Climatisation automobile, énergie et environnement

j ENERGIE

Stdphane

BARBUSSE

ADEME Ddpartement Technologies 500, route des Lucioles Sophie Antipolis 06560 Wborme

Denis

des transports

CLODIC

ET

EthIlRONNEMENT

Climatisation automobile, hergieetenvironnement

&o/e des Mines de Paris Cents dUnerg&ique 60, bou/evnrd Saint-Michel 75272 Paris cedex 06

JeamPierre

ROUMi?GOUX

INRETSLTE 25, avenue Fran~ois Mitterrand

Cme 24 69675 &on cedex

Abridged uersion p. 16

pparue dans /es ann&es soixante aux Etats-Unis, la clirnatisation au tomobile a connu un essor considerable dans ce pays, ainsi que dans d’autres pays comme le Japan : le taux de penetration de cet equipement se situe pour ces pays a des niveaux superieurs h 90-95 %. On recense actuellement environ trois cents millions de vehicules climatises dans le monde, soit pres de la moitie du part en circulation [ONU, 19951. La diffusion de /‘air condition& se generalise desormais en Europe, oti le gisement de vehicules a equiper est eleve : les ventes annuelles de vehicules neufs y sont de l’ordre de quatorze millions et demi d’unites. Le taux d’equipement des vehicules neufs atteint aujourd’hui en Europe pres de 20 %. 11s’eleVera, selon toute vraisemblance, pour la France, a 60 % en l’an 2000, permettant au part de ve-

hicules climatises de tendre vers un nombre de 5,2 millions d’unit&s (un vehicule en circulation sur cinq sera alors climatise). Cette croissance repond h une demande accrue de confort et de securite a l’interieur de vehicules dont les surfaces vitrees, qui ont fortemen t augmen t6, favorisen t les apports de chaleur. Comme tous les equipements auxiliaires des vehicules, la climatisation implique des appels de puissance et des surconsommations de carburant. Cet equipemen t peut &tre fortemen t consommateur, dans la mesure 013 son principe de fonctionnement (cycle compression, condensation, detente, evaporation d’un fluide frigorigene) necessite l’emploi d’un compresseur mecanique entrain& par le groupe motopropulseur. En outre, certaines fuites de fluide peuvent avoir des impacts importants en matiere de rechauffe-

ment climatique et de degradation de la couche d’ozone. Ce dernier point, qui renvoie a des problematiques d’etancheite pendant la vie de la voiture et de de vie des vehitrait6 dans cet Nous abordons ici l’evaluation des surconsommations et suremissions liees au fonctionnement normal de la climatisation, telles qu’elles ressortent des campagnes de mesures, puis de simulations realisees avec le logiciel SIMULCO.

sures au bane & roul~ux des consommations et kmissions K&es & la climatisation automobile s contiquences energgtiques et environnementales du fonctionnement de cet equipement ont fait l’objet d’une premigre synth&se en juillet 1996 [Barbusse, 19961, r&disGe 2 partir d’une campagne de mesures [Lopez de Rodas et Rotillon, 19951 de 1’Union technique de l’automobile et du cycle (U'IAC) et d’une stude sur la climatisation automobile par ARMINFS[Clodic et Rousseau, 19951. Cette premigre analyse montra les influences fortes de l’utilisation de la climatisation automobile en mat&e de consommation de carburant (tableau 1) et de rejets de polluants 2 l’khappement.

Le programme d’haluation mis en place en 1996-1997 De nouvelles methodes ont &ti! mises en place pour mieux apprk hender les impacts et les phenom&nes B l’origine des consommations additionnelles des systkmes d’air conditionni! actuels, en vue

d’ameliorer notre connaissance du sujet et d’orienter B terme les equipementiers et les constructeurs automobiles vers une am& lioration de l’efficacite de cet 6quipement. Une deuxi6me campagne d’essais portant sur vingt vkhicules a 6ti! menke en 1996 et 1997 par I'UTAC [Lopez de Rodas et Rotillon, 19971. L'ADEME a engage, paralklement 6 ces travaux de mesure, deux conventions portant sur des travaux visant une interp+tation plus pousske des r&.ultats bruts, h savoir : - realiser, au Centre d’&erg& tique de l’lkole des Mines de Paris, un bane d’essais de mesures des puissances mkaniques et electriques des systgmes de climatisation [Gaveau et al., 19961,

La synthSse des diffkents travaux a gt& r&&e au sein du programme de recherche PRIMEQUAL/PREDIT 1996-2000 [Gaveau et al., 19971. Les simulations ont et6 effectu&es pour des conditions thermiques vari&es sur diffkents cycles (voir encadrk), de faGon ZI disposer de references reglementaires pour 1’Bvaluation des surconsommations dues au fonctionnement du systgme de climatisation. L’interprBtation des chiffres obtenus demande de nombreuses prkautions, en particulier la consommation de 1’6quipement de climatisation doit etre refQGe ZI son usage r&e1 e{ prksent6e en valeur annuelle. On peut consid8rer qu’en Europe le systgme de climatisation d’un vehicule fonctionne environ cent heures par an [Fischer].

La campagne de mesures 1996-l 997 de I’UTAC Lesvehicules testgs

ont 6tg choisis de manike & d’une part compkter les r6sultats obtenus lors de la premi&re campagne, d’autre part obtenir des don&es reprksentatives des v&hicules en circulation du part automobile fransais. A cet effet, dix vehicules & essence - faire &oluer le logiciel SIMULCO, et dix vhhicules Diesel - dont en vue de son exploitation pour la si- quatre turbo Diesel et deux turbo mulation des consommations et des re- Diesel % injection directe - ont fait jets de polluants pour des s&narios de l’objet de mesures de consommation roulage int@ant des consommations et d’kmissions pour des conditions thermiques variees. de systgme de climatisation. Compte tenu des configurations possibles de la cellule d’essais, deux conditions de fonctionnement ont et@ retenues, pour lesquelles une m&me temperature de consigne dans l’hfiitacle de 20 “C &tait fix8e.

