FR2964450A1 - Procede de controle d'une vanne de detente - Google Patents

Abstract

Procédé de contrôle d'une vanne de détente (EXV) placée dans une boucle de climatisation dans laquelle circule un fluide frigorigène, la boucle de climatisation comprenant au moins un compresseur (CMP), un condenseur (CND) et un évaporateur (EVP), caractérisé en ce que ce procédé de contrôle comprend des étapes suivantes : - lorsque une surchauffe est inférieure à une valeur seuil, l'ouverture de la vanne de détente est régie par un contrôle statique, et - lorsque la surchauffe est supérieure à la valeur seuil, l'ouverture de la vanne de détente est régie par un contrôle dynamique.

Description

La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de contrôle d'une vanne de détente placée dans une boucle de climatisation dans laquelle circule un fluide frigorigène sous-critique (R-134a, R-1234yf par exemple). Généralement, une telle boucle de climatisation comprend au moins un compresseur à capacité fixe ou à capacité variable, une vanne de détente, un condenseur et un évaporateur. Optionnellement, une telle boucle de climatisation peut comprendre un échangeur de chaleur interne entre les parties haute pression et basse pression de la boucle de climatisation.

L'invention s'intéresse plus précisément à la stratégie de contrôle de la vanne de détente d'une boucle de climatisation d'un système d'air conditionné destinée à être implémentée dans un véhicule automobile.

Le contrôle de l'ouverture de la vanne de détente permet de contrôler les surchauffes et les sous-refroidissements directement ou indirectement de manière à optimiser l'efficacité énergétique de la boucle de climatisation. Le contrôle de l'ouverture de la vanne de détente permet aussi de protéger la boucle de climatisation des pics de température et de pression en sortie du compresseur.

Il existe de multiples solutions pour contrôler l'ouverture de la vanne de détente. Selon ces solutions, la surchauffe, c'est-à-dire la différence entre la température à la sortie de l'évaporateur et la température de saturation du fluide, est contrôlée en utilisant une commande proportionnelle intégrale dérivée. II est aussi possible de contrôler l'ouverture de la vanne de détente en fonction de la température en sortie de compresseur.

Ces solutions posent problème pour les faibles charges thermiques (par exemple pour des températures extérieures inférieures à 25°C). En effet, il est très difficile d'obtenir une surchauffe ou un sous refroidissement lorsque la température de l'air extérieur est inférieure à 25°C. On observe plutôt un déséquilibre de la température à la sortie de l'évaporateur et/ou un accroissement de l'instabilité du système. Dans une telle circonstance, le contrôle de la surchauffe n'a pas de sens puisque la surchauffe est proche d'une valeur de zéro.

Si, au contraire, il est recherché un contrôle du sous-refroidissement à l'entrée de la vanne de détente, ce refroidissement est également quasiment nul lors de conditions climatiques présentant une température extérieure inférieure par exemple à 25°C.

La présente invention a donc pour but principal de palier les inconvénients des systèmes connus en proposant un procédé de contrôle d'une vanne de détente placée dans une boucle de climatisation dans laquelle circule un fluide frigorigène, la boucle de climatisation comprenant au moins un compresseur, un condenseur et un évaporateur, ce procédé de contrôle comprenant des étapes suivantes : - lorsque une surchauffe est inférieure à une valeur seuil, l'ouverture de la vanne de détente est régie par un contrôle statique, et - lorsque la surchauffe est supérieure à la valeur seuil, l'ouverture de la vanne de détente est régie par un contrôle dynamique.

Avec l'invention, on réalise ainsi un contrôle statique de l'ouverture de la vanne de détente dès lors que la surchauffe ou le sous-refroidissement 20 sont proches de zéro et donc difficiles à contrôler.

En revanche, dès lors que la surchauffe ou le sous-refroidissement sont contrôlables, ce qui correspond à une différence entre la température ou pression en sortie du compresseur et un seuil de température ou pression 25 prédéterminé, supérieure à un décalage élémentaire prédéterminé, si le paramètre à contrôler est supérieur à sa valeur de consigne, la vanne de détente est contrôlée de manière dynamique en fonction de ce paramètre.

On évite ainsi les inconvénients des systèmes de l'art antérieur, dans 30 lesquels l'absence de surchauffe ou de sous-refroidissement empêche un contrôle efficace de la boucle de climatisation par le contrôle de l'ouverture de la vanne de détente.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le contrôle statique 35 détermine la valeur de l'ouverture de la vanne de détente en fonction d'une température de consigne, d'une haute pression du fluide, d'une température de l'air à l'entrée de l'évaporateur et d'un débit d'air pulsé.

