JP4119142B2 - 可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車に搭載される空調装置の冷凍サイクルに採用された可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置としては、例えば、特開平５−９９１５６号公報に記載のものが知られている。
【０００３】
この従来公報には、外気温度と回転速度と高圧側圧力と車速に基づいて可変容量コンプレッサの可変領域にある容量を計算し、この計算した容量と高圧側圧力とを用いて可変領域にある駆動トルクを計算すると共に、最大容量と高圧側圧力とを用いて最大容量に達した後の駆動トルクを計算する。そして、計算した両駆動トルクのうちで小さい方を最終的な駆動トルクと決定する装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置にあっては、冷凍サイクル上で高圧側（コンデンサ側）からの高圧側圧力を主としてコンプレッサ駆動トルクを推定するものであるため、冷凍サイクル上で低圧側（エバポレータ側）の情報が欠けたものとなっており、しかも、コンプレッサ駆動トルクを推定するのに重要な冷媒流量が何ら考慮されていないことで、計算されたコンプレッサ駆動トルクは推定精度の低い情報になってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、冷凍サイクルのエバポレータを流れる冷媒流量を考慮することで、高い推定精度によりコンプレッサ駆動トルクを算出することができる可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、車両用空調装置の冷凍サイクルに設けられ、外部からの信号により任意に単位時間当たりの理論吐出容量を制御することができる可変容量コンプレッサにおいて、冷凍サイクルの低圧側に設けられるエバポレータ前後のエンタルピの変化に基づいて、エバポレータを流れる冷媒流量を推定し、推定された冷媒流量を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出するコンプレッサ駆動トルク算出手段を設け、前記コンプレッサ駆動トルク算出手段は、
冷凍サイクルに設けられるエバポレータを経過して車室に流れ込む室内風量を算出する室内風量算出部と、前記室内風量と、エバポレータ前後の空気エンタルピの変化によりエバポレータ空気吸熱量を算出するエバポレータ空気吸熱量算出部と、算出されたエバポレータ空気吸熱量と、エバポレータ前後の冷媒エンタルピの変化によりエバポレータを流れる冷媒流量を算出する冷媒流量算出部と、算出された冷媒流量を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出するコンプレッサ駆動トルク算出部と、を有し、 冷凍サイクルの低圧側に設けられる低圧冷媒圧力検出手段と、冷凍サイクルの高圧側に設けられる高圧冷媒圧力検出手段とを設け、前記コンプレッサ駆動トルク算出部は、前記冷媒流量算出部からの冷媒流量による配管の圧力損失と低圧冷媒圧力検出値に基づいてコンプレッサ吸入側圧力を求め、前記冷媒流量算出部からの冷媒流量による配管の圧力損失と高圧冷媒圧力検出値に基づいてコンプレッサ吐出側圧力を求め、前記冷媒流量算出部からの冷媒流量に基づいてコンプレッサ吸入容積を求め、求められたコンプレッサ吸入側圧力とコンプレッサ吸入側圧力とコンプレッサ吸入容積と断熱係数を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出するようにした。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置にあっては、エバポレータを流れる冷媒流量を推定し、推定された冷媒流量を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出するようにしたため、冷媒流量が考慮された高い推定精度によりコンプレッサ駆動トルクを算出することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置を実現する実施の形態を、請求項１〜４に係る発明に対応する第１実施例に基づいて説明する。
【０００９】
（第１実施例）
まず、構成を説明する。
図１は第１実施例の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置が適用された車両用空調システム図である。図１において、１はエンジン、２はラジエータ、３は外部制御型コンプレッサ（可変容量コンプレッサ）、４はコンデンサ、５はリキッドタンク、６は温度式自動膨張弁、７はエバポレータ、８はオルタネータ、９は冷却電動ファン、１０はファンモータ、１１はコントロールバルブ、１２はブロワファン、１３はブロワファンモータ、１４はフューエルインジェクタである。
【００１０】
前記エンジン１は、燃料噴射のためのフューエルインジェクタ１４を有し、エンジン１とラジエータ２とは、エンジン冷却水入口管とエンジン冷却水出口管により連結されている。
【００１１】
第１実施例装置におけるエアコンサイクルは、外部制御型コンプレッサ３とコンデンサ４とリキッドタンク５と温度式自動膨張弁６とエバポレータ７とにより構成される。以下、各構成要素について説明する。
【００１２】
前記外部制御型コンプレッサ３は、前記エンジン１により駆動され、エバポレータ７から送られる低温低圧の気体による冷媒を高圧高温の気体にしてコンデンサ４に送る。この外部制御型コンプレッサ３は、内蔵されたコントロールバルブ１１に対するデューティ信号によりコンプレッサ容量が外部から可変に制御される。なお、外部制御型コンプレッサ３の詳しい構成は後述する。
【００１３】
前記コンデンサ４は、前記ラジエータ２の前面に配置され、走行風や冷却電動ファン９によって得られる風で、高圧高温の冷媒を凝縮点まで冷却し高圧中温の液体にしリキッドタンク５へ送る。
【００１４】
前記リキッドタンク５は、コンデンサ４から送られる高圧中温の液体による冷媒に含まれる水分やゴミを取り除き、冷媒が円滑に供給できるように溜めて、温度式自動膨張弁６へ送る。
【００１５】
前記温度式自動膨張弁６は、リキッドタンク５から送られる高圧中温の液体による冷媒を急激に膨張させ、低温低圧の液体（霧状）にし、エバポレータ７に送る。
【００１６】
前記エバポレータ７は、温度式自動膨張弁６から送られる霧状の冷媒を、ブロワファン１２により送られる車内空気からの熱を奪いながら蒸発させることで低圧低温の気体とし、この低圧低温の気体による冷媒を外部制御型コンプレッサ３に送る。
【００１７】
前記冷却電動ファン９は、前記エンジン１により駆動されるオルタネータ８の端子電圧を電源として作動されるファンモータ１０を有する。このファンモータ１０は、モータ駆動電圧がＰＷＭ制御（ＰＷＭ＝Pulse Width Modulationの略称）され、ファンモータ１０の作動によるコンデンサ冷却能力が可変に制御される。
【００１８】
前記ブロワファン１２は、ブロワファンモータ１３により駆動され、車室内の空気である内気を吸い込み、前記エバポレータ７に圧送し、冷たくなった空気を車室内に送り出す。
【００１９】
次に、電子制御系について説明する。図１において、２０は空調コントロールユニット、２０ａはコンプレッサ駆動トルク算出部（コンプレッサ駆動トルク算出手段）、２０ｂはファンモータ制御部、２０ｃはコンプレッサ容量制御部、２１は空調制御入力センサ系、２２はＰＷＭモジュール、２３はエンジンコントロールユニット、２４はエンジン制御入力センサ系である。
【００２０】
前記空調コントロールユニット２０は、冷凍サイクルの低圧側（エバポレータ７）の冷媒流量Grに基づいてコンプレッサ駆動トルクＴcompを算出するコンプレッサ駆動トルク算出部２０ａと、ＰＷＭモジュール２２に対し出力するデューティ信号を演算するファンモータ制御部２０ｂと、コントロールバルブ１１へ出力するデューティ信号を演算するCOMP容量制御部２０ｃと、を有する。
【００２１】
前記空調制御入力センサ系２１として、エアコンスイッチ21-1、モードスイッチ21-2、デフスイッチ21-3、オートスイッチ21-4、ＦＲＥスイッチ21-5、ＲＥＣスイッチ21-6、温度調整スイッチ21-7、オフスイッチ21-8、内気温度センサ21-9（内気循環モードでのエバ前温度検出手段）、外気温度センサ21-10（外気導入モードでのエバ前温度検出手段）、日射センサ21-11、吸込温度センサ21-12（エバ後温度検出手段）、水温センサ21-13、冷媒圧力センサ21-14（高圧冷媒圧力検出手段）が設けられている。
【００２２】
これら既設の空調制御入力センサ系２１に、エバポレータ７の入口湿度を検出するエバ前湿度センサ21-15（エバ前湿度検出手段）が追加されている。
【００２３】
前記エンジンコントロールユニット２３は、双方通信線を介して空調コントロールユニット２０に接続され、エンジン制御入力センサ系２４として、車速センサ24-1、エンジン回転数センサ24-2、アクセル開度センサ24-3、アイドルスイッチ24-4等が設けられている。
【００２４】
図２は外部制御型コンプレッサ３を示す断面図であり、図３は外部制御型コンプレッサ３のコントロールバルブ１１に対するデューティ信号によるコンプレッサ容量（吐出側圧力）の制御作用説明図である。
