Brevet FR2958342A1 — publié le 20111007

COMPRESSEUR HYBRIDE POUR CIRCUIT DE CLIMATISATION La présente invention concerne un compresseur hybride pour circuit de climatisation de véhicule automobile à moteur thermique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la climatisation des véhicules automobiles à moteur thermique équipés d'un système d'arrêt et de redémarrage automatiques, tel que les systèmes aptes à mettre en oeuvre la fonction connue sous le terme anglo--saxon de « Stop and Start ». La fonction « Stop and Stad » consiste, sous certaines conditions, à provoquer automatiquement l'arrêt complet du moteur thermique lorsque le Io véhicule est luit-même à l'arrêt, puis à redémarrer automatiquement le moteur thermique à la suite, par exemple, d'une action du conducteur interprétée comme une demande de redémarrage. Une situation typique de mise en oeuvre de la fonction « Stop and Start » est celle de l'arrêt à un feu rouge. Lorsque le véhicule s'arrête au feu, 15 le mode « Stop » de la fonction « Stop and Start » provoque l'arrêt automatique du moteur thermique, et le véhicule entre alors dans le mode « Start » qui permet au moteur thermique de redémarrer automatiquement sans qu'il soit nécessaire d'utiliser le moyen de démarrage initial du moteur, comme une clé de contact par exemple. Quand le feu devient vert, le mode 2.9 « Start » redémarre automatiquement le moteur, notamment au moyen d'un alterna-démarreur, à la suite de la détection par le système de pilotage au démarrage du véhicule de l'enfoncement par le conducteur de la pédale d'embrayage, de la pédale d'accélérateur, ou encore de toute autre action pouvant être interprétée comme la volonté du conducteur de redémarrer son 25 véhicule. On comprend l'intérêt de la fonction « Stop and Start » en termes d'économie d'énergie et de réduction de la pollution, surtout en milieu urbain. Par ailleurs, on sait qu'un circuit de climatisation d'un véhicule à moteur thermique comporte un compresseur de fluide réfrigérant qui est entraîné par l'arbre du vilebrequin du moteur thermique par [intermédiaire d'une courroie d'une poulie reliée mécaniquement à l'axe du compresseur. En d'autres termes, le circuit de climatisation du véhicule ne peut fonctionner que si le moteur thermuetourne.Parconséque consédes phases d'arrêt du véhicule dans le contexte de la fonction « op and Sart », la climatisation he fonctionne pas. Il en résulte qu'au cours de ces phases d'arrêt la température de consigne à l'intérieur de l'habitacle ne peut être maintenue, d'où un sentiment d'inconfort ressenti par les passagers du véhicule. Pour assurer le maintien de la température dans l'habitacle durant les in phases d'arrêt moteur thermique, il est proposé de remplacer le compresseur usuel entraîné par le moteur thermique du véhicule par un compresseur hybride constitué de deux chambres de compression séparées, constituant, dne part, un compresseur dit mécanique dont l'axe est entraîné par le moteur thermique de la même manière que le compresseur usuel et, S d'autre part, un compresseur dit électrique dont l'axe est entraîné par un moteur électrique auxiliaire. Les axes de deux chambres de compression sont indépendants, Lorsque le moteur thermique tourne, hors des phases d'arrêt induites par la fonction « Stop and Start », le fluide réfrigérant circule dans le circuit de 20 climatisation à travers le compresseur mécanique entraîné par l'arbre du vilebrequin du moteur, tandis que le compresseur électrique est coupé. Inversement, durant les phases d'arrêt la fonction « Stop and Start », le fluide réfrigérant est dirigé vers le compresseur électrique, lequel est alors entraîné par le moteur électrique. Ainsi, grâce au compresseur électrique, on 25 réalise la continuité de fonctionnement du circuit de climatisation le maintien de la température de confort dans l'habitacle lorsque le moteur thermique est à l'arrêt. Cependant, les compresseurs hybrides de ce type présente l'inconvénient d'être volumineux et donc difficiles à intégrer. D'autre part, ils 30 nécessitent un système de vannes complexes destiné à gérer la communication du fluide réfrigérant e les deux chambres de compression lors de la commutation d'un compresseur à l'autre. Aussi, un but de l'invention est de proposer un compresseur hybride pour circuit de climatisation de véhicule automobile à moteur thermique, ledit compresseur hybride étant apte à être entraîné, d'une part, par ledit moteur thermique, et, d'autre part, par un moteur électrique pendant des phases d'interruption d'entraînement par le moteur thermique, qui serait beaucoup plus compact, plus facile à intégrer et plus simple d'utilisation au passage d'un mode d'entraînement, thermique ou électrique, à l'autre. Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait que ledit compresseur hybride est constitué d'une chambre de compression à cylindrée variable, ladite cylindrée étant variable dans un domaine de variation présentant un intervalle supérieur de cylindrées dans lequel la chambre de compression est entraînée par le moteur thermique, et un intervalle inférieur de cylindrées dans lequel la chambre de compression est entraînée par le moteur électrique. Ainsi, le compresseur hybride selon l'invention ne comporte qu'une seule chambre de compression au lieu de deux pour le compresseur hybride de l'état de la technique décrit plus haut. Il est donc beaucoup moins volumineux et donc plus facile intégrer. D'autre part, il n'est nul besoin de prévoir un système de vannes complexes pour le passage du fluide réfrigérant 20 d'une chambre à une autre lors des changements de mode d'entraînement, puisque, dans l'invention, la chambre de compression est unique et ne comporte qu'un orifice d'aspiration et un orifice de sortie du fluide réfrigérant. De préférence, lesdits intervalles supérieur et inférieur de cylindrées sont distincts. 25 Dans des conditions normales de fonctionnement du circuit de climatisation, la cylindrée de la chambre de compression est choisie dans l'intervalle supérieur, l'entraînement de l'axe du compresseur étant assurée par le moteur thermique. Par contre, durant les phases d'interruption d'entraînement par le 30 moteur thermique, notamment les phases d'arrêt du moteur thermique imposées par la fonction « Stop and Start », l'habitacle est en général déjà conditionné dans des conditions de confort, de sorte que la puissance frigorifique à fournir par le moteur électrique pour maintenir ces conditions 2958342 pendant une durée limitée à quelques dyades: e secondes est nettement plus faible, au moins d'un facteur factà que la puissance que doit fournir le moteur thermique. Il suffit alors de réduire la cylindrée de la chambre de compression à une valeur comise dans l'intervalle inférieur de mettre en ! marche moteur électrique jusqu'à ce que le moteur thermique soit redémarré par la fonction « Stop and Start ». Dans un mode de réalisation préféré, ladite chambre de compression à cylindrée variable est une chambre de compression à entraînement rotatif, A titre d'exemple, ladite chambre de compression est une chambre de compression à palettes à volume d'aspiration *stable. on prévoit que l'entraînement de la chambre de compression par le moteur thque est débrayable du moteur thermique pour des cylindrées comprises dans ledit intervalle inférieur de cylindrées. Le moteur électrique se trouve alors découplé du moteur thermique et peut 2 assurer lraînement de l'axe de compression sous faible puissance du fait que lchambre de compressionfonctionne alors avec une cylindrée réduite. On a vu plus haut que lesdites phases d'interruption d'entraînement par le moteur thermique peuvent être des phases d'arrêt du moteur thermique, en particulier que lesdites phases d'arrêt moteur thermique sont les phases 20 d'arrêt d'un système d'arrêt et de redémarrage automatiques du moteur thermique, tel que le système « Stop and Start ». Toutefois, le moteur électrique du compresseur hybride selon l'invention peut être sollicité d'autres circonstances, notamment lorsque lesdites phases d'interruption d'entraînement par le moteur thermique sont 25 des phases d'accélération du véhicule. On sait en effet quelorsqu'un véhicule accélère le circuit de climatisation est arrêté en découplant mécaniquement le compresseur du moteur thermique, ceci de manière à supprimer le couple résistant imposé à l'arbre du vilebrequin par le compresseur. Dans ces conditions, la climatisation peut néanmoins être maintenue en mettant en 30 fonctionnement le moteur électrique du compresseur hybride conforme à l'invention. Afin defaciliter la mise en marche du moteur électriquemm des phases d'interruption d'entraînement par le moteur thermique, il est prévu que le compresseur hybride selon l'invention comporte des moyens de mise en fonctionnement du moteur électrique avant le début d'une phase d'arrêt du moteur thermique. Le moteur électrique est donc mis en fonctionnement par anticipation, avant que le moteur thermique ne s'arrête effectivement. Le moteur électrique, dont on sait qu'il peut être de puissance réduite, n'a donc pas à vaincre les différentes variations de pression de fluide réfrigérant qui apparaissent généralement dans le circuit de climatisation à la suite de l'arrêt complet du circuit de climatisation. En pratique, lesdits moyens de mise en fonctionnement