JP2006273027A

JP2006273027A - 車両用空調装置のコンプレッサ制御装置及びエンジンの燃料噴射量制御システム

Info

Publication number: JP2006273027A
Application number: JP2005091918A
Authority: JP
Inventors: Yoshitoshi Noda; 圭俊野田
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】コンプレッサ駆動トルクを精度良く予測できるようにした車両用空調装置のコンプレッサ制御装置を提供する。
【解決手段】車室内の熱環境を検出する熱環境検出手段３３と、冷凍サイクルの物理状態を検出する冷凍サイクル状態検出手段３４と、熱環境検出手段及び冷凍サイクル状態検出手段の検出結果に基づいて車室内を所定温度に保つためのコンプレッサの駆動トルクを算出する冷房能力算出手段３５とを備え、熱環境検出手段は、エバポレータの入口側の空気の湿度を検出する入口側空気湿度センサを有し、冷房能力算出手段は、熱環境検出手段及び冷凍サイクル状態検出手段の検出結果に基づいて冷媒流量を算出し、これに基づいてコンプレッサの駆動トルクを算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両用空調装置のコンプレッサ制御装置及びエンジンの燃料噴射量制御システムに関し、より詳しくは、車両用空調装置の消費エネルギーの要求が高い車両に好適なものに関する。

従来、外部の信号により単位時間当たりの理論吐出容量を任意に変化させることができる可変容量型のコンプレッサを冷凍サイクルに用いた車両用空調装置において、冷凍サイクルの駆動力を低減させる技術としては、車室内の熱環境を検出する熱環境検出手段と、冷凍サイクルの物理状態を検出する冷凍サイクル状態検出手段との少なくとも一方の検出結果を用いて、車室内の熱環境を快適に維持するために必要最低限の冷房能力を算出し、これに基づいてコンプレッサの吐出容量を制御するようにしたものが一般的に知られている。

また、車両が通常停車を含む低車速状態のうちでアクセル開度がほぼ全閉となる減速時においては、エンジンの燃料噴射を一時的にストップさせ、あるエンジン回転数に至る際に燃料噴射を再開することが一般的なエンジン制御方法として知られているが、この時、可変容量型のコンプレッサについては、その駆動トルクを低下させることが可能であり、それによって燃料噴射量を積極的に低減させることができるメリットがある。この時、コンプレッサの駆動トルクが分かれば、空調装置負荷分の燃料噴射量をエンジン制御装置により調整することで、適切な燃料噴射量にすることができる。そこで、前記熱環境検出手段や冷凍サイクル状態検出手段からの情報に基づいてアイドリング直前のコンプレッサ駆動トルクを予測する技術も提案されている。

従来、このコンプレッサ駆動トルクを予測する技術としては、車両速度が変動するため、高圧側の冷媒圧力と外気温を検出し、その時の冷凍サイクル上のコンデンサ側の負荷により放熱量を予測し、その値によって冷媒流量を推定してコンプレッサの駆動トルクを予測するようにしていた。

しかしながら、上記従来の技術では、コンプレッサの駆動トルク予測に際して、主としてコンデンサ側からの情報に基づいて予測しており、エバポレータ側の情報が欠けているため、コンプレッサ駆動トルクを精度良く予測できているとは言い難かった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンプレッサ駆動トルクを精度良く予測できるようにした車両用空調装置のコンプレッサ制御装置、及びそれを用いたエンジンの燃料噴射量制御システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、外部の信号により単位時間当たりの理論吐出容量を任意に変化させることができる可変容量型のコンプレッサと、このコンプレッサにより圧縮された冷媒を凝縮させるコンデンサと、このコンデンサにより凝縮した冷媒を膨張させる膨張手段と、この膨張手段により膨張した冷媒を蒸発させるエバポレータとを含む冷凍サイクルを備えた車両用空調装置の前記コンプレッサを制御するためのものであって、車室内の熱環境を検出する熱環境検出手段と、前記冷凍サイクルの物理状態を検出する冷凍サイクル状態検出手段と、前記熱環境検出手段及び前記冷凍サイクル状態検出手段の検出結果に基づいて車室内を所定温度に保つための前記コンプレッサの駆動トルクを算出する冷房能力算出手段とを備え、前記熱環境検出手段は、外気温センサと、室温センサと、前記エバポレータの入口側の空気の湿度を検出する入口側空気湿度センサと、前記エバポレータの出口側の空気の温度を検出する出口側空気温度センサとを有し、前記冷凍サイクル状態検出手段は、前記コンデンサで凝縮した冷媒の圧力を検出する高圧側冷媒圧力センサを有し、前記度冷房能力算出手段は、前記熱環境検出手段及び前記冷凍サイクル状態検出手段の検出結果に基づいて冷媒流量を算出し、この冷媒流量に基づいて前記コンプレッサの駆動トルクを算出することを特徴とする車両用空調装置のコンプレッサ制御装置である。

