ES2285547T3 - Instalacion de climatizacion de vehiculo. - Google Patents
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Abstract
Instalación de climatización para vehículo a motor, provista de un circuito de fluido frigorígeno supercrítico (10) que comprende un compresor (14), un refrigerador de gas (11), un elemento reductor de presión (12) que define una sección de paso de fluido, y un evaporador (13), comprendiendo la instalación además un dispositivo electrónico de control destinado a interactuar con el circuito de fluido frigorígeno, caracterizada por el hecho de que el dispositivo electrónico de control comprende una función de cálculo que utiliza una estimación de la sección de paso del elemento reductor de presión, el coeficiente de densidad del fluido frigorígeno (Ro), y la presión del fluido frigorígeno en la entrada del elemento reductor de presión (P20) para calcular una estimación del caudal másico de fluido frigorígeno al nivel del elemento reductor de presión (MDET).
Description
Instalación de climatización de vehículo.
La invención se refiere a los circuitos de
climatización de los vehículos a motor.
En los vehículos a motor clásicos, el compresor
del circuito de climatización es accionado por el motor y consume,
por lo tanto, una parte de la potencia del motor. La potencia
absorbida por el compresor, cuando está en marcha, disminuye el
rendimiento del motor, y, consecuentemente, aumenta el consumo de
carburante y la contaminación generada par los gases de escape del
vehículo. Este inconveniente es molesto en los compresores
mecánicos de control externo, cuya utilización está
generalizada.
Por otro lado, en algunas realizaciones
existentes, el calculador de inyección del vehículo no dispone del
valor instantáneo de la potencia realmente absorbida por el
compresor y por lo tanto escoge por defecto, para el funcionamiento
del compresor, unos parámetros de inyección correspondientes al
valor máximo de la potencia absorbida, valor raramente alcanzado en
la práctica.
Consecuentemente, una solución para optimizar el
rendimiento del motor consiste en estimar el valor instantáneo de
esta potencia realmente absorbida por el compresor. Luego, el
conocimiento de esta información puede permitir adaptar los
parámetros de inyección del motor a las necesidades reales.
En algunas realizaciones existentes, se utiliza
una estimación del caudal másico de fluido frigorígeno para
calcular la potencia instantánea absorbida por el compresor.
Estas realizaciones se refieren en general a
fluidos frigorígenos subcríticos y se adaptan mal a los fluidos
frigorígenos supercríticos.
La utilización de fluidos frigorígenos
supercríticos, especialmente del fluido frigorígeno CO_{2}
(R744), se ha desarrollado en los circuitos de climatización de los
vehículos para limitar los efectos nefastos de los fluidos
frigorígenos sobre el medio ambiente. Efectivamente, el fluido
frigorígeno CO_{2} tiene un potencial de efecto invernadero del
planeta netamente inferior al de los fluidos frigorígenos
subcríticos como los fluidos HFC del tipo R134a.
Un circuito de climatización que utiliza un
fluido supercrítico comprende un compresor, un refrigerador de gas,
un intercambiador térmico interno, un elemento reductor de presión y
un evaporador recorridos, en este orden, por el fluido frigorígeno.
En un circuito como este, la refrigeración del fluido después de la
compresión no implica un cambio de fase. El fluido solo pasa al
estado líquido durante la expansión. Esta propiedad de los fluidos
super-críticos no permite utilizar la instalación de
la solicitud de patente nº 01 16568, correspondiente a la patente
FR 2 833 886 publicada el 27 de junio de 2003, para estimar el
caudal de fluido supercrítico y la potencia consumida por el
compresor.
US 2003/0115896 A1 propone una instalación de
climatización para estimar el caudal másico de un fluido
frigorígeno supercrítico, a partir de una medida de la alta presión
y de una medida de la baja presión. Sin embargo, para que la
estimación del caudal tenga una precisión satisfactoria, es
necesario que el circuito de climatización sea controlado de manera
que el fluido en la salida del elemento reductor de presión esté
casi completamente en estado líquido. Por otro lado, se requiere un
captador para medir la baja presión, lo cual aumenta el coste de la
instalación de climatización.
La solicitud de patente francesa Nº 0303362,
correspondiente a la patente FR 2852558 publicada el 24 de
septiembre de 2004, también propone una instalación de climatización
para estimar el caudal másico de un fluido frigorígeno
supercrítico. Para ello, la instalación de climatización propuesta
comprende una función de cálculo que utiliza dos intervalos de
temperaturas relativas al refrigerador de gas, al menos una de las
cuales se basa en la temperatura del fluido frigorígeno en un punto
intermedio escogido del refrigerador de gas. En particular, este
punto intermedio está situado a una distancia de la entrada x_{i}
del refrigerador de gas, comprendida entre un 5% y un 35% de la
longitud total del refrigerador de gas. Sin embargo, esta
instalación precisa de una cantidad importante de captadores
(captadores para medir la presión del fluido en la entrada y en la
salida del compresor, la temperatura del fluido frigorígeno en la
entrada del refrigerador de gas, la temperatura del flujo de aire
recibido por el refrigerador de gas y la temperatura del fluido
frigorígeno en el punto intermedio escogido del refrigerador de
gas), lo cual aumenta, por lo tanto, el coste de la instalación.
La presente invención tiene como objeto una
instalación de climatización que remedia estos inconvenientes
conocidos del estado de la técnica anterior.
Con esta finalidad, la invención propone una
instalación de climatización para vehículo a motor, provista de un
circuito de fluido frigorígeno supercrítico que comprende un
compresor, un refrigerador de gas, un elemento reductor de presión
que define una sección de paso de fluido, y un evaporador. La
instalación comprende además un dispositivo electrónico de control
destinado a interactuar con el circuito de fluido frigorígeno.
