JP2016109373A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒圧縮用コンプレッサの内部に液冷媒が存在しているかどうかを的確に判断する。【解決手段】内燃機関及び車室内空調用のエアコンディショナが搭載された車両の制御装置であって、内燃機関の停止後、内燃機関を始動する前のエアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサの温度が所定値以下に低下し、かつ車室内の温度と冷媒圧縮用コンプレッサの温度との差が所定値以上である場合に、コンプレッサ内に液圧縮を起こすような液体の冷媒が存在する可能性があると判断する制御装置を構成した。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関及び車室内空調用のエアコンディショナが搭載された車両の制御装置に関する。

車両の室内の温度調節のために働くエアコンディショナは、内燃機関から駆動力の伝達を受けて回転するコンプレッサにより気体の冷媒を圧縮し、その圧縮した冷媒をコンデンサにおいて放熱させ液体化した後、エバポレータに導いて気化させ、室内の空気と熱交換するものである。内燃機関と冷媒圧縮用のコンプレッサとの間には、両者を断接するマグネットクラッチが介在している。内燃機関及び補機の運転制御を司る電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、エアコンディショナの作動時に当該クラッチを締結してコンプレッサを稼働させる。そして、エアコンディショナの非作動時には当該クラッチを開放し、コンプレッサの稼働を停止させる。

冷媒圧縮用コンプレッサ（特に、スクロール式コンプレッサ）の内部には、内燃機関の停止中、換言すれば駐車中に液相となった冷媒が溜まることがある。内燃機関の始動後、コンプレッサ内に液冷媒が残存している状態でエアコンディショナを作動させると、クラッチを締結した瞬間にコンプレッサが液体を圧縮することとなり、内燃機関に過大な機械的負荷がかかる。その結果として、エンジン回転数の急落を招く懸念がある。

このような液圧縮現象は、昼夜の寒暖差の大きい晩秋ないし早春の季節に生起しやすい。車載のエアコンディショナの冷媒として広く用いられている代替フロンＨＦＣ（Ｒ１３４ａ）は、大気圧下で約−３０℃の沸点をもち、１５ｋｇ／ｃｍ²の圧力下で約６０℃の沸点をもつ。このことから、加圧されていない冷媒は通常、気相をとる。だが、低気温の夜間に屋外に駐車している車両においては、エンジンルーム内即ち車室外に所在するコンプレッサやコンデンサが外気により冷やされ、それらコンプレッサ及びコンデンサの中で冷媒が液体化する。そして、気相の冷媒が液相に変化することで、コンプレッサ内の圧力が低下し、コンプレッサへのさらなる冷媒の流入を招いて、コンプレッサの内部に溜まる液冷媒の量が増加する。

液圧縮によるエンジン回転の不安定化を防止する方法としては、例えば下記特許文献に開示されているように、コンプレッサの起動の際にクラッチを締結してから一定時間コンプレッサの吐出容量を最小量に抑制するとともに、クラッチを開放してコンプレッサを停止させる際にもコンプレッサの吐出容量を最小量に操作することが考えられる（例えば、下記特許文献を参照）。

しかしながら、コンプレッサの吐出容量を抑制することは、エアコンディショナの性能の立ち上がりを遅らせることに等しい。クラッチの締結時に常にコンプレッサの吐出容量を減少させる制御を実施すると、コンプレッサ内に液冷媒が殆どまたは全く存在せず液圧縮現象が生起しない状況下において、不必要にエアコンディショナの効用を減殺することになってしまう。

特開平１０−０４４７５９号公報

本発明は、冷媒圧縮用のコンプレッサの内部に液圧縮を起こすような液冷媒が存在しているかどうかを的確に判断することを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関及び車室内空調用のエアコンディショナが搭載された車両の制御装置であって、内燃機関の停止後、内燃機関を始動する前のエアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサの温度が所定値以下に低下し、かつ車室内の温度と冷媒圧縮用コンプレッサの温度との差が所定値以上である場合に、コンプレッサ内に液圧縮を起こすような液体の冷媒が存在する可能性があると判断する制御装置を構成した。

本発明によれば、冷媒圧縮用コンプレッサの内部に液圧縮を起こすような液冷媒が存在しているかどうかを的確に判断することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態における車両用エアコンディショナの構成を示す図。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。ＥＧＲ装置２は、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

