ITTO20010851A1 - Sistema di controllo della temperatura nell'abitacolo di un autoveicolo. - Google Patents

Sistema di controllo della temperatura nell'abitacolo di un autoveicolo. Download PDF

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Stefano Mola
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Fiat Ricerche
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Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema di controllo della temperatura nell'abitacolo di un autoveicolo"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un sistema di controllo della temperatura nell'abitacolo di un autoveicolo.
La diffusione dei sistemi di climatizzazione nel campo automobilistico è in continuo incremento, e verosimilmente molto presto tali sistemi verranno installati di serie su tutti i modelli di autovetture, anche quelli più economici. Tale evoluzione del mercato sposterà la competizione dalla presenza/assenza di un sistema di climatizzazione alle funzioni che un sistema di climatizzazione di serie renderà disponibili. Una prima funzione che indubbiamente accresce il livello di valore percepito di un sistema di climatizzazione è la regolazione automatica del clima nell'abitacolo.
Le condizioni ambientali legate ai fenomeni termici nell'abitacolo, quali ad esempio la velocità dell'aria, la direzione e l'intensità dell'irraggiamento solare, ecc., sono in generale suscettibili di variazioni assai rapide. Inoltre la missione media di un autoveicolo è normalmente inferiore ad un'ora.
Infine, l'utilizzatore percepisce le condizioni climatiche che regnano nell'abitacolo in maniera differente mano a mano che passa il tempo. Ad esempio nella stagione estiva entrando nell'abitacolo caldo di un autoveicolo che ha sostato in una zona soleggiata, 1'utilizzatore può percepire come piacevole un flusso d'aria relativamente fresco che lo lambisca, ma dopo un breve periodo di tempo tale flusso viene percepito come fastidioso, ed il riscaldamento provocato dal sedile e l'irraggiamento solare iniziano ad essere avvertiti come fonti di disagio termico.
Per tali ragioni un sistema di climatizzazione raramente, o forse mai, opera in condizioni stazionarie .
I sistemi di controllo automatici della climatizzazione dell'abitacolo di un autoveicolo sono stati sviluppati in analogia a quelli per sistemi stazionari, ed operano tentando di mantenere costante nell'abitacolo la temperatura od un'altra grandezza a questa correlata, ad esempio la cosiddetta temperatura equivalente.
Tuttavia, data l'estrema variabilità delle condizioni esterne e le limitazioni del numero di sensori e di attuatori disponibili, raramente risulta possibile, in una missione reale, mantenere costante la sensazione termica percepita dall'utilizzatore, cosicché si richiedono all'utente periodici aggiustamenti, ovvero periodiche reimpostazioni della temperatura desiderata o temperaturaobiettivo.
I sistemi di controllo automatico della temperatura in abitacolo attualmente utilizzati comprendono un numero variabile di sensori, a seconda del livello di sofisticazione del controllo.
II ricorso ad un elevato numero di sensori non consente comunque di assicurare una regolazione automatica che non richieda mai l'intervento dell'utilizzatore, come invece avviene per i sistemi stazionari. Inoltre, un elevato numero di sensori può dare origine a problemi tecnici di affidabilità, e comporta ovviamente costi non trascurabili.
La realizzazione di un sistema di controllo automatico ottimale del clima che raramente, od addirittura mai, richieda l'intervento dell'utente comporta il ricorso ad un numero non indifferente di sensori e l'adozione di logiche di controllo e di algoritmi molto sofisticati. I costi che ne risultano ne vietano di fatto l'adozione a bordo di autoveicoli di fascia media od economica.
La presente invenzione si riferisce in particolare ad un sistema di controllo della temperatura nell'abitacolo di un autoveicolo, comprendente mezzi di impostazione azionabili da un utilizzatore per impostare la temperatura dell'aria desiderata nell'abitacolo, o temperatura-obiettivo, un gruppo di riscaldamento, ventilazione e condizionamento d'aria, e
un'unità elettronica di elaborazione e controllo, collegata a tali mezzi di impostazione e predisposta per pilotare il funzionamento di detto gruppo secondo modalità prestabilite in funzione della differenza tra la temperatura-obiettivo impostata e la temperatura istantanea dell'aria nell'abitacolo.
