Brevet FR2933485A1 — publié le 20100108

PROCEDE D'ESTIMATION DE LA PUISSANCE ABSORBEE PAR UN COMPRESSEUR DANS UNE INTALLATION DE CHAUFFAGE, VENTILATION ET/OU CLIMATISATION La présente invention concerne un procédé d'estimation de la puissance absorbée par un compresseur dans une installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la climatisation à l'intérieur de l'habitacle des véhicules automobiles. Dans les véhicules à moteurs thermiques, le compresseur est intégré dans un circuit de climatisation pour un fluide réfrigérant. Le compresseur est entraîné par le moteur et consomme donc une partie de la puissance fournie par le moteur au détriment de la puissance disponible pour le roulage du véhicule. Le circuit de climatisation comprend donc, dans le sens de circulation du fluide réfrigérant le compresseur, un condenseur ou refroidisseur de gaz, un échangeur de chaleur interne, un organe de détente, un évaporateur et un accumulateur. Bien qu'elle ne soit pas très importante, la puissance absorbée par le compresseur, lorsque le compresseur est en marche, réduit le rendement du moteur. Cette diminution de rendement a pour conséquence d'augmenter la consommation de carburant et la pollution générée par les gaz d'échappement du véhicule. Pour optimiser le rendement du moteur, une solution consiste à estimer la puissance réellement absorbée par le compresseur. En effet, la connaissance de cette information permet à une unité centrale de gestion du véhicule d'adapter un certain nombre de paramètres aux besoins réels, notamment les paramètres d'injection du moteur et la vitesse de rotation du groupe moto-ventilateur (GMV) générant un flux traversant le condenseur intégré dans le circuit de climatisation pour fluide réfrigérant. Dans ce contexte, la demande de brevet FR2840259 propose d'estimer la puissance W,, absorbée par le compresseur à partir du débit massique m,cp,. du fluide réfrigérant traversant le compresseur selon une relation de la forme : WS,, = a.m,.cp,..W,.S + b.N où m,qp, est le débit massique du fluide réfrigérant dans le compresseur, W,S est le travail de compression isentropique du compresseur, N est la vitesse de rotation du compresseur, et a et b sont des paramètres caractéristiques du compresseur. Selon le principe exposé dans la demande brevet FR2840259, le débit massique 1h,.cp,. dans le compresseur n'est pas estimé en tant que tel mais est approximé par le débit massique Yh,.exp du fluide réfrigérant dans l'organe de détente de l'installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation. Cet organe de détente est destiné à détendre et refroidir le fluide réfrigérant reçu du compresseur juste avant de traverser l'évaporateur à la traversée duquel l'air de climatisation est refroidi par échange thermique avec le fluide réfrigérant. Dans le cadre de cette approximation, on peut donc écrire que le débit massique m,. le long de l'installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation, notamment dans le compresseur, est égal au débit massique m,.exp dans l'organe de détente : f71. =mrcp,. =rnîexp D'une manière générale, le débit massique m,.exp dans l'organe de détente, outre des caractéristiques propres à l'organe de détente lui-même, est fonction de grandeurs thermodynamiques mesurables et peut être calculé à partir de ces grandeurs thermodynamiques mesurables. Les grandeurs thermodynamiques mesurables sont la température Texp/,, du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente et les pressions Pe,p;,, et Pexpo,t( du fluide réfrigérant respectivement à l'entrée et la sortie de l'organe de détente. La demande de brevet FR2840259 fournit en détail les relations entre ces différents paramètres. Plus précisément, le débit massique m,. = mrexp est une fonction rh,. (pexpin) de la masse volumique pexpiä, du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente. On peut écrire la relation entre mr et peXp,,, sous la forme générale suivante : m ,. (Pexpin) = / (pexpin )'Pexpin ù Pexpont où f(pexp,n) est une fonction dépendant du modèle choisi pour décrire l'organe de détente. A titre d'exemple, f(pexpin) peut être une fonction linéaire ou quadratique de la masse volumique pexpin du fluide réfrigérant. La masse volumique pexpin du fluide réfrigérant, la température l'expia du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente et la pression Pexpin du fluide réfrigérant respectivement à l'entrée de l'organe de détente sont reliées entre elles par la fonction d'état du fluide réfrigérant. La masse volumique pexpi,, est alors calculée en fonction de l'expia et Pexpin au moyen de la fonction d'état du fluide réfrigérant. On comprend alors que les mesures de l'expia et de Pexpin permettent de déterminer la masse volumique pexpin et donc de calculer le débit massique mr = nécessaire pour pouvoir estimer la puissance iV i, absorbée par le compresseur. Cependant, les fonctions d'état des fluides réfrigérants utilisés dans les installations de chauffage, ventilation et/ou climatisation, comme