【００２５】
前記外部制御型コンプレッサ３は、多気筒斜板式であり、コンプレッサケース３０と、プーリ３１と、駆動軸３２と、斜板駆動体３３と、斜板３４と、ピストン３５と、高圧ボール弁３６と、コントロールバルブ１１と、高圧室３７と、クランク室３８と、を有して構成されている。
【００２６】
この外部制御型コンプレッサ３は、内蔵された斜板３４の傾きを変化させることにより、吐出容量の制御を行う。つまり、外部制御型コンプレッサ３内に組み込まれたコントロールバルブ１１に対するデューティ信号により、高圧ボール弁３６のリフト量を変化させる。これにより、高圧室３７（＝吐出側圧力Pd）から高圧ボール弁３６を経過してクランク室３８へ流れ込む冷媒流量を制御し、コンプレッサ３内のクランク室３８の圧力（＝クランク室圧力Pc）を変え、斜板３４の傾きを変化させる。
【００２７】
高圧ボール弁３６のリフト量は、図３に示すように、コントロールバルブ１１のダイヤフラムに係る低圧圧力（＝吸込側圧力Ps）とセットスプリングのバネ荷重と電磁コイルに発生する磁力のバランスにより決まる。
【００２８】
前記コントロールバルブ１１内の電磁コイルには、コンプレッサ容量制御部２０ｃから、例えば、400HzのパルスON-OFF信号（デューティ信号）が送られ、デューティ比による実効電流により発生する磁力の変化で高圧ボール弁３６のリフト量を制御する。
【００２９】
次に、作用を説明する。
【００３０】
図４はエアコンコントロールユニット２０のコンプレッサ駆動トルク算出部２０ａにて実行される駆動トルク算出処理の流れを示すフローチャートであり、このフローチャートに沿って外部制御型コンプレッサ３の駆動トルク算出作用を説明する。
【００３１】
なお、この駆動トルク算出処理は、クーラ作動中において常時実行するようにしても良いし、また、減速時フューエルカット制御やアイドル回転数制御等においてエンジンコントロールユニット２３から要求により実行するようにしても良い。
【００３２】
［室内風量（体積流量）の演算］
まず、ステップＳ１では、吸込口スイッチ（ＦＲＥスイッチ21-5及びＲＥＣスイッチ21-6）からの信号に基づいて、ブロワファン１２の吸気ダクトに設けられたインテークドアが、外気導入位置か内気循環位置か否かが判断され、外気導入位置である場合にはステップＳ２へ移行し、内気循環位置である場合にはステップＳ６へ移行する。
【００３３】
外気導入モードである場合、ステップＳ２において、外気温度センサ21-10による検出温度を遅延補正した外気温度センサ認識値を入力し、ステップＳ３において、ブロワファンモータ１３へのブロワファンモータ駆動信号（デューティ比）を遅延補正したブロワファン回転数認識値を入力し、ステップＳ４において、モードスイッチ21-2及びデフスイッチ21-3からの信号に基づいて判断された空調モードを入力する。次のステップＳ５では、外気導入モードにおける入力情報に基づいて室内風量Gaを算出する（室内風量算出部）。
【００３４】
一方、内気循環モードである場合、ステップＳ６において、内気温度センサ21-9による検出温度を遅延補正した内気温度センサ認識値を入力し、ステップＳ７において、ブロワファンモータ１３へのブロワファンモータ駆動信号（デューティ比）を遅延補正したブロワファン回転数認識値を入力し、ステップＳ８において、モードスイッチ21-2及びデフスイッチ21-3からの信号に基づいて判断された空調モードを入力する。次のステップＳ９では、内気循環モードにおける入力情報に基づいて室内風量Gaを算出する（室内風量算出部）。
【００３５】
このように、エバポレータ７を介して車室内に流れ込む室内風量Gaは、外気導入モードにおける各空調モード毎に、あるいは、内気循環モードにおける各空調モード毎に、ブロワファン回転数等の条件設定を変えながら実験を行い、その測定データに基づいてマップ（演算式や表等）を設定しておけば、入力情報とマップを用いて精度良く算出することができる。そして、ステップＳ４またはステップＳ８において、室内風量Gaが算出されるとステップＳ１０へ移行する。
【００３６】
［エバポレータ空気吸熱量の算出］
まず、ステップＳ１０では、エバ前湿度センサ21-15による検出湿度を遅延補正したエバ前湿度センサ認識値を入力し、ステップＳ１１では、吸込温度センサ21-12による検出温度を遅延補正したエバ後温度センサ認識値を入力し、ステップＳ１２へ移行する。
【００３７】
次のステップＳ１２では、エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)を、エバポレータ前後の空気エンタルピ差（ｉa1−ｉa2）と乾き空気の体積流量Ga'を用いた下記の式により算出する（エバポレータ空気吸熱量算出部）。
Ｑevap(air)＝（ｉa1−ｉa2）×Ga' ...(1)
ここで、ｉa1はエバ入口空気エンタルピ、ｉa2はエバ出口空気エンタルピ、Ga'は乾き空気の体積流量であり、Ga'＝Ga/vi（vi：エバ入口空気比容積）により求められる。
【００３８】
エバ入口空気エンタルピｉa1を求めるには、図５に示すように、エバ入口側温度t1とエバ入口側湿度ψ1を測定する必要がある。これに対し、エバ入口側温度t1は、外気導入モードの時は外気温度センサ認識値であり、内気循環モードの時は内気温度センサ認識値である。また、エバ入口側湿度ψ1は、エバ前湿度センサ認識値である。よって、これらの認識値によりエバ入口空気エンタルピｉa1を求めることができる。
【００３９】
エバ出口空気エンタルピｉa2を求めるには、図５に示すように、エバ出口側温度t2とエバ出口側湿度ψ2を測定する必要がある。これに対し、エバ出口側温度t2は、エバ後温度センサ認識値である。また、エバ出口側湿度ψ2は、実験結果により95％程度で設定しておけばよい。よって、エバ後温度センサ認識値とエバ出口側湿度設定値によりエバ出口空気エンタルピｉa2を求めることができる。
【００４０】
室内風量Gaは、湿り空気の体積流量を示すため、これを乾き空気の体積流量Ga'（＝Ga/vi）に換算する必要がある。このため、エバ入口空気比容積viを用いるが、エバ入口空気比容積viを求めるには、図５に示すように、エバ入口側温度t1とエバ入口側湿度ψ1を測定する必要がある。これに対し、エバ入口側温度t1は、外気導入モードの時は外気温度センサ認識値であり、内気循環モードの時は内気温度センサ認識値である。また、エバ入口側湿度ψ1は、エバ前湿度センサ認識値である。よって、これらの認識値により乾き空気の体積流量Ga'を求めることができる。
【００４１】
このように、車室内風量Gaと、外気温度センサ認識値または内気温度センサ認識値によるエバ入口側温度t1と、エバ前湿度センサ認識値によるエバ入口側湿度ψ1と、エバ後温度センサ認識値によるエバ出口側温度t2と、実験に基づく設定値によるエバ出口側湿度ψ2とを用いて、エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)を精度良く算出することができる。そして、ステップＳ１２においてエバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)が算出されるとステップＳ１３へ移行する。
【００４２】
［エバポレータ冷媒吸熱量の算出］
図６に示すモリエル線図は、冷媒の単位重量当たりの状態を示すものであるため、エバポレータ冷媒吸熱量Ｑevap(冷媒)を求めるには、実際どれだけの冷媒が循環しているかが必要である。その量を冷媒流量Grとすると、エバポレータ冷媒吸熱量Ｑevap(冷媒)は、エバポレータ７が外部から熱を奪って冷媒のエンタルピが変化した分になる。
【００４３】
そこで、ステップＳ１３では、エバポレータ冷媒吸熱量Ｑevap(冷媒)を、エバポレータ前後の冷媒エンタルピ差（ｉevap1−ｉevap2）と冷媒流量Grを用いた下記の式により算出する。
Ｑevap(冷媒)＝（ｉevap1−ｉevap2）×Gr ...(2)
ここで、ｉevap1はエバ入口冷媒エンタルピ、ｉevap2はエバ出口冷媒エンタルピ、Grは冷媒流量である。
【００４４】
エバ入口冷媒エンタルピｉevap1は、高圧側の温度式自動膨張弁６より上流側の冷媒エンタルピと同じであり（図６の線ｃ−ｄ）、この高圧冷媒エンタルピは、高圧側のリキッドタンク５の出口側に設定されている冷媒圧力センサ21-14による冷媒圧力センサ認識値と、その時とれるサブクール（過冷却、つまり、リキッドタンクを出た後の液冷媒を再びコンデンサのサブクール部で冷やすことをいう。）とで一義的に決まる。サブクールについては、最近主流であるコンデンサとリキッドタンクとを一体化し、サブクーラサイクルとしたサブクールコンデンサを採用した場合、外気温と車速によりほぼ比例関係にあり、例えば、アイドリング域の車速を一定値で与えれば、外気温の関数となる。
【００４５】
エバ出口冷媒エンタルピｉevap2を求めるには、エバポレータ７の出口圧力を検出すれば一番的確であるが、ここでは、下記に示すエバポレータ効率ηevapの式に基づいてエバ出口圧力を求める。
ηevap＝（ｉa1−ｉa2）／（ｉa1−ｉ(Tevap)） ...(3)
ここで、ｉ(Tevap)はエバ出口の飽和冷媒温度Tevapにおけるエバ出口空気エンタルピである。
【００４６】
