Un fournisseur automobile réduit de moitié le nombre de prototypes physiques avec l'aide de la solution de gestion thermique des véhicules Simcenter Amesim

Négocier un environnement difficile

La climatisation est considérée comme un "incontournable" par les consommateurs pour la plupart des nouvelles voitures. Mais le réfrigérant à base de fluorocarbones HFC-134a – la norme mondiale – est considéré comme une cause du changement climatique. Face aux préoccupations, l'Union européenne a adopté des réglementations éliminant progressivement ce composé à partir de 2011 et imposant l'utilisation d'alternatives ayant un impact environnemental moindre. D'ici 2018, le HFC-134a sera interdit dans les nouvelles voitures vendues dans l'UE. Le Japon devrait bientôt emboîter le pas.

En tête de liste des alternatives figure le réfrigérant CO2 (dioxyde de carbone), également connu sous le nom de R-744. Ce gaz est considéré comme nettement plus écologique que les fluorocarbures et offre un refroidissement 25 % plus rapide. De plus, les systèmes de CO2 peuvent être inversés et ainsi servir de chauffage pour l'habitacle des passagers par temps froid, un avantage certain pour les véhicules électriques qui, autrement, épuisent l'énergie des batteries, ainsi que pour les moteurs à combustion interne (en particulier les diesels) qui nécessitent des températures de fonctionnement élevées pour fonctionner efficacement.

Cependant, le passage au CO2 ne sera pas facile. Les pressions de gaz peuvent être 10 fois supérieures à celles des systèmes à base de fluorocarbures, ce qui nécessite que les compresseurs, les joints d'étanchéité et autres composants majeurs soient spécialement conçus. Pour des performances optimales, le fluide frigorigène CO2 doit être maintenu au-dessus de sa température supercritique de 31 degrés Celsius. Ainsi, un refroidisseur de gaz doit remplacer un condenseur classique de boucle R134a. Les systèmes de CO2 nécessitent également un échangeur de chaleur spécial séparant les côtés haute et basse pression. Selon certains observateurs de l'industrie, ces complexités de conception, auxquelles s'ajoutent un cycle de développement plus long et des tests de prototypes physiques supplémentaires pour affiner les conceptions, pourraient signifier que certains des premiers systèmes à base de CO2 pourraient coûter 30 % de plus que les unités conventionnelles.

Pour aggraver ces difficultés, le CO2 n'a pas été établi comme une norme mondiale. Au contraire, les États-Unis n'ont pas l'intention d'abandonner le HFC-134a, et la Chine a réalisé des investissements majeurs dans la production de HFC-134a. En outre, les fournisseurs de fluorocarbones recherchent activement des mélanges alternatifs, tels que le HFO-1234yf, qui a un potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone plus faible. Ces mélanges sont des substituts directs "prêts à l'emploi" pour le HFC-134a dans les systèmes de climatisation actuels. Par conséquent, les fournisseurs de climatisation doivent développer des systèmes pour différentes régions du monde en fonction des spécifications de réfrigérant qui peuvent changer à tout moment.

Actuellement, les fournisseurs de systèmes de climatisation sont mis au défi de répondre à ces exigences variées avec des systèmes qui s'intègrent harmonieusement dans l'ensemble du véhicule pour offrir des performances optimales de refroidissement et un confort passager avec un minimum de résistance moteur et d'émissions polluantes. Avec des cycles de développement de plus en plus rapides dans le secteur automobile, les fournisseurs de climatisation s'efforcent de développer ces conceptions complexes de manière plus efficace, plus rapide et moins coûteuse que leurs concurrents, et d'être les premiers à démontrer des performances système optimales aux constructeurs automobiles. La vitesse de conception est cruciale, tout comme la capacité à prendre en compte tous les problèmes complexes de contrôle thermique, mécanique et électronique liés à un système de climatisation.

Un accès simplifié

De nombreux fournisseurs de climatisation et constructeurs automobiles utilisent la solution de gestion thermique des véhicules Simcenter Amesim pour gérer la conception du système de climatisation et prévoir les performances. Cette solution permet aux ingénieurs d'analyser le comportement des composants en fonction de la température du moteur, des niveaux d'échappement, des équipements auxiliaires, de l'environnement de la cabine et d'autres facteurs afin de trouver la meilleure combinaison.

Grâce au logiciel Simcenter Amesim™, qui fait partie du portefeuille Simcenter de Siemens Digital Industries Software, les ingénieurs peuvent facilement accéder aux outils et bibliothèques nécessaires pour construire des modèles de simulation, exécuter des simulations et afficher les résultats de manière graphique.

L'un des fournisseurs automobiles utilisant ce logiciel de Siemens PLM Software est le fournisseur japonais Calsonic Kansei. Avec plus de 50 ans d'expérience dans le domaine, c'est l'un des rares fournisseurs à concevoir et fabriquer le système de climatisation complet. Calsonic Kansei a veillé à ce que ses conceptions modulaires et ses unités compactes s'alignent sur les exigences des constructeurs automobiles visant à réduire l'espace habitacle. De plus, la position de l'entreprise en tant que fournisseur de climatiseur de niveau 1 est renforcée par son expérience dans la conception et la fabrication de systèmes de refroidissement des moteurs, d'unités de circulation d'air pour véhicules, de systèmes d'échappement, de modules de tableau de bord et de systèmes de climatisation électronique.