Ventajosamente, el dispositivo electrónico de control comprende una
función de cálculo que utiliza una estimación de la sección de paso
del elemento reductor de presión, el coeficiente de densidad del
fluido frigorígeno, y la presión del fluido frigorígeno en la
entrada del elemento reductor de presión para calcular una
estimación del caudal másico de fluido frigorígeno al nivel del
elemento reductor de presión.
Según un aspecto de la invención, la sección de
paso del elemento reductor de presión se estima a partir de la
presión del fluido frigorígeno en la entrada del elemento reductor
de presión.
En particular, el dispositivo electrónico de
control puede estar adaptado para reaccionar ante el hecho de que
el valor de la presión del fluido frigorígeno en la entrada del
elemento reductor de presión P_{20} sea:
- inferior o igual a un primer valor de presión
P1, asignando una primera constante S1 a la sección de paso del
elemento reductor de presión;
- inferior o igual a un segundo valor de presión
P2 y superior al primer valor de presión P1, llevando a cabo la
resolución de la ecuación siguiente para calcular una estimación de
la sección de paso del elemento reductor de presión S:
S=S1+(S2-S1)*(P_{20}-P1)/(P2-P1)
donde S2 es una segunda
constante;
- inferior o igual a un tercer valor de presión
P3 y superior al segundo valor de presión P2, llevando a cabo la
resolución de la ecuación siguiente para calcular una estimación de
la sección de paso del elemento reductor de presión S:
S=S2+(S3-S2)*(P_{20}-P2)/(P3-P2)
donde S3 es una tercera
constante;
- superior o igual al tercer valor de presión P3
asignando una cuarta constante S4 a la sección de paso del elemento
reductor de presión.
En una forma de realización particular, el
primer valor de presión P1 es sensiblemente igual a 80 bars, el
segundo valor de presión P2 es sensiblemente igual a 110 bars, el
tercer valor de presión P3 es sensiblemente igual a 135 bars,
mientras que la primera constante S1 es sensiblemente igual a 0,07
mm^{2}, la segunda constante S2 es sensiblemente igual a 0,5
mm^{2}, la tercera constante S3 es sensiblemente igual a 0,78
mm^{2}, y la cuarta constante S4 es sensiblemente igual a 3,14
mm^{2}.
Según otro aspecto de la invención, la función
de cálculo es apropiada para calcular el coeficiente de densidad
del fluido frigorígeno a partir de la temperatura del fluido en la
entrada del elemento reductor de presión y de la presión del fluido
en la entrada del elemento reductor de presión.
La instalación de climatización puede comprender
una sonda dispuesta en la entrada del elemento reductor de presión
para medir la temperatura del fluido en la entrada del elemento
reductor de presión.
La instalación de climatización puede también
comprender un captador dispuesto en la entrada del elemento
reductor de presión para medir la presión del fluido en la entrada
del elemento reductor de presión.
Como complemento, el dispositivo electrónico de
control puede comprender una función de estimación de potencia
capaz de estimar la potencia absorbida por el compresor a
partir:
- del caudal de fluido frigorígeno suministrado
por la función de cálculo,
- del trabajo del compresor, y
- de la velocidad de rotación del compresor.
El dispositivo electrónico de control es apto
para estimar el trabajo del compresor a partir de la presión del
fluido en la entrada del elemento reductor de presión, de la presión
del fluido frigorígeno en la entrada del compresor y de una
temperatura de fluido relativa al compresor.
Ventajosamente, la presión del fluido
frigorígeno en la entrada del compresor se estima a partir de una
presión en la entrada o en la salida del evaporador combinada con el
caudal másico de fluido frigorígeno.
Además, la presión en la entrada o en la salida
del evaporador se determina a partir de la temperatura del fluido
refrigerante, siendo medida esta última por una sonda o bien
estimada a partir:
- de una temperatura relativa al evaporador,
- de la eficacia del evaporador,
- de la temperatura del aire a enfriar.
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La temperatura de fluido relativa al compresor
puede ser la temperatura del fluido en la entrada del
compresor.
Luego, la instalación de climatización puede
comprender una sonda dispuesta en la entrada del compresor para
medir la temperatura del fluido en la entrada del compresor.
Como variante, la temperatura de fluido relativa
al compresor puede ser la temperatura del fluido en la salida del
compresor.
Entonces, la instalación de climatización puede
comprender una sonda dispuesta en la salida del compresor para
medir la temperatura del fluido en la salida del compresor.
La invención cubre también un
programa-producto, que puede definirse por el hecho
de que comprende las funciones que se llevan a cabo para estimar el
caudal de fluido frigorígeno y la potencia consumida por el
compresor.
Otras características y ventajas de la invención
se pondrán de manifiesto con el examen de la descripción detallada
siguiente, y de los dibujos adjuntos, en los cuales:
- la figura 1A es un esquema de un circuito de
climatización de vehículo automóvil a motor, que funciona con un
fluido supercrítico,
- la figura 1B es un esquema de una instalación
de climatización según la invención,
- la figura 2 es un diagrama que representa las
variaciones de la sección de paso del elemento reductor de presión
en función de la presión del fluido en la entrada del elemento
reductor de presión;
- la figura 3 es un organigrama que representa
las etapas llevadas a cabo por el dispositivo de control para
estimar el caudal másico de fluido frigorígeno al nivel del reductor
de presión;
- la figura 4 es un organigrama que representa
las etapas llevadas a cabo por el dispositivo de control para
estimar la superficie de la sección de paso del elemento reductor de
presión;
- la figura 5 es un organigrama que representa
las etapas llevadas a cabo por el dispositivo de control para
estimar la potencia consumida por el compresor, según la
invención,
- las figuras 6 y 7 son unos esquemas del
circuito de climatización, según unas variantes de realización de
la invención
- las figuras 8 a 12 son representaciones
esquemáticas del posicionamiento de las sondas de temperatura que
sirven para determinar la presión en la entrada o en la salida del
evaporador,
- la figura 13 ilustra el procedimiento de
determinación de la presión del fluido frigorígeno en la entrada
del compresor, y
- la figura 14 muestra la relación entre el
caudal másico del fluido refrigerante y la presión del fluido
frigorígeno en la entrada del compresor.