Nei sistemi secondo la tecnica anteriore la temperatura istantanea dell'aria nell'abitacolo è rilevata a mezzo di uno o più appositi sensori collegati all'unità elettronica di elaborazione e controllo.
Lo scopo della presente invenzione è di realizzare un sistema di controllo della temperatura in particolare per autoveicoli di fascia media od economica, che risulti dunque realizzabile in modo semplice ed economico e che presenti comunque un'elevata affidabilità di funzionamento.
Questo ed altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con un sistema di controllo della temperatura del tipo sopra specificato, caratterizzato dal fatto che
a detta unità di elaborazione e controllo è associato un generatore di segnali di orologio, e che
detta unità è predisposta per
memorizzare l'andamento temporale della temperatura-obiettivo impostata dall'utilizzatore, e per assumere, ad ogni attivazione del sistema, un valore iniziale di temperatura dell'aria nell'abitacolo determinato in un modo prefissato, e per calcolare quindi la temperatura dell'aria nell'abitacolo in un modo predeterminato in funzione dell'andamento temporale memorizzato della temperatura-obiettivo impostata dall'utilizzatore.
Nel sistema di controllo secondo l'invenzione la temperatura dell'aria all'interno dell'abitacolo non viene rilevata a mezzo di appositi sensori, ma viene calcolata. Ciò viene in particolare realizzato tenendo conto delle correzioni o delle regolazioni della temperatura-obiettivo impostate dall'utente. Se l'utente, impostata una temperaturaobiettivo pari a 20°C, sposta successivamente la temperatura-obiettivo a 22°C, ciò significa che egli ha freddo, e che la temperatura stimata dell'aria nell'abitacolo è maggiore di quella reale e pertanto tale stima deve essere riallineata.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento al disegno allegato nel quale è schematicamente illustrato un sistema di controllo della temperatura nell'abitacolo di un autoveicolo secondo l'invenzione.
Il disegno con 1 è complessivamente indicato un sistema di controllo della temperatura nell'abitacolo A di un autoveicolo. Tale sistema comprende un gruppo HVAC di riscaldamento, ventilazione e condizionamento d'aria.
In modo per sé noto tale gruppo comprende un involucro di supporto 2 nel quale sono definiti un primo ed un secondo ingresso 3, 4 per aria proveniente nel funzionamento dall'esterno e rispettivamente dall'interno dell'abitacolo A.
L'involucro di supporto 2 del gruppo HVAC presenta inoltre una pluralità di uscite, quali quelle indicate con 5, 6 e 7, per l'emissione verso l'abitacolo A dell'aria trattata nel gruppo.
Nella realizzazione schematicamente ed esemplificativamente illustrata l'apertura 5 è destinata ad inviare un flusso d'aria verso la superficie interna del cristallo parabrezza W dell'autoveicolo, l'apertura 6 è destinata al passaggio di un flusso di aria diretto alla parte medio-alta dell'abitacolo A, mentre l'apertura 7 è destinata ad indirizzare un flusso d'aria trattata verso la regione inferiore dell'abitacolo.
Alle aperture di uscita 5, 6 e 7 sono associate rispettive portelle, indicate con 5a, 6a e 7a, che consentono di controllare l'efflusso dell'aria trattata attraverso le associate aperture. Un'ulteriore portella 8a, che può essere motorizzata, consente di accoppiare selettivamente l'ingresso 3 per l'aria esterna oppure l'ingresso 4 per l'aria interna con una regione 9 definita nell'involucro di supporto 2, nella quale è disposto un elettroventilatore 10 che comprende una girante palettata 11 ed un motore elettrico di azionamento 12. Tale elettroventilatore, quando viene azionato, è atto ad indurre attraverso il gruppo HVAC un flusso d'aria fra l'ingresso 3 oppure l'ingresso 4 ed una o più delle uscite 5-7.