le dioxyde de carbone CO2 par exemple, sont relativement complexes. En effet, dans ces cas, la masse volumique pexpiä s'exprime généralement de manière implicite en fonction des deux paramètres l'expia et Pexpiä . Le calcul de pexpin au moyen de la fonction d'état à partir de valeurs mesurées de l'expia et Pexp,,, apparaît donc comme complexe et difficile à mettre en oeuvre. Aussi, un but de l'invention est de proposer un procédé d'estimation de la puissance absorbée W,, par le compresseur de l'installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation permettant de simplifier l'étape du procédé concernant la détermination de la masse volumique peXp;,, du fluide réfrigérant. Ce but est atteint, conformément à l'invention, grâce à un procédé d'estimation de la puissance Ï'Ws,, absorbée par un compresseur de fluide réfrigérant dans une installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation comprenant un compresseur et un organe de détente du fluide réfrigérant. Le procédé comprend les étapes consistant à : - estimer le débit massique rm,. (peXp;ä) du fluide réfrigérant dans l'organe de détente en fonction de la masse volumique peXp;,, du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente, - estimer la puissance absorbée Ws,, par le compresseur au moyen de la relation Wsr, = a.m,. (Pexpin ).WS + b.N Dans cette relation, a et b sont des paramètres caractéristiques du compresseur, Ws est le travail de compression isentropique du compresseur et N est la vitesse de rotation du compresseur. De plus, le compresseur a un taux de compression P.. Le taux de compression P_ est égal au rapport Pd / PP d'une pression de décharge Pd du compresseur à une pression d'aspiration Ps du compresseur. Alternativement ou en complément, le travail de compression isentropique Ws du compresseur est calculé en fonction la température d'aspiration Ts à l'entrée du compresseur. Le travail de compression isentropique W,.s du compresseur est défini par la relation : WS (T) = c.Ts.(P,. -1) où c est une constante. De façon préférentielle, la masse volumique peXp;,, du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente est égale à une valeur constante po. Pour le dioxyde de carbone CO2, po peut être choisi entre 700 et 800 kg/m3, par exemple 750 kg/m3. Ainsi, selon la présente invention, il n'est pas nécessaire de calculer Pexpiä en fonction de la température TeXpiä et la pression Pexpiä mesurées à l'entrée de l'organe de détente. L'invention prévoit d'affecter une valeur constante po à peXpiä, indépendante de T et P expia expia Ainsi, l'estimation du débit massique m,. du fluide réfrigérant dans l'organe de détente est définie à valeur constante égale à po. Donc, le débit massique m,. du fluide réfrigérant est donné par m,.(po) . Préférentiellement, le travail de compression isentropique W,., du compresseur est calculé pour une valeur de la température d'aspiration TS égale à une température de référence, en particulier égale à une température ambiante Tan,b . Selon la présente invention, il n'est plus nécesaire de mesurer la température d'aspiration Ts au moyen d'un capteur de température disposé à l'entrée du compresseur. L'invention propose d'utiliser une température de référence connue par ailleurs. On réalise ainsi l'économie d'un capteur de température. Avantageusement, la température de référence est la température ambiante. Ce choix est particulièrement pertinent pour les installations de chauffage, ventilation et/ou climatisation, notamment dédiées aux fluides réfrigérants supercritiques comme, par exemple, le dioxyde de carbone CO2. Pour un tel réfrigérant, l'installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation comprend, par exemple, un refroidisseur de gaz, un échangeur de chaleur interne et un organe de détente à orifice de section variable. Dans ce cas, le refroidisseur de gaz est susceptible d'amener le fluide réfrigérant à une température très proche de la température ambiante, cette température étant transmise au fluide entrant dans le compresseur par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur interne. Selon un autre mode de réalisation, la masse volumique rh,. (Pexpiä) est de la forme f (Pexpin )'g(Pexpin , 1xpout ) dans laquelle f(pexpiä) est une fonction dépendante de la masse volumique Pexpiä du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente et g(Pexpi,,, Pexpont ) est une fonction dépendante d'une pression d'entrée Peuh, et d'une pression de sortie Pexpo,,, de l'organe de détente. Plus spécifiquement, la fonction g(PeXpi,,, PeXpo,,,) est de la forme g(Pexpin Pexpout) = '\/Pexpin ù Pexpout Selon une application particulière de la présente invention, la masse volumique m,. est donc de la forme ' r (Po) = f (PO)'VPexpi,i ù Pexpout Ainsi, le procédé conforme à l'invention permet d'éviter la mesure de la température Texpin à l'entrée de l'organe de détente pour estimer le débit massique rimr. , les seules mesures à effectuer étant celles de Pexpiä et Pexpou, . Il en résulte l'économie