El anexo A comprende las ecuaciones matemáticas
principales usadas para implantar la instalación.
Los dibujos contienen, esencialmente, los
elementos necesarios. Luego, no solamente servirán para facilitar
la comprensión de la descripción, si no que también contribuiran a
la definición de la invención, en su defecto.
La figura 1A representa un circuito de
climatización recorrido por un fluido frigorígeno supercrítico. A
continuación, la descripción se hará en referencia al fluido
frigorígeno supercrítico CO_{2}, a título de ejemplo no
limitativo.
Clásicamente, un circuito como este
comprende:
- un compresor 14 apropiado para recibir el
fluido en estado gaseoso y para comprimirlo,
- un refrigerador de gas 11 ("gas
cooler") apropiado para enfriar el gas comprimido por el
compresor,
- un elemento reductor de presión 12 apropiado
para reducir la presión del fluido, y
- un evaporador 13 apropiado para hacer pasar el
fluido que proviene del elemento reductor de presión del estado
líquido al estado gaseoso para producir un flujo de aire climatizado
21 que es enviado hacia la cabina del vehículo.
El circuito puede comprender además un
intercambiador térmico interno 23, que permite al fluido que
circula desde el refrigerador de gas hacia el elemento reductor de
presión ceder calor al fluido que circula del evaporador hacia el
compresor. El circuito puede además comprender un acumulador 17
dispuesto entre la salida del evaporador y la entrada del compresor
para evitar los golpes de ariete.
\global\parskip1.000000\baselineskip
El refrigerador de gas 11 recibe un flujo de
aire exterior 16 para evacuar el calor extraido de la cabina, que
en ciertas condiciones de funcionamiento se pone en movimiento
mediante un grupo moto-ventilador 15.
El evaporador 13 recibe un flujo de aire de un
pulsador para producir un flujo de aire climatizado 21.
El elemento reductor de presión 12 puede tener
una sección de paso de superficie variable, como por ejemplo un
reductor de presión electrónico, un reductor de presión
termostático, o cualquier reductor de presión para el cual la
superficie de la sección de paso es una función de la alta presión.
El elemento reductor de presión 12 puede también tener una sección
de paso de superficie fija, como por ejemplo un orificio
calibrado.
El fluido frigorígeno supercrítico es comprimido
en fase gaseosa y llevado a una presión elevada por el compresor
14. El refrigerador de gas 11 enfría a continuación el fluido
frigorígeno gracias al flujo de aire entrante 16. A diferencia de
los circuitos de climatización que funcionan con un fluido
sub-crítico, la refrigeración del fluido después de
la compresión no origina un cambio de fase. El fluido solo pasa al
estado difásico, con un porcentaje de vapor función de la baja
presión, durante la reducción de presión. El intercambiador térmico
interno 23 permite enfriar muy fuertemente el fluido.
Se hace referencia ahora a la figura 1B que
representa una instalación de climatización según la invención,
colocada en un vehículo automóvil.
El vehículo automóvil está accionado por un
motor 43, que puede ser controlado por un calculador de inyección
42. El calculador de inyección 42 recibe las informaciones de
diversos captadores que interpreta para ajustar los parámetros de
inyección.
El calculador de inyección 42 puede además
suministrar informaciones acerca de las condiciones interiores o
exteriores del vehículo (informaciones suministradas por un captador
solar, número de ocupantes, etc.). En particular, puede suministrar
informaciones acerca de los valores instantáneos relativos al
funcionamiento del vehículo, y especialmente relativos a la
velocidad de rotación del compresor N.
Además, la instalación está provista de un
calculador de climatización 40, que comprende un regulador de
cabina 41 y un regulador de bucle de climatización 402. El regulador
de cabina 41 está destinado a fijar la consigna de temperatura del
aire exterior soplado en la entrada del evaporador 13.
El calculador de inyección del motor puede
actuar sobre el aparato de climatización gracias a un regulador de
climatización 402. Este enlace puede prohibir la puesta en marcha
del aparato de climatización cuando el motor está muy
solicitado.
La instalación de climatización según la
invención se basa en una modelización del elemento reductor de
presión para suministrar una estimación del caudal másico de fluido
frigorígeno al nivel del reductor de presión m_{DET}.
La instalación de climatización comprende un
dispositivo electrónico de control, por ejemplo una tarjeta
electrónica 401, destinada a interactuar con el circuito de
climatización 10, a través de los enlaces 30/31, y el calculador de
inyección 42, a través de los enlaces 32/33.
La tarjeta electrónica 401 puede considerarse
como parte integrante del calculador de climatización 40 del
vehícu-
lo.
lo.
La tarjeta electrónica 401 puede recuperar las
informaciones 30 que provienen de captadores dispuestos en el
circuito de climatización 10. También puede recibir informaciones
del calculador de inyección del motor 42 mediante el enlace 33, en
particular la velocidad de rotación del compresor N, y/o la
velocidad de avance V del vehículo.
La Solicitante a descubierto que el elemento
reductor de presión puede modelizarse mediante la ecuación A10 del
anexo A, donde K es un coeficiente que caracteriza el elemento
reductor de presión, en particular su pérdida de presión.
