JP2004183623A - 可変容量型圧縮機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部制御式の可変容量型圧縮機において、圧縮機の回転速度が急変した場合に生じる軸動力のオーバーシュートやアンダーシュートを防ぎ、無駄な動力を抑えて燃料消費を低減する。
【解決手段】回転速度の変化と相関する外部情報の変化率から所定時間経過後の圧縮機の回転速度を予測し、この予測された回転速度に至るまでの圧縮機の回転に寄与する動力の変動量を予測し、この変動量を見込んで、所定時間経過後の圧縮に寄与する動力を推定する。そして、この圧縮に寄与する動力から所定時間経過後の圧縮機の吸入圧を演算し、この演算された吸入圧となるように可変容量型圧縮機の制御量を決定する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両用空調装置に用いられる外部制御式の可変容量型圧縮機の制御装置に関し、特に、車速の急変時における外部制御を適正に行うものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
車載用エアコンシステムに用いられる可変容量型圧縮機は、蒸発器の吹出空気温度（あるいはフィン温度）を設定値とするような吸入圧力が得られるように吐出容量を制御するようにしている。この吐出容量の制御は、斜板が収容されたクランク室の圧力を圧力制御弁によって調節することで行われており、高い制御精度が要求される場合には、外部から電気制御する外部制御弁が用いられる。このような外部制御弁は、電磁ソレノイドなどのアクチュエータを有し、この電磁ソレノイドへの制御量（供給電流量）を外部から制御するようにしている。
【０００３】
ところで、このような外制式可変容量型圧縮機を用いられた冷媒循環サイクルにおいては、サイクル稼動中に、車速が急激に変化する場合、例えば、アイドリング状態から急発進するような場合に、次のような不都合が確認されている。
【０００４】
通常の外部制御弁による動作によれば、エンジン回転速度が増加すると、これに伴ってコンプレッサの回転速度が増加するので、図３（ａ）に示されるように、１，２秒後に吸入圧Ｐｓが低下すると共に吐出圧Ｐｄが上昇することとなる。このため、外部制御弁は変化前の低圧状態を維持しようとするので、圧縮機のクランク室圧が増加し、ピストンストロークが小さくなって吐出容量が小さくなる。
【０００５】
ところが、エンジン回転速度の変化が速い場合には、制御弁のこうした制御が間に合わず、ピストンストロークは即座に小さくならないことから、圧縮機のトルク低下が遅れ、このため、図３（ｂ）の破線で示されるように、軸動力が一時的に過大となり、圧縮機の駆動に余分なエネルギーが消費される不都合があった。しかも、エンジン制御用のコントロールユニットは、車両のドライバビリティを確保することから、圧縮機のトルク変動を見越したトルク管理を行っているので、過渡走行時における燃料消費の低減は極めて困難であった。
【０００６】
そして、しばらくすると、吹出空気温度が設定値より下がり、ようやくピストンストロークが小さくなるが、この場合には動力がアンダーシュートして下がり過ぎる不都合がある。
【０００７】
このため、このような不都合を回避する策として、エンジン回転速度が増加した場合に、圧縮機を強制的にデストロークさせ、圧縮機動力を一時的に低下させることも考えられる（特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−７３９４１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジン回転速度の増加時に圧縮機に対するトルクを一時的に低下させても、蒸発器の吹出空気温度を設定値に維持させる通常制御に戻す場合には、ピストンストロークが急激に大きくなり、圧縮機の軸動力が一時的に過大となってオーバーシュートする不都合がある。このため、エンジン回転速度の増加を検知し、単にピストンをデストロークさせるような制御を行ったのでは、適切な動力管理を行うことができないという問題がある。