図２に、搭乗者の居住空間である車室内の空調を行うエアコンディショナ５の構成を示す。エアコンディショナ５は、冷媒を圧縮し高圧化するコンプレッサ５１と、圧縮された高圧冷媒を放熱させて液化させるコンデンサ５２と、コンデンサ５２を強制的に空冷するためのコンデンサファン５３と、液化しなかった気体の冷媒を液化した冷媒から分離するレシーバ５４と、液化した冷媒を噴出させるエキスパンションバルブ５５と、噴出して気化した冷媒を受け入れ室内の空気と熱交換させるエバポレータ５６と、高温化した内燃機関の冷却水を受け入れ室内の空気と熱交換させるヒータコア５９と、室内の空気を吸引しエバポレータ５６に向けて吐出してその空気を再び室内に送り込むブロワファン５７と、ブロワファン５７から吐出されエバポレータ５６を通り抜けた空気をどの程度ヒータコア５９に吹き当てるかを調節するエアミックスダンパ５０とを要素に含む。コンプレッサ５１、コンデンサ５２、レシーバ５４、エキスパンションバルブ５５及びエバポレータ５６は、ループする冷媒流路により接続してある。

コンプレッサ５１は、内燃機関に付随する補機の一種であり、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトから回転駆動力の伝達を受けて回転駆動され、冷媒を圧縮する。本実施形態では、コンプレッサ５１として、スクロール式コンプレッサを想定している。内燃機関のクランクシャフトとコンプレッサ５１との間には、両者の接続を断接切換可能なマグネットクラッチ６が介在する。

コンデンサ５２は、車両のエンジンルームにおける走行風が当たる部位に配置しており、コンデンサファン５３を回転させているか否かにかかわらず、車両の走行中にエンジンルームに吹き込む走行風により冷却される。コンデンサ５２の背後には、内燃機関の冷却水を放熱させるラジエータ７が控えている。ラジエータ７もまた、走行風により冷却される。

コンデンサファン５３は、内燃機関の冷却水を放熱させるラジエータ７を強制的に空冷するためのラジエータファンをも兼ねている。コンデンサファン兼ラジエータファン５３は、ラジエータ７の背後に位置し、前方から空気を吸引して後方に吐出することで、コンデンサ５２及びラジエータ７をともに冷却する。

ブロワファン５７から吐出された空気は、エバポレータ５６を通過する際に、冷媒から冷熱を得（冷媒に熱を奪われ）て低温化する。同時に、当該空気に含まれていた水蒸気が凝縮してエバポレータ５６に付着し、湿度が低下する。エバポレータ５６は、夏期に室内の温度を低下させる冷房のためだけでなく、冬季に室内の湿度を低下させて車両の窓ガラスの曇りを低減する役割をも担う。

エアミックスダンパ５０は、エバポレータ５６を通過した空気のうち、ヒータコア５９を通過して室内に向かう空気の量と、ヒータコア５９を迂回して室内に向かう空気の量との割合を調節する。このエアミックスダンパ５０により、室内に吹き出す風の温度を調整することが可能である。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるエンジン回転信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される水温信号ｅ、外気温を検出する外気温センサから出力される外気温信号ｆ、エアコンディショナ５のコンデンサ５２から流下する冷媒の圧力を検出する冷媒圧センサから出力される冷媒圧信号ｇ、エバポレータ５６若しくはその近傍またはその下流の温度を検出する温度センサから出力されるエバポレータ温信号ｈ、車室内の温度を検出する室内温センサから出力される室内温信号ｔ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、マグネットクラッチ６に通電する電気回路上のスイッチに対してクラッチ締結信号ｏ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｔを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、エアコンディショナ５のコンプレッサ５１の稼働のＯＮ／ＯＦＦ等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｏを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）。図示せず）に制御信号ｒを入力し、当該電動機により内燃機関のクランクシャフトを回転駆動するクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

本実施形態のＥＣＵ０は、エアコンディショナ５を作動させるべき旨の指令が搭乗者によって与えられ、コンプレッサ５１を稼働させて冷媒の圧縮を実行するべき状況において、マグネットクラッチ６を締結し、内燃機関のクランクシャフトとコンプレッサ５１とを接続する。コンプレッサ５１を稼働させるべき状況とは、例えば、エバポレータ温信号ｈを参照して知得されるエバポレータ温度が所定の稼働条件温度よりも高いときである。エアコンディショナ５を作動させるべき旨の指令は、例えば、搭乗者がコックピット内に設けられたエアコンスイッチを手指でＯＮに操作することを通じて行われる。

