JP2018048777A - ヒートポンプの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒートポンプ用多気筒エンジンにおける減筒運転又は増筒運転の実施に伴うエンジンの回転速度の変動を確実に低減する。【解決手段】運転気筒の数を減らす制御である減筒制御及び/又は運転気筒の数を増やす制御である増筒制御を実施することができる多気筒エンジンによって駆動される少なくとも一つの圧縮機211乃至213と熱交換器250とを含むヒートポンプ100において、減筒制御においては圧縮機の仕事率を低下させる制御である負荷軽減制御を実施した後に運転気筒の数を減らし、増筒制御においては負荷軽減制御を実施した後に運転気筒の数を増やす。ホットガスバイパス弁290をヒートポンプが含む場合は、ホットガスバイパス弁の開放により負荷軽減制御を実施し得る。容量電磁弁291乃至293を圧縮機が含む場合は、容量電磁弁の開放により負荷軽減制御を実施し得る。【選択図】図1
Description
本発明は、ヒートポンプの制御方法に関する。より具体的には、本発明は、運転気筒数の変更が可能な多気筒エンジンを圧縮機の駆動源として使用するヒートポンプにおける当該多気筒エンジンの運転気筒数の変更方法に関する。
複数の気筒を有するエンジン(多気筒エンジン)をコンプレッサ(圧縮機)の駆動源として使用するヒートポンプにおいて、負荷の大きさに応じて多気筒エンジンにおいて実際に稼働している気筒(運転気筒)の数を変更することが知られている。例えば、負荷の大きさが所定の下限値以下である場合は、運転気筒の数を減少させる減筒運転を行う。一方、負荷の大きさが所定の上限値以上である場合は、運転気筒の数を増加させる増筒運転を行う。
上記のように運転気筒の数を減少させて減筒運転を行う場合、エンジンの回転速度が過度に低下して、エンジンの運転が不安定となったりエンジンが停止したりする虞がある。一方、運転気筒の数を増加させて増筒運転を行う場合、エンジンの回転速度が過度に上昇して(吹き上がり)、エンジンに過大な振動が発生したりする虞がある。即ち、負荷の大きさに応じて運転気筒の数を変更するときに、エンジンの回転速度が過度に変動する場合がある。
そこで、当該技術分野においては、スロットル弁を有する吸気通路を気筒群毎に形成した分割運転制御式内燃機関であって、該機関の要求出力値が所定値以下の場合は該機関の一部の気筒群への燃料供給を停止する手段と、該要求出力値が前記所定値以下の場合は該消勢した気筒群のスロットル弁を全開にする手段と、機関の要求出力値が前記所定値を超えた場合に前記消勢気筒群の前記スロットル弁を一度閉位置に戻すと共に該消勢気筒群への燃料供給を開始する手段と、機関の要求出力値が所定値以下の場合にも付勢される気筒群のスロットル弁を機関要求出力値が前記所定値を超えた場合に略全開する手段と、を備えたことを特徴とする分割運転制御式内燃機関が提案されている(例えば、特許文献1を参照。)。
上記従来技術に係る分割運転制御式内燃機関においては、要求出力値が所定値以下であるとき、休止気筒のスロットル弁は全開としつつ、運転気筒のスロットル弁の開度は機関の要求出力に応じて調整される。その後、要求出力値が増大して所定値を超えるとき、運転気筒のスロットル弁は全開のまま維持しつつ、それまで休止気筒であった気筒のスロットル弁の開度を一旦全閉とした上で、その後、当該気筒のスロットル弁の開度は機関の要求出力に応じて調整される。
従って、上記従来技術によれば、機関の負荷が小さい場合は一部の気筒への燃料供給を停止して残りの気筒のみによって運転することにより運転気筒の負荷を高くして燃料消費率を低減する分割運転制御式機関において、吸排気作動に伴う仕事損失を低減して燃料消費率を更に低減することができる。
しかしながら、上記従来技術においては、気筒群毎に燃料供給機構、スロットル弁機構及びこれらの機構を独自に制御する回路が必要となるため、部品数が多いことに起因するコストの増大及び制御方法の複雑化等の問題を招く虞がある。加えて、消勢気筒への燃料供給を開始して機関の出力を増加させるとき及び付勢気筒への燃料供給を停止して機関の出力を減少させるときに機関のトルク及び回転速度の変動等の問題が発生する虞がある。
ところで、当該技術分野においては、運転気筒数の変更が可能な多気筒エンジンを圧縮機の駆動源として使用するヒートポンプが知られている。ヒートポンプの負荷は、例えば、ヒートポンプによる熱の移動元(低温側。例えば空気調和装置の冷房時における室内)及び移動先(高温側。例えば空気調和装置の冷房時における室外)のそれぞれの温度、稼働している熱交換器の数、並びに熱交換器の設置場所等、ヒートポンプの運転状況及び/又は環境条件に応じて変化する。このようなヒートポンプの負荷に応じて熱媒体の目標循環量が定まり、この目標循環量に基づいて圧縮機の回転速度が定まる。
更に、当該技術分野においては、複数の圧縮機を備えるヒートポンプにおいて、目標循環量に応じて圧縮機の稼働台数を変更する技術も広く知られている。このようなヒートポンプにおいて、例えば、エンジンからの駆動力によって駆動されていない圧縮機のうちの何れかについて、エンジンからの駆動力を圧縮機に伝達するための動力伝達機構が備えるクラッチを接続すると当該エンジンに接続される負荷が増大する。逆に、エンジンからの駆動力によって駆動されている圧縮機のうちの何れかについて、上記クラッチを切断すると当該エンジンに接続される負荷が減少する。このようにエンジンによって駆動される圧縮機の台数を増減させる場合、エンジンに接続される負荷は圧縮機の台数の増減に伴って大幅に且つ瞬間的に増大又は減少する。
しかも、例えば空気調和装置において使用されるヒートポンプの場合、その時々において圧縮機によってエンジンにかかる負荷は、例えば空気調和の対象となる室内の温度、室外の温度、稼働している室内機の台数(室内機の運転台数)及び室内機の設置場所等、ヒートポンプの運転状況及び/又は環境条件によって千差万別である。従って、上記のように圧縮機のクラッチを接続又は切断することによるエンジンの負荷の変動幅もまた千差万別である。