~-__

Temewe = 30 “C. Tcmgne = 20 “C. essai selon / 1 Turbo Diesel D’aprks [Lopez de Rodas et Rotillon. 19951

4

I

KtCHERCHt

TRASWORTS SiC iiRllf

N’ 00

la directive

91/441/c~,

IUILLFT-SFPTEMBKt I’W

cycle

MWG

TABLEAU

1

Surconsommation mise en t’vidence pour six &hicu/es /or5 de la premike cdmpagne d’essais ii I’U~AC en 1995.

i‘NERGIE

ET

ENVlRONNEMENT

0 Pour completer et comparer les res&ats de la premiere campagne, maintien du premier scenario d’utilisation peu pous&e de la climatisation, avec une temperature exterieure de 30 “C, 50 % d’humidite relative et pas d’ensoleillement cl). l Pour simuler les charges solair-es (estimees a 45 % de la charge thermique totale [SATE, 1989]), la temperature de la cellule a 6te fixee a 40 “C, valeur non usuelle sous nos latitudes europeennes.

Dans toutes les configurations d’essais, les fenetres des vehicules etaient fermees (voir encadre), afin de bien quantifier les impacts de la climatisation automobile.

Impact sur la consommation de carburant

Dans cette deuxieme campagne d’essais, comme lors de la premiere en 1995, les consommations ont ete enregistrees au moyen de deux procedures, afin de croiser les resultats et verifier l’exactitude des mesures : - dune part, par mesure directe gravimetrique (pes.ee) selon l’ancienne directive 80/1268 (huit repetitions),

Dur& (4 ECE15 ECE EUDC

Distance h-4

195

1013

780 400

4 052 6 955

- d’autre part, a partir du bilan carbone comme prevu dans la nouvelle directive sur la consommation 93/l 16 (trois repetitions). Afin de disposer de resultats plus representatifs de l’usage reel des vehicules, les mesures n’ont pas comport& pour la configuration 93/l 16, les quarante premieres secondes de fonctionnement au ralenti du vehicule, ainsi que le prevoit la future directive pour les annees 2000 et 2005. Les constats generaux sur cet ensemble de mesures sont une augmentation moyenne plus elevee que lors de la premiere campagne (en par-tie du cycle), un resdue au durcissement serrement des valeurs de surconsom-

mation pour les vehicules a essence ou Diesel (autour de 3,2 l/100 km en urbain), ainsi que la confirmation des mauvaises performances des Diesel suralimentes. De meme, l’on peut noter que les surconsommations sont nettement plus elevees pour la partie urbaine que pour la par-tie extra-urbaine du cycle MVEG.

Surcon mm&ion des &hi “e ules 6 essence Pour(Tla condition d’essai la moins severe _. exteneure= 30 “C), on enregistre une augmentation moyenne de l’ordre de 3,l l/100 km, soit + 31 %. pour les vehicules essence . en cycle urbain ; cette valeur est portee h 3,8 l/100 km, soit + 38 %, lorsque la temperature ambiante est plus elevee (Textktiieure= 40 “C). Sur la partie _. plus rapide du cycle normalise d’essai (cycle extra-urbain EUDC), les valeurs obtenues sont nettement moins importantes et se situent a 0.9 et 1.3 l/100 km. soit respectivement + 16 % et + 20 % pour les deux temperatures d’essai. (1) En effet, I'UTAC ne posstide leillement artificiel.

REC.tiFWHF TRAhSt'OKT5 5iCCrRITi \

6"

la cellule de mesures de pas de dispositif d’enso-

]LILLCT~SLPWMHRF ,'I',8 I;,

Les surconsommations, i3 la fois en urbain et en extraurbain, sont &&es et sensibles au pamrnetre de condition thermique : un accroissement de 10 “C de la temperature exterieure entraIne une augmentation de + 24 % a + 38 % de cette surconsommation (figure 1).

FIGURE

1

x Valeur par vbhicule n Moyenne

Surconsommation des v8kules ;7 essence ideuxi6me campagne UTAC 7996-r997) en fonction du cycle et de /a tempPrature extk-ieure.

Surconsommation des u&hicufes Diesel Les r&Atats sont plus Contras& pour les vehicules Diesel que pour les vehicules a essence. On retrouve ici l’influence de la motor-i&ion, deja constatee lors de la premiere cam pagne de mesures de I%rAC en 1995 : les vehicules turbo Diesel pr&entent des r&u&s nettement plus eleves que les v&ricules Diesel atmospheriques. Les valeurs dorm&s distinguent done ces deux classesde vehicules.

D’aprh Rodas 19973

O+--xr--

[Lopez de et Rotillon,

I

40°C Cycle

urbain

ECE

I

30°C Cycle

40°C extra-urbain

EUDC

Sur cycle urbain, pour une temperature ambiante de 30 “C, la surconsommation des vehicules Diesel a aspiration naturelle s’etablit a 2,4 l/100 km, soit + 26 %, contre 4,0 l/100 km, soit + 43 %, pour les motorisations turbo Diesel, ce qui est considerable (figure 2). Sur cycle extra-urbain, toujours pour une temperature ambiante de 30 “C, les augmentations sont moindres, bien qu’encore tres elevees avec une moyenne de 0,7 l/l00 km, soit + 12 % pour les atmospheriques contre plus de 1,5 l/100 km soit + 28 % pour les motorisations turbocompressees (figure 2). La surconsommation des motorisations Diesel, comme c’est le cas pour les motorisations a essence, est sensible aux conditions thermiques. Dans tous les cas, les valeurs atteintes par les turbo Diesel sont tres elevees et temoignent d’une inadequation apparente entre le fonctionnement du turbo et celui de la climatisation automobile. FIGURES Sur&7issions urbain.