また、第２の発明は、前記コンプレッサ制御装置と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段と、前記冷房能力算出手段及び前記走行状態検出手段からの情報に基づいてエンジンを制御するエンジン制御装置とを備え、前記走行状態検出手段により車両が停止又は発進しようとする状態が検出された場合には、前記冷房能力算出手段は、アイドリング時における前記コンプレッサの予測トルクを算出し、前記エンジン制御装置は、その予測トルクに基づいてアイドリング直前の前記エンジンの燃料噴射量を制御することを特徴とするエンジンの燃料噴射量制御システムである。

本発明によれば、エバポレータの入口側の空気の湿度に基づいて冷媒流量を算出し、この冷媒流量に基づいて必要冷房能力を算出するようにしたことで、コンプレッサ駆動トルクを精度良く予測することができ、車両のエンジンの燃料噴射量を適切に制御することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態のコンプレッサ制御装置を適用した車両用空調装置の概略構成図、図２は図１の車両用空調装置の冷凍サイクルの概略構成図、図３は本実施形態のエンジンの燃料噴射量制御システムの概略構成を示すブロック図、図４は図３の燃料噴射量制御システムによる燃料噴射量制御の手順を示すフローチャート、図５は本実施形態のコンプレッサ制御装置による必要冷房能力の算出手順を示すフローチャートである。

まず、本実施形態のコンプレッサ制御装置が適用される車両用空調装置の概略構成を説明する。

図１に示すように、この車両用空調装置では、車室内に設置されるユニットケース１の一端側に内気導入口２と外気導入口３が設けられており、これらはインテークドア４によって選択的に開閉されるようになっている。

ユニットケース１の一端側の内部にはブロワ５が設けられており、このブロワ５により車室内外の空気が内気導入口２及び外気導入口３を介してユニットケース１内に導入される。

また、ユニットケース１内には、ブロワ５が導入した空気を冷却するエバポレータ６が設けられている。

エバポレータ６の下流側にはヒータコア７が設けられており、このヒータコア７には配管部材及びバルブを介してエンジン冷却水（温水）が循環するようになっている。

ヒータコア７の前方にはミックスドア８が設けられており、エバポレータ６を通過した風をヒータコア７に通す方向又はヒータコア７の上方を通る方向に選択的に導くか、あるいは両方向に適宜の比率で分配する。

ヒータコア７の上方は、エバポレータ６を通過した冷風とヒータコア７を通過した温風とを混合するためのエアミックスチャンバ９とされている。

エアミックスチャンバ９上方のユニットケース１の上壁には前席の乗員の上半身側に向けて風を吹き出すベント吹出口１０が設けられている。このベント吹出口１０からの吹き出し風量はベントドア１１により調節されるようになっている。

１２はフロントガラスに向けて風を吹き出すデフロスタ吹出口で、その下方に設けられたデフロスタドア１３により吹き出し風量が調節されるようになっている。

ヒータコア７の下方には、後方に向けて延出したダクト１４が設けられており、その前端部側にはミックスドア１５が設けられており、エバポレータ６を通過した風をヒータコア７に通す方向又はヒータコア７の下方を通る方向に選択的に導くか、あるいは両方向に適宜の比率で分配するようになっている。