上記からも明らかであるように、エンジンと圧縮機とを接続又は切断することによってエンジンにかかる負荷を大幅に且つ瞬間的に増減させる従来技術においては、ヒートポンプの運転状況及び/又は環境条件によっては、エンジンにかかる負荷をきめ細かく適切に調整することができず、エンジンの回転速度の変動を十分に抑制することができない虞がある。
即ち、当該技術分野においては、ヒートポンプ用多気筒エンジンにおける減筒運転又は増筒運転の実施に伴うエンジンの回転速度の変動を確実に低減することができるヒートポンプの制御方法に対する継続的な要求が存在する。本発明は、このような要求に対処するためになされたものである。即ち、本発明は、ヒートポンプ用多気筒エンジンにおける減筒運転又は増筒運転の実施に伴うエンジンの回転速度の変動を確実に低減することができるヒートポンプの制御方法を提供することを1つの目的とする。
本発明者は、鋭意研究の結果、減筒運転及び増筒運転の何れを実施するに当たっても、圧縮機によるエンジンの負荷をできるだけ小さくしておけば、減筒運転又は増筒運転への切り替えに伴う気筒当たりの負荷の変動幅を小さくすることができ、その結果、エンジンの回転速度の変動を確実に低減することができることを見出した。
上記に鑑み、本発明に係るヒートポンプの制御方法(以降、「本発明方法」と称される場合がある。)は、多気筒エンジンを圧縮機の駆動源として使用するヒートポンプに適用される。より具体的には、本発明方法が適用されるヒートポンプは、複数の気筒を有し且つ前記複数の気筒のうちの稼働している気筒である運転気筒の数を変更することができるように構成された多気筒エンジンと、前記多気筒エンジンによって駆動される少なくとも一つの圧縮機と、前記圧縮機の吐出口から前記圧縮機の吸入口へと熱媒体を循環させる通路である循環経路と、前記循環経路に介在する熱交換器と、前記多気筒エンジンの負荷を検出する負荷検出装置と、少なくとも前記運転気筒の数を制御する制御装置と、を含む。
更に、前記制御装置は、減筒制御及び増筒制御の一方又は両方を実施する。減筒制御とは、前記多気筒エンジンの負荷が所定の下限値以下であり且つ前記運転気筒が存在する場合において前記運転気筒の数を減らす制御である。一方、増筒制御とは、前記多気筒エンジンの負荷が所定の上限値以上であり且つ休止気筒が存在する場合において前記休止気筒の数を減らして前記運転気筒の数を増やす制御である。ここで、休止気筒とは、前記複数の気筒のうち稼働していない気筒である。
加えて、前記制御装置は、前記減筒制御においては、前記圧縮機の仕事率を低下させる制御である負荷軽減制御を実施した後に前記運転気筒の数を減らす。一方、前記制御装置は、前記増筒制御においては、前記負荷軽減制御を実施した後に前記運転気筒の数を増やす。
尚、上記「負荷軽減制御」を実施するための具体的な手法は特に限定されないが、本発明方法が適用されるヒートポンプが熱交換器を迂回して熱媒体を循環させる通路及び当該通路の遮断と開放とを切り替える手段を備える場合は、当該通路を開放することにより、上記「負荷軽減制御」を実施することができる。
即ち、本発明の一つの側面に係る本発明方法において、前記ヒートポンプは、前記循環経路の前記熱交換器の上流側と前記熱交換器の下流側とを連通して前記熱媒体に前記熱交換器を迂回させる通路である第1バイパスと、前記第1バイパスを遮断及び開放する手段である第1バイパス弁と、を更に含む。そして、前記負荷軽減制御は、前記制御装置により前記第1バイパス弁を制御して前記第1バイパスを開放することを含む。
また、本発明方法が適用されるヒートポンプにおいて使用される圧縮機が圧縮した熱媒体を吸入側へ戻す通路及び当該通路の遮断と開放とを切り替える手段を備える場合は、当該通路を開放することにより、上記「負荷軽減制御」を実施することもできる。
即ち、本発明のもう一つの側面に係る本発明方法において、前記圧縮機は、中間圧縮室から吸入ポートへと熱媒体を戻す通路である第2バイパスと、前記第2バイパスを遮断及び開放する手段である第2バイパス弁と、を更に含む。そして、前記負荷軽減制御は、前記制御装置により前記第2バイパス弁を制御して前記第2バイパスを開放することを含む。
ところで、本発明方法は、複数台の圧縮機を使用し、且つ、これら複数の圧縮機のうち多気筒エンジンによって実際に駆動される圧縮機の数を変更することが可能であるように構成されたヒートポンプにも適用することができる。
即ち、本発明の更にもう一つの側面に係る本発明方法において、前記ヒートポンプは、前記圧縮機を複数含み、且つ、前記複数の圧縮機のうちの少なくとも一部の圧縮機において、前記多気筒エンジンから前記圧縮機へと駆動力が伝達される状態である伝達状態と、前記多気筒エンジンから前記圧縮機へと駆動力が伝達されない状態である遮断状態と、を切り替えるクラッチを更に含む。
そして、前記減筒制御は、前記複数の圧縮機のうち前記伝達状態にある圧縮機が存在する場合、前記負荷軽減制御を実施した後であり且つ前記運転気筒の数を減らす前に、前記制御装置により前記クラッチを制御して、前記伝達状態にある前記圧縮機の少なくとも一部の圧縮機を前記遮断状態とすることを含む。
一方、前記増筒制御は、前記複数の圧縮機のうち前記遮断状態にある圧縮機が存在する場合、前記負荷軽減制御を実施した後であり且つ前記運転気筒の数を増やす前に、前記制御装置により前記クラッチを制御して、前記遮断状態にある前記圧縮機の少なくとも一部の圧縮機を前記伝達状態とすることを含む。
更に、本発明方法は、エンジンの出力に影響を及ぼす各種パラメータを制御することによりエンジンの回転速度が過度に変動することを抑制することが可能であるように構成されたヒートポンプにも適用することができる。
即ち、本発明の更にもう一つの側面に係る本発明方法において、前記制御装置は、前記多気筒エンジンの回転速度が所定の下限値以下である場合、前記多気筒エンジンにおいて、スロットル弁の開度の増大、点火時期の進角及び空燃比の減少(リッチ化)のうちの少なくとも何れか一つを実施する制御である回転速度落ち込み防止制御を実施するように構成されている。加えて、前記制御装置は、前記多気筒エンジンの回転速度が所定の上限値以上である場合、前記多気筒エンジンにおいて、スロットル弁の開度の減少、点火時期の遅角及び空燃比の増大(リーン化)のうちの少なくとも何れか一つを実施する制御である回転速度吹き上がり防止制御を実施するように構成されている。