6

I

o,9

1

no4

no5 extgrieure

no6 no9 : 30” C

n”2 no3 Temperature

no6

no7 exterieure

no8 no10 : 40” C

no2 no3 ’ no6 no7 Temperature ext&ieure

no8 nolO’ : 40” C

g/km

_.

x i?

0,7

‘X6

-

3

de5 v&h/es

no2 Temp&ature

no1

no1 2 essence

RECHtRCHETKANSPORTS

sur c-y&

StCtiKlTi

6

’ no2

Temperature

60

ICIILLFFSFPTEMBRE 1996

’ no4

no5

extbrieure

no9 : 30” C

no6

ENERGIE

FIGURE

2

Surconsommation ,jfi v&ides Diesel (deuxikme campagne UTAC 1996- 19971 en fonction du cycle et de /a tempkrature extkeure. Pour les moyennes, les vehicules essayCs ;t 40 “C ne sont pas tous les m@mes qu’f% 10 “C.

Diesel

7

atmosphbrique

Turbo

x Valeur par vbhicule * Moyenne

l/l 00 km

I Valeur par vt%hicule Moyenne

n

5I

c 4.P Ii

I fA

,>-l?c,‘!,

------*

/

23

Impact sur les &missions de polluants yes resultats expos& ci-apr& ont &G obtenus par mesures sur bane A rouleaux sur les bases mcdifiees de la directive 91/441 : sur le cycle MVEG modif@, sans les quarante prem@res secondes de ralenti, * tel que p&u dans la future rkglementation pour les an&es 2000 et 2005.

A

.

:35: 5 0 2-

h -m .I 1 zi ,,_ I. , ” a #i # + 1 %

l-

D’aprgs [Lopez de Rodas et Rotillon, 19971.

diesel

O+---xrl

I

40°C Cycle

urbain

30°C

ECE

Cycle

extra-urbain

I

40°C EUDC

g/km

Si les valeurs obtenues sont dans l’ensemble plus elevees que lors de la premiGre campagne (du fait de cette s&Grisation de la mesure), les tendances observ&es (notamment en relatif) se confirment avec une augmentation des polluants CO, NOx pour les motorisations FI essence (figures 3) et des polluants NOx et particules pour les motorisations Diesel (figu res 4).

Sur&missions des motorisations ii essence

.zo x P

13

45 E

.o .-I E ul

Pour une temperature ambiante de 3o”C, une augmentation moyenne de 17 % du (+ 0,45 g/km) et de 70 % des NOx7 0,14 g/km) est observee en cycle urbain (figures 3).

l,o

03

w

I-

no12

0,40

ETENVIR~NNEMENT

‘n”13’no14’no16’no17’no20’ Temperature extbrieure

!g/km

‘no11 : 30” C

q Sans climatisation

‘n”13’no15’n016’no18’no20’ Temperature extbrieure

: 40” C

q Avec climatisation

0,35

Pour la partie extra-urbaine, les emissions de CO se d6gradent sensiblement avec pr& de 75 % d’augmentation (+ 0,02 g/km), tandis que les suremissions de NOx ne sont plus que de + 50 % (+ 0,06 g/km). Pour la charge thermique plus Blev&e quand la temperature ambiante est de 40 “C, ces r&ultats se confirment et restent relativement stables : surf?missions semblables de CO et NOx en urbain, surBmission de CO stable, et surBmission de NOx accrue en extra-urbain.

g 0,30 Fk? 0,25 8 0,20 E :: 0,15 Q g 0,lO

1’12 no13 no14 no16 Temperature extbrieure

no17 no20 : 30” C

no11 ‘n”13’n015’no16’no18’no20’ Temperature extbrieure

FIGURES : 40” C

SurBnksions urhain.

RFCHERCHFTRAYSPORTSS~CCKITC

4

de5 vc%ic-u/es

Diesel

sur cycle

N hIJ -JLIILLEl-5EPTEhlBKE 11W 17

Surkmissions motorisations

des Diesel

Les variations sont moins homogenes que pour les vehicules % essence. On peut cependant retenir comme tendance une baisse de 30 % du CO (- 028 g/km), une augmentation de 48 % des NOx (+ 0,45 g/km) et de 64 % des particules (+ 0,075 g/km) sur le cycle urbain (figures 4). Sur le cycle extra-urbain, les variations sont moins elevees : - 20 % de CO, + 27 % de NOx et + 30 % de particules. Comme pour les emissions des vehicules a essence, les augmentations de polluants se confirment et restent stables pour la condition thermique plus severe (temperature de la cellule de mesure a 40 “C). Les sensibilites variees aux differents cycles et conditions thermiques constatees plus haut sont 6tudiQes plus en detail, au travers des travaux d’exploitation du bane d’essais d'ARMINES et du modele SIMULCO [Gaveau et al., 19971 que nous allons presenter maintenant.

~

esures et simulation’ des consommations instantanees au bane d’essais

Un bane d’essais a et6 developpe au Centre d’energetique de 1’Ecole des Mines de Paris [Gaveau et al., 19961. La boucle de climatisation est inseree dans un vehicule isole et equip6 de panneaux radiants electriques basse temperature, colles a I’interieur des vitrages pour simuler les apports solaires. La bouche d’aspiration du circuit d’air integrant l’evaporateur est raccordee a un conduit qui permet des apports d’energie par humidification et rechauffage de l’air. Les temperatures maximales disponibles peuvent monter jusqu’a 50 “C et l’humidite absolue peut atteindre 14 g d’eau/kg d’air sec. FIGURE Le bane d’essais.