Según esta modelización, la función de cálculo
puede calcular una estimación del caudal másico de fluido
frigorígeno al nivel del elemento reductor de presión mDET a
partir:
- de la presión del fluido en la entrada del
elemento reductor de presión P_{20},
- del coeficiente Ro de la densidad del fluido
frigorígeno CO_{2}, y
- de la superficie S (en mm^{2}) de la sección
de paso del elemento reductor de presión.
La Solicitante también ha descubierto que el
coeficiente Ro de la densidad del fluido frigorígeno CO_{2} puede
ser estimado a partir de la temperatura en la entrada del elemento
reductor de presión T_{30} y de la presión P_{20} en la entrada
del elemento reductor de presión, según la ecuación A11 del anexo
A.
La Solicitante ha descubierto además que la
superficie S (en mm^{2}) de la sección de paso de un elemento
reductor de presión de sección de paso variable depende del valor de
la presión del fluido en la entrada del elemento reductor de
presión P_{20}.
Así, puede obtenerse una estimación del caudal
másico de fluido frigorígeno al nivel del elemento reductor de
presión m_{DET} a partir de la presión del fluido en la entrada
del elemento reductor de presión P_{20}, y de la temperatura en
la entrada del elemento reductor de presión T_{30}.
La presión del fluido frigorígeno en la entrada
del elemento reductor de presión P_{20} y la temperatura del
fluido frigorígeno T_{30} en la entrada del elemento reductor de
presión medirse o estimarse.
El circuito de climatización puede comprender
dos captadores distintos para medir respectivamente la presión del
fluido frigorígeno en la entrada del elemento reductor de presión
P_{20} y la temperatura del fluido frigorígeno T_{30} en la
entrada del elemento reductor de presión. Como variante, el circuito
de climatización puede comprender un único captador dispuesto en la
entrada del elemento reductor de presión para medir estas dos
magnitudes.
La figura 2 es un diagrama que muestra la
evolución de la superficie S (en mm^{2}) de la sección de paso en
función de la presión del fluido en la entrada del elemento reductor
de presión P_{20} (en bars). Las curvas representadas en este
diagrama corresponden a las ecuaciones A2 a A5 del anexo A.
Mientras la presión del fluido P_{20} en la
entrada del elemento reductor de presión sea inferior o igual a un
primer valor de presión P1, la superficie S es igual a una primera
constante S1, según la ecuación A2 del anexo A.
Cuando la presión P_{20} es superior al primer
valor de presión P1 e inferior o igual a un segundo valor de
presión P2, la superficie S evoluciona según una recta, cuya
pendiente está relacionada con los valores S1, P1, P2 y con una
segunda constante S2, según la ecuación A3 del anexo A. El valor S2
corresponde al valor de la superficie S cuando P_{20} es igual al
valor P2.
Cuando la presión P_{20} es superior al
segundo valor de presión P2 e inferior o igual a un tercer valor de
presión P3, la superficie S evoluciona según una recta, cuya
pendiente está relacionada con los valores S2, P2, P3 y con una
tercera constante S3, según la ecuación A4 del anexo A.
Cuando la presión P_{20} es superior o igual
al tercer valor de presión P3, la superficie S es igual a una
cuarta constante S4 superior a la tercera constante S3, según la
ecuación A5 del anexo A.
En particular, el primer valor de presión P1
puede ser sensiblemente igual a 80 bars, el segundo valor de
presión P2 puede ser sensiblemente igual a 110 bars, el tercer valor
de presión P3 puede ser sensiblemente igual a 135 bars, la primera
constante S1 puede ser sensiblemente igual a 0,07 mm^{2}, la
segunda constante S2 puede ser sensiblemente igual a 0,50 mm^{2},
la tercera constante S3 puede ser sensiblemente igual a 0,78
mm^{2}, y la cuarta constante S4 puede ser sensiblemente igual a
3,14 mm^{2}.
Como complemento, la estimación del caudal
másico de fluido frigorígeno, suministrado por la función de
cálculo de la tarjeta electrónica, puede usarse para calcular la
potencia mecánica absorbida. Para ello, la tarjeta electrónica
comprende una función de estimación de potencia capaz de estimar la
potencia absorbida por el compresor Pa a partir del caudal másico
de fluido frigorígeno m_{DET}. En particular, la función de
estimación de potencia es capaz de estimar la potencia absorbida por
el compresor Pa a partir del trabajo de compresión isoentrópico
Wis, y de la velocidad de rotación del compresor N, según la
ecuación A6 del anexo A. Los coeficientes a y b están relacionados
con los parámetros de funcionamiento del circuito de climatización.
El coeficiente a corresponde al rendimiento mecánico con respecto a
la compresión isoentrópica del compresor y es del orden de 1,38. El
coeficiente b es el reflejo de la eficacia del compresor y
corresponde al factor de fricción del compresor.
Según la ecuación A7 del anexo A, la potencia de
compresión isoentrópica Wis está ligada:
- al caudal másico de fluido frigorígeno
m_{DET}, cuya estimación se calcula mediante la función de cálculo
que se describe más abajo, y
- el trabajo isoentrópico del compresor
\Deltahis.
La Solicitante ha descubierto que la estimación
del trabajo del compresor \Deltahis puede obtenerse, según la
ecuación A80 del anexo A, a partir:
- de la presión del fluido frigorígeno en la
entrada del elemento reductor de presión P_{20},
- de la presión del fluido frigorígeno en la
entrada del compresor P_{35},
- de una temperatura del fluido frigorígeno
relativa al compresor T_{cpr}.
\newpage
La presión del fluido frigorígeno en la entrada
del compresor P_{35} y la temperatura del fluido relativa al
compresor T_{cpr} pueden estimarse o medirse.
La estimación de la presión del fluido
frigorígeno en la entrada del compresor se hace con ayuda del
caudal másico de fluido frigorígeno m_{DET} calculado más arriba y
de la pérdida de carga \Deltap entre la entrada del evaporador 13
y la entrada del compresor 14.