du moteur re3 électrique sont des moyens de détection d'arrêt du moteur thermique d'un système d'arrêt et de redémarrage automatiques du moteur thermique. Dans le cadre de la fonction « Stop and Start », ces moyens de détection peuvent être très variés et dépendent généralement de la stratégie choisie par les constructeurs. On peut citer par exemple la détection d'une action sur la ts pédale de frein lorsque la vitesse du véhicule devient inférieure à un seuil donné. Enfin, l'invention concerne également un ensemble d'un compresseur hybride selon l'invention et d'un moteur électrique d'entraînement dudit compresseur hybride, dans lequel le moteur électrique est alimenté par un sa courant continu basse tension. Plus spécialement, ledit courant continu basse tension est fourni par le réseau 12 V du véhicule. La mise en oeuvre du compresseur hybride conforme à l'invention est alors grandement simplifiée puisqu'elle n'implique aucune modification du réseau électrique de bord. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à 25 titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est un schéma d'un circuit de climatisation comprenant un compresseur hybride conforme à l'invention. La figure 2 est un diagramme illustrant le fonctionnement du 30 compresseur hybride de la figure 1 pour différentes situation de vie d'un véhicule automobile équipé de la fonction « Stop and Start ». La figure 3 est un bloc-diagramme d'un circuit de commande du moteur électrique d'entraînement du compresseur hybride de la figure 1. Sur la figure 1 est représenté un circuit de climatisation classique d'un véhicule automobile à moteur thermique, com enan un compresseur 10 d'un fluide réfrigérant qui peut être un fluide organique, inorganique ou eutectique. On peut citer comme exemples non limitatifs le dioxyde de carbone CO2 + supercritique, les réfrigérants connus sous les références R134A, 1234yf ou encore le CAR Global Alternative R figera »{ En aval du compresseur 10, le fluide réfrigérant sous pression traverse un échangeur 11 de chaleur appelé « refroidisseur de paz»(« Cas Cooler ») pour le dioxyde de carbone ou « condenseur » pour le R134A car, dans ce cas, le réfrigérant initialement !0 en phase gazeuse sort du condenseur sous forme liquide. Dans l'exemple de la figure ].[échangeur]] peut être un échangeur à eau, ou un échangeur à air refroidi directement par l'air extérieur. Le fluide réfrigérant eensuite conduit vers un détendeur 12 afin qu'il soit refroidi avant de pénétrer dans l'évaporateur 13 où se produit alors un 15 échange de chaleur ere: réfrigérant refroidi et tel'air puisé en direction de l'habitacle du véhicule. Le fluide réfrigérant, réchauffé en sortie del'évaporateur 13, est alors retourné au compresseur 10 pour effectuer effectnouveau cycle thermique. Comme on peut le voir sur la figure le compresseur 10 de la figure] est un compresseur hybride comprenant une chambre 101 de compression à cylindrée variable dont l'axe 102 peut être entraîné, soit par un moteur électrique 20, 50Æ par l'arbre du vilebrequin du moteur thermique (non représenté) du véhicule via une courroie et une poulie 30 apte à être reliée mécaniquementà Faxe 102 parl'intermédiaire d'un embrayage 31. 25 En fonctionnement nominal, [axe 102 de b chambre 101 de compression est entraîné par le moteur thermique, la poulie 30 étant couplée àFaxe 102 parle mbrayage 31. La cylindrée de la chambre de compression est alors choisie dans un intervalle supérieur de valeurs proches de la cylindrée maximale, de 90 à 110 cm3 par exemple. Dans ces conditions, le compresseur hybride 10 est capable d'assurer un niveau de confort optimal à l'intérieur de l'habitacle du véhicule, quels que soient la température extérieure, Fe soleiltement et le degré d'humidité relative. Cependant, il peut se produire, dans certaines circonstances, que le compresseur de climatisation ne soit plus entraîné par le moteur thermique du véhicule et que, par conséquent, le circuit de climatisation cesse de fonctionner et n'assure plus le maintien de la température de confort à l'intérieur de l'habitacle. C'est le cas notamment lors des phases d'arrêt du moteur thermique imposées par un système d'arrêt et de redémarrage automatiques du moteur thermique apte à mettre en oeuvre la fonction « Stop and Start » des véhicules équipés de cette fonction. Afin d'assurer la continuité de climatisation, le moteur électrique 20 est mis en fonctionnement durant ces phases d'arrêt de manière à maintenir la circulation du fluide réfrigérant dans le circuit de climatisation. En d'autres termes, on peut considérer que le moteur électrique se substitue alors au moteur thermique. Bien