Nell'involucro 2 del gruppo, a valle dell'elettroventilatore 10, sono disposti un primo ed un secondo scambiatore di calore indicati con 13 e 14.
Lo scambiatore di calore 13 è tipicamente l'evaporatore di un impianto frigorigeno di tipo per sé noto, includente un motocompressore 15.
Lo scambiatore di calore 14 è convenientemente del tipo liquido/aria, ed è inseribile nel circuito di raffreddamento a liquido del motore a combustione interna dell'autoveicolo, in modo controllato attraverso un'elettrovalvola 16.
Con 17 nel disegno è indicata un'ulteriore portella motorizzata avente la funzione di miscelatore di flusso la cui posizione consente di controllare il grado di accoppiamento delle uscite 5-7 con l'evaporatore 13 ed il riscaldatore 14.
Con ECU è indicata un'unità elettronica di elaborazione e controllo, realizzata ad esempio con l'impiego di un microprocessore.
Tale unità è predisposta per controllare secondo modalità prestabilite il funzionamento del gruppo HVAC, del compressore 15 e dell'elettrovalvola 16.
L'unità ECU è in particolare predisposta per controllare il funzionamento dell'elettroventilatore 10, il posizionamento della portella 8a e della portella miscelatrice 17, il funzionamento del compressore 15 dell'elettrovalvola 16, al fine di realizzare nell'abitacolo A una temperatura dell'aria tendente al valore desiderato di temperatura o temperatura-obiettivo TSet·
La temperatura-obiettivo Tset viene impostata dall 'utilizzatore a mezzo di un apposito dispositivo, collegato all'unità ECU ed indicato con 20 nel disegno.
Come apparirà più chiaramente dal seguito, l'unità elettronica di elaborazione e controllo ECU è predisposta per pilotare il funzionamento del gruppo HVAC secondo modalità prestabilite in funzione della differenza fra la temperatura-obiettivo Teet impostata, e la temperatura istantanea T del-l'aria nell'abitacolo A.
A differenza dei sistemi di controllo secondo la tecnica anteriore, la temperatura istantanea T dell'area nell'abitacolo non è rilevata a mezzo di uno o più sensori, bensì è calcolata dall'unità ECU nel modo che verrà ora descritto.
All'unità di elaborazione e controllo ECU è associato un generatore di segnali di orologio (clock) CL, che può essere costituito dall'orologio interno proprio di tale unità.
L'unità ECU è predisposta per memorizzare l'andamento temporale della temperatura-obiettivo Tset impostata dall'utilizzatore.
Ad ogni attivazione del sistema, l'unità ECU assume un valore iniziale T0 di temperatura dell'aria nell'abitacolo A, determinato in modo prefissato. L'unità ECU calcola quindi la temperatura istantanea T nell'aria nell'abitacolo A in modo predeterminato, ad esempio in quello che verrà de-scritto nel seguito, e ciò in funzione dell'andamento temporale memorizzato della temperaturaobiettivo impostata dall'utilizzatore.
Il calcolo della temperatura istantanea T nell'aria nell'abitacolo può venire ad esempio risolvendo la seguente equazione differenziale:
m cui
C è la capacità termica dell'abitacolo A, T è la temperatura istantanea dell'aria nell'abitacolo A,
t è il tempo,
h è la conducibilità termica dell'abitacolo A, desumibile sperimentalmente,
v è la velocità di spostamento dell'autoveicolo,
Text è la temperatura dell'aria all'esterno dell'abitacolo,
PAc è la potenza termica immessa nell'abitacolo A dal gruppo HVAC,
m è la portata d'aria che dal gruppo HVAC viene immessa nell'abitacolo A,
ca è il calore specifico dell'aria,
R è una variabile a due stati che indica la condizione del circuito di ricircolo dell'aria (R=0/l significa che l'ingresso 4 del gruppo HVAC è aperto/chiuso e corrispondentemente l'ingresso 3 è chiuso/aperto) , e
Pa indica cumulativamente la potenza termica immessa nell'abitacolo A per effetto dell'irraggiamento solare e della potenza termica emessa nell'abitacolo dagli occupanti.