d'un capteur de température. Préférentiellement, la pression d'entrée Pexpiä du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente est égale à la pression de décharge Pd du compresseur. Alternativement, le fluide réfrigérant étant soumis à une perte de charge AP entre le compresseur et l'organe de détente, la pression d'entrée Pexpiä du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente est prise égale à la différence entre la pression de décharge Pd du compresseur et la perte de charge AP du fluide réfrigérant entre le compresseur et l'organe de détente. On obtient donc la relation : Pexpin =P ù AC . En particulier, la perte de charge AP est donnée par la relation AP = (' r l mrrei )17 Mcte dans laquelle m,,.e, est un débit massique de référence, APCfe est une perte de charge pour le débit massique de référence et n est une constante, en particulier égale à 1.8. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va en être faite d'exemples de réalisation, en relation avec les figures des planches annexées, donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquelles : La figure 1 est un schéma d'une installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation apte à mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention. La figure 2 est un schéma d'une unité de calcul de l'installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation de la figure 1. La figure 1 représente une installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation comportant un circuit de climatisation pour un fluide réfrigérant. Le circuit de climatisation comprend dans le sens de circulation du fluide réfrigérant un compresseur 11, un condenseur ou refroidisseur de gaz 13, un échangeur de chaleur interne 17, un organe de détente 12, un évaporateur 15 et un accumulateur 16. Le circuit de climatisation comprend une partie haute pression située entre la sortie du compresseur 11 de fluide réfrigérant et l'entrée de l'organe de détente 12. La pression régnant dans la partie haute pression peut être prise égale, en première approximation, à la pression de décharge Pd du compresseur 11. Le circuit de climatisation comprend une partie basse pression située entre la sortie de l'organe de détente 12 et l'entrée du compresseur 11. De même, la pression dans la partie basse pression peut être considérée, en première approximation, comme étant égale à la pression d'aspiration PS du compresseur 11. Cette pression d'aspiration PS est mesurée par exemple par un premier capteur de pression 18 disposé entre l'évaporateur 15 et le compresseur 11. Bien que cela ne soit pas essentiel pour l'invention, l'installation chauffage, ventilation et/ou climatisation de la figure 1 concerne plus particulièrement un fluide réfrigérant supercritique, notamment le dioxyde de carbone CO2. Dans ce cas, l'organe de détente 12 est généralement constitué par un orifice de section variable. Le fluide réfrigérant reçu de la partie basse pression sous forme gazeuse est porté à la haute pression ou pression de décharge Pd par le compresseur 11. Dans le cas de l'oxyde de carbone CO2, la basse pression ou pression d'aspiration Ps est par exemple de l'ordre de 30 à 40 bars et la haute pression ou pression de décharge Pd pouvant atteindre des valeurs de l'ordre de 90 bars. Le refroidisseur de gaz 13 permet de refroidir, à pression sensiblement constante, le fluide réfrigérant comprimé à l'état gazeux par le compresseur 11. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la haute pression 'Pd est mesurée à l'entrée du refroidisseur de gaz 13 par un deuxième capteur de pression 14. Le fluide réfrigérant est refroidi dans le refroidisseur de gaz 13 par échange thermique avec un flux d'air extérieur 23 mis en mouvement par la vitesse de déplacement du véhicule ou, éventuellement, au moyen d'un groupe moto-ventilateur (GMV) 24. L'organe de détente 12 a pour effet de faire passer la pression du fluide réfrigérant provenant du refroidisseur de gaz 13 d'une pression d'entrée Pexpin à une pression de sortie PeXpo, en l'amenant, au moins en partie, à l'état liquide. Cette détente s'accompagne d'une diminution de la température du fluide réfrigérant. Un flux d'air de climatisation 21 destiné à être envoyé vers l'habitacle du véhicule est refroidi par échange thermique dans l'évaporateur 15 avec le fluide réfrigérant provenant de l'organe de détente 12. Le flux d'air de climatisation 21 est généré par un pulseur 22 alimenté en air provenant de l'extérieur du véhicule et/ou de l'intérieur de l'habitacle du véhicule. Dans l'évaporateur 15, le fluide réfrigérant passe, à pression sensiblement constante, de l'état liquide à un état au moins partiellement gazeux. L'accumulateur 16 est agencé entre l'évaporateur 15 et le compresseur 11 afin de créer une réserve de fluide réfrigérant. II permet également d'éviter les coups de liquide dus aux variations de pressions dans les différentes parties du circuit de climatisation. On peut voir sur la figure 1 la présence, dans