上記のように、本発明方法は、減筒制御において運転気筒の数を減らす前に、圧縮機の仕事率を低下させる制御である負荷軽減制御を実施する。従って、減筒制御によって運転気筒の数が減少して各運転気筒の負荷は増大するものの、負荷の増大幅を小さく抑えることができる。一方、本発明方法は、増筒制御において運転気筒の数を増やす前に、圧縮機の仕事率を低下させる制御である負荷軽減制御を実施する。従って、増筒制御によって運転気筒の数が増大して各運転気筒の負荷は減少するものの、負荷の減少幅を小さく抑えることができる。
上記のような負荷軽減制御は、例えば、ヒートポンプにおける熱媒体の循環経路における熱交換器の上流側と下流側とを連通して熱媒体に熱交換器を迂回させたり、圧縮機における中間圧縮室から吸入ポートへと熱媒体を戻したりすることによって実施することができる。その結果、本発明によれば、減筒制御及び増筒制御の実施に伴う運転気筒当たりの負荷の変動幅を小さく抑えることができる。その結果、減筒運転又は増筒運転への切り替えに伴うエンジンの回転速度の変動を確実に低減することができる。
更に、本発明方法は、複数台の圧縮機を使用し、且つ、これら複数の圧縮機のうち多気筒エンジンによって実際に駆動される圧縮機の数を変更することが可能であるように構成されたヒートポンプにも適用することができる。この場合、減筒運転又は増筒運転への切り替えに伴うエンジンの回転速度の変動を確実に低減しつつ、実際に駆動される圧縮機の数を負荷に応じて適切に増減させることができる。
加えて、本発明方法は、エンジンの出力に影響を及ぼす各種パラメータを制御することによりエンジンの回転速度が過度に変動することを抑制することが可能であるように構成されたヒートポンプにも適用することができる。この場合、減筒運転又は増筒運転への切り替えに伴うエンジンの回転速度の変動をより確実に低減するのみならず、減筒運転又は増筒運転への切り替えを実施していない期間においても、エンジンの回転速度が過度に変動することを抑制することができる。
本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。
《第1実施形態》
以下、本発明の第1実施形態に係るヒートポンプの制御方法(以下、「第1方法」と称される場合がある。)について説明する。
以下、本発明の第1実施形態に係るヒートポンプの制御方法(以下、「第1方法」と称される場合がある。)について説明する。
〈ヒートポンプの構成〉
(1)全体構成
第1方法が適用されるヒートポンプを使用する空気調和装置の構成を図1に示す。空気調和装置100は、室外機200及び室内機300を含み、これらの間には配管330及び340を介して熱媒体が循環される。室外機200は、3台の圧縮機211乃至213、オイルセパレータ230、四方弁240、熱交換器250並びにアキュムレータ260を含む。圧縮機211乃至213の構成は特に限定されないが、本例においては、3台の圧縮機211乃至213は何れもスクロールコンプレッサである。
(1)全体構成
第1方法が適用されるヒートポンプを使用する空気調和装置の構成を図1に示す。空気調和装置100は、室外機200及び室内機300を含み、これらの間には配管330及び340を介して熱媒体が循環される。室外機200は、3台の圧縮機211乃至213、オイルセパレータ230、四方弁240、熱交換器250並びにアキュムレータ260を含む。圧縮機211乃至213の構成は特に限定されないが、本例においては、3台の圧縮機211乃至213は何れもスクロールコンプレッサである。
更に、これらの構成要素の間に熱媒体を循環させるための配管の所定の箇所には、バッファ221、ストレーナ222、223及び224、フィルタドライヤ225、オイルバイパス調整弁270、高圧スイッチ(SW)281、及び高圧センサ282が設けられている。加えて、室外の温度を検出する室外温度センサ283が設けられている。
一方、室内機300は、電子膨張弁310及び熱交換器320を含む。更に、空気調和の対象となる室内の温度を検出する室内温度センサ284が設けられている。そして、ヒートポンプ用電子制御装置(HP−ECU)110は、例えば室内温度センサ284によって検出される空気調和の対象となる室内の温度、室外温度センサ283によって検出される室外の温度、稼働している室内機の台数(室内機の運転台数)及び室内機の設置場所等、ヒートポンプの運転状況及び/又は環境条件に応じて、圧縮機211乃至213の運転を制御する。
更に、室外機200は、オイルセパレータ230と吐出側(下流側)とアキュムレータ260の吸入側(上流側)とを連通する熱媒体の通路と、当該通路を遮断及び開放するホットガスバイパス弁290と、を含む。ホットガスバイパス弁290により当該通路が開放されていると、圧縮機211乃至213から吐出された熱媒体は、熱交換器250を迂回して、圧縮機211乃至213へと戻る。即ち、当該通路は、熱媒体の循環経路における熱交換器250の上流側と下流側とを連通して熱媒体に熱交換器250を迂回させる通路である第1バイパスに該当する。従って、ホットガスバイパス弁290は、第1バイパスを遮断及び開放する手段である第1バイパス弁に該当する。ホットガスバイパス弁290によって第1バイパスを開放することにより、圧縮機211乃至213の吐出側から吸入側への熱媒体の循環に必要とされる仕事量を大幅に削減して、圧縮機211乃至213の仕事率を低下させることができる。
加えて、圧縮機211乃至213は、それぞれの中間圧縮室から吸入ポートへと熱媒体を戻す通路と、当該通路を遮断及び開放する容量電磁弁291乃至293と、をそれぞれ含む。即ち、当該通路は第2バイパスに該当し、容量電磁弁291乃至293は第2バイパス弁に該当する。容量電磁弁291乃至293によって第2バイパスを開放することにより、圧縮機211乃至213の中間圧縮室から下流側における仕事量を大幅に削減して、圧縮機211乃至213の仕事率を低下させることができる。