Selon une caractéristique préférentielle, le contrôle dynamique détermine la valeur de l'ouverture de la vanne de détente en fonction d'une valeur seuil en dessous de laquelle la température et/ou la pression du fluide oscille à l'intérieur de la boucle de climatisation.

Selon une autre caractéristique, la variation de l'ouverture de la vanne de 10 détente est fonction de la vitesse du compresseur.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout 15 caractère limitatif. Sur les figures : - les figures 1A et 1B représentent schématiquement deux exemples de boucles thermiques dans lesquels pourra être implémentée l'invention ; - la figure 2 montre un diagramme fonctionnel de la taille d'ouverture de la vanne de détente en fonction de la pression en sortie du compresseur ; 20 - les figures 3A et 3B montrent la variation d'un paramètre quantifiant la surchauffe en fonction, respectivement, de la température extérieure et, de la haute pression à la sortie du compresseur ; - la figure 4 montre un profil de contrôle du sous-refroidissement en fonction de la température extérieure ; 25 - la figure 5 montre un organigramme du contrôle de la vanne de détente selon l'invention ; et - la figure 6 montre l'évolution de la section de la vanne de détente en fonction du temps telle qu'obtenue avec le procédé selon l'invention.

30 La figure 1A représente un premier exemple de boucle de climatisation dans lequel peut être implémentée l'invention. Cette boucle de climatisation comprend un compresseur CMP, un condenseur CND suivi par une vanne de détente EXP et un évaporateur EVP.

35 La figure 1B montre un autre exemple de boucle de climatisation dans laquelle des éléments identiques à ceux de la figure 1A sont implémentés.

Un échangeur de chaleur interne (appelé IHX) permettant un échange de chaleur entre le fluide sortant du condenseur et entrant dans la vanne de détente et le fluide sortant le l'évaporateur et entrant dans le compresseur.

L'invention concerne le contrôle des vannes de détente telles qu'implémentées dans ces deux types de boucles de climatisation.

La figure 2 montre un diagramme fonctionnel de la commande d'une boucle thermique à compression de vapeur comprenant une vanne de détente à ouverture variable et, optionnellement, un compresseur à cylindrée variable ou à vitesse variable (cas des compresseurs électriques).

La boucle est schématisée sur la figure 2 par la référence 10, la vanne de détente, par la référence EXV, et le compresseur, par la référence CMP (le dit compresseur pourra être de type mécanique ou électrique). Le fonctionnement de la boucle thermique est en permanence évalué grâce à des mesures 20 réalisées en divers points de la boucle 10. Une mesure 21 de température à la sortie de l'évaporateur est également réalisée. Ces mesures permettent de faire une rétroaction sur des paramètres à contrôler durant le fonctionnement de la boucle thermique. En particulier, la température à la sortie de l'évaporateur Te peut être contrôlée à l'aide de la mesure 21 observée et du calcul 31 d'une valeur de consigne de cette température à la sortie de l'évaporateur Te. Cette rétroaction permet une action d'une unité de contrôle du compresseur 120 directement sur la vitesse du compresseur CMP. Par ailleurs, un autre calcul 30 d'une valeur de consigne SP(Par) d'un paramètre quantifiant la surchauffe ou le sous-refroidissement selon l'invention, est utilisé pour déterminer un signal de commande de la vanne d'expansion EXV en utilisant les mesures 20. Ce signal comprend plusieurs composantes selon l'invention. Les mesures 20 et le calcul 30 d'une valeur de consigne du paramètre quantifiant la surchauffe sont utilisés au sein d'une unité de contrôle statique 110 qui calcule une composante CS envoyée vers la vanne d'expansion EXV.

Une unité de contrôle dynamique 111 détermine également une composante de rétroaction dynamique CD de commande de la vanne d'expansion. Cette rétroaction est déterminée uniquement pour des intervalles du paramètre prédéterminés et symbolisés sur la figure 3 par la référence 112 qui symbolise la présence d'une « zone morte » du paramètre pour laquelle la rétroaction n'est pas active. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le système de contrôle de la vanne d'expansion comprend en outre une unité de contrôle des pics de pression 112 utilisant les mesures 20 pour la détermination et l'envoi d'une composante CP à destination de la vanne d'expansion EXV. Encore avantageusement, le signal de commande de la vanne d'expansion est utilisé par l'unité de contrôle du compresseur 120 pour faire une rétroaction éventuelle sur la vitesse du compresseur CMP. Ces deux dernières caractéristiques sont représentées en traits pointillés surfa figure 2. Au sein de l'unité de contrôle statique 110, l'ouverture de la vanne d'expansion est déterminée en fonction des pressions en entrée et en sortie du compresseur.

