JP5055366B2 - 空気バネ装置のオンデマンド起動／停止可能なコンプレッサの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の空気バネ装置のオンデマンド起動／停止可能なコンプレッサであって、空気バネ装置の空気バネを充填することができるコンプレッサの制御方法に関する。この方法においては、
−コンプレッサ内で圧縮される空気の温度を温度モデルに従って計算し、かつ、
−圧縮空気の計算温度が第１限界値に上昇するまで、起動されたコンプレッサを最大点において起動状態に保持し、かつ、
−停止されたコンプレッサを、コンプレッサ内の空気の計算温度が第２限界値に下降した時点でもっとも早く再度起動することができる。

本発明は、さらに、空気バネ装置の空気バネを充填することができるコンプレッサを有する自動車用の空気バネ装置にも関する。

最近、自動車には空気バネ装置が設けられる機会が多くなってきた。それは、この装置によって、自動車の負荷状態とは無関係に、車体の運転高さレベルを一定に維持することが可能になるからである。さらに、オフロード車両の場合は、空気バネ装置によって車体を容易にオフロード走行用に持ち上げることができるので、空気バネ装置が採用される場合が多い。自動車に負荷が搭載された後に、あるいは、オフロード走行用に車体を持ち上げる必要がある場合は、空気バネにコンプレッサから圧縮空気を充填する。コンプレッサの起動時間の間、コンプレッサ内に熱が発生し、それによってその部分の温度が上昇する。コンプレッサ内に過度の温度上昇が発生すると、コンプレッサが損傷する可能性がある。従って、起動状態のコンプレッサを過度の熱量発生に対して保護することが重要になる。

独国特許第１９６ ２１ ９４６ Ｃ２号明細書は冒頭に述べた方式の方法を開示している。この特許文献から知られる方法においては、コンプレッサの現在の運転温度に対する推定値が連続的に規定される。コンプレッサが起動されている時は、最後の推定値が、所定の時間間隔後に所定の小温度差だけそれぞれ増大され、コンプレッサが停止される場合は、温度の最後の推定値が、所定の時間間隔後に所定の小温度差だけ低くされる。この方法で計算される起動コンプレッサの推定値が上限値を超えると、コンプレッサが停止される。停止操作の後、推定値が下限値を下回ると、コンプレッサを再度起動することができる。

独国特許第１９６ ２１ ９４６ Ｃ２号明細書から知られる方法によって、起動状態のコンプレッサを過度の熱量発生に対して確実に保護することができる。しかし、この方法においては、コンプレッサが、加熱されそして異なる速さで冷却される部品を含んでいることが考慮されていないことに留意するべきである。特に現代のコンプレッサにおいては、コンプレッサのピストンがプラスチックから製造され、コンプレッサ作動後のその冷却性能がシリンダヘッドのそれよりも大幅に劣る場合が多い。冷却が遅いコンプレッサの部品は、特に熱に対して敏感であり、従って、他の部品よりも容易に損傷する可能性がある。

本発明の目的は、自動車の空気バネ装置のオンデマンド起動／停止可能なコンプレッサの制御方法であって、一方では、コンプレッサの全部品が過度の熱量発生による損傷に対して十分に保護され、他方では、コンプレッサの作動時間ができる限り最適化される、すなわちできる限り長くなるような方法を提供することにある。本発明は、また、この方法を実施し得る空気バネ装置の提供をも、その目的としている。

この目的は、請求項１の特徴、すなわち、
−この方法においては、コンプレッサに対する最初の作動を、コンプレッサ内の空気の温度がコンプレッサの周囲温度であるということによって決定しかつ規定すること、
および、
−コンプレッサの最初の作動に対しては、コンプレッサ内の空気温度の計算用の基礎として、コンプレッサの後続の作動に対するものとは異なる温度モデルを用いること、
という特徴によって達成される。この目的は、また独立請求項１１によっても達成される。

本出願の意味における「温度モデル」という概念は、コンプレッサ内の空気の温度上昇または温度低下を計算し得る計算モデルである。次のような場合には、第１温度モデルは第２温度モデルと異なる。すなわち、その第１温度モデル用の基礎として、第２温度モデル用のものとは完全に異なる計算モデルが用いられる場合、あるいは、第１温度モデル用として、第２温度モデル用のものと同じ計算モデルが選択されるが、その計算モデルにおいて異なるパラメータが用いられる場合である。

本発明の利点は、次の点を考慮するとよく理解できる。すなわち、コンプレッサの最初の作動においては、コンプレッサの全部品の温度は同じであり、特に、コンプレッサの周囲温度に等しいと想定されている点である。従って、コンプレッサの最初の作動に対しては、コンプレッサ内の空気温度の計算用として、温度の上昇がコンプレッサの後続の作動の場合よりも緩やかな温度モデルを選択することが可能になる。それに対して、コンプレッサの後続の作動に対しては、コンプレッサ内の空気温度がより速く上昇するような温度モデルを選択する必要がある。これは、コンプレッサの特定の部品の冷却性能がコンプレッサの他の部品のそれよりも劣るという事実を考慮するために必要になるものである（さらに詳細には図の説明を参照）。