空気調和装置100における熱媒体の流れ方向は、図中に示した実線の矢印(冷房時)及び破線の矢印(暖房時)によって表されるように、空気調和装置100の運転モード(冷房モード及び暖房モード)によって異なる。しかしながら、圧縮機211乃至213からオイルセパレータ230を介して四方弁240までの循環経路(吐出側経路)並びに四方弁240からアキュムレータ260及びストレーナ224を介して圧縮機211乃至213までの循環経路(吸入側経路)においては、図中の矢印によって示すように、運転モードに拘わらず、熱媒体の流れ方向は常に同じである。
(2)エンジンによる圧縮機の駆動
ところで、図1においては、圧縮機211乃至213を駆動する多気筒エンジン400及び多気筒エンジン400の作動を制御するエンジン用電子制御装置(ENG−ECU)410は省略されている。そこで、これらにつき、図2を参照しながら以下に説明する。
ところで、図1においては、圧縮機211乃至213を駆動する多気筒エンジン400及び多気筒エンジン400の作動を制御するエンジン用電子制御装置(ENG−ECU)410は省略されている。そこで、これらにつき、図2を参照しながら以下に説明する。
前述したように、ヒートポンプ用電子制御装置(HP−ECU)110は、例えば室内温度センサ284によって検出される空気調和の対象となる室内の温度、室外温度センサ283によって検出される室外の温度、稼働している室内機の台数(室内機の運転台数)及び室内機の設置場所等、ヒートポンプの運転状況及び/又は環境条件に応じて、圧縮機211乃至213の運転を制御する。圧縮機211乃至213は、多気筒エンジン400によってベルト駆動される。
尚、空気調和装置100が使用するヒートポンプは、複数の圧縮機を含み、且つ、これらの複数の圧縮機のうちの少なくとも一部の圧縮機において、多気筒エンジンから圧縮機へと駆動力が伝達される状態である伝達状態と、多気筒エンジンから圧縮機へと駆動力が伝達されない状態である遮断状態と、を切り替えるクラッチを更に含む。
本例においては、図2に示すように、3台の圧縮機211乃至213のうち2台の圧縮機211及び212は常に伝達状態にあり、圧縮機213についてのみ伝達状態と遮断状態とをクラッチ(図示せず)によって切り替えることができるように構成されている。これにより、ヒートポンプの運転状況及び/又は環境条件に応じて、圧縮機211乃至213の全てを運転するか或いは圧縮機211及び212のみを運転するかを切り替えることができる。
また、エンジン用電子制御装置(ENG−ECU)410は、上記のようにしてヒートポンプの運転状況及び/又は環境条件に応じて定められる圧縮機211乃至213の運転条件(例えば回転速度等)並びに運転台数等に応じて、例えば多気筒エンジン400の回転速度及びトルク等を制御する。
更に、ヒートポンプ用電子制御装置(HP−ECU)110及びエンジン用電子制御装置(ENG−ECU)410は、詳しくは後述するように、減筒制御及び増筒制御、負荷軽減制御並びにエンジンの回転速度の制御(回転速度落ち込み防止制御及び回転速度吹き上がり防止制御)を実施する。
即ち、ヒートポンプ用電子制御装置(HP−ECU)110及びエンジン用電子制御装置(ENG−ECU)410は、本発明方法が適用されるヒートポンプが備える制御装置を構成する。但し、制御装置の構成は特に限定されず、本例に示したように複数のECUに分割されていてもよく、或いは一つのECUによって全ての機能を達成するように構成されていてもよい。
〈ヒートポンプの作動〉
(1)エンジンの回転速度の制御
制御装置を構成するENG−ECU410は、エンジンの回転速度が過度に低下して不安定な状態にまで落ち込んだり或いはエンジンの回転速度が過度に上昇して吹き上がったりしないように、エンジンの出力に影響を及ぼす各種パラメータを制御する。
(1)エンジンの回転速度の制御
制御装置を構成するENG−ECU410は、エンジンの回転速度が過度に低下して不安定な状態にまで落ち込んだり或いはエンジンの回転速度が過度に上昇して吹き上がったりしないように、エンジンの出力に影響を及ぼす各種パラメータを制御する。
具体的には、ENG−ECU410は、図3のフローチャートに示すエンジン回転速度制御ルーチンによって表されるアルゴリズムを実行する。当該ルーチンは、ENG−ECU410を構成するCPU(中央処理装置)が、ENG−ECU410を構成するROM(Read Only Memory)に格納されたプログラムに従って種々の演算処理を実行することにより、所定の短い周期にて実行される。
当該ルーチンが開始されると、ステップS31において、CPUは、例えば多気筒エンジン400が備えるクランクポジションセンサ(図示せず)によって検出されるエンジン回転速度NEを取得する。次に、CPUは次のステップS32に進み、多気筒エンジン400の回転速度NEが所定の下限値TLne以下であるか否かを判定する。このとき、回転速度NEが所定の下限値TLne以下である状態が所定期間に亘って連続して継続したか否かを判定することにより、例えば回転速度NEの突発的な低下等による影響を排除してもよい。
回転速度NEが所定の下限値TLne以下である場合(NE≦TLne)、上記ステップS32においてCPUは「Yes」と判定し、次のステップS33に進み、回転速度落ち込み防止制御を実施する。上記「回転速度落ち込み防止制御」とは、多気筒エンジン400において、スロットル弁(図示せず)の開度の増大、点火プラグ(図示せず)による混合気への点火時期の進角及び燃料供給装置(図示せず)による空燃比の減少(例えば、ガスミキサにおける燃料ガスの空気に対する混合比率の増大による混合気のリッチ化)のうちの少なくとも何れか一つを実施する制御である。上記「所定の下限値」は、例えば多気筒エンジン400が安定且つ効率的な運転状態を継続することが可能な最低回転速度等に基づいて適宜定めることができる。ステップS33における回転速度落ち込み防止制御の実行後、CPUは当該ルーチンを一旦終了する。
一方、回転速度NEが所定の下限値TLne以下ではない場合(NE>TLne)、上記ステップS32においてCPUは「No」と判定し、次のステップS34に進み、多気筒エンジン400の回転速度NEが所定の上限値TUne以上であるか否かを判定する。このとき、回転速度NEが所定の上限値TUne以下である状態が所定期間に亘って連続して継続したか否かを判定することにより、例えば回転速度NEの突発的な上昇等による影響を排除してもよい。
