JP2016191321A - 車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車室内空調用のエアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサの稼働に起因した燃費性能の低下を軽減する。【解決手段】内燃機関から駆動力の供給を受けてエアコンディショナ用の冷媒を圧縮するコンプレッサを現在稼働させておらず、これを稼働させるべき状況下において、内燃機関の出力を現在の出力よりも増大させることで内燃機関の燃料消費率が良化する場合には、内燃機関とコンプレッサとの間に介在するクラッチを締結してコンプレッサを稼働させる一方、内燃機関の出力を現在の出力よりも増大させることで内燃機関の燃料消費率が悪化する場合には、クラッチを締結せずコンプレッサを稼働させない状態で待機する制御装置を構成した。【選択図】図４

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。

特開２０１３−１７７９４７号公報

エアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサを稼働させる際には、内燃機関の気筒に充填する吸気量及び燃料噴射量を増量して内燃機関の出力を補うことが通例である。このため、車両の実用燃費が悪化することが避けられない。

本発明は、コンプレッサの稼働に起因する燃費性能の低下を軽減することを所期の目的としている。

上述の課題を解決するべく、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、内燃機関から駆動力の供給を受けてエアコンディショナ用の冷媒を圧縮するコンプレッサを現在稼働させておらず、これを稼働させるべき状況下において、内燃機関の出力を現在の出力よりも増大させることで内燃機関の燃料消費率が良化する場合には、内燃機関とコンプレッサとの間に介在するクラッチを締結してコンプレッサを稼働させる一方、内燃機関の出力を現在の出力よりも増大させることで内燃機関の燃料消費率が悪化する場合には、クラッチを締結せずコンプレッサを稼働させない状態で待機する制御装置を構成した。

本発明によれば、エアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサの稼働に起因した燃費性能の低下を軽減することができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の構成を示す図。 同実施形態における車両の駆動系の構成を示す図。 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。 内燃機関の燃料消費率とエンジン回転数、エンジントルク及びエンジン出力との関係を示す図。

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１００の概要を示す。本実施形態における内燃機関１００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、車両が備える駆動系の例を示す。この駆動系は、トルクコンバータ７及び自動変速機８、９を備えてなる。特に、本実施形態では、自動変速機８、９の構成要素として、遊星歯車機構を利用した前後進切換装置８、及び無段変速機の一種であるベルト式ＣＶＴ９を採用している。

内燃機関１００が出力する回転トルクは、内燃機関１００の出力軸であるクランクシャフトからトルクコンバータ７の入力側のポンプインペラ７１に入力され、出力側のタービンランナ７２に伝達される。タービンランナ７２の回転は、前後進切換装置８を介してＣＶＴ９の駆動軸９４に伝わり、ＣＶＴ９における変速を経て従動軸９５を回転させる。従動軸９５の回転は、出力ギア１０１に伝達される。出力ギア１０１は、デファレンシャル装置のリングギア１０２と噛合し、デファレンシャル装置を介して車軸１０３ひいては駆動輪を回転させる。

トルクコンバータ７は、ロックアップ機構を備える。ロックアップ機構は、この分野では既知のもので、トルクコンバータ７の入力側と出力側とを相対回動不能に締結するロックアップクラッチ７３と、ロックアップクラッチ７３を断接切換駆動するための作動液圧（油圧）を制御するロックアップソレノイドバルブとを要素とする。ロックアップソレノイドバルブは、制御信号ｏを受けてその開度を変化させる流量制御弁である。

ＣＶＴ９を搭載した車両においては、車速が所定値（例えば、１０ｋｍ／ｈ）以上である場合、ほぼ常時トルクコンバータ７をロックアップする。車速が所定値以下となれば、トルクコンバータ７のロックアップを解除する。

前後進切換装置８は、そのサンギア８１がタービンランナ７２と連絡し、リングギア８２が駆動軸９４と連絡している。プラネタリギア８３１を支持するプラネタリキャリア８３と変速機ケースとの間には、断接切換可能な液圧クラッチたるフォワードブレーキ８４を介設している。また、プラネタリキャリア８３とサンギア８１（または、トルクコンバータ７の出力側）との間にも、断接切換可能な液圧クラッチたるリバースクラッチ８５を介設している。

走行レンジのうちのＤレンジでは、フォワードブレーキ８４を締結し、リバースクラッチ８５を切断する。これにより、トルクコンバータ７の出力軸の回転が逆転されかつ減速されて駆動軸９４に伝達され、前進走行となる。翻って、Ｒレンジでは、リバースクラッチ８５を締結し、フォワードブレーキ８４を切断する。これにより、サンギア８１とプラネタリキャリア８３とが一体的に回転し、トルクコンバータ７の出力軸と駆動軸９４とが直結して後進走行となる。フォワードブレーキ８４またはリバースクラッチ８５を断接切換駆動するための作動液圧を制御するソレノイドバルブは、制御信号ｐを受けてその開度を変化させる流量制御弁である。