すなわち、実際の冷凍サイクルをみると、エバポレータやコンデンサの圧力が一定でなく、冷媒の流れがあるため、圧力降下が存在する。配管部についても同じである。また、コンプレッサについても吸入・吐出で圧力損失があるほか、機械摩擦により冷媒に熱が加えられたり、内部漏れが存在したり非常に複雑である。この挙動をモリエル線図に示すと、図７に示すようになる。
▲１▼，▲２▼：エバポレータ、コンデンサは冷媒の流れにより、圧力降下を伴いながらエンタルピが増減する。
▲３▼，▲４▼：配管による圧力降下は熱の授受が無いため、エンタルピは一定である。
▲５▼：コンプレッサの圧縮はエントロピが一定ではなく、損失で発生する熱の分だけエントロピは増加し、等エントロピ線よりも右に傾く。
上記▲１▼〜▲５▼の損失により、実際のエバポレータ効率ηevapは、理想時よりも低下する。
【００４７】
従って、エバポレータ効率ηevapを実験で取得しておけば、エバ出口の飽和冷媒温度Tevapにおけるエバ出口空気エンタルピｉ(Tevap)が求まり、その結果からエバ出口圧力Pevapが算出される。
【００４８】
ちなみに、エバポレータ効率ηevapを実験で取得するとしたが、実際には条件による大きな差はなく、例えば、図８に示すように、エバポレータのサイズ、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取得の必要はない。
【００４９】
このように、上記(2)式において、エバ入口冷媒エンタルピｉevap1とエバ出口冷媒エンタルピｉevap2を既知の値とし、冷媒流量Grを未知の値とするエバポレータ冷媒吸熱量Ｑevap(冷媒)を算出することができる。そして、ステップＳ１３においてエバポレータ冷媒吸熱量Ｑevap(冷媒)が算出されるとステップＳ１４へ移行する。
【００５０】
［冷媒流量の算出］
上記エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)と上記エバポレータ冷媒吸熱量Ｑevap(冷媒)とは、Ｑevap(air)＝Ｑevap(冷媒)という関係にある。よって、ステップＳ１４では、冷媒流量Grを下記の式により算出する（冷媒流量算出部）。
Gr＝Ｑevap(air)／（ｉevap1−ｉevap2） ...(4)
このステップＳ１４において、冷媒流量Grを算出したらステップＳ１５へ移行する。
【００５１】
［コンプレッサ吸入側圧力の算出］
ステップＳ１５では、ステップＳ１３で求めたエバ出口圧力Pevapとエバポレータ７から外部制御型コンプレッサ３までの配管による圧力損失△Ｐ(low)とを用いて、コンプレッサ吸入側圧力Psを下記の式により算出する。
Ps＝Pevap−△Ｐ(low) ...(5)
ここで、圧力損失△Ｐ(low)は、冷媒流量Grに対して図９に示すような関係にあり、この冷媒流量Grを用いた下記の式により求まる。
△Ｐ(low)＝ｋ×Grｍ ...(6)
ここで、ｋ，ｍは係数であり、各車両毎の配管レイアウトにて台上実験を行うことにより求めることができる。
【００５２】
［コンプレッサ吐出側圧力の算出］
次のステップＳ１６では、コンデンサ出口圧力Pcondoutと圧力損失△Ｐ(cond)とを用いた下記の式によりコンプレッサ吐出側圧力Pdを算出する。
Pd＝Pcondout＋△Ｐ(cond) ...(7)
ここで、冷媒圧力センサ21-14が高圧側のリキッドタンク５の出口部に設けてあることで、冷媒圧力センサ認識値をコンデンサ出口圧力Pcondoutとすることができる。また、コンデンサ４での圧力損失△Ｐ(cond)は、冷媒流量Grを用いた下記の式であらわされる。
△Ｐ(cond)＝ｋ×Grｎ ...(8)
ここで、ｋ，ｎは係数であり、適用されるコンデンサを用いて台上実験を行うことにより求めることができる。
【００５３】
［コンプレッサ吸入容積の算出］
次に、コンプレッサ吸入容積Vcompは、コンプレッサシリンダ体積V1と、コンプレッサ回転数Ncompと、体積効率ηvとを用いた下記の理論式により算出することができる。
Vcomp＝(60・V1・Ncomp・ηv)／10６ ...(9)
ここで、コンプレッサシリンダ体積V1は適用するコンプレッサの種類により決まる値である。コンプレッサ回転数Ncompは、エンジン駆動の場合にはNcomp＝エンジン回転数となり、電動モータ駆動の場合にはモータ回転数となる。体積効率ηvは、予め実験を行うことにより求めることができる。
【００５４】
しかしながら、実際のコンプレッサ吸入容積Vcompは、理論式通りにいかず冷媒流量Grを用いた下記の関係により換算した方が良く合うことが判明した。
そこで、ステップＳ１７では、下記の関係によりコンプレッサ吸入容積Vcompを求める。
Vcomp∝ｋ・Gr ...(10)
ここで、ｋは定数であり、実験データにより設定する。
【００５５】
［コンプレッサ駆動トルクの算出］
ステップＳ１８では、コンプレッサ吸入側圧力Psと、コンプレッサ吐出側圧力Pdと、コンプレッサ吸入容積Vcompと、断熱係数ｋと、を用いてコンプレッサ駆動トルクＴcompを下記の式により算出する（コンプレッサ駆動トルク算出部）。
Ｔcomp＝k/(k-1)・Ps・Vcomp・{(Pd/Ps)(K-1)/k-1} ...(11)
なお、図１０で示すＰ−Ｖ線図で囲まれた面積が、(11)式により得られるコンプレッサ駆動トルクＴcompの理論値である。しかし、コンプレッサ駆動トルクＴcompの理論値(1,2,3,4で囲まれた面積)に比べ、実際のコンプレッサ駆動トルクＴcomp(1',2',3',4'で囲まれた面積)は、図中の各損失が加わることで大きくなる。よって、コンプレッサ効率ηcompを考慮して(11)式で求めたコンプレッサ駆動トルクＴcompを補正し、補正した値を最終的なコンプレッサ駆動トルクＴcompとして求めるようにしても良い。
【００５６】
［コンプレッサ駆動トルク情報の利用］
ステップＳ１９では、ステップＳ１８で算出されたコンプレッサ駆動トルクＴcompを、エンジンコントロールユニット２３やコンプレッサ容量制御部２０ｃに送信する。
【００５７】
このエンジンコントロールユニット２３への送信により、エンジン制御側でコンプレッサ負荷を正確に把握することができ、例えば、減速時フューエルカット制御やアイドル回転数制御等の様々なエンジン制御にコンプレッサ駆動トルク情報を活用することができる。すなわち、エンジン制御側では、エンジンストールが生じないように、最大コンプレッサ駆動トルクを想定して制御に用いるしきい値や目標値を設定していたのに対し、これらの値をコンプレッサ駆動トルク情報に応じた値により与えることができる。
【００５８】
さらに、コンプレッサ容量制御部２０ｃへの送信により、例えば、減速時フューエルカット制御やアイドル回転数制御が行われる時には、要求冷房能力が低ければ空調制御側でコンプレッサ容量を下げるというように、空調制御とエンジン制御とを協調させた総合制御を行うこともできる。
【００５９】
次に、効果を説明する。
【００６０】
第１実施例の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００６１】
(1) 車両用空調装置の冷凍サイクルに設けられ、外部からの信号により任意に単位時間当たりの理論吐出容量を制御することができる外部制御型コンプレッサ３において、冷凍サイクルの低圧側に設けられるエバポレータ前後のエンタルピの変化に基づいて、エバポレータ７を流れる冷媒流量Grを推定し、推定された冷媒流量Grを用いてコンプレッサ駆動トルクＴcompを算出するコンプレッサ駆動トルク算出部２０ａを空調コントロールユニット２０に設けたため、冷凍サイクルのエバポレータ７を流れる冷媒流量Grを考慮した高い推定精度によりコンプレッサ駆動トルクＴcompを算出することができる。
【００６２】
(2) コンプレッサ駆動トルク算出部２０ａは、冷凍サイクルに設けられるエバポレータ７を経過して車室に流れ込む室内風量Gaを算出する室内風量算出ステップ（ステップＳ１〜ステップＳ９）と、室内風量Gaと、エバポレータ前後の空気エンタルピの変化によりエバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)を算出するエバポレータ空気吸熱量算出ステップ（ステップＳ１２）と、算出されたエバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)と、エバポレータ前後の冷媒のエンタルピ変化量（ｉevap1−ｉevap2）によりエバポレータ７を流れる冷媒流量Grを算出する冷媒流量算出ステップ（ステップＳ１４）と、算出された冷媒流量Grを用いてコンプレッサ駆動トルクＴcompを算出するコンプレッサ駆動トルク算出ステップ（ステップＳ１８）と、を有するため、コンプレッサ駆動トルクＴcompの推定精度を左右する冷凍サイクルのエバポレータ７を流れる冷媒流量Grを、エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)の算出により、高い精度により推定することができる。
【００６３】
(3) 室内風量算出ステップ（ステップＳ１〜ステップＳ９）は、外気導入モードと内気循環モードに分け、各モードについてブロワファン回転数と空調モードに応じて室内風量Gaを算出するため、エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)の算出要素である室内風量Gaを、外気導入モードであるか内気循環モードであるかにかかわらず、精度良く推定することができる。