Como variante, esta estimación de la presión del
fluido frigorígeno en la entrada del compresor puede determinarse
con ayuda del caudal másico de fluido frigorígeno m_{DET}
calculado más arriba y de la pérdida de carga Dp entre la salida
del evaporador 13 y la entrada del compresor 14.
El ejemplo siguiente es describe en relación con
la presión en la entrada del evaporador 13 pero este ejemplo puede
trasladarse de manera similar utilizando la presión en la salida del
evaporador 13.
Esta pérdida de carga \Deltap se calcula a
partir de la formula A90 del anexo A en la cual:
- P_{50} es una estimación de la presión en la
entrada del evaporador,
- P_{35} es la estimación de la presión del
fluido frigorígeno en la entrada del compresor.
\vskip1.000000\baselineskip
También se sabe que esta pérdida de carga
\Deltap puede determinarse con ayuda de la formule A100 en la
cual:
- K es un coeficiente de pérdida de carga,
- Ro es la densidad del fluido refrigerante,
y
- VCo_{2} es la velocidad del fluido
refrigerante.
\vskip1.000000\baselineskip
Según la ecuación A101 del anexo A, la velocidad
del fluido refrigerante VCo_{2} puede determinarse a partir:
- del caudal másico de fluido frigorígeno
m_{DET}, determinado mediante la ecuación A10,
- de la densidad del fluido refrigerante Ro,
y
- de una constante S correspondiente a la
sección y longitud de paso medios, que agrupa a la vez las pérdidas
de carga lineales y singulares, que recorre el fluido frigorígeno.
Combinando las dos ecuaciones A90 y A100, se está en medida de
estimar la presión del fluido frigorígeno en la entrada del
compresor tal como se ilustra mediante la ecuación A9.
\vskip1.000000\baselineskip
Así, la única incógnita de esta ecuación es la
estimación de la presión en la entrada del evaporador P_{50}.
Es conocido de la ley de saturación de los
fluidos, también llamada ecuación de estado del fluido, que la
presión P_{50} en la entrada del evaporador depende directamente
de la temperatura de saturación T_{50} en la entrada del
evaporador. En el intervalo de funciomamiento que nos interesa, esta
ecuación se puede representar en la forma de un polinomio de
segundo grado.
Esta temperatura de saturación del fluido
refrigerante presión T_{50} puede ser medida o estimada.
Cuando esta es estimada, se utiliza la ecuación
A91 del anexo A en la cual:
- T_{40} es una información relativa a la
temperatura del evaporador disponible en numerosas instalaciones de
climatización. Se trata de una sonda CTN o CTP dispuesta en el
evaporador cuyo objetivo principal en el estado de la técnica
anterior es impedir el escarchado del evaporador por paro del
compresor. Esta temperatura T_{40} corresponde a una temperatura
de superficie de una de las paredes del evaporador 13 (por ejemplo
en el hueco de los separadores tal como se ilustra en la figura 12)
o a una temperatura del aire en la salida del evaporador.
- \eta_{evap} es un reflejo de la eficacia
del evaporador, que puede llevarse fácilmente a una función de la
tension U del pulsador de aire del evaporador en la cabina y de la
velocidad de avance V del vehículo tal como se expresa en la
ecuación A910 del anexo A,
- T_{60} es la temperatura del aire a enfriar
por la instalación de climatización. Esta temperatura se estima en
función de la temperatura en el interior de la cabina, de la
temperatura exterior de la cabina, de la tension U del pulsador, de
la posición de la válvula de reciclaje de la instalación de
climatización y de la velocidad de avance V del vehículo. Esta
función se expresa en la ecuación A920 del anexo A.
Las figuras 8 y 9 ilustran la posibilidad de
medir la temperatura de saturación T_{50} del fluido frigorígeno
en la entrada del evaporador 13, ya sea mediante una sonda de
temperatura intrusiva o directa 51, es decir sumergiendola
directamente en el fluido refrigerante (Fig 7), ya sea mediante una
sonda no-intrusiva 52 o indirecta que mida la
temperatura del fluido refrigerante a partir de la temperatura del
tubo que lo transporta (Fig 8).
Las figuras 10 y 11 muestran la posibilidad de
medir la temperatura de saturación T_{50} del fluido frigorígeno
en la salida del evaporador 13 utilizando unos medios idénticos a la
medida de temperatura prevista en la entrada del evaporador 13.
Este procedimiento de determinación de la
presión del fluido frigorígeno en la entrada del compresor se
resume en la figura 13 en la forma de un sinóptico en el cual:
- si la temperatura T_{50} en la entrada o en
la salida del evaporador es estimada, se utilizan:
o la eficacia del evaporador \eta_{evap}
determinada con ayuda de las informaciones disponibles en el
vehículo como por ejemplo la tensión U del pulsador y la velocidad
de avance V del vehículo,
o estas dos informaciones se utilizan también
para determinar la temperatura T_{60} del aire a enfriar combinada
con la temperatura en el interior de la cabina y con la temperatura
exterior,
o la eficacia del evaporador h_{evap}, la
temperatura T_{60} del aire a enfriar y la temperatura en la
superficie del evaporador T_{40} se combinan para estimar la
temperatura T_{50} en la entrada del evaporador 13,
- Si la temperatura T_{50} se mide, una sonda
de temperatura 51 o 52 suministra el valor esperado,
- La temperatura T_{50} estimada o medida se
usa para determinar la presión P_{50} según la ley de saturación
del fluido refrigerante,
- Esta presión P_{50} en la entrada o en la
salida del evaporador 13 combinada de la presión del fluido en la
entrada del elemento reductor de presión P_{20}, al coeficiente Ro
de la densidad del fluido frigorígeno CO_{2}, y a la superficie S
(en mm^{2}) de la sección de paso del elemento reductor de presión
permite determinar el caudal másico del fluido refrigerante,
- finalmente, la combinación de esta información
de caudal másico con la estimación de la presión en la entrada del
evaporador P_{50} permite determinar la presión del fluido
frigorígeno en la entrada del compresor P_{35} sin usar
captadores específicos y sin aumentar así el coste de la instalación
de climatización.