ダクト１４の後端部は後方に向けて延びる第１の通路１６と、上方に向けて延びる第２の通路１７とに分岐している。第１の通路１８の先端面には後席の乗員の足元に向けて風を吹き出すフット吹出口１８が形成され、第２の通路１７の先端面には後席の乗員の上半身側に向けて風を吹き出すベント吹出口１９が形成されている。

そして、第１の通路１６と第２の通路１７の分岐点にはこれらを選択的に開閉するベント／フットドア２０が設けられている。また、第２の通路１７の基端部の前方には第１及び第２の通路１６、１７を同時に開閉する遮蔽ドア２１が設けられている。

エアミックスチャンバ９の後部側には、隔壁２２によって、ダクト１４の両側に位置する一対のフット通路２３、２３が形成されている（一方のみ図示）。このフット通路２３は上下に延びると共に下端部が後方に屈曲しており、その後端面には後席の乗員の足元に向けて風を吹き出すフット吹出口２４が形成されている。また、フット通路２３の途中には前席の乗員の足元に向けて風を吹き出すフット吹出口２５が形成されている。なお、フット通路２３はベントドア１１により開閉される。

図２に示すように、エバポレータ６は、コンプレッサ２４、コンデンサ２５、リキッドタンク２６、及び膨張弁２７が配管部材を介してこの順に接続され、冷凍サイクルを構成している。

コンプレッサ２４は、外部の信号により単位時間当たりの理論吐出容量を任意に変化させることができる可変容量型のもので、ベルト２８を介してエンジン２９に伝動連結されており、エンジン２９の駆動トルクにより回転して冷媒を圧縮する。

コンプレッサ２４により圧縮された冷媒は、車外に配置されたコンデンサ２５で外気と熱交換して凝縮し、リキッドタンク２６で気相冷媒と液相冷媒とに分離される。そして、液相冷媒は膨張弁２７に送られて膨張し、エバポレータ６で蒸発してブロワ５（図１参照）から送られてくる風を冷却した後、再びコンプレッサ２４に戻る。

この車両用空調装置は、インストルメントパネルから入力された設定温度や空調モード（フットモード、デフロスタモード、ベントモード）等の入力情報や各種センサ（室温センサ、日射センサ等）の検出値に基づいて、ドア４、８、１１、１３、１５、２０、２１やブロワ５を制御して、車室内を空調する。

図３に示す燃料噴射量制御システムは、コンプレッサ２４を制御するコンプレッサ制御装置３０と、エンジン２９を制御するエンジン制御装置３１と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段３２とを備えている。

コンプレッサ制御装置３０は、車室内の熱環境を検出する熱環境検出手段３３と、冷凍サイクルの物理状態を検出する冷凍サイクル状態検出手段３４と、熱環境検出手段３３及び冷凍サイクル状態検出手段３４の検出結果に基づいて車室内を所定温度に保つためのコンプレッサ２４の駆動トルクを算出する冷房能力算出手段３５とを備えている。

熱環境検出手段３３は、外気温センサ３６、室温センサ３７、エバポレータ６の入口側の空気の湿度を検出する入口側空気湿度センサ３８、エバポレータ６の出口側の空気の温度を検出する出口側空気温度センサ３９等を有しており、これらの検出値とブロワ５のファンスピード、空調モード等に基づいて車室内の熱環境を検出する。

冷凍サイクル状態検出段３４は、リキッドタンク２６に設けられコンデンサ２５で凝縮した冷媒の圧力を検出する高圧側冷媒圧力センサ４０、エバポレータ６の出口側の冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ４１等を有している。

冷房能力算出手段３５は、マイクロコンピュータのＲＯＭに格納されたプログラムにより構成され、熱環境検出手段３３及び冷凍サイクル状態検出手段３４の検出結果に基づいて車室内を所定温度に保つためのコンプレッサ２４の駆動トルクを算出する。