【００６４】
(4) エバポレータ７の入口湿度ψ1を検出するエバ前湿度センサ21-15を追加し、エバポレータ空気吸熱量算出ステップ（ステップＳ１２）は、エバポレータ７の入口温度t1と入口湿度ψ1によりエバ入口空気エンタルピｉa1を求め、エバポレータ７の出口温度t2と出口湿度ψ2によりエバ出口空気エンタルピｉa2を求め、エバ入口空気エンタルピｉa1からエバ出口空気エンタルピｉa2を差し引いて空気エンタルピ差(ｉa1−ｉa2)を求め、算出された室内風量Gaと、空気エンタルピ差(ｉa1−ｉa2)とを用いてエバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)を算出するため、室内風量Gaと空気エンタルピ差(ｉa1−ｉa2)により精度良くエバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)を算出することができる。
【００６５】
加えて、第１実施例では、エバポレータ７の入口温度t1は既存の内気温度センサ21-9または外気温度センサ21-10を用いて検出し、エバポレータ７の出口温度t2は既存の吸込温度センサ21-12を用いて検出し、エバポレータ７の出口湿度ψ2は計測するまでもなくほぼ一定値であることで固定値により与えたため、エバポレータ７の入口湿度ψ1を検出するエバ前湿度センサ21-15を追加するだけのシステムで、コスト増を抑えながら精度良くエバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)を算出することができる。
【００６６】
(5) 冷媒流量算出ステップ（ステップＳ１４）は、冷媒圧力センサ21-14からの冷媒圧力検出値に基づいてエバ入口冷媒エンタルピｉevap1を求め、エバポレータ効率ηevapに基づいてエバ出口冷媒エンタルピｉevap2を求め、エバ入口冷媒エンタルピｉevap1からエバ出口冷媒エンタルピｉevap2を差し引いて冷媒エンタルピ差（ｉevap1−ｉevap2）を求め、エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)と、冷媒エンタルピ差（ｉevap1−ｉevap2）とを用いてエバポレータ７を流れる冷媒流量Grを算出するため、エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)と冷媒エンタルピ差（ｉevap1−ｉevap2）により精度良くエバポレータ７を流れる冷媒流量Grを算出することができる。
【００６７】
(6) コンプレッサ駆動トルク算出ステップ（ステップＳ１８）は、エバ出口圧力Pevapとエバポレータ７から外部制御型コンプレッサ３までの配管による圧力損失△Ｐ(low)（＝ｋ×Grｍ）とを用いてコンプレッサ吸入側圧力Psを求め、コンデンサ出口圧力Pcondoutと圧力損失△Ｐ(cond)（＝ｋ×Grｎ）とを用いてコンプレッサ吐出側圧力Pdを求め、冷媒流量Grを用いてコンプレッサ吸入容積Vcompを求め、求められたコンプレッサ吸入側圧力Psとコンプレッサ吸入側圧力Pdとコンプレッサ吸入容積Vcompと断熱係数ｋを用いてコンプレッサ駆動トルクＴcompを算出するため、コンプレッサ吸入側圧力Psとコンプレッサ吸入側圧力Pdとコンプレッサ吸入容積Vcompとの３つのトルク算出要素を冷媒流量Grに基づいて求めることで、精度良くコンプレッサ駆動トルクＴcompを算出することができる。
【００６８】
以上、本発明の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置を第１実施例に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この第１実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
【００６９】
例えば、第１実施例では、コンプレッサとしてエンジン駆動による外部制御型コンプレッサを用いる例を示したが、モータにより駆動される可変容量の電動コンプレッサを備えた冷凍サイクルにも適用できる。
【００７０】
第１実施例では、センサとしてエバ前湿度センサを追加するだけの好ましい例を示したが、エバ前湿度センサ以外のセンサ類を追加したものであっても、要するに、冷凍サイクルの低圧側に設けられるエバポレータ前後のエンタルピの変化に基づいて、エバポレータを流れる冷媒流量を推定し、推定された冷媒流量を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出するものであれば本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置が適用された車両用空調システム図である。
【図２】第１実施例装置が適用された冷凍サイクルに有する外部制御型コンプレッサを示す断面図である。
【図３】第１実施例装置に適用された冷凍サイクルに有する外部制御型コンプレッサでの容量可変制御作用の説明図である。
【図４】第１実施例のエアコンコントロールユニットのコンプレッサ駆動トルク算出部にて実行される駆動トルク算出処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】エバポレータの前後位置でのエバ入口空気エンタルピとエバ出口空気エンタルピとの関係を示す図である。
【図６】理想の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。
【図７】実際の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。
【図８】エバポレータ吸熱量に対するエバポレータ効率特性図である。
【図９】冷媒流量に対する圧力損失特性図である。
【図１０】往復式コンプレッサにおける理想の圧縮線図に対する実際の圧縮線図を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ ラジエータ
３ 外部制御型コンプレッサ（可変容量コンプレッサ）
４ コンデンサ
５ リキッドタンク
６ 温度式自動膨張弁
７ エバポレータ
８ オルタネータ
９ 冷却電動ファン
１０ ファンモータ
１１ コントロールバルブ
１２ ブロワファン
１３ ブロワファンモータ
１４ フューエルインジェクタ
２０ 空調コントロールユニット
２０ａ コンプレッサ駆動トルク算出部（コンプレッサ駆動トルク算出手段）
２０ｂ ファンモータ制御部
２０ｃ コンプレッサ容量制御部
２１ 空調制御入力センサ系
21-9 内気温度センサ（内気循環モードでのエバ前温度検出手段）
21-10 外気温度センサ（外気導入モードでのエバ前温度検出手段）
21-12 吸込温度センサ（エバ後温度検出手段）
21-14 冷媒圧力センサ（高圧冷媒圧力検出手段）
21-15 エバ前湿度センサ（エバ前湿度検出手段）
２２ ＰＷＭモジュール
２３ エンジンコントロールユニット
２４ エンジン制御入力センサ系
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車に搭載される空調装置の冷凍サイクルに採用された可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置としては、例えば、特開平５−９９１５６号公報に記載のものが知られている。
【０００３】
この従来公報には、外気温度と回転速度と高圧側圧力と車速に基づいて可変容量コンプレッサの可変領域にある容量を計算し、この計算した容量と高圧側圧力とを用いて可変領域にある駆動トルクを計算すると共に、最大容量と高圧側圧力とを用いて最大容量に達した後の駆動トルクを計算する。そして、計算した両駆動トルクのうちで小さい方を最終的な駆動トルクと決定する装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置にあっては、冷凍サイクル上で高圧側（コンデンサ側）からの高圧側圧力を主としてコンプレッサ駆動トルクを推定するものであるため、冷凍サイクル上で低圧側（エバポレータ側）の情報が欠けたものとなっており、しかも、コンプレッサ駆動トルクを推定するのに重要な冷媒流量が何ら考慮されていないことで、計算されたコンプレッサ駆動トルクは推定精度の低い情報になってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、冷凍サイクルのエバポレータを流れる冷媒流量を考慮することで、高い推定精度によりコンプレッサ駆動トルクを算出することができる可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、車両用空調装置の冷凍サイクルに設けられ、外部からの信号により任意に単位時間当たりの理論吐出容量を制御することができる可変容量コンプレッサにおいて、冷凍サイクルの低圧側に設けられるエバポレータ前後のエンタルピの変化に基づいて、エバポレータを流れる冷媒流量を推定し、推定された冷媒流量を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出するコンプレッサ駆動トルク算出手段を設け、前記コンプレッサ駆動トルク算出手段は、