回転速度NEが所定の上限値TUne以上である場合(NE≧TUne)、上記ステップS34においてCPUは「Yes」と判定し、次のステップS35に進み、回転速度吹き上がり防止制御を実施する。上記「回転速度吹き上がり防止制御」とは、多気筒エンジン400において、スロットル弁(図示せず)の開度の減少、点火プラグ(図示せず)による混合気への点火時期の遅角及び燃料供給装置(図示せず)による空燃比の増大(例えば、ガスミキサにおける燃料ガスの空気に対する混合比率の減少による混合気のリーン化)のうちの少なくとも何れか一つを実施する制御である。上記「所定の上限値」は、例えば多気筒エンジン400の稼働に伴う振動等により多気筒エンジン400及び多気筒エンジン400の周辺装置(例えば、制御装置及び支持部材等)に悪影響が及ばない範疇における最高回転速度等に基づいて適宜定めることができる。ステップS35における回転速度吹き上がり防止制御の実行後、CPUは当該ルーチンを一旦終了する。
以上により、第1方法が適用されるヒートポンプが備える制御装置を構成するENG−ECU410は、多気筒エンジン400の回転速度NEを予め定められた好適な範囲内に収まるように制御することができる。尚、回転速度NEの好適な範囲は、例えば、事前の実験等により、例えばエンジンのトルク及び出力並びに燃料消費率等に基づいて特定することができる。
(2)減筒制御及び増筒制御
更に、制御装置を構成するENG−ECU410は、減筒制御及び増筒制御の何れか一方又は両方を実施し得るように構成される。
更に、制御装置を構成するENG−ECU410は、減筒制御及び増筒制御の何れか一方又は両方を実施し得るように構成される。
「減筒制御」とは、多気筒エンジン400の負荷が所定の下限値以下であり且つ多気筒エンジン400が備える複数の気筒のうち稼働している気筒である運転気筒が存在する場合において運転気筒の数を減らす制御である。上記「所定の下限値」は、例えば多気筒エンジン400が安定且つ効率的な運転状態を継続することが可能な最低負荷等に基づいて適宜定めることができる。
一方、「増筒制御」とは、多気筒エンジン400の負荷が所定の上限値以上であり且つ多気筒エンジン400が備える複数の気筒のうち稼働していない気筒である休止気筒が存在する場合において休止気筒の数を減らして運転気筒の数を増やす制御である。上記「所定の上限値」は、例えば多気筒エンジン400が安定且つ効率的な運転状態を継続することが可能な最高負荷等に基づいて適宜定めることができる。
上記において、多気筒エンジン400の負荷は、ヒートポンプが備える負荷検出装置によって検出される。具体的には、負荷検出装置は、例えば空気調和の対象となる室内の温度、室外の温度、稼働している室内機の台数(室内機の運転台数)及び室内機の設置場所並びに多気筒エンジン400によって実際に駆動されている(クラッチが伝達状態にある)圧縮機の台数等に基づいて、多気筒エンジン400の負荷を算出・特定することができる。
(3)負荷軽減制御
ところで、本明細書の冒頭で述べたように、例えば空気調和装置において使用されるヒートポンプにおいて使用される圧縮機によってエンジンにかかる負荷は、例えば空気調和の対象となる室内の温度、室外の温度、稼働している室内機の台数(室内機の運転台数)及び室内機の設置場所等、ヒートポンプの運転状況及び/又は環境条件によって千差万別である。従って、上述した減筒制御及び/又は増筒制御の実施に伴う気筒当たりの負荷の変動幅もまた千差万別である。このため、従来技術に係るヒートポンプの制御方法においては、減筒運転又は増筒運転への切り替えに伴う気筒当たりの負荷の変動幅を適切に制御することが困難であり、エンジンの回転速度の変動を十分に抑制することができない虞があった。
ところで、本明細書の冒頭で述べたように、例えば空気調和装置において使用されるヒートポンプにおいて使用される圧縮機によってエンジンにかかる負荷は、例えば空気調和の対象となる室内の温度、室外の温度、稼働している室内機の台数(室内機の運転台数)及び室内機の設置場所等、ヒートポンプの運転状況及び/又は環境条件によって千差万別である。従って、上述した減筒制御及び/又は増筒制御の実施に伴う気筒当たりの負荷の変動幅もまた千差万別である。このため、従来技術に係るヒートポンプの制御方法においては、減筒運転又は増筒運転への切り替えに伴う気筒当たりの負荷の変動幅を適切に制御することが困難であり、エンジンの回転速度の変動を十分に抑制することができない虞があった。
そこで、第1方法によれば、減筒制御及び増筒制御の何れにおいても、圧縮機の仕事率を低下させる制御である負荷軽減制御が運転気筒の数を増減させる前に実施される。
具体的には、第1方法によれば、負荷軽減制御において、熱媒体の循環経路における熱交換器250の上流側と下流側とを連通して熱媒体に熱交換器250を迂回させる通路に介装されたホットガスバイパス弁290が開放される。即ち、第1バイパス弁により第1バイパスが開放され、圧縮機211乃至213の仕事率が低下される。
加えて、第1方法によれば、負荷軽減制御において、圧縮機211乃至213の中間圧縮室から吸入ポートへと熱媒体を戻す通路に介装された容量電磁弁291乃至293が開放される。即ち、第2バイパス弁により第2バイパスが開放され、圧縮機211乃至213の仕事率が低下される。
(4)負荷軽減制御を伴う運転気筒数制御における具体的な処理の流れ
ここで、第1方法において実施される負荷軽減制御を伴う運転気筒数制御ルーチン(負荷軽減制御を伴い減筒制御及び増筒制御を実施するルーチン)における具体的な処理の流れにつき、図面を参照しながら詳細に説明する。
ここで、第1方法において実施される負荷軽減制御を伴う運転気筒数制御ルーチン(負荷軽減制御を伴い減筒制御及び増筒制御を実施するルーチン)における具体的な処理の流れにつき、図面を参照しながら詳細に説明する。
a)エンジン負荷判定ルーチン
制御装置を構成するENG−ECU410は、図4のフローチャートに示すエンジン負荷判定ルーチンによって表されるアルゴリズムを実行することにより、多気筒エンジン400の負荷が、減筒制御を実施すべきレベルにあるのか、或いは、減筒制御を実施すべきレベルにあるのかを判定する。当該ルーチンは、ENG−ECU410を構成するCPUが、ENG−ECU410を構成するROMに格納されたプログラムに従って種々の演算処理を実行することにより、所定の短い周期にて実行される。