非走行レンジであるＮレンジ、Ｐレンジでは、フォワードブレーキ８４及びリバースクラッチ８５をともに切断する。

ＣＶＴ９は、駆動プーリ９１及び従動プーリ９２と、両プーリ９１、９２に巻き掛けられたベルト９３とを要素とする。駆動プーリ９１は、駆動軸９４に固定した固定シーブ９１１と、駆動軸９１上にローラスプラインを介して軸方向に変位可能に支持させた可動シーブ９１２と、可動シーブ９１２の後背に配設された液圧サーボ９１３とを有しており、液圧サーボ９１３を操作し可動シーブ９１２を変位させることを通じて変速比を無段階に変更できる。並びに、従動プーリ９２は、従動軸９５に固設した固定シーブ９２１と、従動軸９５上にローラスプラインを介して軸方向に変位可能に支持させた可動シーブ９２２と、可動シーブ９２２の後背に配設された液圧サーボ９２３とを有しており、液圧サーボ９２３を操作し可動シーブ９２２を変位させることを通じてトルク伝達に必要なベルト推力を与える。

図３に、車両の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１００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１００に付随する補機の一種であり、内燃機関１００のクランクシャフトから回転トルク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１００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１００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１００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。

本実施形態の車両の制御装置たる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クランク角信号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、内燃機関１００に対する要求出力、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吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、内燃機関１００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冷却水温信号ｅ、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ｆ、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ｇ、エアコンディショナ５を作動させるべきか否かに関する作動要求信号ｈ等が入力される。作動要求信号ｈは、エアコンディショナ５を作動させることを望む運転者または搭乗者が手動操作する、エアコンディショナ５用の操作スイッチまたはコントロールパネルから発される手動制御信号であったり、オートエアコンシステムを司るオートエアコンＥＣＵ等から発される自動制御信号であったりする。

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に対して開度制御信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度制御信号ｌ、ロックアップクラッチ７３の断接切換用のロックアップソレノイドバルブに対して開度制御信号ｏ、フォワードブレーキ８４またはリバースクラッチ８５の断接切換用のソレノイドバルブに対して開度制御信号ｐ、ＣＶＴ９に対して変速比制御信号ｑ、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（半導体スイッチング素子またはリレー）に対してクラッチ締結信号ｒ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１００の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関１００の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ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（新気）量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、トルクコンバータ７のロックアップを行うか否か、ＣＶＴ９の変速比、エアコンディショナ５のコンプレッサ５１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、ｐ、ｑ、ｒを出力インタフェースを介して印加する。

図４に、内燃機関１００の燃料消費率（内燃機関１００が単位量の機械エネルギを出力するために消費する燃料の量）と、エンジン回転数、エンジントルク及びエンジン出力との関係を例示する。図４中、細い破線は、エンジン出力が一定となる等出力線を表している。エンジン回転数を横軸にとり、エンジントルクを縦軸にとると、エンジン回転数とエンジントルクとの積であるエンジン出力が一定となる等出力線は双曲線の形で描かれる。細い鎖線は、内燃機関１００の燃料消費率が一定となるエンジン回転数及びエンジントルクの組である等燃料消費率線（燃料消費率の等高線）を表している。これら等出力線と等燃料消費率線とを組み合わせることで、ある要求出力を達成するときに最も燃料消費率がよくなる（小さくなる）エンジン回転数及びエンジントルクの組を、様々な出力についてプロットすることができる。それが、太い実線及び破線で表した最適燃費線である。

ＥＣＵ０は、運転者の指令に基づく要求出力（要求負荷）の増減に応じ、最適燃費線に沿って内燃機関１００の出力を制御し、またＣＶＴ９の変速比を操作する。即ち、ＥＣＵ０は、現在のアクセル開度及び車速、車両に搭載されている各種補機（内燃機関１００から駆動トルクの供給を受けて稼働する冷媒圧縮用コンプレッサ５１や発電機、冷却水ポンプ、潤滑油ポンプ等）による負荷、内燃機関１００及び駆動系のフリクションロス等に応じて、内燃機関１００に要求されるエンジン出力及びエンジントルクを推算する。要求エンジントルクは、アクセル開度が大きいほど、車速が低いほど、各種補機の負荷が高いほど、また冷却水温やトランスミッションフルードの温度が低いほど高くなる傾向にある。そして、推算した要求エンジントルクを達成できるよう、気筒１に充填される吸気（新気）量及び燃料噴射量を制御する。吸気量は、スロットルバルブ３２及びＥＧＲバルブ２３の各々の開度、さらには吸気バルブの開閉タイミングの操作を通じて制御できる。燃料噴射量は、インジェクタ１１の開弁時間及び開弁回数の操作を通じて制御できる。

並びに、ＥＣＵ０は、ＣＶＴ９の変速比を、そのときの要求エンジントルクに対応した最適燃費線上の値に操作する。結果として、エンジン出力及びＣＶＴ９の変速比が、図４に太い実線及び破線で表している最適燃費線に沿って変動する。

また、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運転者または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１００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ｆ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。

翻って、コンプレッサ５１の稼働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１００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の稼働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。