冷凍サイクルに設けられるエバポレータを経過して車室に流れ込む室内風量を算出する室内風量算出部と、前記室内風量と、エバポレータ前後の空気エンタルピの変化によりエバポレータ空気吸熱量を算出するエバポレータ空気吸熱量算出部と、算出されたエバポレータ空気吸熱量と、エバポレータ前後の冷媒エンタルピの変化によりエバポレータを流れる冷媒流量を算出する冷媒流量算出部と、算出された冷媒流量を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出するコンプレッサ駆動トルク算出部と、を有し、 冷凍サイクルの低圧側に設けられる低圧冷媒圧力検出手段と、冷凍サイクルの高圧側に設けられる高圧冷媒圧力検出手段とを設け、前記コンプレッサ駆動トルク算出部は、前記冷媒流量算出部からの冷媒流量による配管の圧力損失と低圧冷媒圧力検出値に基づいてコンプレッサ吸入側圧力を求め、前記冷媒流量算出部からの冷媒流量による配管の圧力損失と高圧冷媒圧力検出値に基づいてコンプレッサ吐出側圧力を求め、前記冷媒流量算出部からの冷媒流量に基づいてコンプレッサ吸入容積を求め、求められたコンプレッサ吸入側圧力とコンプレッサ吸入側圧力とコンプレッサ吸入容積と断熱係数を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出するようにした。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置にあっては、エバポレータを流れる冷媒流量を推定し、推定された冷媒流量を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出するようにしたため、冷媒流量が考慮された高い推定精度によりコンプレッサ駆動トルクを算出することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置を実現する実施の形態を、請求項１〜４に係る発明に対応する第１実施例に基づいて説明する。
【０００９】
（第１実施例）
まず、構成を説明する。
図１は第１実施例の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置が適用された車両用空調システム図である。図１において、１はエンジン、２はラジエータ、３は外部制御型コンプレッサ（可変容量コンプレッサ）、４はコンデンサ、５はリキッドタンク、６は温度式自動膨張弁、７はエバポレータ、８はオルタネータ、９は冷却電動ファン、１０はファンモータ、１１はコントロールバルブ、１２はブロワファン、１３はブロワファンモータ、１４はフューエルインジェクタである。
【００１０】
前記エンジン１は、燃料噴射のためのフューエルインジェクタ１４を有し、エンジン１とラジエータ２とは、エンジン冷却水入口管とエンジン冷却水出口管により連結されている。
【００１１】
第１実施例装置におけるエアコンサイクルは、外部制御型コンプレッサ３とコンデンサ４とリキッドタンク５と温度式自動膨張弁６とエバポレータ７とにより構成される。以下、各構成要素について説明する。
【００１２】
前記外部制御型コンプレッサ３は、前記エンジン１により駆動され、エバポレータ７から送られる低温低圧の気体による冷媒を高圧高温の気体にしてコンデンサ４に送る。この外部制御型コンプレッサ３は、内蔵されたコントロールバルブ１１に対するデューティ信号によりコンプレッサ容量が外部から可変に制御される。なお、外部制御型コンプレッサ３の詳しい構成は後述する。
【００１３】
前記コンデンサ４は、前記ラジエータ２の前面に配置され、走行風や冷却電動ファン９によって得られる風で、高圧高温の冷媒を凝縮点まで冷却し高圧中温の液体にしリキッドタンク５へ送る。
【００１４】
前記リキッドタンク５は、コンデンサ４から送られる高圧中温の液体による冷媒に含まれる水分やゴミを取り除き、冷媒が円滑に供給できるように溜めて、温度式自動膨張弁６へ送る。
【００１５】
前記温度式自動膨張弁６は、リキッドタンク５から送られる高圧中温の液体による冷媒を急激に膨張させ、低温低圧の液体（霧状）にし、エバポレータ７に送る。
【００１６】
前記エバポレータ７は、温度式自動膨張弁６から送られる霧状の冷媒を、ブロワファン１２により送られる車内空気からの熱を奪いながら蒸発させることで低圧低温の気体とし、この低圧低温の気体による冷媒を外部制御型コンプレッサ３に送る。
【００１７】
前記冷却電動ファン９は、前記エンジン１により駆動されるオルタネータ８の端子電圧を電源として作動されるファンモータ１０を有する。このファンモータ１０は、モータ駆動電圧がＰＷＭ制御（ＰＷＭ＝Pulse Width Modulationの略称）され、ファンモータ１０の作動によるコンデンサ冷却能力が可変に制御される。
【００１８】
前記ブロワファン１２は、ブロワファンモータ１３により駆動され、車室内の空気である内気を吸い込み、前記エバポレータ７に圧送し、冷たくなった空気を車室内に送り出す。
【００１９】
次に、電子制御系について説明する。図１において、２０は空調コントロールユニット、２０ａはコンプレッサ駆動トルク算出部（コンプレッサ駆動トルク算出手段）、２０ｂはファンモータ制御部、２０ｃはコンプレッサ容量制御部、２１は空調制御入力センサ系、２２はＰＷＭモジュール、２３はエンジンコントロールユニット、２４はエンジン制御入力センサ系である。
【００２０】
前記空調コントロールユニット２０は、冷凍サイクルの低圧側（エバポレータ７）の冷媒流量Grに基づいてコンプレッサ駆動トルクＴcompを算出するコンプレッサ駆動トルク算出部２０ａと、ＰＷＭモジュール２２に対し出力するデューティ信号を演算するファンモータ制御部２０ｂと、コントロールバルブ１１へ出力するデューティ信号を演算するCOMP容量制御部２０ｃと、を有する。
【００２１】
前記空調制御入力センサ系２１として、エアコンスイッチ21-1、モードスイッチ21-2、デフスイッチ21-3、オートスイッチ21-4、ＦＲＥスイッチ21-5、ＲＥＣスイッチ21-6、温度調整スイッチ21-7、オフスイッチ21-8、内気温度センサ21-9（内気循環モードでのエバ前温度検出手段）、外気温度センサ21-10（外気導入モードでのエバ前温度検出手段）、日射センサ21-11、吸込温度センサ21-12（エバ後温度検出手段）、水温センサ21-13、冷媒圧力センサ21-14（高圧冷媒圧力検出手段）が設けられている。
【００２２】
これら既設の空調制御入力センサ系２１に、エバポレータ７の入口湿度を検出するエバ前湿度センサ21-15（エバ前湿度検出手段）が追加されている。
【００２３】
前記エンジンコントロールユニット２３は、双方通信線を介して空調コントロールユニット２０に接続され、エンジン制御入力センサ系２４として、車速センサ24-1、エンジン回転数センサ24-2、アクセル開度センサ24-3、アイドルスイッチ24-4等が設けられている。
【００２４】
図２は外部制御型コンプレッサ３を示す断面図であり、図３は外部制御型コンプレッサ３のコントロールバルブ１１に対するデューティ信号によるコンプレッサ容量（吐出側圧力）の制御作用説明図である。
【００２５】
前記外部制御型コンプレッサ３は、多気筒斜板式であり、コンプレッサケース３０と、プーリ３１と、駆動軸３２と、斜板駆動体３３と、斜板３４と、ピストン３５と、高圧ボール弁３６と、コントロールバルブ１１と、高圧室３７と、クランク室３８と、を有して構成されている。
【００２６】
この外部制御型コンプレッサ３は、内蔵された斜板３４の傾きを変化させることにより、吐出容量の制御を行う。つまり、外部制御型コンプレッサ３内に組み込まれたコントロールバルブ１１に対するデューティ信号により、高圧ボール弁３６のリフト量を変化させる。これにより、高圧室３７（＝吐出側圧力Pd）から高圧ボール弁３６を経過してクランク室３８へ流れ込む冷媒流量を制御し、コンプレッサ３内のクランク室３８の圧力（＝クランク室圧力Pc）を変え、斜板３４の傾きを変化させる。
【００２７】
高圧ボール弁３６のリフト量は、図３に示すように、コントロールバルブ１１のダイヤフラムに係る低圧圧力（＝吸込側圧力Ps）とセットスプリングのバネ荷重と電磁コイルに発生する磁力のバランスにより決まる。
【００２８】
前記コントロールバルブ１１内の電磁コイルには、コンプレッサ容量制御部２０ｃから、例えば、400HzのパルスON-OFF信号（デューティ信号）が送られ、デューティ比による実効電流により発生する磁力の変化で高圧ボール弁３６のリフト量を制御する。
【００２９】
次に、作用を説明する。
【００３０】
図４はエアコンコントロールユニット２０のコンプレッサ駆動トルク算出部２０ａにて実行される駆動トルク算出処理の流れを示すフローチャートであり、このフローチャートに沿って外部制御型コンプレッサ３の駆動トルク算出作用を説明する。
【００３１】
なお、この駆動トルク算出処理は、クーラ作動中において常時実行するようにしても良いし、また、減速時フューエルカット制御やアイドル回転数制御等においてエンジンコントロールユニット２３から要求により実行するようにしても良い。
【００３２】
［室内風量（体積流量）の演算］