【００１０】
以上のような無駄な動力は、車両の速度が急減速する場合にも生じる。即ち、高速走行時にある吹出空気温度になるように外部制御弁が制御されているときに、例えば、ギアがニュートラルに切り替わると、１，２秒後に吸入圧力Ｐｓが上昇し、外部制御弁は変化前の低圧状態を維持しようとするので、クランク室圧が低下し、ピストンストロークが大きくなって吐出容量が増大するが、圧縮機の回転速度変化が急激になると、制御弁のこうした制御が遅れるので、吹出空気温度が上がったり、軸動力が過大となって余分なエネルギーが費やされる不都合がある。
【００１１】
そこで、この発明においては、外部制御式の可変容量型圧縮機において、圧縮機の回転速度が急変した場合に生じる軸動力のオーバーシュートやアンダーシュートを防ぎ、無駄な動力を抑えて燃料消費を低減することができる可変容量型圧縮機の制御装置を提供することを課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る可変容量型圧縮機の制御装置は、外部制御弁の電流変化に対する時定数は、数十ｍｓｅｃと早く、従ってこの電流信号を適切に制御することで上述の課題に対応できること、また、エアコン動力を、圧縮に寄与する動力（圧縮動力）と回転に寄与する動力（回転動力）とに分け、圧縮に寄与する動力を冷媒循環流量と圧縮比との積で考えることにより、蒸発器の吹出空気温度の設定値が同じである限り、回転変動の前後で圧縮機動力を一定に維持するように外部制御すればよいことから圧縮機の制御量が推定できることに基づいている。
【００１３】
即ち、この発明にかかる可変容量型圧縮機の制御装置は、冷媒循環サイクルに用いられ、外部から供給される制御量を調節して吐出容量を制御するものにおいて、前記可変容量型圧縮機の回転速度の変化と相関する外部情報を検出する外部情報検出手段と、前記外部情報の変化率から所定時間経過後の前記可変容量型圧縮機の回転速度を予測する回転速度予測手段と、前記回転速度予測手段によって予測された回転速度に至るまでの圧縮機の回転に寄与する動力の変動量を予測する回転動力変動量予測手段と、前記回転動力変動量予測手段によって予測された変動量を見込んで、前記所定時間経過後の圧縮機の圧縮に寄与する動力を予測する圧縮動力予測手段と、前記圧縮動力予測手段によって予測された動力から前記所定時間経過後の圧縮機の吸入圧を演算する吸入圧演算手段と、前記可変容量型圧縮機の吸入圧を前記吸入圧演算手段によって演算された吸入圧とするように前記制御量を決定する制御量決定手段とを有することを特徴としている（請求項１）。
【００１４】
ここで、可変容量型圧縮機は、吐出容量制御を司る圧力制御弁を有している場合には、制御量決定手段を、圧力制御弁へ供給する電流量を決定する手段とすればよく（請求項２）、外部情報検出手段は、例えば、アクセルペダルの踏み込み代を検出する手段を用いるとよい（請求項３）。
【００１５】
したがって、回転速度予測手段によって、外部情報の変化率から所定時間経過後の圧縮機の回転速度が予測され、回転動力変動量予測手段によって、回転速度予測手段で予測された回転速度に至るまでの圧縮機の回転に寄与する動力の変動量が予測され、圧縮動力予測手段によって、回転動力変動量予測手段で予測された変動量を見込んで、所定時間経過後の圧縮機の圧縮に寄与する動力が予測される。そして、吸入圧演算手段によって、この予測された圧縮に寄与する動力から所定時間経過後の圧縮機の吸入圧が演算され、制御量決定手段によって、圧縮機の吸入圧が吸入圧演算手段で演算され吸入圧となるように圧縮機へ供給する制御量が決定される。
【００１６】
よって、このような制御を用いれば、車速が急変しても、所定時間経過後の圧縮機の制御量を推定できるので、制御が間に合わなくなる不都合を回避することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面により説明する。