Junichiro Hara, ingénieur senior et chef de projet pour le développement de systèmes innovants de climatisation et de modules de refroidissement du moteur chez Calsonic Kansei, explique qu'aucun programmeur expert n'est nécessaire pour construire les modèles et exécuter des simulations à l'aide du logiciel Simcenter Amesim. Les ingénieurs glissent, déposent et interconnectent des icônes simples (des éléments 1D prédéfinis sélectionnés dans des bibliothèques dans les différents domaines physiques) pour créer un modèle unifié basé sur la physique. Le schéma fonctionnel est une esquisse assez simple, mais il repose sur toutes les informations dynamiques validées, une représentation unidimensionnelle fonctionnelle réelle de toutes les différentes parties du système de climatisation. Non seulement les ingénieurs de Calsonic Kansei ont modélisé toutes les pièces du système, mais ils ont également relié les sous-systèmes pour simuler l'interaction complète entre la climatisation, l'habitacle et le moteur.

Optimisation des performances

Tout d'abord, les ingénieurs ont sélectionné les icônes pour chaque composant individuel de climatisation, comme le compresseur, l'évaporateur et la tuyauterie ainsi que les tubes de réfrigérant dans le refroidisseur de gaz et l'évaporateur. Des composants de différentes tailles ont été échangés selon les exigences du véhicule et connectés pour représenter les boucles de réfrigérant chaudes et froides. Les propriétés thermophysiques du réfrigérant pour le CO2 ont ensuite été modélisées, et la simulation 1D a été exécutée pour étudier les performances thermiques de sortie de la climatisation ainsi que le comportement de chaque composant individuel.

Simcenter Amesim permet aux ingénieurs d'accéder à une variété de tracés et de graphiques pour évaluer différents aspects du système de climatisation. Les diagrammes pression-enthalpie de Mollier montrent l'état du fluide frigorigène à chaque phase du cycle de refroidissement. Ils peuvent également vérifier les niveaux de pression à l'entrée et à la sortie du compresseur, ainsi que l'échange de chaleur dans le refroidisseur de gaz. Les variations des taux de fraction massique de gaz peuvent être représentées graphiquement à différents endroits du circuit de réfrigérant. Grâce à ces informations détaillées, les ingénieurs de Calsonic Kansei ont facilement pu effectuer une analyse de sensibilité sur les paramètres critiques afin de déterminer les meilleures performances possibles de climatisation.

Pendant ce temps, les ingénieurs travaillaient en parallèle sur le modèle d'habitacle, utilisant diverses icônes pour représenter les ventilateurs, les conduits d'air, les fenêtres, les propriétés thermiques des parois, le flux de chaleur solaire, la convection interne et externe et le rayonnement thermique ambiant. En reliant le modèle de l'habitacle et le modèle du système de climatisation, les ingénieurs ont pu calculer le taux de refroidissement, la température et l'humidité de l'habitacle, et même intégrer différentes conditions météorologiques et de conduite. L'utilisation du modèle unidimensionnel si tôt dans le processus permet aux ingénieurs de dimensionner avec précision les composants critiques du système, tels que les conduits et les ventilateurs, et de tester les stratégies de climatisation. La solution de gestion thermique des véhicules Simcenter Amesim a également été utilisée pour effectuer une analyse de durabilité concernant l'impact de la corrosion et de la contamination sur les échangeurs thermiques et autres composants.

Ensuite, l'équipe a poussé la solution Simcenter Amesim encore plus loin pour examiner le bilan énergétique global entre le moteur et les systèmes de lubrification et de refroidissement, la chambre de combustion, l'admission d'air et les tuyaux d'échappement. En reliant le modèle de moteur au système de climatisation et aux modèles d'habitacle, les ingénieurs pouvaient alors optimiser les performances du moteur, la consommation de carburant et les émissions de gaz d'échappement tout en offrant le meilleur confort aux passagers.

Réduction des prototypes

"Avec nos précédents programmes développés en interne, la création d'estimations techniques et l'acquisition de données expérimentales étaient très chronophages, même pour approximer grossièrement les performances de climatisation dans des conditions transitoires comme le refroidissement et les variations de vitesse du véhicule", explique M. Hara. "De plus, il était auparavant impossible d'inclure les caractéristiques du moteur dans le processus de développement. La solution de gestion thermique des véhicules Simcenter Amesim nous permet de prédire rapidement et précisément le fonctionnement de l'ensemble du système de climatisation, en tenant compte d'un large éventail de conditions qui, autrement, ne seraient pas incluses."

"L'intérêt de la solution de gestion thermique des véhicules Simcenter Amesim réside dans le fait que son modèle, une fois créé et vérifié, peut servir de base à de nombreuses conceptions sans jamais repartir de zéro", explique M. Hara. "Les ingénieurs n'ont qu'à saisir de nouveaux paramètres pour refléter les différentes applications du véhicule et effectuer des simulations pour prédire rapidement les performances du système de climatisation."

"Lorsqu'il sera pleinement opérationnel et intégré au développement du système, tout porte à croire que le processus de simulation utilisant les solutions de Siemens Digital Industries Software sera au moins 80 % plus précis que les méthodes actuelles et réduira de moitié le nombre de prototypes physiques, ce qui représente un avantage commercial certain en termes de réduction des coûts de développement et de raccourcissement du délai de réponse aux demandes de devis des clients."

L'une des perspectives les plus prometteuses de la solution de gestion thermique des véhicules Simcenter Amesim pour Calsonic Kansei est son utilisation comme outil de vente pour démontrer les caractéristiques de refroidissement et autres performances.

"Démontrer précisément le niveau de confort des passagers et l'impact du système sur les performances du moteur et les émissions de gaz d'échappement est une capacité puissante", déclare M. Hara. "Dans les années à venir, les processus de conception basés sur la simulation nous donneront certainement un avantage concurrentiel pour développer notre activité alors que le marché mondial de la climatisation automobile évolue vers des réfrigérants plus écologiques."