まず、ステップＳ１では、吸込口スイッチ（ＦＲＥスイッチ21-5及びＲＥＣスイッチ21-6）からの信号に基づいて、ブロワファン１２の吸気ダクトに設けられたインテークドアが、外気導入位置か内気循環位置か否かが判断され、外気導入位置である場合にはステップＳ２へ移行し、内気循環位置である場合にはステップＳ６へ移行する。
【００３３】
外気導入モードである場合、ステップＳ２において、外気温度センサ21-10による検出温度を遅延補正した外気温度センサ認識値を入力し、ステップＳ３において、ブロワファンモータ１３へのブロワファンモータ駆動信号（デューティ比）を遅延補正したブロワファン回転数認識値を入力し、ステップＳ４において、モードスイッチ21-2及びデフスイッチ21-3からの信号に基づいて判断された空調モードを入力する。次のステップＳ５では、外気導入モードにおける入力情報に基づいて室内風量Gaを算出する（室内風量算出部）。
【００３４】
一方、内気循環モードである場合、ステップＳ６において、内気温度センサ21-9による検出温度を遅延補正した内気温度センサ認識値を入力し、ステップＳ７において、ブロワファンモータ１３へのブロワファンモータ駆動信号（デューティ比）を遅延補正したブロワファン回転数認識値を入力し、ステップＳ８において、モードスイッチ21-2及びデフスイッチ21-3からの信号に基づいて判断された空調モードを入力する。次のステップＳ９では、内気循環モードにおける入力情報に基づいて室内風量Gaを算出する（室内風量算出部）。
【００３５】
このように、エバポレータ７を介して車室内に流れ込む室内風量Gaは、外気導入モードにおける各空調モード毎に、あるいは、内気循環モードにおける各空調モード毎に、ブロワファン回転数等の条件設定を変えながら実験を行い、その測定データに基づいてマップ（演算式や表等）を設定しておけば、入力情報とマップを用いて精度良く算出することができる。そして、ステップＳ４またはステップＳ８において、室内風量Gaが算出されるとステップＳ１０へ移行する。
【００３６】
［エバポレータ空気吸熱量の算出］
まず、ステップＳ１０では、エバ前湿度センサ21-15による検出湿度を遅延補正したエバ前湿度センサ認識値を入力し、ステップＳ１１では、吸込温度センサ21-12による検出温度を遅延補正したエバ後温度センサ認識値を入力し、ステップＳ１２へ移行する。
【００３７】
次のステップＳ１２では、エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)を、エバポレータ前後の空気エンタルピ差（ｉa1−ｉa2）と乾き空気の体積流量Ga'を用いた下記の式により算出する（エバポレータ空気吸熱量算出部）。
Ｑevap(air)＝（ｉa1−ｉa2）×Ga' ...(1)
ここで、ｉa1はエバ入口空気エンタルピ、ｉa2はエバ出口空気エンタルピ、Ga'は乾き空気の体積流量であり、Ga'＝Ga/vi（vi：エバ入口空気比容積）により求められる。
【００３８】
エバ入口空気エンタルピｉa1を求めるには、図５に示すように、エバ入口側温度t1とエバ入口側湿度ψ1を測定する必要がある。これに対し、エバ入口側温度t1は、外気導入モードの時は外気温度センサ認識値であり、内気循環モードの時は内気温度センサ認識値である。また、エバ入口側湿度ψ1は、エバ前湿度センサ認識値である。よって、これらの認識値によりエバ入口空気エンタルピｉa1を求めることができる。
【００３９】
エバ出口空気エンタルピｉa2を求めるには、図５に示すように、エバ出口側温度t2とエバ出口側湿度ψ2を測定する必要がある。これに対し、エバ出口側温度t2は、エバ後温度センサ認識値である。また、エバ出口側湿度ψ2は、実験結果により95％程度で設定しておけばよい。よって、エバ後温度センサ認識値とエバ出口側湿度設定値によりエバ出口空気エンタルピｉa2を求めることができる。
【００４０】
室内風量Gaは、湿り空気の体積流量を示すため、これを乾き空気の体積流量Ga'（＝Ga/vi）に換算する必要がある。このため、エバ入口空気比容積viを用いるが、エバ入口空気比容積viを求めるには、図５に示すように、エバ入口側温度t1とエバ入口側湿度ψ1を測定する必要がある。これに対し、エバ入口側温度t1は、外気導入モードの時は外気温度センサ認識値であり、内気循環モードの時は内気温度センサ認識値である。また、エバ入口側湿度ψ1は、エバ前湿度センサ認識値である。よって、これらの認識値により乾き空気の体積流量Ga'を求めることができる。
【００４１】
このように、車室内風量Gaと、外気温度センサ認識値または内気温度センサ認識値によるエバ入口側温度t1と、エバ前湿度センサ認識値によるエバ入口側湿度ψ1と、エバ後温度センサ認識値によるエバ出口側温度t2と、実験に基づく設定値によるエバ出口側湿度ψ2とを用いて、エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)を精度良く算出することができる。そして、ステップＳ１２においてエバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)が算出されるとステップＳ１３へ移行する。
【００４２】
［エバポレータ冷媒吸熱量の算出］
図６に示すモリエル線図は、冷媒の単位重量当たりの状態を示すものであるため、エバポレータ冷媒吸熱量Ｑevap(冷媒)を求めるには、実際どれだけの冷媒が循環しているかが必要である。その量を冷媒流量Grとすると、エバポレータ冷媒吸熱量Ｑevap(冷媒)は、エバポレータ７が外部から熱を奪って冷媒のエンタルピが変化した分になる。
【００４３】
そこで、ステップＳ１３では、エバポレータ冷媒吸熱量Ｑevap(冷媒)を、エバポレータ前後の冷媒エンタルピ差（ｉevap1−ｉevap2）と冷媒流量Grを用いた下記の式により算出する。
Ｑevap(冷媒)＝（ｉevap1−ｉevap2）×Gr ...(2)
ここで、ｉevap1はエバ入口冷媒エンタルピ、ｉevap2はエバ出口冷媒エンタルピ、Grは冷媒流量である。
【００４４】
エバ入口冷媒エンタルピｉevap1は、高圧側の温度式自動膨張弁６より上流側の冷媒エンタルピと同じであり（図６の線ｃ−ｄ）、この高圧冷媒エンタルピは、高圧側のリキッドタンク５の出口側に設定されている冷媒圧力センサ21-14による冷媒圧力センサ認識値と、その時とれるサブクール（過冷却、つまり、リキッドタンクを出た後の液冷媒を再びコンデンサのサブクール部で冷やすことをいう。）とで一義的に決まる。サブクールについては、最近主流であるコンデンサとリキッドタンクとを一体化し、サブクーラサイクルとしたサブクールコンデンサを採用した場合、外気温と車速によりほぼ比例関係にあり、例えば、アイドリング域の車速を一定値で与えれば、外気温の関数となる。
【００４５】
エバ出口冷媒エンタルピｉevap2を求めるには、エバポレータ７の出口圧力を検出すれば一番的確であるが、ここでは、下記に示すエバポレータ効率ηevapの式に基づいてエバ出口圧力を求める。
ηevap＝（ｉa1−ｉa2）／（ｉa1−ｉ(Tevap)） ...(3)
ここで、ｉ(Tevap)はエバ出口の飽和冷媒温度Tevapにおけるエバ出口空気エンタルピである。
【００４６】
すなわち、実際の冷凍サイクルをみると、エバポレータやコンデンサの圧力が一定でなく、冷媒の流れがあるため、圧力降下が存在する。配管部についても同じである。また、コンプレッサについても吸入・吐出で圧力損失があるほか、機械摩擦により冷媒に熱が加えられたり、内部漏れが存在したり非常に複雑である。この挙動をモリエル線図に示すと、図７に示すようになる。
▲１▼，▲２▼：エバポレータ、コンデンサは冷媒の流れにより、圧力降下を伴いながらエンタルピが増減する。
▲３▼，▲４▼：配管による圧力降下は熱の授受が無いため、エンタルピは一定である。
▲５▼：コンプレッサの圧縮はエントロピが一定ではなく、損失で発生する熱の分だけエントロピは増加し、等エントロピ線よりも右に傾く。
上記▲１▼〜▲５▼の損失により、実際のエバポレータ効率ηevapは、理想時よりも低下する。
【００４７】
従って、エバポレータ効率ηevapを実験で取得しておけば、エバ出口の飽和冷媒温度Tevapにおけるエバ出口空気エンタルピｉ(Tevap)が求まり、その結果からエバ出口圧力Pevapが算出される。
【００４８】
ちなみに、エバポレータ効率ηevapを実験で取得するとしたが、実際には条件による大きな差はなく、例えば、図８に示すように、エバポレータのサイズ、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取得の必要はない。
【００４９】
このように、上記(2)式において、エバ入口冷媒エンタルピｉevap1とエバ出口冷媒エンタルピｉevap2を既知の値とし、冷媒流量Grを未知の値とするエバポレータ冷媒吸熱量Ｑevap(冷媒)を算出することができる。そして、ステップＳ１３においてエバポレータ冷媒吸熱量Ｑevap(冷媒)が算出されるとステップＳ１４へ移行する。
【００５０】
［冷媒流量の算出］
上記エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)と上記エバポレータ冷媒吸熱量Ｑevap(冷媒)とは、Ｑevap(air)＝Ｑevap(冷媒)という関係にある。よって、ステップＳ１４では、冷媒流量Grを下記の式により算出する（冷媒流量算出部）。