図１において、車両用空調装置に用いる外部制御式可変容量型圧縮機（以下、圧縮機という）の一実施形態が示されている。この圧縮機１は、走行用エンジン２からの動力を受け、この走行用エンジン２と同期して回転するクラッチレスタイプのもので、凝縮器３、減圧装置４、蒸発器５などと共に配管結合されて冷媒循環サイクル６を構成し、吐出容量を制御して吸入圧力を調節するようにしている。
【００１８】
図１に示すように、圧縮機は、シリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１のリア側（図中、右側）にバルブプレート１２を介して組み付けられたリアヘッド１３と、シリンダブロック１１のフロント側（図中、左側）を閉塞するように組み付けられたフロントヘッド１４とを有して構成されている。これらフロントヘッド１４、シリンダブロック１１、バルブプレート１２、及び、リアヘッド１３は、締結ボルト１５により軸方向に締結されており、圧縮機全体のハウジングを構成している。
【００１９】
フロントヘッド１４とシリンダブロック１１とによって画設されるクランク室１６には、一端がフロントヘッド１４から突出する駆動シャフト１７が収容されている。この駆動シャフト１７のフロントヘッド１４から突出した部分には、ボルト１８によって軸方向に取り付けられた中継部材１９が固定されており、この中継部材１９にフロントヘッド１４の端部に回転自在に外嵌され、且つ、走行用エンジン２にベルトを介して連結される駆動プーリ２０がネジ止めなどの手段によって固定されている。また、この駆動シャフト１７の一端側は、フロントヘッド１４との間に設けられたシール部材２１を介してフロントヘッド１４との間が気密よく封じられると共にラジアル軸受２２にて回転自在に支持されており、駆動シャフト１７の他端側は、シリンダブロック１１に収容されたラジアル軸受２３にて回転自在に支持されている。
【００２０】
シリンダブロック１１には、前記ラジアル軸受２３が収容される貫通孔２４と、この貫通孔２４を中心とする円周上に等間隔に配された複数のシリンダボア２５とが形成されており、それぞれのシリンダボア２５には、片頭ピストン２６が往復摺動可能に挿入されている。この片頭ピストン２６は、シリンダボア２５内に挿入される頭部２６ａと、クランク室１６に突出する係合部２６ｂとを軸方向に接合して中空に形成されている。
【００２１】
前記駆動シャフト１７には、クランク室１６内において、該駆動シャフト１７と一体に回転するスラストフランジ２７が固定されている。このスラストフランジ２７は、フロントヘッド１４に対してスラスト軸受２８を介して回転自在に支持されており、このスラストフランジ２７には、リンク部材２９を介して斜板３０が連結されている。斜板３０は、駆動シャフト１７上に設けられたヒンジボール３１を中心に傾動可能に取り付けられているもので、スラストフランジ２７の回転に同期して一体に回転するようになっている。そして、斜板３０は、その周縁部分が前後に設けられた一対のシュー３２を介して片頭ピストン２６の係合部２６ｂに係留されている。
【００２２】
したがって、駆動シャフト１７が回転すると、これに伴って斜板３０が回転し、この斜板３０の回転運動がシュー３２を介して片頭ピストン２６の往復直線運動に変換され、シリンダボア内において片頭ピストン２６とバルブプレート１２との間に形成される圧縮室の容積が変更されるようになっている。
【００２３】
バルブプレート１２には、それぞれのシリンダボア２５に対応して吸入孔３４と吐出孔３５とが形成され、また、リアヘッド１３には、圧縮室に供給する作動流体を収容する吸入室３６と、圧縮室から吐出した作動流体を収容する吐出室３７とが画設されている。吸入室３６は、リアヘッド１３の中央部分に形成されており、蒸発器５の出口側に通じる吸入口３８に連通すると共にバルブプレート１２の吸入孔３４を介して圧縮室に連通可能となっている。また、吐出室３７は、吸入室３６の周囲に連続的に形成されており、凝縮器３の入口側に通じる吐出口に連通すると共にバルブプレート１２の吐出孔３５を介して圧縮室に連通可能となっている。ここで、吸入孔３４は、バルブプレート１２のフロント側端面に設けられた吸入弁３９によって開閉され、吐出孔３５は、バルブプレート１２のリア側端面に設けられた吐出弁４０によって開閉されるようになっている。