翻って、コンプレッサ５１を停止するべき状況では、マグネットクラッチ６の締結を解除して、内燃機関のクランクシャフトとコンプレッサ５１とを切り離す。コンプレッサ５１を停止するべき状況とは、例えば、エバポレータ温度が所定の停止条件温度よりも高いときである。停止条件温度の値は、上記の稼働条件温度の値よりもやや（例えば、１℃ないし２℃程度）低い。

内燃機関の運転を停止して車両を駐車している間、冷媒圧縮用コンプレッサ５１の内部に、液化した冷媒が溜まることがある。内燃機関の始動後、コンプレッサ５１内に液冷媒が残存しているときにエアコンディショナ５を作動させると、クラッチ６を締結した瞬間にコンプレッサ５１が液体を圧縮する液圧縮状態に陥り、内燃機関に過大な機械的負荷がかかる。結果、エンジン回転数が急落して、車体にショックを発生させたり、アイドル運転中のアイドル回転を不安定にさせたりする。さらには、エンジンストールに至るおそれも完全には否定できない。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、停止している内燃機関を始動するにあたり、コンプレッサ５１内に液冷媒が存在するかどうかを判断する。そして、コンプレッサ５１内に液冷媒が存在する可能性があると判断した暁には、内燃機関の始動のためのクランキング中に、コンプレッサ５１内に溜まった液冷媒をコンプレッサ５１外に排出させるための制御を実施し、以て液圧縮現象の発生を抑止する。

図３に、ＥＣＵ０がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、内燃機関を始動する際に、冷媒圧縮用コンプレッサ５１の温度が所定値以下に低下しているか否か（ステップＳ２）、並びに、車室内の温度とコンプレッサ５１の温度との差が所定値以上であるか否か（ステップＳ３）をそれぞれ判定する。コンプレッサ５１の温度は、そのときの外気温または内燃機関の冷却水温に基づいて推定する。コンプレッサ５１は車両のエンジンルーム内に所在しており、外気温や冷却水温が低いほどコンプレッサ５１の温度も低いと考えられる。あるいは、外気温または冷却水温をそのままコンプレッサ５１の温度と擬製しても構わない。

そして、コンプレッサ５１の温度が所定値以下であり、なおかつ車室内の温度とコンプレッサ５１の温度との差が所定値以上に拡大している場合に、コンプレッサ５１の内部に液圧縮を起こすような量の液冷媒が存在する可能性があると判断する。

コンプレッサ５１の内部に液冷媒が溜まりやすい晩秋や早春等の時期、内燃機関を停止すると、エンジンルーム内及びコンプレッサ５１の温度は速やかに低下する。このため、コンプレッサ５１内部の冷媒が気相から液相へと変化し、コンプレッサ５１内の圧力が低下する。一方、車室内及び車室に付随するエバポレータ５６等の温度の低下は、コンプレッサ５１の温度低下と比較して遅い。従って、エバポレータ５６側から気相の冷媒がコンプレッサ５１に流入し、その冷媒がコンプレッサ５１内で液相に変わり、さらなる冷媒がコンプレッサ５１に流入するという悪循環を招く。結果、コンプレッサ５１内に液圧縮を起こすほどに液冷媒が溜まることとなる。

これに対し、気候の温暖な時期には、内燃機関を停止したとしても、コンプレッサ５１の温度が冷媒を液化させるほどには低下しない。また、気温が極めて低い冬期には、内燃機関の停止に伴い、エンジンルーム内のみならず車室内も急速に温度が低下することから、エアコンディショナ５の冷媒系におけるエバポレータ５６その他各所で液冷媒が発生し、コンプレッサ５１に液冷媒が集中することがない。故に、冬期はコンプレッサ５１で液圧縮を起こすリスクが却って低下する。

上述のステップＳ２は、内燃機関の停止中にコンプレッサ５１内で冷媒が気相から液相に変化したかどうかを判断するものである。並びに、ステップＳ３は、エアコンディショナ５の冷媒系の各所で液冷媒が発生する冬期を排除するものである。

しかして、ＥＣＵ０は、コンプレッサ５１内に液圧縮を起こすような量の液冷媒が存在する可能性があると判断したとき、つまりは液圧縮のリスクがあるときに、内燃機関の始動のためのクランキング（ステップＳ１）とともにマグネットクラッチ６を締結し（ステップＳ４）、燃料を燃焼させる内燃機関及び当該内燃機関のクランクシャフトを強制駆動する電動機の出力を利用してコンプレッサ５１を回転させる。