走行状態検出手段３２は、アクセル開度センサ４２、車速センサ４３、エンジン回転数センサ４４等を有しており、これらの検出値に基づいて車両の走行状態（例えば、通常走行、停止、発進等）を検出する。

エンジン制御装置３１は、冷房能力算出手段３５及び走行状態検出手段３２からの情報に基づき、エンジンの燃料噴射量が最適になる（無駄が無くなる）ように制御信号を出力する。

本実施形態による燃料噴射量制御の手順を図４に基づいて説明する。

まず、熱環境検出手段３３により車室内の熱環境が検出される（ステップＳ１０）。

次いで、冷凍サイクル状態検出手段３４により冷凍サイクルの冷媒の物理的状態が検出される（ステップＳ２０）。

次いで、熱環境検出手段３３及び冷凍サイクル状態検出手段３４の検出結果に基づいて、冷房能力算出手段３５が、車室内を所定の快適温度に保つためのコンプレッサ２４の必要最小限の駆動トルクを算出する（ステップＳ３０）。

次いで、走行状態検出手段３２により、車両の走行状態が検出される（ステップＳ４０）。

次いで、エンジン制御装置３１は、検出された走行状態が停止又は発進しようとする状態のいずれかであるか否かを認識し（ステップＳ５０）、いずれかの状態と判定した場合には、冷房能力算出手段３５がアイドリング時に必要なコンプレッサ２４の駆動トルクを算出し（ステップＳ６０）、この駆動トルクがエンジン制御装置３１に出力され（ステップＳ７０）、エンジン制御装置３１は、これに基づいてエンジン２９における燃料噴射量を制御する。

車両が停止するか否かの判定は、例えば、アクセル開度が１／８以下、車速が２０ｋｍ／ｈ以下、エンジン回転数が１２００ｒｐｍ以下の三条件がＡＮＤとなったか否かで判定する。

また、車両が発進するか否かの判断は、例えば、アクセル開度が１／８以上、車速が２０ｋｍ／ｈ以上、エンジン回転数が１２００ｒｐｍ以上の三条件がＡＮＤとなったか否かで判定する。

なお、ステップＳ５０において、車両が停止又は発進しようとする状態のいずれでもないと判定された場合には、ステップＳ６０、Ｓ７０の処理が行われず、このフローが終了する。

また、ステップＳ５０で車両が停止又は発進しようとする状態と判定された場合で、且つステップＳ３０で算出した駆動トルクが所定値以下である場合（必要冷房能力が小さい場合）には、ステップＳ６０の前でコンプレッサ２４の容量を変化させて駆動トルクを減少させるようにするとよい。

このようにすると、エンジン２９の必要燃料噴射量を少なくすることができると共に、アイドル時のコンプレッサ２４の駆動トルクの予測精度を上げることができる。

ステップＳ１０において、熱環境検出手段３３が車室内の熱環境を検出する手順を詳細に説明する。

まず、エバポレータ６の性能（吸熱量）を予測する。エバポレータ６の吸熱量を空気側から計算した値をQevap(air)とすると、この値は下記の式で表すことができる。

Qevap(air)＝(ia1-ia2)×Ga／v
ここでia1はエバポレータ６の入口側空気エンタルピ、ia2はエバポレータ６の出口側空気エンタルピ、Gaは風量（体積流量）、vはエバポレータ６の吸入空気比容積である。

ia1及びvについては、インテークドア４が外気導入側で且つ車両走行時であれば、外気温センサ３６の検出値と入口側空気湿度センサ３８の検出値、インテークドア４が内気導入側であれば、室温センサ３７の検出値と入口側空気湿度センサ３８の検出値から求めることができる。

ia2については、エバポレータ６の出口側空気温度センサ３９の検出値と相対湿度から求めることができる。なお、相対湿度は実験により設定することができるが、９５％程度に設定しておけばよい。

Gaについても、空調モード、ブロワ５のファン速度を指示する制御信号等により、台上実験によって正確に求めることができる。したがって、Qevap(air)が求まることになる。