制御装置を構成するENG−ECU410は、図4のフローチャートに示すエンジン負荷判定ルーチンによって表されるアルゴリズムを実行することにより、多気筒エンジン400の負荷が、減筒制御を実施すべきレベルにあるのか、或いは、減筒制御を実施すべきレベルにあるのかを判定する。当該ルーチンは、ENG−ECU410を構成するCPUが、ENG−ECU410を構成するROMに格納されたプログラムに従って種々の演算処理を実行することにより、所定の短い周期にて実行される。
当該ルーチンが開始されると、ステップS41において、CPUは、ヒートポンプが備える負荷検出装置によって検出される多気筒エンジン400の負荷Wを取得する。次に、CPUは次のステップS42に進み、取得された負荷Wが所定の下限値TLw以下であるか否かを判定する。このとき、負荷Wが下限値TLw以下である状態が所定期間に亘って連続して継続したか否かを判定することにより、例えば負荷Wの突発的な低下等による影響を排除してもよい。尚、上記「所定の下限値TLw」は、例えば増筒運転における多気筒エンジン400の作動効率が予め定められた許容範囲に入る負荷の下限値等に基づいて適宜定めることができる。
負荷Wが所定の下限値TLw以下である場合(W≦TLw)、上記ステップS42においてCPUは「Yes」と判定し、次のステップS43に進み、負荷Wが所定の下限値TLw以下であることを意味する所定の値(図中において「L」によって表される値)を負荷判定フラグFwの値として設定する(Fw←L)。そして、ステップS43における負荷判定フラグFwの設定後、CPUは当該ルーチンを一旦終了する。
一方、負荷Wが所定の下限値TLw以下ではない場合(W>TLw)、上記ステップS42においてCPUは「No」と判定し、次のステップS44に進み、負荷Wが所定の上限値TUw以上であるか否かを判定する。このとき、負荷Wが上限値TUw以上である状態が所定期間に亘って連続して継続したか否かを判定することにより、例えば負荷Wの突発的な上昇等による影響を排除してもよい。尚、上記「所定の上限値TUw」は、例えば減筒運転における多気筒エンジン400の作動効率が予め定められた許容範囲に入る負荷の上限値等に基づいて適宜定めることができる。
負荷Wが所定の上限値TUw以上である場合(W≧TUw)、上記ステップS44においてCPUは「Yes」と判定し、次のステップS45に進み、負荷Wが所定の上限値TUw以上であることを意味する所定の値(図中において「H」によって表される値)を負荷判定フラグFwの値として設定する(Fw←H)。そして、ステップS45における負荷判定フラグFwの設定後、CPUは当該ルーチンを一旦終了する。
一方、負荷Wが所定の上限値TLw以上ではない場合(W<TUw)、上記ステップS44においてCPUは「No」と判定し、次のステップS46に進み、負荷Wが所定の下限値TLwよりも大きく且つ所定の上限値TUwよりも小さいことを意味する所定の値(図中において「M」によって表される値)を負荷判定フラグFwの値として設定する(Fw←M)。そして、ステップS46における負荷判定フラグFwの設定後、CPUは当該ルーチンを一旦終了する。
上記「エンジン負荷判定ルーチン」により、負荷検出装置によって検出される多気筒エンジン400の負荷Wの大きさに応じた値が負荷判定フラグFwの値として設定される。具体的には、負荷Wの大きさが小さく減筒制御を実施すべき状態にある場合は「L」に、負荷Wの大きさが大きく増筒制御を実施すべき状態にある場合は「H」に、これらの何れでもない場合は「M」に、負荷判定フラグFwの値がそれぞれ設定される。
尚、上記説明においては、制御装置を構成するENG−ECU410がエンジン負荷判定ルーチンを実行する場合について説明したが、制御装置を構成するHP−ECU110がエンジン負荷判定ルーチンを実行してもよい。或いは、制御装置を構成するHP−ECU110とENG−ECU410とが例えば分散処理によって互いに協調してエンジン負荷判定ルーチンを実行してもよい。
b)負荷軽減制御を伴う運転気筒数制御ルーチン
一方、制御装置を構成するHP−ECU110及びENG−ECU410は、図5のフローチャートに示すルーチンによって表されるアルゴリズムを実行することにより、負荷軽減制御を伴う運転気筒数制御を所定の短い周期にて実施する。
一方、制御装置を構成するHP−ECU110及びENG−ECU410は、図5のフローチャートに示すルーチンによって表されるアルゴリズムを実行することにより、負荷軽減制御を伴う運転気筒数制御を所定の短い周期にて実施する。
当該ルーチンが開始されると、ステップS51において、制御装置を構成するHP−ECU110のCPU(以降、「HP−CPU」と称される場合がある。)は、上述したエンジン負荷判定ルーチンによって設定された負荷判定フラグFwの値が「L」又は「H」の何れかであるか否かを判定する。換言すれば、HP−CPUは、その時点における多気筒エンジン400の状態が、負荷Wの大きさが小さく減筒制御を実施すべき状態(Fw=L)又は負荷Wの大きさが大きく増筒制御を実施すべき状態(Fw=H)の何れかに該当するか否かを、負荷判定フラグFwの値に基づいて判定する。
負荷判定フラグFwの値が「L」でも「H」でもない場合(Fw≠L且つFw≠H)、即ち負荷判定フラグFwの値が「M」である場合(Fw=M)、上記ステップS51においてHP−CPUは「No」と判定し、当該ルーチンを一旦終了する。即ち、HP−CPUは、減筒制御及び増筒制御の何れも実施すること無く当該ルーチンを終了する。
一方、負荷判定フラグFwの値が「L」又は「H」の何れかである場合(Fw=L又はH)、上記ステップS51においてHP−CPUは「Yes」と判定し、次のステップS52に進み、負荷軽減制御を実施する。具体的には、HP−CPUは、上述した第1バイパス弁(ホットガスバイパス弁290)及び第2バイパス弁(容量電磁弁291乃至293)の何れか又は全てを開放する。これにより、圧縮機211乃至213の仕事率が低下される。