5

De la m6me man&e l’avant du vehicule est raccorde a une tremie, pour que le condenseur puisse lui aussi etre aliment& en air chaud. Ces systemes de chauffage, de ventilation, d’humidification, ainsi que les panneaux radiants basse temperature permettent de simuler diverses conditions cfimatiques et aussi de chamber le vehicule pour simuler des conditions de demarrage de la climatisation avec un habitacle chaud. D’autre part, le compresseur du systeme frigorifique est raccorde par un systeme poulie-courroie usuel, h un moteur electrique a courant continu et h vitesse variable, permettant de developper un couple de 75 N,m. La figure 5 schematise les principaux composants du bane. Le moteur electrique a vitesse variable est command6 par un logiciel de supervision programmable qui genere les variations de vitesse simulant differents profils de mission et en particulier les parties urbaines et routieres du cycle MVEG.

Le circuit frigorifique est instrumente en pression, temperature et debit pour que les bilans d’energie et de masse aux frontier-es du compresseur et des deux dchangeurs soient effect&s. Un ensemble de sondes de temperature dans les gaines de chauffage et dans le vehicule permet d’etablir les bilans du c&e du vehicule et sur les circuits af2rauliques. -fj

ventilateurs C.

11 chauffage :...j

8

I

sous

moteur Blectrique

capot

RKtiFRCHE

TRANSPOKTS Sk UKlTi N 60

variateur Blectronique de vitesse

IUILI FT-SEPTEMBREI’NB

En resume, les consommations mecaniques du compresseur et electriques des ventilateurs sont mesurees a chaque pas de temps.

E'NERGIE

Comme I’indique la figure 6, pour un profil de mission donne et pour un scenario thermique, les consommations instantanees mecaniques et electriques sont disponibles.