【００２４】
この圧縮機１の吐出容量は、ピストン２６のストロークによって決定され、このストロークは、ピストン２６の前面にかかる圧力、即ち圧縮室の圧力（シリンダボア内の圧力）と、ピストンの背面にかかる圧力、即ちクランク室１６内の圧力（クランク室圧Ｐｃ）との差圧によって決定される。具体的には、クランク室１６内の圧力を高くすれば、圧縮室とクランク室１６との差圧が小さくなるので、斜板３０の傾斜角度（揺動角度）が小さくなり、このため、ピストン２６のストロークが小さくなって吐出容量が小さくなり、逆に、クランク室１６の圧力を低くすれば、圧縮室とクランク室１６との差圧が大きくなるので、斜板３０の傾斜角度（揺動角度）が大きくなり、このため、ピストン２６のストロークが大きくなって吐出容量が大きくなる。
【００２５】
そして、この例においては、シリンダブロック１１、バルブプレート１２、及びリアヘッド１３に亘って形成された通路によって吐出室３７とクランク室１６とを連通する給気通路４１が形成され、貫通孔２４と連通するバルブプレート１２に形成された通孔４２やラジアル軸受２３の隙間などによってクランク室１６と吸入室３６とを連通する絞り通路が形成され、給気通路４１上に圧力制御弁４３が設けられている。この圧力制御弁４３は、リアヘッド１３に形成された制御弁装着孔４５に装着され、給気通路４１の開度を調節することで、クランク室１６の圧力（クランク室圧Ｐｃ）を制御しているもので、電磁ソレノイドなどのアクチュエータを有し、ソレノイドに供給される電流量を調節して給気通路の開度が制御されるようになっている。
【００２６】
ところで、前記エンジン２は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって制御されている。このＥＣＵ５０は、アクセルペダルの踏み代をエンジン吸気管路に設けられたスロットル弁の開度として検出するアクセル開度センサ５１や、車速センサ５２、エンジン回転速度センサ５３などからの信号を入力し、これらセンサの入力信号から得られた情報に基づき、燃料噴射量や噴射タイミング、点火時期などを最適値に制御している。
【００２７】
また、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０は、エアコン制御ユニット（Ａ／Ｃ ＣＵ）５４に接続されており、入力された各種センサから得られる情報（アクセル開度センサ５１から得られたアクセル開度情報、車速センサ５２から得られた車速情報、エンジン回転速度センサ５３から得られたエンジン回転速度情報など）をエアコン制御ユニット５４へ供給している。このエアコン制御ユニット（Ａ／Ｃ ＣＵ）５４には、圧縮機１の吐出圧を検出する吐出圧センサ５５、圧縮機１の吸入圧を検出する吸入圧センサ５６、外気温センサ５７などの各種センサからの信号が入力されると共に、エアコンスイッチや車室の目標温度を設定する温度設定器などを備えた操作パネル５８からの信号が入力され、空調装置の総合的な制御を行っている。
【００２８】
ここで、エアコン制御ユニット（Ａ／Ｃ ＣＵ）５４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力ポート等を備えて構成されるそれ自体公知のもので、メモリに与えられた所定のプログラムにしたがって各種センサやＥＣＵ、操作パネルからの入力信号を処理し、圧力制御弁４３に対しては、供給する電流量を制御するようにしている。
【００２９】
図２において、エアコン制御ユニット（Ａ／Ｃ ＣＵ）による圧力制御弁４３へ供給する電流制御例がフロチャートとして示されており、以下、このフローチャートに基づいて制御動作例を説明する。