図５は、本実施形態でQevap(air)を算出する手順を示したフローチャートである。

まず、インテークドア４が外気導入側であるかを認識し（ステップＳ１１０）、ＹＥＳの場合には外気温センサ３６の検出値を認識する（ステップＳ１２０）。ステップＳ１１０でＮＯの場合には室温センサ３７の検出値を認識する（ステップＳ１３０）。

次いで、ブロワ５のファンスピードの指示値、空調モードを認識し（ステップＳ１４０、Ｓ１５０）、車室内への送風量を算出する（ステップＳ１６０）。

次いで、エバポレータ６の入口側空気湿度センサ３８の検出値とエバポレータ６の出口側の空気温度を認識し（ステップＳ１７０、Ｓ１８０）、Qevapを算出する（ステップＳ１９０）。

このQevap(air)に対し、冷媒側から計算したエバポレータ６の吸熱量をQevap(冷媒)とすると、この値は下記の式で表すことができる。

Qevap(冷媒)＝(Ievap1-Ievap2)×Gr
ここでIevap1はエバポレータ６の入口側の冷媒エンタルピ、Ievap2はエバポレータ６の出口側の冷媒エンタルピ、Grは冷媒流量である。

Ievap1は高圧側の膨張弁２７の前のエンタルピと同じであり、これはリキッドタンク２６に設定してある高圧側冷媒圧力センサ４０による検出値と、その時に取れるSC（サブクール）とで一義的に決まる。SCについては、最近主流であるSCコンデンサであれば車速とほぼ比例関係であり、アイドル直前の車速を定義してしまえば外気との関数になる。

Ievap2については、実際のエバポレータ６の出口側冷媒圧力を検出すれば最も的確であるが、エバポレータ効率を表す下記の式によって低圧圧力を求めることにより算出することができる。

ηevap=(ia1-ia2)／(ia1-i(Tevap))
この式でi(Tevap)はエバポレータ６の出口側の飽和冷媒温度を空気側のエンタルピとして計算したものである。したがって、ηevapの値を算出するためのマップを実験で取得しておけば（図６参照）、エバポレータ６の出口側の飽和冷媒温度が求まり、その値からエバポレータ６の出口側冷媒圧力も簡単に算出できる。

ちなみに、ηevapは実験的に求めることができるとしたが、実際にはエバポレータ６のサイズ、タイプによりほぼ一定の値を示すことが知られており、車種別に細かいマップを取得する必要は無い。

Qevap(air)＝Qevap(冷媒)であることにより、冷媒流量Grが逆算できる。こうして求めたGrにて、コンプレッサ吸入圧力Psは、エバポレータ６以降のコンプレッサ２４までの配管による圧力損失ΔP(low)を考慮すれば、Ps=Pe-ΔP(low)によって算出でき、ΔP(low)はΔP(low)=k×Gr^mで求まり（図７参照）、各係数は各車両毎の配管レイアウトにて台上実験で求まる。

同様に、リキッドタンク２６に設定してある高圧側冷媒圧力センサ４０の検出値はコンデンサ２５の出口側冷媒圧力であるため、この値にコンデンサ２５の圧力損失ΔP(cond)を足せばPdが求まる。ここでΔP(cond)はΔP(cond)=K×Gr^nで求まる。

以上のように、コンプレッサ２４の理論動力をあらわす次の式のうち、Pd、Psが求まったことになる。

P=k／(k-1)×PsV×{(Pd／Ps)^(k-1／k)-1}
なお、kは断熱係数である。

この式で求めていないVはコンプレッサ２４の吸入容積であるが、実際の吸入容積は理論式通りにゆかず、Ps∝kGrの関係より換算した方が実際と良く合うことが判明している。

以上により、コンプレッサ２４の駆動トルクを精度良く予測することができるため、エンジン制御装置３１により、アイドル時の燃料噴射量を適切に制御することが可能となる。

図８は、本発明によるエンジンの燃料噴射量制御の効果の説明図である。なお、破線は従来技術の場合を示している。

本発明による制御を行った場合、アイドリングになる前にコンプレッサのトルクを予測でき、コンプレッサの容量を変化させて吐出容量を下げることが可能となるため、高圧側の冷媒圧力Pdの上昇が少なくなり、コンデンサに風を吹き付ける電動ファンの電圧を低くした状態でアイドリング状態にすることができるので、省動力化を図ることができる。