Utilizzando l'andamento temporale memorizzato della temperatura-obiettivo Tset impostata dall'utilizzatore, la potenza Pd corrispondente all'irraggiamento solare ed alla potenza dovuta dagli occupanti può essere complessivamente considerata alla stregua di un disturbo, e la temperatura T dell'aria nell'abitacolo può essere calcolata con l'equazione sopra riportata.
A tale scopo, l'unità ECU riceve un segnale indicativo della temperatura dell'aria Text dell'aria all'esterno dell'abitacolo da un altro dispositivo o sistema installato a bordo dell'autoveicolo (e non rappresentato nel disegno), nel quale è operativamente disponibile tale informazione. L'informazione sulla temperatura dell'aria all'esterno dell'abitacolo può essere ottenuta ad esempio dal-l'unità elettronica di controllo del motore a combustione interna dell'autoveicolo. Se l'autoveicolo è provvisto di una rete di comunicazione, ad esem-pio una rete CAN, l'informazione sulla temperatura Text può essere acquisita dall'unità ECU attraverso detta rete.
In alternativa, se l'impianto frigorigeno as-sociato al gruppo HVAC include un sensore lineare di pressione, l'informazione sulla temperatura esterna Text può essere derivata dall'indicazione fornita da tale sensore quando l'impianto frigorigeno è spento; mentre tale impianto è in funzione l'informazione sulla temperatura Text può essere ottenuta periodicamente, disattivando momentaneamente il compressore .
In modo analogo, l'informazione sulla velocità di spostamento v dell'autoveicolo può essere fornita all'unità ECU da altro dispositivo o sistema installato a bordo dell'autoveicolo, e nel quale è operativamente disponibile tale informazione o segnale .
Ai fini della risoluzione dell'equazione (1) sopra riportata l'unità ECU può essere predisposta per calcolare la potenza termica PAc immessa nell'abitacolo dal gruppo HVAC secondo la seguente re-lazione :
in cui
Tout è la temperatura dell'aria trattata immes-sa nell'abitacolo attraverso le aperture o bocchette 5-7, e
Tin è la temperatura dell'aria che entra nel gruppo HVAC, e che è uguale alla temperatura T se è attiva la funzione di ricircolo (ingresso 3 chiuso, ingresso 4 aperto), e che è uguale alla temperatura Text se il gruppo HVAC riceve in ingresso aria esterna (ingresso 3 aperto, ingresso 4 chiuso).
La temperatura Tout dell'aria trattata immessa nell'abitacolo A può essere calcolata nel modo seguente
ove
x è un parametro, variabile fra 0 ed 1, che indica la posizione istantanea della portella miscelatrice 17,
Toe è la temperatura dell'aria all'uscita dell'evaporatore 13, e
Toh è la temperatura dell'aria all'uscita del riscaldatore 14.
A loro volta le temperature Toe e Toh possono essere espresse come:
ove
he e hh sono i coefficienti di scambio termico dell'evaporatore 13 e, rispettivamente, del riscaldatore 14,
TH2O è la temperatura dell'acqua di raffreddamento del motore a combustione interna, e
Te è la temperatura di evaporazione.
Nel modello matematico espresso dalle relazioni precedenti si considera ininfluente il calore latente di condensazione, dato che la gestione in automatico del ricircolo dell'aria consente di supporre che l'aria trattata sia sempre a basso contenuto di umidità.
La temperatura dell'acqua di raffreddamento del motore a combustione interna TH20 a regime può considerarsi costante, e pari ad esempio a 90°C.
In condizioni di regime la temperatura di evaporazione può considerarsi anch'essa costante, e pari ad esempio a 5°C.