FIGURE

ETENVIRONNEMENT

6

varia-

_

~~~de~;~~~~~;

-

Courbes

triques.

de

Puissance Puissance Puissance

de I’arbre moteur du condenseur des ventilateurs

375 3

23

Deux series differentes d’essais ont ete effect&es. La premiere a consist6 a simuler exactement les niveaux de pression, d’evaporation et de condensation ainsi que les marches-art-&, tels qu’ils ont et& enregistres sur un vehicule cfigure 7) lors d’une campagne de mesures specifique d’ARMINES CI

2 13

1 0,5 0 00

~‘UTAC.

La figure 7 met en evidence le grand nombre de marches-arrets du systeme de compression, ce qui implique que le ventilateur de l’habitacle est regle sur les debits les plus faibles. D’autre part le niveau eleve de la haute pression indique que la ventilation usuelle utilisee A I’UTAC ne permet pas de simuler les conditions aerauliques typiques dues aux accelerations du cycle urbain ou a la circulation routiere ou autoroutiere. 11 ressort de ces constatations que ce niveau de haute pression est trop eleve, entrainant une surconsommation qu’il n’est cependant pas aise d’evaluer.

sur les consommations de l’ecart de la temperature d’air entre l’habitacle et l’exterieur, ainsi que de l’effet des reglages de certains parametres : debit d’air a l’evaporateur et debit d’air au condenseur.

La seconde s&e d’essais a porte sur une etude systematique de l’effet

A partir des puissances absofies mesurees sur le bane d’essais, les aug-

4 500

1

Les puissances mecaniques et electriques obtenues a chaque pas de temps ont et6 utilisees comme entrees specifiques du systeme de climatisation pour les simulations realisees par I’INRETSavec SIMULCO.

C

ah1 des consommations de carburant et Gmissions de polluants

tr/min

mentations de consommation de carburant et d’knissions de polluants dues au fonctionnement de la climatisation ont ete calcukes pour chacune des differentes conditions d’essais. L’analyse des variations de la puissance en fonction des conditions thermiques et des conditions de marche du vehicule (cycles) per-met de dkgager des relations simples entre la surconsommation et des variables descriptives de ces conditions. Avec les essais d’enchainement de cycles, l’iifluence de la distance permute sur la consommation et Ies dmissions a pu etre etudik Les rksultats fournis ici sont partiels ; ils correspondent a des debits d’air de 650 m3/h au condenseur et

600

FIGURE

Temps Cycles

RECHERCHE TRANSPORTS SkURITt

7

marche/ar&

N” 60

du compresseur.

JUILLET-SEPTEMBRE1998

I9

150 m3/h a I’evaporateur (da&es valeurs de debits ont et6 etudiees) ; par ailleurs les calculs ont et6 effect&s

TABLEAU Comparaison

UtiliS6

Le logiciel SIMULCO, developpe avec l’aide de ~'ADEME [Roumegoux, 19951, a et6 adapt6 pour prendre en compte les donnees de puissance consommee par la climatisation, issues des essais. Pour un vehicule donne - ici une voiture a moteur a essence catalyse de 1,4 litre de cylindree - et pour des conditions de marche donnees, ce logiciel calcule a chaque seconde le couple et la vitesse de rotation du moteur puis, a partir de cartographies etablies en regimes stabilises et avec un moteur chaud, la consommation de carburant et les emissions de polluants. I1 a et6 valid6 par une comparaison avec des resultats de mesures effect&es par lluTAc au bane h rouleaux [Lopez de Rodas et Rotillon, 19951 sur un cycle urbain ECE15. avec un depart ?I moteur chaud’(tableau 2). -

UTAC

7

jjjc_

;f

Les conditions de temperature d’air ambiant et de consigne dans l’habitacle ont une forte influence sur le niveau de puissance absorbee. La figure 8 donne les valeurs moyennes de puissance pour !es essais denchaTnements de cycles.

1:;

’

31”

20” c

RF(‘HEKCHF TRANSPOKlS SiWKITi

mesures

de I'UJAC.

On verifie que la diminution des consommations est directement associee a l’ecart des temperatures exterieure/interieure. Par exemple, la consommation d’energie diminue de 20 % pour /un changement de la temperature de consigne de 20 “C a 23 T, pour une temperature exterieure de 35 “C.

Surconsommations horaires de carburant

Autoroute

Un modele tres simplifie de la consommation ,de carburant du moteur nous permet de rechercher une relation entre la surconsommation de carburant et la puissance absorbee par la climatisation. Ce modele s’exprime selon la relation suivante :

Cycle

extra-

q = A(z) . P + B(N)

CyCk

MVEG

Cycle

urbair

I

3o;c

avec q le debit de carburant, P la puissance sur l’arbre moteur, A et B des fonctions croissantes, respectivement de la charge du moteur ‘t et du regime moteur N. Ainsi, a vitesse de rotation donn&e (imposee par le cycle), une variation AP de la puissance sur l’arbre moteur entraine la variation du debit de carbwant suivante : Aq = A@+Az) . AP 25;c

’ FIGURE

0 200 C

SIMULCO aux

Les resultats des essais permettent de determiner les valeurs de la puissance totale absorbee par la climatisation sur l’arbre moteur, qui est la somme de la puissance mecanique du compresseur (terme preponderant), de la puissance electrique des ventilateurs et de la puissance des pertes dans l’alternateur.

40” C 1

avec

Puissances absorb&es par la climatisation

n q

Temphrature de consigne

de da/u/

SlMlil CO

:

Tempkraturk extkieure

2

des r&/tats

20” c

N 611 IL:11I tT-SFI’TEMHKE ,‘)‘>A

23” C

20”

c

Inilumce puissance

8

&es conditions absorbke par

thermiques la climatisation.

wr

/a

Pour un cycle donne, la variation de charge du moteur AT a une influence du second ordre par rapport a celle de la variation de puissance ; alors nous pouvons retenir la relation approximative : Aq = A&Cyde)

. AP

ou T-cycle represente la charge moyenne du moteur sur le cycle. En theorie, la puissance absorbee peut 6tre mise en relation avec la variation d’enthalpie de l’air, approximativement proportionnelle a l’ecart AT des temperaair ambiant et entre tures consigne, tant que l’hygrometrie n’est pas trop elevee. Les resultats du calcul de consommation sont en tres bon accord avec les elements theoriques qui precedent : la surconsommation horaire de carburant est directement proportionnelle a la puissance absorbee cfigure 9) ou a l‘ecart de temperature (figure 1 O), la pente de la droite de variation croissant avec la charge moyenne du moteur.

TABLEAU