La figura 14 ilustra la relación entre el caudal
másico del fluido refrigerante y la presión del fluido frigorígeno
en la entrada del compresor P_{35}. La abscisa de esta curva
representa el caudal másico M_{DET} en kilogramos por hora y la
ordenada de esta curva ilustra la pérdida de carga \Deltap en bars
entre la entrada o la salida del evaporador 13 y la entrada del
compresor 14. Se constata que un error de estimación del caudal
másico del orden de 30 kg arrastra un error de determinación de
P_{35} del orden de dos bars. Este error es menor con respecto a
los valores de presión absolutos de funcionamiento que son
frecuentemente superiores a 35 bars.
La temperatura del fluido relativa al compresor
puede ser la temperatura del fluido en la entrada del compresor
T_{35,} según la ecuación A81 del anexo A. R es la constante de
los gases perfectos y M corresponde a la masa molar del fluido. La
relación R/M puede ser, especialmente, igual a 188,7.
Como variante, la temperatura del fluido
relativa al compresor puede ser la temperatura del fluido en la
salida del compresor T_{36}, según la ecuación A82 del anexo
A.
La figura 3 es un organigrama que representa las
etapas llevadas a cabo por la tarjeta electrónica para estimar el
caudal másico de fluido frigorígeno m_{DET} y la potencia
consumida por el compresor.
En la etapa 100, la presión del fluido en la
entrada del elemento reductor de presión P_{20} es
estimada/medida. En referencia a las figuras 1B, 6 y 7, la presión
del fluido en la entrada del elemento reductor de presión P_{20}
puede medirse con un captador 20 dispuesto en la entrada del
elemento reductor de presión. Como variante, se puede estimar la
presión del fluido en la entrada del elemento reductor de presión
P_{20}.
En la etapa 102, la tarjeta electrónica 401
estima la superficie S de la sección de paso del elemento reductor
de presión 12 a partir del valor medido/estimado de la presión del
fluido en la entrada del elemento reductor de presión P_{20},
según las ecuaciones A4 y A5 del anexo A.
La etapa 102 se detalla en el organigrama de la
figura 4. La tarjeta electrónica determina si el valor medido de la
presión del fluido en la entrada del elemento reductor de presión
P_{20} es:
- inferior o igual al primer valor de presión P1
(etapa 1020), en cuyo caso la superficie de la sección de paso del
elemento reductor de presión vale S1;
- superior a la primera constante P1 e inferior
o igual al segundo valor de presión P2 (etapa 1021), en cuyo caso
la superficie de la sección de paso del elemento reductor de presión
es suministrada por la ecuación A3 del anexo A en función del valor
de la presión P_{20} obtenido en la etapa 100;
- superior al segundo valor de presión P2 e
inferior o igual al tercer valor de presión P3 (etapa 1022), en
cuyo caso la superficie de la sección de paso del elemento reductor
de presión se da mediante la ecuación A4 del anexo A en función del
valor de la presión P_{20} obtenido en la etapa 100; y
- superior o igual al tercer valor de presión P3
(etapa 1023), en cuyo caso la superficie de la sección de paso del
elemento reductor de presión vale S4.
En la etapa 103, la tarjeta electrónica
suministra una estimación/medida de la temperatura T_{30} en la
entrada del elemento reductor de presión. La instalación puede
comprender un captador de temperatura 30 para medir la temperatura
del fluido T_{30} en la entrada del elemento reductor de presión,
tal como se representa en las figuras 1B, 6 y 7. Como variante, la
instalación puede comprender un único captador 20 para medir a la
vez la presión P_{20} y la temperatura del fluido T_{30} en la
entrada del elemento reductor de presión. También puede estimarse
la temperatura del fluido T_{30} en la entrada del elemento
reductor de presión.
En la etapa 104, la tarjeta electrónica 401
estima el coeficiente Ro de la densidad del fluido frigorígeno
CO_{2}. El coeficiente Ro de la densidad del fluido frigorígeno
CO_{2} puede calcularse con la ecuación A11 del anexo A a partir
del valor de la presión del fluido en la entrada del elemento
reductor de presión P_{20}, obtenido en la etapa 100, y del valor
de la temperatura del fluido T_{30} en la entrada del elemento
reductor de presión, obtenido en la etapa 103.
Luego, en la etapa 105 de la figura 3, la
tarjeta electrónica 401 puede calcular el caudal másico de fluido
frigorígeno m_{DET} según la ecuación A3 del anexo A, a partir
de:
- la presión del fluido en la entrada del
elemento reductor de presión P_{20}, estimada/medida en la etapa
100,
- la superficie S (en mm^{2}) de la sección de
paso del elemento reductor de presión, estimada en la etapa 102,
y
- del coeficiente Ro de la densidad del fluido
frigorígeno CO_{2}, estimado en la etapa 104.
Como complemento, la estimación del caudal
másico de fluido frigorígeno al nivel del elemento reductor de
presión m_{DET} puede usarse para calcular la potencia Pa
consumida por el compresor.
La figura 5 es un organigrama que representa las
etapas llevadas a cabo por la tarjeta electrónica para calcular la
potencia Pa consumida por el compresor a partir de la estimación del
caudal másico de fluido frigorígeno al nivel del elemento reductor
de presión m_{DET}. En particular, la estimación de la potencia
absorbida por el compresor puede necesitar una estimación previa del
trabajo del compresor Dhis, según las ecuaciones A6 y A7 del anexo
A.
