  10. Installation de climatisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un capteur (202) propre à fournir la valeur initiale de la pression du fluide à la sortie de l'orifice de détente (Pout_init).
  11. Installation de climatisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif électronique de commande est apte à transmettre la valeur initiale du signal de commande au régulateur de climatisation (402), le régulateur de climatisation étant apte à appliquer ladite valeur initiale (PWM_init) du signal de commande pendant une durée inférieure ou égale à 10 secondes.
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