Selon l'invention, le contrôle de l'ouverture de la vanne de détente dépend d'un contrôle statique et d'un contrôle dynamique de l'ouverture. En effet, lorsque la surchauffe est proche de zéro, un contrôle statique de l'ouverture de la vanne de détente est opéré. Etant donné que pour des températures extérieures inférieures à 25°C, la surchauffe est quasi-nulle et donc difficilement contrôlable, la vanne de détente opère comme un orifice tube. En d'autres termes, en dessous d'une certaine valeur de la surchauffe, la vanne de détente est maintenue avec une ouverture de diamètre fixe. Lorsque la surchauffe dépasse un seuil de valeur, un contrôle dynamique de l'ouverture de la vanne de détente est alors opéré.

La figure 3 montre une courbe de commande du diamètre D de la vanne de détente, en fonction de la pression à la sortie du compresseur. On constate que, pour des pressions inférieures à une valeur P1, généralement de l'ordre de 8 à 12 bar, la taille d'ouverture de la vanne dépend de la haute pression HP et de la basse pression BP, alors que dans les pressions supérieures à pi, la taille d'ouverture de la vanne est linéaire en fonction de la haute pression HP de la boucle. En outre, la valeur P1 est celle à partir de laquelle un contrôle dynamique de la vanne de détente est opéré. En effet, lorsque la haute pression HP est inférieure à pi, la valeur de la surchauffe est trop faible pour pouvoir mettre en oeuvre un contrôle dynamique de l'ouverture de la vanne de détente. Le contrôle statique de la vanne de détente est alors mis en oeuvre. Comme le montre cette figure, le diamètre d'ouverture de la vanne de détente évolue très peu pour des valeurs de haute pression inférieures à pi.

En outre, quand la boucle de climatisation est démarrée, la basse pression n'étant pas définie, le procédé de contrôle de l'ouverture de la vanne de détente utilise un calcul de la basse pression en fonction de la valeur de consigne de la température à la sortie de l'évaporateur, de l'efficacité de l'évaporateur et de la température de l'air en entrée de cet évaporateur.

Par ailleurs, en dessous de P1 et en particulier en dessous de P0, la variation de l'ouverture de la vanne de détente doit être très faible et dépend avantageusement de la température extérieure, du flux massique d'air, des températures en entrée et sortie de l'évaporateur et de la vitesse d'air au condenseur. Plus le flux massique d'air est important, plus le diamètre de la vanne de détente sera important et moins la température est élevée, plus le diamètre de la vanne de détente sera important. Ces paramètres pourront donc être utilisés pour évaluer l'ouverture initiale de la vanne de détente et pour mettre en place une rétroaction dynamique selon l'invention.

En effet, afin de mettre en oeuvre l'invention, il est nécessaire d'effectuer un calcul d'une valeur de consigne pour un paramètre quantificateur de la surchauffe ou du sous-refroidissement. C'est sur cette valeur de consigne que sera calculée la composante proportionnelle intégrale dérivée lors du contrôle dynamique de la vanne de détente réalisé dès lors que la surchauffe ou le sous-refroidissement se trouvent être contrôlables.

Les figures 4A et 4B donnent deux exemples d'établissement d'une valeur de consigne SP(Te) pour le paramètre température à l'entrée du compresseur Te (ou, donc, en sortie de l'évaporateur), en fonction respectivement de la température à l'extérieur Text et de la haute pression HP, c'est-à-dire la pression à la sortie du compresseur. Cette valeur de consigne SP(Te) est utilisée pour réaliser le contrôle statique. Sur la figure 4A, est représentée une première courbe Cl correspondant à la détermination de la valeur de consigne ST(Te) dans le cas d'un circuit de climatisation fonctionnant avec de l'air frais, alors que la courbe C2 correspond à un circuit de climatisation fonctionnant sur un air recyclé. 10 On remarque que, pour une température extérieure inférieure à 25°C ou, pour une pression en sortie du compresseur en dessous de 7 bar, il n'y a pas de modification de la valeur de consigne. Cela signifie que l'on ne peut alors pas jouer sur la surchauffe pour optimiser le fonctionnement de 15 la boucle de climatisation. L'invention va être particulièrement utile dans ces domaines de températures extérieures et de pression à la sortie du compresseur.