cycles successifs, d’autant plus rapidement que l’ecart de temperature est faible ; il en est done de meme pour la consommation et les emissions. La stabilisation de la puissance correspond a l’energie necessaire pour faire desLes valeurs de surconsommation et cendre la temperature dans l’habide suremissions par kilometre pre- tacle a la valeur fixee ; elle est sentent un grand inter& pratique, en . done determinee en premiere appar une duree. La relation directe avec l’usage de la proximation (nombre voiture qui consiste a effectuer un distance correspondante de cycles a effectuer) est proportrajet dune certaine longueur. tionnelle a la vitesse moyenne du La ouissance absorbee nar la cycle. Le tableau 3 fournit des vaclimatisation diminue au fil des leurs approximatives.

Surconsommations de carburant et sur6missions de polluants selon la distance parcourue

FIGURE

9

Surconsommation horaire en fonction de la puissance absorbPe par la climatisation.

1~ Vheure 0,9-

w

030,7-

A

Cycles

urbains

CyCkS

MVEG

Cycles

extra-urbains

s ‘z 0,6-

3

Nombres de cycles successifs, distances et d&es nkessaires la stabilisation de /a consommation et des 6mmissions.

pour

1- Vheure 0,9-

m Cycles

o,a‘o 0,7-

CyCkS

urbains

A Cycles

MVEG

extra-urbains

, 5

I 10 kart

FIGURE kconsommation

I 15 de temperature

I 20

“C

I 25

10 horaire

en fonction

RECHEKCHE TRANSPORTS SiCURITf

N’ 60

de /‘@cart

de tempPrature

JUILLET-SLPTEMBRE 1998 111

Les plages de variation 1’Bcart de temperature et tance sont donn8es dans bleau 4 et les figures

1

4,0-l/100

s’agit des valeurs cum&es depuis le surconsommations sions par kilomgtre,

selon la disle ta11 II.

km

de la distance parcourue et de AT (sur Y&art de temp&rature enhuit cycles urbains ECE1.5 chain&).

rrmyennes, ddpart, des g* surgmisen fonction

AT

AT

c---tzo-c i

3,5-

i = g

--

3,0-

-

2,5-

*- ~- I

20” c

q

q

-

1 6

I 7

I 8

*---\1fYc m-

~ E E8

zo-

5 0

1,5-

-*

*

c.

LI

*lO”C 5” c

l,O0,05-

W070

I 12

0

FIGURES

I

I 3

, I 4 5 Distance

I

I 7

km

I 8

I 9

0,00

,

/

012

, 3

1 I 4 5 Distance

km

HC

et NOx

: moyennes

curnukes

en fonction

de /a distance

parcourue

et de /‘&art

1

de

DT

W33i

115°C

.-.

-

*

I 1

11 ii s Distance

TABLEAU 4 P/age

de variations

121

I 9

11

Surconsommation et sunSmissions de CO, tempkature, sur cycle urbain ECE 15

0,lO

I 6

de /a surconsommation

RECHERCHE TRANSPORTS SiCURITt

et de la sur6mission

N” 60

de trois

IUILLET-SEPTEMERE 1998

polluants.

t 2

I 3

*

I 4

a

I 5

a.

1 6

15°C 1

1 7

b100C

I 8

5” c km

I 9

~NERGIE

- ameliorer les performances des composants du systeme de climatisation, leur pilotage ayant un role non negligeable,

C

onclusions

yes valeurs obtenues en consommation et &missions (tTK?SUreS UTAC, sim&ions

ARklINES/INRETS)

COnfir-

ment l’acuite du probkme de l’impact de la diffusion de la climatisation dans le part automobile. Elles corroborent les donnees obtenues dans la litterature [Menant, 19971 (figure 12) notamment le point partidier lie a la difficulte de maiiser

la

surconsommation

au

ralenti

et aux faibles vitesses (le cycle urbain europden possede une vitesse moyenne de 18,7 km/h et plusieurs paliers de ralenti !). L’analyse de l’influence de la puissance appelee sur la surconsommation fait notamment ressortir que les rkultats les plus critiques correspondent soit a des vehicules & essence sous-motorises, soit aux motori&ions turbo Diesel : ce dernier point necessitera des investigations complementaires pour interpreter correctement les interactions climatisation/suralimentation.

- adapter les debits d’air par l’utilisation, par exemple, de ventilateurs a vitesse variable, - limiter les apports soiaires grace a des &rages a haut pouvoir reflechissant,

FIGURE

IYap& 19971

.

- limiter la fourniture de fraicheur selon la configuration de roulage, en particulier lorsque le moteur est au ralenti. L’ensemble de ces strategies, et d’autres encore, sont a l’etude mais supposent que ces diminutions de consommation puissent etre valorisees par des essais

12

100-x

Taux de la surconsommation due au fonctionnement de la climatisation, en fonction de la vitesse du v@hicule et de la tempkrature extkrieure.

80-

[Menant,

Si I’on souhaite diminuer les surconsommations et suremissions, reduire la puissance absorbee nous appara?t indispensable. Pour cela, differentes voies de recherche et d’amelioration peuvent etre envisag&es :

CyCk

EPA

SC03

P

- reguler la temperature dans l’habitacle en fonction de la temperature externe, et done maintenir un ecart de temperature et non une temperature fixe, par exemple 2% “C, ce qui peut etre, dans bien des cas, source d’inconfort pour l’utkateur lorsque celui-ci sort du vehicule, - utiliser la frakheur de l’air admis dans le vehicule par recirculation partielle, ce qui existe deja par exemple en climatisation ferroviaire,

ETENVIRONNEMENT

ni

100

0

200

I\1 300

Temps FIGURE Cycle

comp/&mentaire,

b 400

500

60:

13 climatisation

en marche,

aux

RECHEKCHF TKANSPORTS SkURlTi

itats-Unis

N” 60

: SFTP

s&3.

D’aprPs

[EPA, 19961.

JUILLET-SEPTEMBRE1998 113

normalises surcotits indus.

adequats, eventuels

sinon les paraitront

La reglementation actuelle ne prend pas en compte la consommation de cet auxiliaire qui fonctionne de l’ordre de cent heures par an et dont I’utilisation va vraisemblablement s’accroitre. L’analyse des consommations ou des pollutions associees a l’usage des

systemes de climatisat&n automobile se developpe aux Etats-Unis oti YEPA a defini une proc@#ure d’essais d’homologation des vehicules em ~03 [EPA, 19961, climatiseur en marche (figure 13). i-x L’accroissement du confort dans l’habitacle automobile am&ore a la fois la securite et I’agrement de la conduite. Cette evolution des usages semble s’imposer. Pour en minimi-

ser les impacts negatifs - surconsommation et surpollution - il faut done que les constructeurs entreprennent une demarche active de minim&&ion des consommations et que les plus actifs puissent le faire savoir facilement, en particulier par la prise en compte des performances des systemes de climatisation dans les mesures reglementaires. Cette demarche ne peut 6tre qu’europeenne, voire mondiale.

Barbusse S. - La climatisation automobile, Impacts energetiques et environnementaux, Premier constat, Rapport ADEME, juillet 1996. Clodic D., Rousseau C. - Etudes sur la climatisation automobile, Rapport de convention ADEME/ARMINES, no 4660009, decembre 1995. EPA - Motor Vehicle Emission Federal Test Procedure Revision, Final Regulations EPA 40 CFR Part 86 ,