【００３０】
エアコン制御ユニット（Ａ／Ｃ ＣＵ）５４は、空調装置を起動して、一連の初期処理を経た後に、この制御ルーチンの処理を所定の間隔で行うもので、ステップ６０において、各種センサやＥＣＵ５０、操作パネル５８からの前述した信号（アクセル開度、車速：Ｖｓ、エンジン回転速度：Ｎ、吐出圧：Ｐｄ、吸入圧：Ｐｓ、外気温度Ｔ_ａｍｂ に対応する信号）を入力し、次のステップ６２において、アクセル開度センサ５１によって車両の加速度、即ち、エンジン回転速度Ｎの変化率（圧縮機回転速度変化）ΔＮが所定値以上であるか否かを判定する。
【００３１】
このステップで、速度変化が所定値αよりも小さいと判定された場合には、急速な車速変化で制御弁の動作が大きく遅れることはないので、蒸発器の吹出空気温度（あるいはフィン温度）を設定値とする通常の吐出容量制御を行うための供給電流が決定される（ステップ７４）。これに対して、速度変化が所定値以上であると判定された場合には、急速に車速が変化しているので、制御弁４３の動作が遅れる懸念があるため、ステップ６４〜７２に示す予測制御が行われる。
【００３２】
ここで行われる予測制御は、エアコン動力、即ち、圧縮機に必要となる動力（圧縮機動力：Ｌ）を、圧縮に寄与する動力（圧縮動力＝ａ（Ｇｒ＊Ｗ） ） と回転に寄与する動力（回転動力＝ｂＮ） とに分け、圧縮に寄与する動力を冷媒循環流量Ｇｒと、圧縮比又は冷凍サイクルの圧縮エンタルピ変化Ｗとの積と考え、圧縮機１の回転速度が変化しても、要求吹出空気温度が同じであれば、圧縮機動力Ｌと冷媒循環量Ｇｒが同じであることから、下記する数１の関係が成り立つことに基づいている。
【００３３】
【数１】
ａ＊Ｇｒ＊Ｗ_１ ＋ｂ＊Ｎ_１ ＝ａ＊Ｇｒ＊Ｗ_２ ＋ｂ＊Ｎ_２
【００３４】
尚、Ｗ_１ は、圧縮機の回転速度がＮ_１ であるときの冷凍サイクルの圧縮エンタルピ変化、Ｗ_２ は、圧縮機の回転速度がＮ_２ であるときの冷凍サイクルの圧縮エンタルピ変化をそれぞれ表す。また、速度変化後の圧縮動力は、数１を変形すると、数２のようになる。
【００３５】
【数２】
ａ＊Ｇｒ＊Ｗ_２ ＝ａ＊Ｇｒ＊Ｗ_１ −ｂ（Ｎ_２ −Ｎ_１ ）
【００３６】
ここで、Ｇｒ＊Ｗは、Ｐｄ，Ｐｓ，Ｖｓ，Ｔ_ａｍｂ の関数であり、また、Ｇｒは、Ｐｄ，Ｖｓ，Ｔ_ａｍｂ の関数（Ｇｒ＝ｆ（Ｐｄ，Ｖｓ，Ｔ_ａｍｂ ））、Ｗは、Ｐｄ，Ｐｓの関数（Ｗ＝ｇ（Ｐｄ，Ｖｓ，Ｔ_ａｍｂ ））である。
【００３７】
以上の関係を前提として、予測制御は、先ず、ステップ６４において、アクセル開度情報に基づき、例えば３秒後の圧縮機１の回転速度を予測する。
【００３８】
そして、次のステップ６６において、前記ステップ６４で予測された３秒後の回転速度に至るまでの圧縮機の回転に寄与する動力（回転動力）の変動量、すなわち、３秒後の回転速度での回転動力（ｂ＊Ｎ_２ ）と現在の回転速度での回転動力（ｂ＊Ｎ_１ ）との差ｂ（Ｎ_２ −Ｎ_１ ）を予測する。
【００３９】
通常、過渡時での圧縮機効率は相対的に低下することから、この回転動力の変動量は、圧縮機効率の低下によるエアコン動力の増加量に相当している。よって、この増加量が圧縮機動力に反映されることとなるので、その分を差し引いた圧縮動力を上記数２によって計算することで、３秒後の圧縮動力を予測する（ステップ６８）。
【００４０】
そして、Ｇｒは、Ｐｄ，Ｖｓ，Ｔ_ａｍｂ によって推定され、Ｗは、Ｐｄ，Ｐｓから推定されるので、ステップ７０において、ステップ６８によって推定された３秒後の圧縮動力（ａ＊Ｇｒ＊Ｗ_２ ）から３秒後の吸入圧Ｐｓ’を予測し、ステップ７２において、この予測された吸入圧Ｐｓ’と現在の吸入圧Ｐｓとの差に基づき圧力制御弁４３へ供給電流を決定する。即ち、圧縮機１の吸入圧をステップ７０によって予測された吸入圧とするように供給電流を決定する。
【００４１】