La figure 5 représente schématiquement une courbe de fixation d'une 20 valeur de consigne SP(Te) d'un paramètre quantifiant le sous-refroidissement, par exemple, ici encore, la température à la sortie de l'évaporateur.

Ici aussi, on constate que pour des valeurs inférieures à 25°C, il n'est plus 25 possible d'optimiser le comportement de la boucle de climatisation en modifiant la valeur de consigne du sous-refroidissement ou de la surchauffe.

Ainsi, au vu des figures 4 et 5, on conclut que, pour des températures 30 extérieures inférieures à 25°C, la valeur de consigne ne peut, par exemple, pas être fixée à 15 K parce que la charge thermique est faible voire très faible et qu'il est très difficile d'obtenir des valeurs élevées de la surchauffe et du sous refroidissement sans déstabiliser le système.

35 Ainsi, selon l'invention, dès lors que la différence entre la température en sortie du compresseur et le seuil de température prédéterminé à 25° C est5 supérieur à un décalage élémentaire prédéterminé ou dès lors que la différence entre la pression en sortie du compresseur et le seuil de pression prédéterminé à 7 bar-est supérieure à un décalage élémentaire prédéterminé et que le paramètre est supérieur à la valeur de consigne, l'ouverture de la vanne de détente est contrôlée par un signal de commande comprenant une composante calculée en rétroaction sur la valeur du paramètre quantifiant la surchauffe ou le sous-refroidissement.

Pour cela, les mesures suivantes sont effectuées en permanence durant le fonctionnement de la boucle de climatisation : débit d'air traversant l'évaporateur, la température cible de l'air pulsé et haute pression dans la boucle. On note ici que les valeurs de la température cible et de la haute pression sont connues avec une certaine marge d'erreur.

La figure 6 représente un organigramme du contrôle de l'ouverture de la vanne de détente de l'invention. Une étape A dans laquelle les paramètres relatifs à la boucle de climatisation sont recueillis est effectuée. Ces paramètres sont par exemple la température de l'air en entrée de l'évaporateur, la température de consigne, la valeur de la haute pression et le débit d'air pulsé. Suit une étape B dans laquelle l'ouverture de la vanne de détente est choisie en fonction des paramètres recueillis à l'étape A. Les étapes A et B correspondent au contrôle statique de la vanne de détente. Ainsi, l'ouverture de la vanne de détente est réglée à une valeur DO. On remarque ici qu'une vanne de détente de section circulaire est ici considérée mais que l'invention concerne tout autre type de vanne dès l'instant où la section de son ouverture est variable.

La valeur initiale DO est déterminée en fonction généralement de la haute pression HP et de la température extérieure, de la vitesse d'avancement et de la puissance du groupe moto-ventilé situé en face avant, et éventuellement de la basse pression BP ainsi que vu précédemment.

Une étape C illustre l'avancée du temps au travers d'un incrément correspondant à la durée de la période à laquelle les signes de 35 commande de la vanne de détente sont envoyés par un contrôleur CNT.

Une étape D de test reçoit les mesures effectuées sur la boucle de climatisation et détermine s'il existe des oscillations dans la boucle de climatisation. En particulier, cette étape D analyse s'il existe des oscillations soit de basse pression, soit de haute pression, soit de température à la sortie de l'évaporateur.

Dans le cas où des oscillations sont observées (cas O), dans une étape E, le procédé stocke la valeur DN-1 d'ouverture de la vanne de détente actuelle dans un registre, cette valeur d'ouverture est notée DH. Une étape F permet ensuite d'augmenter la valeur de l'ouverture de la vanne de détente d'une valeur dl. Ainsi, l'ouverture de la vanne de détente a une valeur DN=DN-1+dl. Dans une étape G, le procédé vérifie si les paramètres de l'étape A ont été modifiés. Si les paramètres ont changés, une étape G1 permet à l'ouverture de la vanne de prendre la valeur DO définie à l'étape A. Si les paramètres de l'étape A restent inchangés à l'étape G, une étape H vérifie si la valeur DN est inférieure ou égale à la valeur stockée DH à l'étape E pour laquelle la boucle de climatisation subit des oscillations. Si DN est inférieur ou égale à la valeur stockée DH à l'étape E, la valeur d'ouverture de la vanne est alors définie de la manière suivante : DN=DH+dI dans une étape I. Cette étape I permet de modifier l'ouverture de la vanne de détente pour stopper les oscillations de la boucle de climatisation. Selon une étape J, le contrôleur CNT reçoit la valeur d'ouverture de la vanne DN à envoyer à la vanne de détente.