同様に、発進時においても、事前にコンプレッサの吐出容量を変化させることにより、Pdの急激な上昇が無くなり、電動ファンの電圧を早めに落とすことができるので、省動力化を図ることができる。

以上、具体例を挙げて本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に種々の改変を施すことができる。

実施形態のコンプレッサ制御装置を適用した車両用空調装置の概略構成図である。図１の車両用空調装置の冷凍サイクルの概略構成図である。実施形態のエンジンの燃料噴射量制御システムの概略構成を示すブロック図である。図３の燃料噴射量制御システムによる燃料噴射量制御の手順を示すフローチャートである。実施形態のコンプレッサ制御装置による必要冷房能力の算出手順を示すフローチャートである。 Qevapとηevapの関係を示すグラフである。 GrとΔPの関係を示すグラフである。本発明によるエンジンの燃料噴射量制御の効果の説明図である。

符号の説明

６エバポレータ
２４コンプレッサ
２５コンデンサ
２７膨張弁（膨張手段）
２９エンジン
３０コンプレッサ制御装置
３１エンジン制御装置
３２走行状態検出手段
３３熱環境検出手段
３４冷凍サイクル状態検出手段
３５冷房能力算出手段
３６外気温センサ
３７室温センサ
３８入口側空気湿度センサ
３９出口側空気温度センサ
４０高圧側冷媒圧力センサ

Claims

外部の信号により単位時間当たりの理論吐出容量を任意に変化させることができる可変容量型のコンプレッサと、このコンプレッサにより圧縮された冷媒を凝縮させるコンデンサと、このコンデンサにより凝縮した冷媒を膨張させる膨張手段と、この膨張手段により膨張した冷媒を蒸発させるエバポレータとを含む冷凍サイクルを備えた車両用空調装置の前記コンプレッサを制御するためのものであって、
車室内の熱環境を検出する熱環境検出手段と、前記冷凍サイクルの物理状態を検出する冷凍サイクル状態検出手段と、前記熱環境検出手段及び前記冷凍サイクル状態検出手段の検出結果に基づいて車室内を所定温度に保つための前記コンプレッサの駆動トルクを算出する冷房能力算出手段とを備え、
前記熱環境検出手段は、外気温センサと、室温センサと、前記エバポレータの入口側の空気の湿度を検出する入口側空気湿度センサと、前記エバポレータの出口側の空気の温度を検出する出口側空気温度センサとを有し、
前記冷凍サイクル状態検出手段は、前記コンデンサで凝縮した冷媒の圧力を検出する高圧側冷媒圧力センサを有し、
前記度冷房能力算出手段は、前記熱環境検出手段及び前記冷凍サイクル状態検出手段の検出結果に基づいて冷媒流量を算出し、この冷媒流量に基づいて前記コンプレッサの駆動トルクを算出することを特徴とする車両用空調装置のコンプレッサ制御装置。
請求項１記載のコンプレッサ制御装置と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段と、前記冷房能力算出手段及び前記走行状態検出手段からの情報に基づいてエンジンを制御するエンジン制御装置とを備え、前記走行状態検出手段により車両が停止又は発進しようとする状態が検出された場合には、前記冷房能力算出手段は、アイドリング時における前記コンプレッサの予測トルクを算出し、前記エンジン制御装置は、その予測トルクに基づいてアイドリング直前の前記エンジンの燃料噴射量を制御することを特徴とするエンジンの燃料噴射量制御システム。
前記走行状態検出手段により車両が停止又は発進しようとする状態が検出された場合で且つ前記冷房能力算出手段が算出した駆動トルクが所定値以下の場合には、アイドリング直前に前記コンプレッサの吐出容量を変化させて前記コンプレッサの駆動トルクを低下させることを特徴とする請求項２記載のエンジンの燃料噴射量制御システム。