Gr＝Ｑevap(air)／（ｉevap1−ｉevap2） ...(4)
このステップＳ１４において、冷媒流量Grを算出したらステップＳ１５へ移行する。
【００５１】
［コンプレッサ吸入側圧力の算出］
ステップＳ１５では、ステップＳ１３で求めたエバ出口圧力Pevapとエバポレータ７から外部制御型コンプレッサ３までの配管による圧力損失△Ｐ(low)とを用いて、コンプレッサ吸入側圧力Psを下記の式により算出する。
Ps＝Pevap−△Ｐ(low) ...(5)
ここで、圧力損失△Ｐ(low)は、冷媒流量Grに対して図９に示すような関係にあり、この冷媒流量Grを用いた下記の式により求まる。
△Ｐ(low)＝ｋ×Grｍ ...(6)
ここで、ｋ，ｍは係数であり、各車両毎の配管レイアウトにて台上実験を行うことにより求めることができる。
【００５２】
［コンプレッサ吐出側圧力の算出］
次のステップＳ１６では、コンデンサ出口圧力Pcondoutと圧力損失△Ｐ(cond)とを用いた下記の式によりコンプレッサ吐出側圧力Pdを算出する。
Pd＝Pcondout＋△Ｐ(cond) ...(7)
ここで、冷媒圧力センサ21-14が高圧側のリキッドタンク５の出口部に設けてあることで、冷媒圧力センサ認識値をコンデンサ出口圧力Pcondoutとすることができる。また、コンデンサ４での圧力損失△Ｐ(cond)は、冷媒流量Grを用いた下記の式であらわされる。
△Ｐ(cond)＝ｋ×Grｎ ...(8)
ここで、ｋ，ｎは係数であり、適用されるコンデンサを用いて台上実験を行うことにより求めることができる。
【００５３】
［コンプレッサ吸入容積の算出］
次に、コンプレッサ吸入容積Vcompは、コンプレッサシリンダ体積V1と、コンプレッサ回転数Ncompと、体積効率ηvとを用いた下記の理論式により算出することができる。
Vcomp＝(60・V1・Ncomp・ηv)／10６ ...(9)
ここで、コンプレッサシリンダ体積V1は適用するコンプレッサの種類により決まる値である。コンプレッサ回転数Ncompは、エンジン駆動の場合にはNcomp＝エンジン回転数となり、電動モータ駆動の場合にはモータ回転数となる。体積効率ηvは、予め実験を行うことにより求めることができる。
【００５４】
しかしながら、実際のコンプレッサ吸入容積Vcompは、理論式通りにいかず冷媒流量Grを用いた下記の関係により換算した方が良く合うことが判明した。
そこで、ステップＳ１７では、下記の関係によりコンプレッサ吸入容積Vcompを求める。
Vcomp∝ｋ・Gr ...(10)
ここで、ｋは定数であり、実験データにより設定する。
【００５５】
［コンプレッサ駆動トルクの算出］
ステップＳ１８では、コンプレッサ吸入側圧力Psと、コンプレッサ吐出側圧力Pdと、コンプレッサ吸入容積Vcompと、断熱係数ｋと、を用いてコンプレッサ駆動トルクＴcompを下記の式により算出する（コンプレッサ駆動トルク算出部）。
Ｔcomp＝k/(k-1)・Ps・Vcomp・{(Pd/Ps)(K-1)/k-1} ...(11)
なお、図１０で示すＰ−Ｖ線図で囲まれた面積が、(11)式により得られるコンプレッサ駆動トルクＴcompの理論値である。しかし、コンプレッサ駆動トルクＴcompの理論値(1,2,3,4で囲まれた面積)に比べ、実際のコンプレッサ駆動トルクＴcomp(1',2',3',4'で囲まれた面積)は、図中の各損失が加わることで大きくなる。よって、コンプレッサ効率ηcompを考慮して(11)式で求めたコンプレッサ駆動トルクＴcompを補正し、補正した値を最終的なコンプレッサ駆動トルクＴcompとして求めるようにしても良い。
【００５６】
［コンプレッサ駆動トルク情報の利用］
ステップＳ１９では、ステップＳ１８で算出されたコンプレッサ駆動トルクＴcompを、エンジンコントロールユニット２３やコンプレッサ容量制御部２０ｃに送信する。
【００５７】
このエンジンコントロールユニット２３への送信により、エンジン制御側でコンプレッサ負荷を正確に把握することができ、例えば、減速時フューエルカット制御やアイドル回転数制御等の様々なエンジン制御にコンプレッサ駆動トルク情報を活用することができる。すなわち、エンジン制御側では、エンジンストールが生じないように、最大コンプレッサ駆動トルクを想定して制御に用いるしきい値や目標値を設定していたのに対し、これらの値をコンプレッサ駆動トルク情報に応じた値により与えることができる。
【００５８】
さらに、コンプレッサ容量制御部２０ｃへの送信により、例えば、減速時フューエルカット制御やアイドル回転数制御が行われる時には、要求冷房能力が低ければ空調制御側でコンプレッサ容量を下げるというように、空調制御とエンジン制御とを協調させた総合制御を行うこともできる。
【００５９】
次に、効果を説明する。
【００６０】
第１実施例の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００６１】
(1) 車両用空調装置の冷凍サイクルに設けられ、外部からの信号により任意に単位時間当たりの理論吐出容量を制御することができる外部制御型コンプレッサ３において、冷凍サイクルの低圧側に設けられるエバポレータ前後のエンタルピの変化に基づいて、エバポレータ７を流れる冷媒流量Grを推定し、推定された冷媒流量Grを用いてコンプレッサ駆動トルクＴcompを算出するコンプレッサ駆動トルク算出部２０ａを空調コントロールユニット２０に設けたため、冷凍サイクルのエバポレータ７を流れる冷媒流量Grを考慮した高い推定精度によりコンプレッサ駆動トルクＴcompを算出することができる。
【００６２】
(2) コンプレッサ駆動トルク算出部２０ａは、冷凍サイクルに設けられるエバポレータ７を経過して車室に流れ込む室内風量Gaを算出する室内風量算出ステップ（ステップＳ１〜ステップＳ９）と、室内風量Gaと、エバポレータ前後の空気エンタルピの変化によりエバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)を算出するエバポレータ空気吸熱量算出ステップ（ステップＳ１２）と、算出されたエバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)と、エバポレータ前後の冷媒のエンタルピ変化量（ｉevap1−ｉevap2）によりエバポレータ７を流れる冷媒流量Grを算出する冷媒流量算出ステップ（ステップＳ１４）と、算出された冷媒流量Grを用いてコンプレッサ駆動トルクＴcompを算出するコンプレッサ駆動トルク算出ステップ（ステップＳ１８）と、を有するため、コンプレッサ駆動トルクＴcompの推定精度を左右する冷凍サイクルのエバポレータ７を流れる冷媒流量Grを、エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)の算出により、高い精度により推定することができる。
【００６３】
(3) 室内風量算出ステップ（ステップＳ１〜ステップＳ９）は、外気導入モードと内気循環モードに分け、各モードについてブロワファン回転数と空調モードに応じて室内風量Gaを算出するため、エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)の算出要素である室内風量Gaを、外気導入モードであるか内気循環モードであるかにかかわらず、精度良く推定することができる。
【００６４】
(4) エバポレータ７の入口湿度ψ1を検出するエバ前湿度センサ21-15を追加し、エバポレータ空気吸熱量算出ステップ（ステップＳ１２）は、エバポレータ７の入口温度t1と入口湿度ψ1によりエバ入口空気エンタルピｉa1を求め、エバポレータ７の出口温度t2と出口湿度ψ2によりエバ出口空気エンタルピｉa2を求め、エバ入口空気エンタルピｉa1からエバ出口空気エンタルピｉa2を差し引いて空気エンタルピ差(ｉa1−ｉa2)を求め、算出された室内風量Gaと、空気エンタルピ差(ｉa1−ｉa2)とを用いてエバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)を算出するため、室内風量Gaと空気エンタルピ差(ｉa1−ｉa2)により精度良くエバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)を算出することができる。
【００６５】
加えて、第１実施例では、エバポレータ７の入口温度t1は既存の内気温度センサ21-9または外気温度センサ21-10を用いて検出し、エバポレータ７の出口温度t2は既存の吸込温度センサ21-12を用いて検出し、エバポレータ７の出口湿度ψ2は計測するまでもなくほぼ一定値であることで固定値により与えたため、エバポレータ７の入口湿度ψ1を検出するエバ前湿度センサ21-15を追加するだけのシステムで、コスト増を抑えながら精度良くエバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)を算出することができる。
【００６６】