したがって、車両が加速を始めると、その情報に基づき３秒先の吸入圧を予測して圧力制御弁の供給電流が決定されるので、車速急変時に制御弁の制御が間に合わなくなる不都合を回避することが可能となり、図３（ｂ）の実線で見られるように、圧縮機の軸動力のオーバーシュートやアンダーシュートを防ぐことが可能となる。よって、圧縮機の軸動力が一時的に過大となり、圧縮機の駆動に余分なエネルギーが消費される不都合がなくなり、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０が、車両のドライバビリティを確保するために圧縮機のトルク変動を見越してトルク管理を行う場合でも、過渡走行時での燃料消費を低減することが可能となる。
【００４２】
尚、上述の制御においては、車速が急速に増加する場合について述べたが、車速が急速に減速する場合も同様の制御を行うことで、圧縮機の動力管理が適切に行われ、燃料消費を低減することが可能となる。また、上述の例では、予測する時間を３秒後とした場合を示したが、車種などに応じて適宜変更しても良い。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、所定時間経過後の圧縮機の制御量を推定し、これに基づいて圧縮機が制御されるので、車速急変時での応答遅れがなくなり、動力損失を回避することが可能となる。このため、車両の燃料消費を抑えることが可能となり、ドライバビリティを確保する必要から、圧縮機のトルク変動を見越したトルク管理を行う場合でも、燃料消費を低減させることが可能となる。
【００４４】
また、圧縮機の制御量を予測して車速急変時での応答遅れをなくしたので、吹出空気温度を設定値に維持させることが可能となり、また、応答性の遅い制御弁を用いた場合でも、制御弁の特性の良否に拘わらず良好な動力管理が行え、無駄な動力損失を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る可変容量型圧縮機の動力制御装置の例を示す概略構成図である。
【図２】図２は、図１のエアコン制御ユニット（Ａ／Ｃ ＣＵ）による制御動作例を示すフローチャートである。
【図３】図３（ａ）は、車速を増加させた場合の吐出圧Ｐｄ、吸入圧Ｐｓ、供給電流の変化を示す特性線図であり、図３（ｂ）は、車速を増加させた場合の圧縮機回転速度、従来の制御による動力変化、本案の制御による動力変化を示す特性線図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機
６ 冷媒循環サイクル
４３ 圧力制御弁
５１ アクセル開度センサ

Claims (3)

1. 冷媒循環サイクルに用いられ、外部から供給される制御量を調節して吐出容量を制御する可変容量型圧縮機の制御装置において、
   前記可変容量型圧縮機の回転速度の変化と相関する外部情報を検出する外部情報検出手段と、
   前記外部情報の変化率から所定時間経過後の前記可変容量型圧縮機の回転速度を予測する回転速度予測手段と、
   前記回転速度予測手段によって予測された回転速度に至るまでの圧縮機の回転に寄与する動力の変動量を予測する回転動力変動量予測手段と、
   前記回転動力変動量予測手段によって予測された変動量を見込んで、前記所定時間経過後の圧縮機の圧縮に寄与する動力を予測する圧縮動力予測手段と、
   前記圧縮動力予測手段によって予測された動力から前記所定時間経過後の圧縮機の吸入圧を演算する吸入圧演算手段と、
   前記可変容量型圧縮機の吸入圧を前記吸入圧演算手段によって演算された吸入圧とするように前記制御量を決定する制御量決定手段と
   を有することを特徴とする可変容量型圧縮機の制御装置。
2. 前記可変容量型圧縮機は、吐出容量制御を司る圧力制御弁を有し、前記制御量決定手段は、前記圧力制御弁へ供給する電流量を決定するものであることを特徴とする請求項１記載の可変容量型圧縮機の制御装置。
3. 前記外部情報検出手段は、アクセルペダルの踏み込み代を検出する手段であることを特徴とする請求項１記載の可変容量型圧縮機の動力制御装置。

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