En la etapa 200, la tarjeta electrónica calcula
una estimación del trabajo del compresor \Deltahis, según la
ecuación A8 del anexo A, a partir:
- de la presión del fluido frigorígeno en la
entrada del elemento reductor de presión P_{20},
- de la presión del fluido frigorígeno en la
entrada del compresor P_{35}, y
- de la temperatura del fluido T_{cpr}
relativa al compresor.
Cuando la temperatura del fluido relativa al
compresor es la temperatura del fluido en la entrada del compresor
T_{35} (Según la ecuación A81 del anexo A), puede medirse con una
sonda 35 dispuesta en la entrada del compresor, tal como se
representa en las figuras 1B y 6.
Cuando la temperatura del fluido relativa al
compresor es la temperatura del fluido en la salida del compresor
T_{36} (Según la ecuación A82 del anexo A), puede ser medida por
una sonda 36 dispuesta en la salida del compresor, tal como se
representa en la figura 7.
La presión del fluido en la entrada del
compresor P35 puede ser estimada o medida.
En la etapa 202, la tarjeta electrónica calcula
la potencia isoentrópica Wis a partir del valor del caudal másico
de fluido frigorígeno m_{DET} obtenido en la etapa 105 y el
trabajo del compresor Dhis obtenido en la etapa 200, según la
ecuación A7 del anexo A.
En la etapa 204, la tarjeta electrónica calcula
una estimación de la potencia absorbida por el compresor Pa, según
la ecuación A6 del anexo A a partir del valor de la potencia
isoentrópica Wis obtenido en la etapa 202 y de la velocidad de
rotación N del compresor.
\newpage
La velocidad de rotación del compresor N se
suministra a la tarjeta electrónica mediante el calculador de
inyección del motor 42, mediante el enlace 33 en referencia a la
figura 1B.
El calculador puede usar el valor estimado de la
potencia real consumida por el compresor para ajustar los
parámetros de inyección, lo que permite reducir el consumo de
carburante.
La instalación de climatización según la
invención permite obtener una estimación satisfactoria del caudal
de fluido frigorígeno al nivel del elemento reductor de presión.
Además, esta instalación no utiliza captadores de baja presión para
la estimación del caudal de fluido frigorígeno al nivel del elemento
reductor de presión, lo que permite reducir el coste total de la
instalación.
Por supuesto, la presente invención no se limita
a los modos de realización antes descritos, si no que abarca todas
las variantes de realización que podrán ser previstas por el experto
en la materia.
La presente invención se propone también un
código de programa que hace intervenir, especialmente cuando se
dispone en un soporte legible por un ordenador. La expresión
"soporte legible por un ordenador" cubre un soporte de
almacenamiento, por ejemplo magnético u óptico, así como un medio de
transmisión, como por ejemplo una señal analógica o numérica.
Anexo
A
Caudal másico del fluido frigorígeno
supercrítico
- m_{DET}=K*S*Ro*ln(P_{20}+C)
- (A10)
\vskip1.000000\baselineskip
- Ro=f(T_{30},P_{20})
- (A11)
\vskip1.000000\baselineskip
Superficie S de la sección de paso del
elemento reductor de presión
Si P_{20}\leqP1,
- S=S1
- (A2)
Si P1<P_{20}\leqP2,
- S=S1+(S2-S1)*(P_{20}-P1)/(P2-P1)
- (A3)
Si P2<P_{20}\leqP3,
- S=S2+(S3-S2)*(P_{20}-P2)/(P3-P2)
- (A4)
Si P_{20}\geqP3,
- S=S4
- (A5)
\vskip1.000000\baselineskip
Potencia consumida por el compresor
- Pa=aWis+b*N
- (A6)
\vskip1.000000\baselineskip
Potencia isoentrópica Wis
- Wis=m_{DET}*\Deltahis
- (A7)
\vskip1.000000\baselineskip
Trabajo del compresor \Deltahis
- \Deltahis=F(P_{20}, P_{35}, T_{35})
- (A80)
\vskip1.000000\baselineskip
- \Deltahis=[(P_{20}/P_{35})^{(k-1)/k}-1]*(T_{35}+273,15)*(R/M)/(k-1)
- (A81)
\vskip1.000000\baselineskip
- \Deltahis=[1-(P_{20}/P_{35})^{(k-1)/k}-1]*(T_{38}+273,15)*(R/M)/(k-1)
- (A82)
Estimación de la presión del fluido
frigorígeno en la entrada del compresor P_{35}
- \Deltap=P_{50}-P_{35}
- (A90)
\vskip1.000000\baselineskip
- \Deltap=k*(Ro*VCo_{2})/2
- (A100)
\vskip1.000000\baselineskip
- VCo_{2}=M_{DET}/(Ro*S)
- (A101)
\vskip1.000000\baselineskip
- P_{35}=P_{50}-M_{DET}*K/(2*Ro*S^{2})
- (A9)
\vskip1.000000\baselineskip
- T_{60}=(T_{40}-(1-\eta_{evap})*T_{60}/ \eta_{evap}
- (A91)
T_{50} => P_{50} ley de saturación del
fluido R744
Claims (15)
1. Instalación de climatización para vehículo a
motor, provista de un circuito de fluido frigorígeno supercrítico
(10) que comprende un compresor (14), un refrigerador de gas (11),
un elemento reductor de presión (12) que define una sección de paso
de fluido, y un evaporador (13), comprendiendo la instalación además
un dispositivo electrónico de control destinado a interactuar con
el circuito de fluido frigorígeno, caracterizada por el
hecho de que el dispositivo electrónico de control comprende una
función de cálculo que utiliza una estimación de la sección de paso
del elemento reductor de presión, el coeficiente de densidad del
fluido frigorígeno (Ro), y la presión del fluido frigorígeno en la
entrada del elemento reductor de presión (P_{20}) para calcular
una estimación del caudal másico de fluido frigorígeno al nivel del
elemento reductor de presión (M_{DET}).