そして、ステップS52における負荷軽減制御の実施後、HP−CPUは、次のステップS53に進み、負荷判定フラグFwの値が「L」であるか否かを判定する。換言すれば、HP−CPUは、その時点における多気筒エンジン400の状態が、負荷Wの大きさが小さく減筒制御を実施すべき状態(Fw=L)に該当するか否かを、負荷判定フラグFwの値に基づいて判定する。
負荷判定フラグFwの値が「L」である場合(Fw=L)、上記ステップS53においてHP−CPUは「Yes」と判定し、次のステップS54に進み、制御装置を構成するENG−ECU410に対して減筒制御を実施するように指示信号を送信する。これを受けてENG−ECU410のCPU(以降、「ENG−CPU」と称される場合がある。)は、減筒制御を実施する。具体的には、ENG−CPUは、多気筒エンジン400における運転気筒の数を減らす。より具体的には、ENG−CPUは、例えば、多気筒エンジン400が備える油圧式スイッチングバルブを制御して運転気筒の少なくとも一部の気筒における吸気弁及び排気弁の開弁動作を不作動とすることにより、当該気筒への混合気の供給を停止する。
上記により多気筒エンジン400における運転気筒の数は減少するが、ステップS52における負荷軽減制御の実施により圧縮機211乃至213の仕事率が事前に低下されているので、減筒運転への切り替え(減筒制御の実施)に伴う気筒当たりの負荷の変動幅を小さくすることができる。その結果、エンジンの回転速度の変動を確実に低減することができる。そして、ステップS54における減筒制御の実施後、HP−CPUは当該ルーチンを一旦終了する。
一方、負荷判定フラグFwの値が「L」ではない場合(Fw≠L)、上記ステップS53においてHP−CPUは「No」と判定し、次のステップS55に進み、負荷判定フラグFwの値が「H」であるか否かを判定する。換言すれば、HP−CPUは、その時点における多気筒エンジン400の状態が、負荷Wの大きさが大きく増筒制御を実施すべき状態(Fw=H)に該当するか否かを、負荷判定フラグFwの値に基づいて判定する。
負荷判定フラグFwの値が「H」である場合(Fw=H)、上記ステップS55においてHP−CPUは「Yes」と判定し、次のステップS56に進み、ENG−ECU410に対して増筒制御を実施するように指示信号を送信する。これを受けてENG−CPUは増筒制御を実施する。具体的には、ENG−CPUは、多気筒エンジン400における運転気筒の数を増やす。より具体的には、ENG−CPUは、例えば、多気筒エンジン400が備える油圧式スイッチングバルブを制御して休止気筒の少なくとも一部の気筒における吸気弁及び排気弁の開弁動作を再開することにより、当該気筒への混合気の供給を開始する。
上記により多気筒エンジン400における運転気筒の数は増大するが、ステップS52における負荷軽減制御の実施により圧縮機211乃至213の仕事率が事前に低下されているので、増筒運転への切り替え(増筒制御の実施)に伴う気筒当たりの負荷の変動幅を小さくすることができる。その結果、エンジンの回転速度の変動を確実に低減することができる。そして、ステップS56における増筒制御の実施後、HP−CPUは当該ルーチンを一旦終了する。
一方、負荷判定フラグFwの値が「L」でも「H」でもない場合(Fw≠L且つFw≠H)、即ち負荷判定フラグFwの値が「M」である場合(Fw=M)、上記ステップS55においてHP−CPUは「No」と判定し、当該ルーチンを一旦終了する。即ち、HP−CPUは、減筒制御及び増筒制御の何れも実施すること無く当該ルーチンを終了する。
上記のように、第1方法においては、負荷軽減制御を伴う運転気筒数制御ルーチンにより、減筒制御及び増筒制御の何れが実施される場合においても、負荷軽減制御の実施により圧縮機211乃至213の仕事率が予め低下される。これにより、多気筒エンジン400が減筒運転及び増筒運転の何れに切り替えられる場合であっても(多気筒エンジン400において減筒制御及び増筒制御の何れが実施される場合であっても)、気筒当たりの負荷の変動幅を小さくして、エンジンの回転速度の変動を確実に低減することができる。
尚、上記説明においては、減筒制御及び増筒制御を負荷に応じて選択的に実施する1つのフローチャートとして当該ルーチンを表したが、当然のことながら、減筒制御及び増筒制御をそれぞれ別個のフローチャートによって表すことも可能である。また、上記説明においては、制御装置を構成するHP−ECU110とENG−ECU410とが例えば分散処理によって互いに協調して「負荷軽減制御を伴う運転気筒数制御ルーチン」を実行する場合について説明した。しかしながら、当該ルーチンに含まれる個々の処理の何れの電子制御装置(ECU)のCPUに実行させてもよく、或いは、当該ルーチンに含まれる全ての処理を何れか一方の電子制御装置(ECU)のCPUに実行させてもよい。
(4)駆動される圧縮機の増減
ところで、上述したように、本例において第1方法が適用されるヒートポンプは、その運転状況及び/又は環境条件に応じて、圧縮機211乃至213の全てを運転するか或いは圧縮機211及び212のみを運転するかを切り替えることができるように構成されている。即ち、3台の圧縮機211乃至213のうち圧縮機213については、多気筒エンジン400から駆動力が伝達される伝達状態と多気筒エンジン400から駆動力が伝達されない遮断状態との間で、その駆動状態を切り替えることができる。
ところで、上述したように、本例において第1方法が適用されるヒートポンプは、その運転状況及び/又は環境条件に応じて、圧縮機211乃至213の全てを運転するか或いは圧縮機211及び212のみを運転するかを切り替えることができるように構成されている。即ち、3台の圧縮機211乃至213のうち圧縮機213については、多気筒エンジン400から駆動力が伝達される伝達状態と多気筒エンジン400から駆動力が伝達されない遮断状態との間で、その駆動状態を切り替えることができる。
従って、第1方法において、減筒制御及び増筒制御において上述した負荷軽減制御を実施した後であり且つ運転気筒の数を変更する前に、圧縮機213の駆動状態を切り替えるようにしてもよい。