ステップＳ４により、内燃機関のクランキング中に、コンプレッサ５１内の液冷媒が排除されることとなる。クランキング中のコンプレッサ５１の稼働は、所定の制御終了条件が成立した（ステップＳ５）ときに終了する（ステップＳ６）。即ち、制御終了条件の成立に伴い、締結していたマグネットクラッチ６を開放する。

ステップＳ５の制御終了条件の具体例としては、クランキング中のエンジン回転数が完爆判定値（１０００ｒｐｍ程度）よりは低位の所定閾値（例えば、３５０ｒｐｍ）まで上昇したこと、マグネットクラッチ６を締結してから所定時間が経過したこと、または、マグネットクラッチ６を締結してからコンプレッサ５１が所定回数若しくは所定角度回転したこと、等が挙げられる。制御終了条件が成立した時点で、コンプレッサ５１内に残留する液冷媒は概ねまたは完全に排出されたと推測される。

因みに、上記のエンジン回転数の閾値（３５０ｒｐｍ）は、燃料の燃焼を伴わずに電動機のみで内燃機関のクランクシャフトを回転させる場合の回転数（例えば、３００ｒｐｍ）よりも若干高い値であることが好ましい。さすれば、内燃機関の始動時の初爆直後にクラッチ６が切断されてコンプレッサ５１が内燃機関のクランクシャフトから切り離されるようになり、初爆後のエンジン回転数の立ち上がりを遅延させることがない。

なお、内燃機関の始動に際して、コンプレッサ５１内に液圧縮現象を惹起するような液冷媒が存在しないと判断したならば、ステップＳ４ないしＳ６を実施しない、即ちクランキング中にマグネットクラッチ６を締結しない。既に述べた通り、内燃機関のクランキングは、エンジン回転数が完爆判定値に到達した（ステップＳ７）ときに終了する（ステップＳ８）。

本実施形態では、内燃機関及び車室内空調用のエアコンディショナ５が搭載された車両の制御装置０であって、内燃機関の停止後、内燃機関を始動する前のエアコンディショナ５の冷媒圧縮用コンプレッサ５１の温度が所定値以下に低下し、かつ車室内の温度と冷媒圧縮用コンプレッサ５１の温度との差が所定値以上である場合に、コンプレッサ５１内に液圧縮を起こすような液体の冷媒が存在する可能性があると判断し、コンプレッサ５１内に溜まった液冷媒をコンプレッサ５１外に排出させるための制御を実施する制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関の始動時にコンプレッサ５１の内部に液圧縮を起こすような液冷媒が存在しているかどうかを的確に判断することができる。そして、コンプレッサ５１内に液冷媒が溜まっており液圧縮現象を惹起するリスクがあると思しき場合に限って、液冷媒をコンプレッサ５１外に排出させるための制御を実施することが可能となる。従って、コンプレッサ５１内に液冷媒が殆どまたは全く存在せず液圧縮現象が生起しない状況下において、不必要にクラッチ６を締結して電力の浪費及び内燃機関の加速の遅延を招くことが避けられる。

また、制御終了条件が成立したならば速やかにクラッチ６を切断してコンプレッサ５１の運転を停止するので、内燃機関の始動を徒に遅らせることはなく、始動性及び静粛性を高く維持できる。既にコンプレッサ５１内に液冷媒が残っていないにもかかわらず不必要に当該制御を続行するようなことはなく、クランキング用電動機において消費される電力量を必要最小限に抑制でき、また電動機の損耗を軽減してその寿命の延命を図ることができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、コンプレッサ５１内に液圧縮を起こすような液体の冷媒が存在する可能性があると判断した場合において、液圧縮現象に起因したエンジン回転の不安定化を回避するべく、コンプレッサ５１の起動時にクラッチ６を締結してから一定時間コンプレッサ５１の吐出容量を最小量に抑制するようにしても構わない。

その他、各部の具体的構成や具体的な処理の手順は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両に搭載されている内燃機関及びエアコンディショナの制御に適用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
５…エアコンディショナ
５１…冷媒圧縮用コンプレッサ
６…クラッチ
ｅ…冷却水温信号
ｆ…外気温信号
ｔ…車室内温信号
ｏ…クラッチ締結信号
ｒ…クランキング用電動機の制御信号

Claims (1)

1. 内燃機関及び車室内空調用のエアコンディショナが搭載された車両の制御装置であって、
   内燃機関の停止後、内燃機関を始動する前のエアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサの温度が所定値以下に低下し、かつ車室内の温度と冷媒圧縮用コンプレッサの温度との差が所定値以上である場合に、コンプレッサ内に液圧縮を起こすような液体の冷媒が存在する可能性があると判断する制御装置。

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