2. Instalación de climatización según la
reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que la
sección de paso del elemento reductor de presión se estima a partir
del valor de la presión del fluido frigorígeno en la entrada del
elemento reductor de presión (P_{20}).
3. Instalación de climatización según la
reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que el
dispositivo electrónico de control es apto para reaccionar cuando
el valor de la presión del fluido frigorígeno en la entrada del
elemento reductor de presión P_{20} es:
- inferior o igual a un primer valor de presión
P1, asignando una primera constante S1 a la sección de paso del
elemento reductor de presión S1;
inferior o igual a un segundo valor de presión
P2 y superior al primer valor de presión P1, llevando a cabo la
resolución de la ecuación siguiente para calcular una estimación de
la sección de paso del elemento reductor de presión S:
S=S1+(S2-S1)*(P_{20}-P1)/(P2-P1)
donde S2 es una segunda
constante;
inferior o igual a un tercer valor de presión P3
y superior al segundo valor de presión P2, llevando a cabo la
resolución de la ecuación siguiente para calcular una estimación de
la sección de paso del elemento reductor de presión S:
S=S2+(S3-S2)*(P_{20}-P2)/(P3-P2)
donde S3 es una tercera
constante;
superior o igual al tercer valor de
presión P3 asignando una cuarta constante S4 a la sección de paso
del elemento reductor de
presión.
4. Instalación de climatización según la
reivindicación 3, caracterizada por el hecho de que el primer
valor de presión P1 es sensiblemente igual a 80 bars, el segundo
valor de presión P2 es sensiblemente igual a 110 bars, el tercer
valor de presión P3 es sensiblemente igual a 135 bars, y por el
hecho de que la primera constante S1 es sensiblemente igual a 0,07
mm^{2}, la segunda constante S2 es sensiblemente igual a 0,5
mm^{2}, la tercera constante S3 es sensiblemente igual a 0,78
mm^{2}, y la cuarta constante S4 es sensiblemente igual a 3,14
mm^{2}.
5. Instalación de climatización según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el
hecho de que la función de cálculo es apta para calcular el
coeficiente de densidad del fluido frigorígeno (Ro) a partir de la
temperatura del fluido en la entrada del elemento reductor de
presión (T_{30}) y de la presión del fluido en la entrada del
elemento reductor de presión (P_{20}).
6. Instalación de climatización según la
reivindicación 5, caracterizada por el hecho de que comprende
una sonda (30) dispuesta en la entrada del elemento reductor de
presión (12) para medir la temperatura del fluido en la entrada del
elemento reductor de presión (T_{30}).
7. Instalación de climatización según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el
hecho de que comprende un captador (20) dispuesto en la entrada del
elemento reductor de presión (12) para medir la presión del fluido
en la entrada del elemento reductor de presión (P_{20}).
8. Instalación de climatización según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el
hecho de que el dispositivo electrónico de control comprende además
una función de estimación de potencia capaz de estimar la potencia
absorbida por el compresor a partir:
- del caudal de fluido frigorígeno (m_{DET})
suministrado por la función de cálculo,
- del trabajo del compresor (Dhis), y
- de la velocidad de rotación del compresor
(N).
9. Instalación de climatización según la
reivindicación 8, caracterizada por el hecho de que el
dispositivo electrónico de control es apto para estimar el trabajo
del compresor (Dhis) a partir de la presión del fluido en la
entrada del elemento reductor de presión (P_{20}), de la presión
del fluido frigorígeno en la entrada del compresor (P_{35}) y de
una temperatura de fluido relativa al compresor (T_{cpr}).
10. Instalación de climatización según la
reivindicación 9, caracterizada por el hecho de que la
presión del fluido frigorígeno en la entrada del compresor
(P_{35}) se estima a partir de una presión (P_{50}) en la
entrada o en la salida del evaporador (13) combinada con el caudal
másico de fluido frigorígeno (m_{DET}).
11. Instalación de climatización según la
reivindicación 10, caracterizada por el hecho de que la
presión (P_{50}) en la entrada o en la salida del evaporador (13)
se determina a partir de la temperatura (T_{50}) del fluido
refrigerante en la entrada o en la salida del evaporador (13),
siendo medida esta última por una sonda a partir:
- de una temperatura (T_{40}) relativa al
evaporador (13),
- de la eficacia (hevap) del evaporador
(13),
- de la temperatura del aire a enfriar
(T_{60}).
12. Instalación de climatización según
cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizada por
el hecho de que la temperatura de fluido relativa al compresor (10)
es la temperatura del fluido en la entrada del compresor
(T_{35}).
13. Instalación de climatización según la
reivindicación 12, caracterizada por el hecho de que
comprende una sonda (35) dispuesta en la entrada del compresor (14)
para medir la temperatura del fluido en la entrada del compresor
(T_{35}).
14. Instalación de climatización según
cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11,, caracterizada por
el hecho de que la temperatura de fluido relativa al compresor (14)
es la temperatura del fluido en la salida del compresor
(T_{36}).
15. Instalación de climatización según la
reivindicación 14, caracterizada por el hecho de que
comprende una sonda (36) dispuesta en la salida del compresor (14)
para medir la temperatura del fluido en la salida del compresor
(T_{36}).
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0313823 | 2003-11-25 | ||
| FR0313823A FR2862573B1 (fr) | 2003-11-25 | 2003-11-25 | Installation de climatisation de vehicule |
Publications (1)
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