A l'étape H, si la valeur DN est supérieure à la valeur DH, alors la valeur DN est conservée (étape H1) pour l'ouverture de la vanne de détente puisque les oscillations ne se produisent plus avec une telle ouverture. Cette valeur Dn est ensuite transmise au contrôleur à l'étape J.

Une étape K illustre la modification physique de l'ouverture de la vanne de détente. En d'autres termes, le signal de commande est envoyé du contrôleur vers la vanne de détente pour que son ouverture puisse prendre la valeur enregistrée par le contrôleur.

A l'issue de l'étape K, le procédé revient à l'étape C.

A l'étape D, si aucune oscillation n'est détectée, alors la valeur de l'ouverture de la vanne de détente prend la valeur DN=DN-1-dl lors d'une étape Dl. Ensuite, cette valeur est transmise au contrôleur à l'étape J.

On note que l'incrément dl d'ouverture de la vanne de détente est avantageusement calculé sous forme d'une composante proportionnelle intégrale dérivée.

La figure 7 montre des valeurs successives du signal de commande pour le diamètre D_EXV de la vanne de détente en fonction du temps. On voit ici que la valeur d'ouverture est modifiée à chaque période T. On voit aussi que la section de la vanne de détente a été diminuée progressivement sur trois niveaux en absence d'oscillation, puis la valeur DH étant atteinte, il a été nécessaire de remonter d'un petit incrément dl.

Le diamètre DS se trouve être une valeur stable pour l'ouverture de la vanne de détente dans les conditions de fonctionnement alors observées.

L'invention permet aussi de se prémunir des pics de pression et de couple d'entraînement du compresseur, dès lors que la vitesse du dit compresseur varie fortemement (en particulier accélaration) alors même que celui-ci travaille près de sa capacité maximale.

L'invention permet en effet que la taille de l'ouverture de la vanne de détente soit contrôlée en fonction de la vitesse du compresseur. Le compresseur fonctionne alors simultanément avec le contrôle statique et dynamique de l'ouverture de la vanne de détente.

Ainsi, la variation de la taille de l'ouverture de la vanne de détente est avantageusement aussi fonction de la vitesse du compresseur. La modification de l'ouverture est déterminée pour compenser la variation du débit de réfrigérant due à la variation de la vitesse du compresseur.

Avantageusement, la variation de l'ouverture de la vanne de détente en fonction de la vitesse du compresseur est effective à partir du moment où 35 le compresseur est à 75 % de sa capacité maximale.

Le contrôle de la vanne de détente permet aussi de protéger la boucle de climatisation contre les pics de pression ou de température à la sortie du compresseur.

L'ouverture de la vanne de détente est ainsi contrôlée en fonction de la pression et de la température à la sortie de l'évaporateur de manière statique dès lors que la surchauffe ou le sous refroidissement est proche de zéro et de manière dynamique quand la surchauffe ou le sous refroidissement est contrôlable c'est-à-dire quand la température ou la pression en sortie de l'évaporateur dépasse des valeurs seuil, dans ce dernier cas, le contrôle est fonction de la vitesse du compresseur quand le compresseur fonctionne proche de sa pleine capacité de manière à compenser la variation du débit de réfrigérant. On remarque enfin que diverses mises en oeuvre peuvent être réalisées selon les principes de l'invention.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle d'une vanne de détente (EXV) placée dans une boucle de climatisation dans laquelle circule un fluide frigorigène, la boucle de climatisation comprenant au moins un compresseur (CMP), un condenseur (CND) et un évaporateur (EVP), caractérisé en ce que ce procédé de contrôle comprend des étapes suivantes : - lorsque une surchauffe est inférieure à une valeur seuil, l'ouverture de la vanne de détente est régie par un contrôle statique, et - lorsque la surchauffe est supérieure à la valeur seuil, l'ouverture de la vanne de détente est régie par un contrôle dynamique.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le contrôle statique détermine la valeur de l'ouverture de la vanne de détente en fonction d'une température de consigne, d'une haute pression du fluide, d'une température de l'air à l'entrée de l'évaporateur et d'un débit d'air pulsé.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le contrôle dynamique détermine la valeur de l'ouverture de la vanne de détente en fonction d'une valeur seuil DH en dessous de laquelle la température et/ou la pression du fluide oscille à l'intérieur de la boucle de climatisation.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la variation de l'ouverture de la vanne de détente est fonction de la 25 vitesse du compresseur. 12