Subpart E, Air Conditioning, SC03 Air Conditioning Cycle SFTPfor Light Duty Vehicle and Light Duty Trucks (Supplementary Federal Test Procedure), octobre 1996. Fischer S. - Comparison of Global Warming Impacts of Automotive Air Conditioning Concepts, ONRL. Gaveau O., Clodic D., Ben Yahia M. - Bane de mesures des consommations d’energie mecanique d’un systeme de climatisation automobile, Rapport de convention ADEME/ARMINES, no 9566025, juillet 1996. Gaveau 0.) Clodic D., Ben Yahia M., Roumegoux J.-P. - Mesures et simulation des consommations instantanees d’une boucle de climatisation, rapport de convention ADEME/ARMINES/INRETS, no 9666016, decembre 1997. Lopez de Rodas B., Rotiilon C. - Evaluation des surconsommations likes a I’utiliition de la climatisation et des auxiliaires,Rapport de convention ADEMEhTAc, no 4660017, (PVUTAC, no 95/2715), septembre 1995. Lopez de Rodas B., Rotillon C. - Evaluation de I’influence de la climatisation sur la consommation de carburant et les emissions de polluants des automobiles, Rapport des conventions ADEME/UTAC, no 9566024 et 9666024, (PV UTAC. no 96/04666), mars 1997. Menant E. - Climatisation automobile et enjeux environnementaux au Japon, Rapport de convention mai 1997.

ADEME/JITEX, no 9666029,

ONU - Refrigeration, Air conditioning and Heat Pumps, Technical Option Report 1994, Programme des Nations unies pour l’environnement, 1995.

Roumegoux J.-P. - Modele de simulation SIMULCO, version 1 .O, Rapport de convention ADEME/INRETSLEN, no 2 03 0032/9501, mars 1995. SAE - Repartition des charges thermiques par rapport a la charge thermique totale, Publication SAE,

no 890308, Evaluation of an electrically driven automotive air conditioning system using a scroll hermetic compressor with a brushless DC motor, 1989.

El

RFCHERCtiE TRANSPORTS SiCURlTi

N” h0

IUILLET-SEPTEMBKE 1998

RKHFRC-Ht

1RANSPOKTS SkLJRlTi

N 6”

JUILLET-SEPTEMRRE,998 r15

ABRIDGED

VERSION

Automobile

air conditioning: effects in terms of energy and the envirdnment

Like all vehicle accessories, air conditioning requires extra power and increases fuel consumption. Air conditioning systems can use large amounts of power, they require a mechanical compressor powered by the engine. Furthermore, fluid leakages can have important environmental impacts. This topic, which raises the problems of leakproofing over the lifetime of the vehicle and safe disposal of the vehicle at the end of this, is not covered here. This paper presents an evaluation of the increases in consumption and emissions which result from normal operation of air conditioning firstly as revealed by measurement campaigns and then by simulations performed with the SIMULCO software. In 1996 and 1997 the Union technique de l’automobile et du cycle (UTAC) performed a campaign of testing involving 20 vehicles [Lopez de Rodas & Rotillon, 19971. Concurrently, the Agence de l’environnement et de la maitrise de l’energie (ADEME) works on the following two projects resulted in improved interpretation of the initial results: - construction,

at the Energy research centre of the &ole des Mines de Paris, of a test rig for measuring the mechanical and electrical power of air conditioning systems [Gaveau et al., 19961,

- development of the SIMULCO software for simulating fuel consumption and pollutant emissions in running scenarios which take account of the power consumption of the air conditioning system. The results of this research been brought together within 1996-2000 PRIMEQUAL/PREDIT search programme [Gaveau et 1997).

has the real.,

Measurements and simulations have been performed for varied thermal conditions in different cycles (ECE15, extra-urban, MVEG) in order to provide standard references for evaluating the increases in consumption and pollutant emissions which result from the use of air conditioning.

The roller test rig measurement campaign

The tested vehicles were selected to provide data which is representative of the vehicles in the French fleet and consisted of 10 petrol vehicles and 10 diesel vehicles (of which 4 were turbocharged diesels and 2 were direct injection turbocharged diesels). Consumption and emission measurements were made under varied thermal conditions. In view of the possible configurations of the test cell, two operating conditions were used and temperature of 20°C inside the passenger compartment was set for both. These operating conditions were: - moderate use of the air conditioning, with an external temperature of 3O”C, 50% relative humidity and no sunshine (because the UTAC measurement cell

I

RECHERCHE TRANSPORTS SiCURlTt

N” 60

IUILLET-SEPTEMBRE 1998

has no sunshine vice),

simulation

de-

- and (in order to simulate solar heat loads, which are estimated at 45% of the total heat load [SAE, 19893) with the temperature of the cell fixed at 40°C which is not usual in European latitudes.

Impact

on fuef

consumption

In order for the results to be more representative of real vehicle use, measurements for the 93/116 configuration did not include the first 40 seconds of vehicle idling operation as laid down in the future directive for the years 2000 and 2005. In this second measurement campaign, as in the’ first of 1995, two procedures were used to record consumption in order to allow the accuracy of measurements to be verified by comparing the results. These were: - direct gravimetric measurement (weighing) in compliance with the old directive 80/1268 (8 repititions), - on the basis of the carbon balance as laid down in the new consumption directive 93/l 16 (3 repititions). l Increases consumption

in

petrol

vehicle

For ‘the less severe test condition (external temperature T,,,, = 30” C) an average increase of about 3.1 l/ 100 km, i.e. 31%, for petrol vehicles in an urban cycIe was registered; thii increased to 3.8 l/l00 km, i.e. 38%, when the ambient temperature was higher (Taternal= 40” C).

ENERGY

In the fastest section of the normalized test cycle (EUDCextra-urban cycle), increases of between 0.9 and I.3 l/100 km were obtained (i.e. 16% and 20%) depending on the test temperature.

l Increases consumption

in

diesel

vehicle

The results for diesel vehicles were less uniform than for petrol vehicles. The increases for turbocharged diesels were considerably higher than for naturally aspirated diesels. In urban cycle with an ambient temperature of 3O”C, the increased consumption of naturally aspirated diesels was of the order of 2,4 l/ 100 km (26%) compared to a considerable 4,0 l/100 km (43%) for turbocharged diesel engines. In extra urban cycle, still with an ambient temperature of 30°C the increases were still high, 0.7 I/ 100 km on average, i.e. 12%, for naturally aspirated diesels and more than 1.5 l/100 km i.e. 28% for turbocharged diesels. As with petrol engines, the increase in the consumption of diesel engines was affected by thermal conditions. However, in all cases the values for turbocharged diesels were very high and would seem to indicate that automobile air conditioning is incompatible with turbocharged engines.