具体的には、減筒制御においては、3台の圧縮機211乃至213のうち(クラッチが)伝達状態にある圧縮機が存在する場合(具体的には、圧縮機213が伝達状態にある場合)、上述したように第1バイパス及び第2バイパスを開放して負荷軽減制御を実施した後であり且つ運転気筒の数を減らす前に、圧縮機213のクラッチを制御して、伝達状態にある圧縮機213を遮断状態とする。
一方、増筒制御においては、3台の圧縮機211乃至213のうち遮断状態にある圧縮機が存在する場合(具体的には、圧縮機213が遮断状態にある場合)、上述したように第1バイパス及び第2バイパスを開放して負荷軽減制御を実施した後であり且つ運転気筒の数を増やす前に圧縮機213のクラッチを制御して、遮断状態にある圧縮機213を伝達状態とする。
上記により、減筒運転又は増筒運転への切り替えに伴う多気筒エンジン400の回転速度の変動を確実に低減しつつ、実際に駆動される圧縮機の数を負荷(例えば、空調負荷)に応じて適切に増減させることができる。
以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施形態及び変形例につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態及び変形例に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。
100…空気調和装置、110…ヒートポンプ用電子制御装置(HP−ECU)、200…室外機、211乃至213…圧縮機、221…バッファ、222、223及び224…ストレーナ、225…フィルタドライヤ、230…オイルセパレータ、240…四方弁、250…熱交換器(室外機)、260…アキュムレータ、270…オイルバイパス調整弁、281…高圧スイッチ(SW)、282…高圧センサ、283…室外温度センサ、284…室内温度センサ、290…ホットガスバイパス弁、291、292及び293…容量電磁弁、300…室内機、310…電子膨張弁、320…熱交換器(室内機)、400…多気筒エンジン、並びに410…エンジン用電子制御装置(ENG−ECU)。
Claims (5)
- 複数の気筒を有し且つ前記複数の気筒のうちの稼働している気筒である運転気筒の数を変更することができるように構成された多気筒エンジンと、
前記多気筒エンジンによって駆動される少なくとも一つの圧縮機と、
前記圧縮機の吐出口から前記圧縮機の吸入口へと熱媒体を循環させる通路である循環経路と、
前記循環経路に介在する熱交換器と、
前記多気筒エンジンの負荷を検出する負荷検出装置と、
少なくとも前記運転気筒の数を制御する制御装置と、
を含むヒートポンプにおいて、
前記制御装置は、
前記多気筒エンジンの負荷が所定の下限値以下であり且つ前記運転気筒が存在する場合において前記運転気筒の数を減らす制御である減筒制御、及び
前記多気筒エンジンの負荷が所定の上限値以上であり且つ前記複数の気筒のうち稼働していない気筒である休止気筒が存在する場合において前記休止気筒の数を減らして前記運転気筒の数を増やす制御である増筒制御、
の一方又は両方を実施する、
ヒートポンプの制御方法であって、
前記制御装置は、
前記減筒制御においては、前記圧縮機の仕事率を低下させる制御である負荷軽減制御を実施した後に前記運転気筒の数を減らし、
前記増筒制御においては、前記負荷軽減制御を実施した後に前記運転気筒の数を増やす、
ヒートポンプの制御方法。 - 請求項1に記載のヒートポンプの制御方法であって、
前記ヒートポンプは、
前記循環経路の前記熱交換器の上流側と前記熱交換器の下流側とを連通して前記熱媒体に前記熱交換器を迂回させる通路である第1バイパスと、
前記第1バイパスを遮断及び開放する手段である第1バイパス弁と、
を更に含み、
前記負荷軽減制御は、前記制御装置により前記第1バイパス弁を制御して前記第1バイパスを開放することを含む、
ヒートポンプの制御方法。 - 請求項1又は請求項2に記載のヒートポンプの制御方法であって、
前記圧縮機は、
中間圧縮室から吸入ポートへと熱媒体を戻す通路である第2バイパスと、
前記第2バイパスを遮断及び開放する手段である第2バイパス弁と、
を更に含み、
前記負荷軽減制御は、前記制御装置により前記第2バイパス弁を制御して前記第2バイパスを開放することを含む、
ヒートポンプの制御方法。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載のヒートポンプの制御方法であって、
前記ヒートポンプは、
前記圧縮機を複数含み、且つ
前記複数の圧縮機のうちの少なくとも一部の圧縮機において、前記多気筒エンジンから前記圧縮機へと駆動力が伝達される状態である伝達状態と、前記多気筒エンジンから前記圧縮機へと駆動力が伝達されない状態である遮断状態と、を切り替えるクラッチを更に含み、
前記減筒制御は、前記複数の圧縮機のうち前記伝達状態にある圧縮機が存在する場合、前記負荷軽減制御を実施した後であり且つ前記運転気筒の数を減らす前に、前記制御装置により前記クラッチを制御して、前記伝達状態にある前記圧縮機の少なくとも一部の圧縮機を前記遮断状態とすることを含み、
前記増筒制御は、前記複数の圧縮機のうち前記遮断状態にある圧縮機が存在する場合、前記負荷軽減制御を実施した後であり且つ前記運転気筒の数を増やす前に、前記制御装置により前記クラッチを制御して、前記遮断状態にある前記圧縮機の少なくとも一部の圧縮機を前記伝達状態とすることを含む、
ヒートポンプの制御方法。 - 請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載のヒートポンプの制御方法であって、
前記制御装置は、
前記多気筒エンジンの回転速度が所定の下限値以下である場合、前記多気筒エンジンにおいて、スロットル弁の開度の増大、点火時期の進角及び空燃比の減少(リッチ化)のうちの少なくとも何れか一つを実施する制御である回転速度落ち込み防止制御を実施し、
前記多気筒エンジンの回転速度が所定の上限値以上である場合、前記多気筒エンジンにおいて、スロットル弁の開度の減少、点火時期の遅角及び空燃比の増大(リーン化)のうちの少なくとも何れか一つを実施する制御である回転速度吹き上がり防止制御を実施する、
ヒートポンプの制御方法。
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