Implementando le equazioni sopra riportate ed utilizzando come dato di ingresso l'andamento tem-porale degli aggiustamenti della temperatura-obiettivo Tset effettuati dall'utente, è possibile attuare un controllo "automatico" della climatizzazione, che permette una gestione intelligente degli attuatori, realizzando una buona simulazione di un si-stema automatico più sofisticato.
Per quanto riguarda 1'inizializzazione del sistema all'atto della sua messa in funzione, per l'acquisizione iniziale di un valore della temperatura dell'aria Tset all'esterno dell'abitacolo si può, in alternativa alle soluzioni precedentemente descritte, ipotizzare di integrare nell'unità di elaborazione e controllo ECU un sensore di temperatura.
L'informazione fornita da un tale sensore risulta certamente disturbata dal calore sviluppato dall'elettronica e condizionata dal fatto che tale unità è destinata ad essere verosimilmente ubicata in una zona riparata della plancia portastrumenti. Peraltro, nella fase di inizializzazione è necessario che l'unità ECU determini semplicemente se deve attuare un riscaldamento od un raffrescamento, ed a tale scopo un sensore di temperatura integrato in detta unità può rappresentare forse la soluzione più semplice.
Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variate rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come definito nella annesse rivendicazioni.

Claims (7)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di controllo della temperatura nell'abitacolo (A) di un autoveicolo comprendente mezzi di impostazione (20) azionabili da un utilizzatore per impostare la temperatura dell'aria (Tset) desiderata nell'abitacolo (A) o temperaturaobiettivo, un gruppo di riscaldamento, ventilazione e condizionamento d'aria (HVAC) , e un'unità elettronica di elaborazione e controllo (ECU), collegata a detti mezzi di impostazione (20) e predisposta per pilotare il funzionamento di detto gruppo (HVAC) secondo modalità prestabilite in funzione della differenza fra la temperatura-obiettivo (Tset) impostata e la temperatura istantanea (T) dell'aria nell'abitacolo (A); il sistema secondo caratterizzato dal fatto che a detta unità di elaborazione e controllo (ECU) è associato un generatore di segnali di orologio (CL), e che detta unita (ECU) è predisposta per memorizzare l'andamento temporale della temperatura-obiettivo (Tset) impostata dall'utilizzatore, e per assumere, ad ogni attivazione del sistema (1), un valore iniziale di temperatura dell'aria (T0) nell'abitacolo (A) determinato in modo prefissato, e per calcolare poi la temperatura dell'aria (T) nell'abitacolo (A) in un modo predeterminato in funzione dell'andamento temporale memorizzato della temperatura-obiettivo (Tset) impostata dall'utilizzatore .
  2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detta unità di elaborazione e controllo (ECU) è predisposta per calcolare la temperatura dell'aria (T) nell'abitacolo (A) secondo modalità prestabilite in funzione della temperatura dell'aria (Text) all'esterno dell'abitacolo (A) indicata da un segnale di temperatura fornito a detta unità (ECU).
  3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui l'unità di elaborazione (ECU) è collegata ad un altro dispositivo o sistema installato sull'autoveicolo, e nel quale è operativamente disponibile un segnale indicativo della temperatura dell'aria (Text) all'esterno dell'autoveicolo.
  4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui per la determinazione del valore iniziale T0 della temperatura dell'aria nell'abitacolo, in detta unità di elaborazione controllo (ECU) è integrato un sensore di temperatura.
  5. 5. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di elaborazione e controllo (ECU) è predisposta per calcolare la temperatura (T) dell'aria nell'abitacolo (A) secondo modalità prestabilite in funzione della velocità di spostamento (V) dell'autoveicolo, indicata da un segnale di velocità fornito a detta unità (ECU).
  6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 5, in cui l'unità di elaborazione e controllo (ECU) è collegata ad un altro dispositivo o sistema installato sull'autoveicolo, e nel quale è operativamente disposto un segnale indicativo della velocità di spostamento (v) dell'autoveicolo.
  7. 7. Sistema di controllo della temperatura nell'abitacolo di un autoveicolo, sostanzialmente secondo quanto descritto ed illustrato, e per gli scopi specificati .
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