l'installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation, de l'échangeur thermique interne 17 permettant au fluide réfrigérant à haute pression circulant du refroidisseur de gaz 13 vers l'organe de détente 12 de céder de la chaleur au fluide à plus basse pression circulant de l'évaporateur 15 vers le compresseur 11. L'échange de chaleur ainsi réalisé présente l'avantage d'améliorer le rendement du circuit de climatisation lors du cycle thermodynamique effectué par le fluide réfrigérant. II faut cependant noter que l'utilisation d'un échangeur thermique interne n'est pas indispensable à l'invention, même si elle présente des avantages notamment dans le cas de fluides réfrigérants supercritiques. Le compresseur 11 se caractérise en particulier par la puissance qu'il absorbe. L'estimation de la puissance WS,, absorbée par le compresseur 11 peut être obtenue à partir de la relation suivante : Wh =arim.~p..Wis +b.N. où a et b sont des paramètres caractéristiques du compresseur 11, rimrcp,. est le débit massique du fluide réfrigérant dans le compresseur 11, W,.S est le travail de compression isentropique du compresseur 11, et N est la vitesse de rotation du compresseur 11. En régime stationnaire, on peut faire l'hypothèse que le débit massique rrc,. est constant le long du circuit de climatisation et que, par conséquent, le débit massique m,_cpr du compresseur 11 est égal au débit massique rh,.exp dans l'organe de détente 12. Le débit massique dans l'organe de détente 12 mrexp est donné, par exemple, par une relation du type : mrexp = mr (Pexpin.) = / (Pexpin ).g(Pexpin, Pexpout ) où rhr.(pexpiä) est le débit massique du fluide réfrigérant dans l'organe de détente 12 en prenant pour valeur de la masse volumique pexpiä du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente 12, f (pexpin) est une fonction proportionnelle à pexpiä ou à ÿpexpi,, , selon le modèle choisi pour l'organe de détente 12, et g(Pxpin, Pexpotu) est une fonction dépendante de la pression d'entrée Pexpiä et de la pression de sortie Pexpod de l'organe de détente 12. En particulier, le débit massique Yh,.eX,, dans l'organe de détente 12 est donné, par la relation : lhrexp = mr (pexpin.) = J (pexpin )'\/pexpin ù Pexpout L'estimation de la puissance H' absorbée par le compresseur 11 répond donc à la relation suivante : Wsh (pexpin. ).wi,, + b.N . Par ailleurs, le travail de compression isentropique du compresseur 11 W,.s est une fonction Ws (Ts) d'une température d'aspiration T du fluide réfrigérant à l'entrée du compresseur 11. Cette fonction Wis (Ts) peut, par exemple, s'écrire par une relation du type: Ws (Ts) = c.Ts.(PY -1) où c est une constante, et P. est le taux de compression du compresseur égal à P / P , rapport de la pression P de décharge du compresseur à la pression PS d'aspiration. Les pressions P, et Ps sont respectivement mesurées par les premier et deuxième capteurs de pression 14 et 18. En définitive, outre les paramètres a, b et N propres au compresseur 11, l'estimation de la puissance Ws,, nécessite la connaissance de pexpin ' pexpin Pexp out et Ts La masse volumique pexpin est choisie comme étant égale à une valeur constante po. Cette valeur constante po est par exemple égale à 750 kg/m3 pour le dioxyde de carbone 002, valeur moyenne de masse volumique généralement observées s'étendant généralement entre 700 à 800 kg/m3. Ainsi, l'estimation de la puissance iW,, absorbée par le compresseur 11 est obtenue à partir de la relation suivante : Wsr, = a.rn,. (po ).WS + b.N . On évite ainsi, d'une part, le fastidieux calcul de pexpin en fonction d'une température Texp;,, correspondant à la température à l'entrée de l'organe de détente 12 et de la pression Pen , à l'entrée de l'organe de détente 12. D'autre part, une telle approche permet d'éviter l'implantation d'un capteur de température destiné à mesurer la température à l'entrée I exp , de l'organe de détente 12. De plus, la température TS d'aspiration du fluide réfrigérant à l'entrée du compresseur 11 est prise égale à une température de référence qui, dans l'exemple de réalisation de la figure 1, est égale à la température ambiante Tanit) Ts = Tan,b Cette hypothèse est pleinement justifiée si le refroidisseur de gaz 13 est de bonne performance et si l'échangeur de chaleur interne 17 dispose d'un bon rendement. On évite également l'implantation d'un capteur de température destiné à mesurer la température TS d'aspiration du fluide réfrigérant à l'entrée du compresseur 11. La température ambiante Tamb est mesurée par exemple au moins d'un premier capteur de température 19 placé entre le groupe moto-ventilateur 24 et le refroidisseur de gaz 13. La pression Pexpout du fluide réfrigérant à la sortie de l'organe de détente 12 peut être choisie, avec une bonne approximation, égale à la pression P, d'aspiration du compresseur 11 : Pexpont = Ps Enfin, concernant la pression d'entrée Pexp,n du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente 12, on peut lui donner simplement une valeur égale à la pression