entendu, ce dernier est, de préférence, débrayé de l'axe 102 de compression. Le bloc-diagramme de la figure 3 montre comment s'effectue en pratique le passage de l'entraînement du compresseur 10 du moteur thermique au moteur électrique 20. Lorsqu'elle reçoit du système d'arrêt et de redémarrage automatiques une information STOP d'arrêt du moteur thermique, l'unité 50 de commande 20 électronique du circuit de climatisation transmet à un module 51 de puissance un signal d'enclenchement du moteur électrique 20. En réponse à ce signal, le module 51 actionne un moteur électrique auxiliaire 103 permettant de modifier la cylindrée de la chambre 101 de compression de la valeur de l'intervalle supérieur où elle se trouvait avant l'interruption de l'entraînement par le 2.5 moteur thermique à une valeur de l'intervalle inférieur, entre 20 et 40 cm3 par exemple. Puis, après découplage de la poulie 30 par l'embrayage 31, le module 51 de puissance envoie au moteur électrique 20 la puissance nécessaire pour maintenir, pendant la phase d'arrêt du moteur thermique, le fonctionnement du compresseur 10 à un niveau suffisant, compte tenu des 30 conditions initiales de climatisation avant l'arrêt du moteur thermique. En effet, au moment où le moteur électrique 20 prend le relais du moteur thermique à l'arrêt, l'habitacle du véhicule est en principe déjà porté à la température de confort, de sorte que, compte tenu que la durée des phases d'arrêt es généralement limitée à quelques dizaines de secondes, la puissance frigorifique àfournir par le moteur électrique 20 est reliveme faible. A titre d'exemple, il faut, de manière classique, une puissance frigorifique de 6 kW pour garantir le confort dans l'habitacle d'un véhicule s exposé à unetempérature élevée de 25 à 45 °C sous un ensoleillement de 1000 W.m2 et une humidité relative de 50: 60%. Cependant, lorsque le véhicule est déjà conditionné à la température de confort, la puissance frigorifique àfournir est comprise entre ] kW 3 kW selon le segment du véhicule. Une puissance électrique de l'ordre de 500 à 800 W à fournir par le module 51 de puissance est alors suffisante pour maintenir confort dans l'habitacle. Par conséque,la cylindrée de la chambre 101 de compression peut être ramenée, par rapport aux conditions de fonctionnement nominal, à des valeurs comprises dans un intervalle inférieur de cylindrées voisines de la i« cylindrée minimale, de 20 à 40 cm® par exemple, distinct de l'intervalle supérieur dini plus haut. Bien entendu, les intervalles supérieur et inférieur de cylindrées peuvent réduits simplement aux seules cylindrées maximale minimale. La chambre 101 de compression commute alors de façon binaire entre ces 20 deux cylindrées selon que le moteur eraînantde l'axe de la chambre est le moteur thermique ou le moteur életique. Compte tenu que la puissance demandée au moteur électrique est relativement faible, il est 9ossib1 d'envisager l'utilisation d'un moteur électrique avec ou sans balais alimenté par un courant coinu basse tension 25 fourni, en particulier, par le réseau 12 V du véhicule, la source de courant électrique pouvant être une batterie 40 ou une unité additionnelle munie ou non d'un condensateur de stockage. De manière pratique, la chambre 101 de Compression à cylindrée variable peut être réalisée par une chambre de compression à entraînement !0 rotatinotamment une chambre de compression à palettes classique dont le volume d'aspiration, correspondant à la cylindrée, e %R able entre la valeur minimale de 20 cm3, par exemple, et valeur maximale de 110 cm3, par exemple, en faisant varier la position de l'orifice d'aspiration dans la chambre. Sur le diagramme de la figure 2, on a représente les états de fonctionnement du moteur thermique du moteur électrique 20 d'entraînement du c0mpresseur hybride 10 d'un véhicule automobile équipé de la fonction « Stop and Start », la valeur0 correspondant à l'arrêt du moteur 3 la valeur 1 à son fonctionnement. Comme on peut le voir sur cette figure, lorsque le moteur thermique est arrêté par la fonction « op and Start », le moteur électrique 20 est mis en fonctionnement, conformément à l'invention, demanière à assurer maintien du confort dans l'habitacle durant la phase d'arrêt du moteur thermique. i Cependant> on peut remarquer que la mise en fonctionnement du moteur électrique 20 est effectuée avec anticipation> c'est-à-dire avant le début d'une phase d'arrêt du moteur thermique déclenchée par la fonction « 0p and Start ». L'avantage de cette sp0s$on est que le 'moteur électrique n'a pas à !) fournir le couple supplémentaire qui serait nécessaire pour vaincre le couple résistant induit pari