しかしながら、本実施形態のＥＣＵ０は、コンプレッサ５１を稼働させるべき状況であっても、常にマグネットクラッチ６を締結してコンプレッサ５１を稼働させるとは限らない。

コンプレッサ５１を稼働させると、内燃機関１００に対する機械的な負荷が増大することから、エンジントルクひいてはエンジン出力を増強する必要がある。既に述べたように、エンジン出力は、図４に例示した最適燃費線に沿うように制御する。現在のエンジン出力が、図４に示す最適燃費線における太い破線で描画した領域上にあるならば、さらにエンジン出力を増強することで内燃機関１００の燃料消費率が悪化する。このときにコンプレッサ５１を稼働させることは、燃料を不効率に消費することとなり、車両の実用燃費の悪化を招来する。

対して、現在のエンジン出力が、図４に示す最適燃費線における太い実線で描画した領域上にあるならば、さらにエンジン出力を増強することで内燃機関１００の燃料消費率が良化する。このときにコンプレッサ５１を稼働させることは、燃料をより効率的に消費することにつながり、車両の実用燃費の悪化を抑えられる。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、冷媒圧縮用のコンプレッサ５１を稼働させるべき状況下において、現在のエンジン出力が図４に示す最適燃費線における太い実線で描画した領域上にある場合には、マグネットクラッチ６を締結してコンプレッサ５１を稼働させる一方、現在のエンジン出力が図４に示す最適燃費線における太い破線で描画した領域上にある場合には、マグネットクラッチ６を締結せずにコンプレッサ５１を稼働させない状態で待機する。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数及びサージタンク３３内吸気圧（または、アクセル開度、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）と、コンプレッサ５１を稼働させるべきか否かを示す情報（現在のエンジントルクまたはエンジン出力の大きさであることがある）とを関連づけたマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数及び吸気圧（または、アクセル開度、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）をキーとして当該マップを検索し、コンプレッサ５１を稼働させるべきか否かを判断した上、マグネットクラッチ６を締結／開放する。

但し、コンプレッサ５１を稼働させるべき状況下において、マグネットクラッチ６を締結せずコンプレッサ５１を稼働させない状態で待機している時間の長さが閾値を超えたときには、たとえ現在のエンジン出力が図４に示す最適燃費線における太い破線で描画した領域上にあったとしても、マグネットクラッチ６を締結してコンプレッサ５１を稼働させ、車両の運転者または搭乗者に徒に不快感を与えないようにする。この閾値は、現在の車室内の温度や湿度、エアコンディショナ５に指令されている設定温度（目標車室内温度）等に応じて増減させても構わない。例えば、夏季において車室内温度や湿度が高いほど閾値を低く（待機時間を短く）し、及び／または、設定温度が低いほど閾値を低くする。

加えて、コンプレッサ５１を稼働させるべき状況下において、エンジン回転数は比較的低いがアクセル開度が全開または全開に近い所定開度以上となっている高要求出力時にも、マグネットクラッチ６を締結せずコンプレッサ５１を稼働させないことが好ましい。

本実施形態では、内燃機関１００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１００から駆動力の供給を受けてエアコンディショナ５用の冷媒を圧縮するコンプレッサ５１を現在稼働させておらず、これを稼働させるべき状況下において、内燃機関１００の出力を現在の出力よりも増大させることで内燃機関１００の燃料消費率が良化する場合には、内燃機関１００とコンプレッサ５１との間に介在するクラッチ６を締結してコンプレッサ５１を稼働させる一方、内燃機関１００の出力を現在の出力よりも増大させることで内燃機関１００の燃料消費率が悪化する場合には、クラッチ６を締結せずコンプレッサ５１を稼働させない状態で待機する制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、常時稼働させる必要のない冷媒圧縮用コンプレッサ５１について、内燃機関１００の燃料消費率の面で有利な時期にこれを稼働させ、燃料消費率の面で不利な時期にはこれを稼働させないことができる。結果、燃料消費がより効率化し、車両の実用燃費の改善に寄与し得る。また、追加のハードウェアを必要としないため、低コストで実現できる。

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、車両に実装される自動変速機の具体的態様は任意であり、ベルト式ＣＶＴ９には限定されない。

その他各部の具体的構成は、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、車両に搭載された内燃機関及びエアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサの制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１００…内燃機関
５…エアコンディショナ
５１…コンプレッサ
６…クラッチ（マグネットクラッチ）

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、
   内燃機関から駆動力の供給を受けてエアコンディショナ用の冷媒を圧縮するコンプレッサを現在稼働させておらず、これを稼働させるべき状況下において、
   内燃機関の出力を現在の出力よりも増大させることで内燃機関の燃料消費率が良化する場合には、内燃機関とコンプレッサとの間に介在するクラッチを締結してコンプレッサを稼働させる一方、
   内燃機関の出力を現在の出力よりも増大させることで内燃機関の燃料消費率が悪化する場合には、クラッチを締結せずコンプレッサを稼働させない状態で待機する制御装置。

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