Pd de décharge du compresseur 11 : 5 10 15 20 Pexp in = P Cependant, ce modèle peut être affiné en prenant en compte une perte de charge AP du fluide réfrigérant introduite par le refroidisseur 13 de gaz entre le compresseur 11 et l'organe de détente 12 : Pexpin = P ùAP. La perte de charge AP pour un débit massique in,. est estimée en mesurant la perte de charge APie pour un débit massique de référence ri2,.,.e,. et en appliquant la relation : OP = (m,. / mrre> )'! acte où n une constante, en particulier de l'ordre de 1,8. Comme le montrent les figures 1 et 2, les grandeurs mesurées PS , P , Tn b et N sont transmises à une unité centrale de gestion 30 de l'installation chauffage, ventilation et/ou climatisation. L'unité centrale de gestion 30 détermine l'estimation de la puissance WSi, absorbée par le compresseur 11 , compte tenu des valeurs enregistrées pour les paramètres a, b et po. Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation détaillés ci-dessus et fournis uniquement à titre d'exemple et englobe d'autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre des revendications et notamment toutes combinaisons des différents modes de réalisation décrits précédemment. REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation de la puissance W,, absorbée par un compresseur de fluide réfrigérant dans une installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation comprenant un compresseur (11) et un organe (12) de détente du fluide réfrigérant, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes consistant à : - estimer le débit massique mr(Pexpiä) du fluide réfrigérant dans l'organe (12) de détente en fonction de la masse volumique peXpiä du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente (12), - estimer la puissance absorbée ii/s,, par le compresseur (11) au moyen de la relation ff./'sr, = a.m,. (Pexpin ).Wis + b.N où a et b sont des paramètres caractéristiques du compresseur (11), W,.s est un travail de compression isentropique du compresseur (11), et N est une vitesse de rotation du compresseur (11). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le travail de compression isentropique W,,S du compresseur (11) est calculé en fonction d'une température d'aspiration Ts du fluide réfrigérant à l'entrée du compresseur (11). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, le compresseur (11) ayant un taux de compression P,_ égal au rapport d'une pression de décharge P, du compresseur (11) à une pression d'aspiration PS du compresseur (11), le travail de compression isentropique W,s du compresseur (11) est défini par la relation : wis (T., ) = c.Ts.(P,. -1) où c est une constante. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le travail de compression isentropique W,.S du compresseur (11) est calculé pour une valeur de la température d'aspiration T égale à une température de référence. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la température de référence de la température d'aspiration T est égale à une température ambiante Tan,b ' 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la masse volumique pexpin du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente (12) est égale à une valeur constante po. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la valeur constante po de la masse volumique pexpin est comprise entre 700 à 800 kg/m3, en particulier po est égale à 750 kg/m3. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la masse volumique m,. (pexpi�) est de la forme (pexpin )'g(Pexpin , Pexpord) où f (Pexpiä) est une fonction dépendante de la masse volumique pexpin du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente (12), et g(11,1 Pexpont )est une fonction dépendante d'une pression d'entréePexpi,, et d'une pression de sortie Pexpont de l'organe de détente (12). 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la masse volumique ' r (pexpin) est donnée par la relation: f (Pexpin)/Pexpin ù Pexpont 25 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel la pression d'entrée Pexpi, du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe de détente (12) est égale à la pression de décharge P, du compresseur (11). 11. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel, le fluide réfrigérant 30 étant soumis à une perte de charge AP entre le compresseur (11) et l'organe de détente (12), la pression d'entrée pexpin du fluide réfrigérant à l'entrée de l'organe (12) de détente est égale à la différence entre la pression de décharge Pd du compresseur (11) et la perte de charge AP du fluide réfrigérant entre le compresseur (11) et l'organe de détente (12), 20 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la perte de charge zXP est donnée par la relation OP = (m,. / m,,.ef )" • 1 cte où rh,,.e,- est un débit massique de référence, n est une constante et oP e est une perte de charge pour le débit massique de référence. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la perte de charge AP est donnée par la relation AP = (m,. / rh,.,.ef• )1.8 ÂPcte