sréarrangements de pression de fluide réfrigérant dans le circuit declimatisation qui pourraient se produit au moment de l'arrêt du moteur thermique. La puissance du moteur électrique 20 peut donc être dimensionnée en conséquence. Pour réalisete anticipation du moteur électrique, on peut utiliser les moyens mis en oeuvre par la fonction « Stop and Start » pourdétecter si les conditions d'arrêt du moteur thermique sont vérifiées et décider de l'arrêt du m eur thermique, Dès que la fonction « Stop and Start » décide d'arrêter le moteur thermique, le moteur électrique 20 est immédiatement mis en &s fonctionnement avant l'arrêt effectif du moteur thermique. Les conditions d'an automatique du moteur thermique dépendent de la stratégie adoptée par le constructeur du véhicule On peut citer, entre autres, une action sur la pédale de frein lorsque le véhicule roule à faible vitesse, inférieure à 5 km /heure par exemple. }é La figure 2 montre une autre circonstance dans laquelle le moteur électrique 20 peut être mis en fonctionnement afn de garantir la continuité de température de confort lors d'un arrêt du circuit de climatisation. Dans cette circonstance l'arrêt du circuit de climatisation n'est pas dû à un arrêt du 2958342 'o moteur thermique, mais au découplage de la poulie 30 d'entraînement de taxe 102 de b chambre 101 de compression Csituation peut se produire lors d'une accélération du véhicule par exemple, de manière à appliquer à l'arbre du vilebrequin un couple maximum répondre au mieux ± la demande ! d'accélération. Dans ce cas, le moteur électrique 20 es mis en fonctionnement dès que le moteur thermique est découplé de [axe 102 de compression. !0 REVENDICATIONS1. Compresseur hybride (IO) pour circuit de climatisation de véhicule automobile à moteur thermique, ledit compresseur hybride étant apte à être entraîné, d'une part, par ledit moteur thermique, et, d'autre part, par un moteur électrique (20) pendant des phases d'interruption d'entraînement par le moteur thermique, caractérisé en ce que ledit compresseur hybride (10) est constitué d'une chambre (101) de compression à cylindrée variable, ladite cylindrée étant variable dans Un domaine de variation présentant un intervalle supérieur de cylindrées dans lequel la chambre (101) de compression est entraînée par le moteur thermique, et un intervalle inférieur de cylindrées dans lequel la chambre (101) de compression est entraînée par le moteur électrique 1 (20) 2. Compresseur hybride selon la revendication 1, dans lequel lesdits intervalles supérieur et inférieur de cylindrées sont distincts. 3. Compresseur hybride selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'entraînement de la chambre (101) de compression par le moteur thermique 20 est débrayable du moteur thermique pour des cylindrées comprises dans ledit intervalle inférieur de cylindrées. 4. Compresseur hybride selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite chambre (101) de compression à cylindrée variable est une chambre de compression à entraînement rotatif. 25 5. Compresseur hybride selon la revendication 4, dans lequel ladite chambre (101) de compression est une chambre de compression à palettes à volume d'aspiration ajustable. 6, Compresseur hybride selon l'une quelconque des revendications 1 â s, dans lequel lesdites phases d'interruption d'entraînement par le moteur 30 thermique sont des phases d'arrêt du moteur thermique.7. Compresseur hybride selon la revendication 6, dans lequel lesdites phases d'arrêt du moteur thermique sont les phases d'arrêt d'un système d'arrêt et de redémarrage automatiques du moteur thermique(« Stop and Start 8. Compresseur hybride selon l'une quelconque des revendications j à ) dans lequel lesdites phases d'interruption d'entraînement 4ar moteur thermique sont des phases d'accélération du véhicule. 9. Compresseur hybride selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant des moyens de mise en fonionneme du m eur Gel rique avant le début de ladite ierru ion d'entraînement par le moteur thermique. 10 IO. Compresseur hybride selon revendication 9, dans lequel lesdits moyens de mise en fonctionnement du moteur électrique (20) sont des moyens de détection dRê du moteur thermique d'un système d'arrêt démarrage automatiques du moteur thermique (« Stop and Start »). Ii. Ensemble d'un compresseur hybride Û) selon l'une quelconque des Is revendications ] à 10 et d'un moteur électrique d'entraînement dudit compresseur hybriddans lequel le moteur électrique (20) est alimenté par un courant continu basse tension, 12. Ensemble selon revendication I l , dans lequel ledit courant continu basse tension est fourni ple réseau 12 V du véhicule.