Impact on pollutant emissions The results given below were obtained from roller test rig mea-

ENVIRONMENT

surements according to the modified conditions laid down in directive 91/441 for 2000/2005, without the first 40 seconds of idling.

which was fitted with low temperature electrical radiating panels which were glued to the inside of the windows in order to simulate heat from the sun.

Increases in petrol engine emissions

The air inlet of the cooler circuit was connected to a duct which could supply energy by humidifying or mheating the air. Temperatures of up to 50°C and absolute humidity of up to 14 g of water/kg of dy air could be obtained. In the same way the front of the car was connected to another duct so that the condenser could also be supplied with warm air. These heating, ventilation and humidification systems in combination with the low temperature radiating panels meant that a variety of climatic conditions could be simulated and also that the vehicle could be warmed up in order to simulate air conditioning start up with a warm passenger compartment. In addition, the cooling system compressor was connected, by means of a conventional belt drive, to a variable speed dc electric motor which is capable of producing 75 N.m of torque.

l

The increases in urban and extra-urban cycles were high and affected by the thermal conditions (a 10°C increase in the ambient temperature raised consumption by a further 24 to 38%).

AND

With an ambient temperature of 30°C a mean increase of 17% for CO (+0.45 g/km) and 70% for NOx (+O. 14 g/km) was measured in urban cycle. For the extra-urban section, CO emissions deteriorated markedly, increasing by almost 75% (+0.02 g/km), while the increase in NOx emissions was only 50% (+0.06 g/km). In the case of the highest heat load, when the ambient temperature was 40°C these results were confirmed and remained relatively stable: in urban cycle the increases in CO and NOx emissions were similar and in extra-urban cycle the increase in CO emissions remained stable and there was a greater increase in NOx emissions. l

Increases in diesel engine emissions

Although the changes were less uniform than for petrol vehicles, the following trends were apparent: a 30% reduction in CO (-0.28 g/km), an increase of 48% in NOx (+0.45 g/km) and 64% in particulates (+0.075 g/km) in urban cycle. The changes were smaller in the extra-urban cycle -20% for CO, +27% for NOx and +30% for particulates.

The varia e speed electric motor was conY rolled by programmable monitoring software which varied the speed to simulate different task profiles, in particular the urban and extra-urban parts of the MVEGCycle.

The test rig

The cooling circuit was instrumented to measure pressure, temperature, and flow in order for the energy and mass balance to be measured at the interfaces of the compressor and the two exchangers. A system of temperature probes in the heating tubes and within the vehicle were used to determine the balances in the vehicle and the ventilation circuits.

A test rig was developed at the Centre d’energetique de 1’Ecole des Mines de Paris [Gaveau et al., 19961. The air conditioning loop was installed in an insulated car

In brief, the mechanical consumption of the compressor and the electrical consumption of the ventilators are measured during each time step.

Measurement and simulation of instantaneous consumption on the test rig

RCCHtRCHE TKANSPORIS Sk CIRITg N” 60

JLJILLET-SEPTEMBREI’IW

The tests

Two separate series of tests were performed. The first involved precisely simulating the levels of evaporation and condensation pressures as well as starting and stopping as recorded in a vehicle in a specific measurement campaign conducted on the UTAC roller test rig.

power drawn by the air cpnditioning system from the engine shaft, which is the sum of the mechanical power of the compressor (predominantly). the electrical power of the blowers and alternator losses.

compartment down to the set value, and can therefore be estimated. d: least initially. in terms of a duration The corresponding distance (th, number of cycles to be perforrnPrl1 prnpnrti,nqal

tn

thp

rqpan

\rwcd

ci

ring the cycle. .4lj~!roxirnatc 1,31. are given in tfle Lbli- 3 1 : I’i~lt Nlmber of siic-c~l’ssi1’~’ “y!“i fut~ces urIci il’:frdLi~‘i.3 ‘, )-UC] iCi .stc:bilize. ~“);jfi’:::jf;;,‘~

,;it

Calculation of fuel consumption and pollutant emissions

On the basis of the power consumptions measured on the test rig the increases in fuel consumption and pollutant emissions resulting from the operation of the air conditioning were calculated for each of the test conditions. The use of sequences of cycles in tests made it possible to examine the influence of distance travelled on fuel consumption and emissions. The SIMULCO software program [Roum6goux, 19951 was applied to study the case of a petrol vehicle with an engine capacity of 1.4 litre fitted with a catalytic converter. Power consumption of the air conditioning system

From the test resrtlts it was possible to determine the total amount of

iuh

b-y..ay

. . . .____._

__.. --._.

closely matched theory, which states that the increase in hourly fuel consumption (Aq) is directly proportional to the power consumption or to the difference (AT) between the ambient air temperature and that set for the passenger compartment. For example, in the MVEGcycle: Aq(l/h) = 0.041 AT

Zncreases in fuel consumption and pollutant emissions according to the distance covered

The power consumption of the air conditioning system falls over successive cycles, and does so more rapidly the smaller the temperature difference. The same fall therefore occurs for fuel consumption and pollutant emissions. The stabilization of power consumption corresponds to the energy needed to bring the temperature in the passenger

Conclusions

The fuel consumption and pollutant emission figures obtained from measurements and simulations confirm that the widespread installation of automobile air conditioning presents a serious problem. In particular, our analysis has revealed that the most critical results involve low power petrol and turbocharged diesel vehicles. Greater in-car comfort makes driving both safer and more pleasurable, and the trend towards this seems firmly established. The negative impacts increased fuel consumption and pollution - can be minimized on two conditions: firstly, vehicle manufacturers should attempt to minimize energy consumption, and secondly official approval tests should take account of the aperation of the air conditioning system.