(5) 冷媒流量算出ステップ（ステップＳ１４）は、冷媒圧力センサ21-14からの冷媒圧力検出値に基づいてエバ入口冷媒エンタルピｉevap1を求め、エバポレータ効率ηevapに基づいてエバ出口冷媒エンタルピｉevap2を求め、エバ入口冷媒エンタルピｉevap1からエバ出口冷媒エンタルピｉevap2を差し引いて冷媒エンタルピ差（ｉevap1−ｉevap2）を求め、エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)と、冷媒エンタルピ差（ｉevap1−ｉevap2）とを用いてエバポレータ７を流れる冷媒流量Grを算出するため、エバポレータ空気吸熱量Ｑevap(air)と冷媒エンタルピ差（ｉevap1−ｉevap2）により精度良くエバポレータ７を流れる冷媒流量Grを算出することができる。
【００６７】
(6) コンプレッサ駆動トルク算出ステップ（ステップＳ１８）は、エバ出口圧力Pevapとエバポレータ７から外部制御型コンプレッサ３までの配管による圧力損失△Ｐ(low)（＝ｋ×Grｍ）とを用いてコンプレッサ吸入側圧力Psを求め、コンデンサ出口圧力Pcondoutと圧力損失△Ｐ(cond)（＝ｋ×Grｎ）とを用いてコンプレッサ吐出側圧力Pdを求め、冷媒流量Grを用いてコンプレッサ吸入容積Vcompを求め、求められたコンプレッサ吸入側圧力Psとコンプレッサ吸入側圧力Pdとコンプレッサ吸入容積Vcompと断熱係数ｋを用いてコンプレッサ駆動トルクＴcompを算出するため、コンプレッサ吸入側圧力Psとコンプレッサ吸入側圧力Pdとコンプレッサ吸入容積Vcompとの３つのトルク算出要素を冷媒流量Grに基づいて求めることで、精度良くコンプレッサ駆動トルクＴcompを算出することができる。
【００６８】
以上、本発明の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置を第１実施例に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この第１実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
【００６９】
例えば、第１実施例では、コンプレッサとしてエンジン駆動による外部制御型コンプレッサを用いる例を示したが、モータにより駆動される可変容量の電動コンプレッサを備えた冷凍サイクルにも適用できる。
【００７０】
第１実施例では、センサとしてエバ前湿度センサを追加するだけの好ましい例を示したが、エバ前湿度センサ以外のセンサ類を追加したものであっても、要するに、冷凍サイクルの低圧側に設けられるエバポレータ前後のエンタルピの変化に基づいて、エバポレータを流れる冷媒流量を推定し、推定された冷媒流量を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出するものであれば本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置が適用された車両用空調システム図である。
【図２】第１実施例装置が適用された冷凍サイクルに有する外部制御型コンプレッサを示す断面図である。
【図３】第１実施例装置に適用された冷凍サイクルに有する外部制御型コンプレッサでの容量可変制御作用の説明図である。
【図４】第１実施例のエアコンコントロールユニットのコンプレッサ駆動トルク算出部にて実行される駆動トルク算出処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】エバポレータの前後位置でのエバ入口空気エンタルピとエバ出口空気エンタルピとの関係を示す図である。
【図６】理想の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。
【図７】実際の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。
【図８】エバポレータ吸熱量に対するエバポレータ効率特性図である。
【図９】冷媒流量に対する圧力損失特性図である。
【図１０】往復式コンプレッサにおける理想の圧縮線図に対する実際の圧縮線図を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ ラジエータ
３ 外部制御型コンプレッサ（可変容量コンプレッサ）
４ コンデンサ
５ リキッドタンク
６ 温度式自動膨張弁
７ エバポレータ
８ オルタネータ
９ 冷却電動ファン
１０ ファンモータ
１１ コントロールバルブ
１２ ブロワファン
１３ ブロワファンモータ
１４ フューエルインジェクタ
２０ 空調コントロールユニット
２０ａ コンプレッサ駆動トルク算出部（コンプレッサ駆動トルク算出手段）
２０ｂ ファンモータ制御部
２０ｃ コンプレッサ容量制御部
２１ 空調制御入力センサ系
21-9 内気温度センサ（内気循環モードでのエバ前温度検出手段）
21-10 外気温度センサ（外気導入モードでのエバ前温度検出手段）
21-12 吸込温度センサ（エバ後温度検出手段）
21-14 冷媒圧力センサ（高圧冷媒圧力検出手段）
21-15 エバ前湿度センサ（エバ前湿度検出手段）
２２ ＰＷＭモジュール
２３ エンジンコントロールユニット
２４ エンジン制御入力センサ系
Claims (4)
- 車両用空調装置の冷凍サイクルに設けられ、外部からの信号により任意に単位時間当たりの理論吐出容量を制御することができる可変容量コンプレッサにおいて、
冷凍サイクルの低圧側に設けられるエバポレータ前後のエンタルピの変化に基づいて、エバポレータを流れる冷媒流量を推定し、推定された冷媒流量を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出するコンプレッサ駆動トルク算出手段を設け、
前記コンプレッサ駆動トルク算出手段は、
冷凍サイクルに設けられるエバポレータを経過して車室に流れ込む室内風量を算出する室内風量算出部と、
前記室内風量と、エバポレータ前後の空気エンタルピの変化によりエバポレータ空気吸熱量を算出するエバポレータ空気吸熱量算出部と、
算出されたエバポレータ空気吸熱量と、エバポレータ前後の冷媒エンタルピの変化によりエバポレータを流れる冷媒流量を算出する冷媒流量算出部と、
算出された冷媒流量を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出するコンプレッサ駆動トルク算出部と、を有し、
冷凍サイクルの低圧側に設けられる低圧冷媒圧力検出手段と、冷凍サイクルの高圧側に設けられる高圧冷媒圧力検出手段とを設け、
前記コンプレッサ駆動トルク算出部は、
前記冷媒流量算出部からの冷媒流量による配管の圧力損失と低圧冷媒圧力検出値に基づいてコンプレッサ吸入側圧力を求め、
前記冷媒流量算出部からの冷媒流量による配管の圧力損失と高圧冷媒圧力検出値に基づいてコンプレッサ吐出側圧力を求め、
前記冷媒流量算出部からの冷媒流量に基づいてコンプレッサ吸入容積を求め、
求められたコンプレッサ吸入側圧力とコンプレッサ吸入側圧力とコンプレッサ吸入容積と断熱係数を用いてコンプレッサ駆動トルクを算出することを特徴とする可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置。 - 請求項１に記載された可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置において、
前記室内風量算出部は、外気導入モードと内気循環モードに分け、各モードについてブロワファン回転数と空調モードに応じて室内風量を算出することを特徴とする可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置。 - 請求項１または請求項２の何れかに記載された可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置において、
エバポレータの入口温度を検出するエバ前温度検出手段と、エバポレータの入口湿度を検出するエバ前湿度検出手段と、エバポレータの出口温度を検出するエバ後温度検出手段と、エバポレータの出口湿度を検出するエバ後湿度検出手段とを設け、
前記エバポレータ空気吸熱量算出部は、
エバポレータの入口温度と入口湿度によりエバ入口空気エンタルピを求め、
エバポレータの出口温度と出口湿度によりエバ出口空気エンタルピを求め、
前記エバ出口空気エンタルピからエバ入口空気エンタルピを差し引いて空気エンタルピ差を求め、
前記室内風量算出部により算出された室内風量と、前記空気エンタルピ差とを用いてエバポレータ空気吸熱量を算出することを特徴とする可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置。 - 請求項１ないし請求項３の何れかに記載された可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置において、
冷凍サイクルの高圧側に設けられる高圧冷媒圧力検出手段を設け、
前記冷媒流量算出部は、
冷媒圧力検出値に基づいてエバ入口冷媒エンタルピを求め、
エバポレータ効率に基づいてエバ出口冷媒エンタルピを求め、
前記エバ入口冷媒エンタルピからエバ出口冷媒エンタルピを差し引いて冷媒エンタルピ差を求め、
前記エバポレータ空気吸熱量算出部により算出されたエバポレータ空気吸熱量と、冷媒エンタルピ差とを用いてエバポレータを流れる冷媒流量を算出することを特徴とする可変容量コンプレッサの駆動トルク算出装置。
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