従って、本発明によって達成される利点は、特に、最初のコンプレッサの作動に対して異なる温度モデルを選択することによって、最初のコンプレッサ作動の作動時間を大幅に延長できる点にあると考えられる。本発明のさらに別の利点は、コンプレッサのすべての作動におけるコンプレッサ内の空気温度が専ら温度モデルによって計算され、温度測定が行われない点にあると考えられる。すなわち、コンプレッサ内の空気温度を測定する温度センサは必要でない。

請求項２に記載の本発明の１つの発展形態によれば、コンプレッサの最初の作動に対しては、正の温度勾配、すなわち「温度の上昇値／第２限界値および第１限界値の間の時間」の値に対して、コンプレッサの後続の作動の場合よりも低い値を選択する。この発展形態の利点は、コンプレッサ内の空気温度の計算用の基礎として簡素な温度モデル（ある温度勾配を有する直線的な温度上昇）を使用し得る点、および、コンプレッサの最初の作動に対しては、単にコンプレッサの後続の作動の場合よりも低い温度勾配が規定される点にあると考えられる。

請求項３に記載の本発明の１つの発展形態によれば、コンプレッサの初めのｎ回の作動に対する正の温度勾配が次第に増大する。この発展形態の利点は、コンプレッサの作動時間が、最初の作動に対して最適化されるだけでなく、コンプレッサの初めのｎ回の作動に対しても最適化される点にあると考えられる（さらなる詳細については図面の説明を参照されたい）。

請求項４に記載の本発明の１つの発展形態によれば、正の温度勾配をコンプレッサの第ｎ＋１回の作動以降は一定に保持する。請求項４の発展形態は、コンプレッサ内の空気の温度挙動が、コンプレッサの特定の作動から以降「規則的な振動状態に入り」、その結果、正の温度勾配が一定に保持され得るという事実を考慮している。この発展形態の利点は、第ｎ＋１回の作動用として選択される正の温度勾配がこの状態に最適の程度で合致し得る点にあると考えられる。コンプレッサの温度挙動は、通常、第３回〜第１０回の作動後に規則的な振動状態に入る（従ってｎは３または１０、あるいはその間の整数である）。

請求項５に記載の本発明の１つの発展形態によれば、この方法において、停止されたコンプレッサが特定の時間再起動されなければ、コンプレッサ内の空気の温度がコンプレッサの周囲温度であると想定する。この場合、選定される特定の時間は５〜１５分とすることが望ましい。この発展形態の利点は、コンプレッサが再起動されない時間を容易に決定でき、それにも拘らず、その時間経過後にはコンプレッサ内の空気温度がコンプレッサの周囲温度であると確実に想定し得る点にあると考えられる。この特定時間経過後には、周囲温度は、自動車の周囲に通常想定し得る最高温度値であると想定することができる（例えば４０℃）。

請求項６に記載の本発明の１つの発展形態によれば、周囲温度を自動車の制御ユニットによって測定し、かつ、コンプレッサの最初の作動に対する温度モデルを周囲温度に応じて規定する。この発展形態は、ほとんどの自動車が周囲温度測定用のセンサを備えていることを利用しており、コンプレッサの最初の作動に対する作動時間を実際の周囲温度に基づいてさらに改善し得るという利点を提供する。

請求項７に記載の本発明の１つの発展形態によれば、コンプレッサの最初の停止時間に対しては、コンプレッサ内の空気温度の計算用の基礎として、コンプレッサの後続の停止時間に対するものとは異なる温度モデルを用いる。この発展形態は、コンプレッサの最初の停止時間を短縮でき、従ってコンプレッサをより速やかに次の作動に利用し得るという利点を実現する。

請求項８に記載の本発明の発展形態に従って、コンプレッサの最初の停止時間に対しては、負の温度勾配、すなわち「温度の下降値／時間」の値に対して、第１限界値および第２限界値の間の時間範囲におけるコンプレッサ内の空気温度の計算用として、コンプレッサの後続の停止時間の場合よりも低い値を選択する。この発展形態の利点は、コンプレッサ内の温度低下に対して簡素な温度モデルが選択されるが、それにも拘らず、最初の停止時間を大きく短縮し得る点にあると考えられる。

請求項９に記載の本発明の１つの発展形態によれば、コンプレッサの初めのｎ回の停止時間に対する負の温度勾配が次第に増大する。この発展形態の利点は、負の温度勾配を、コンプレッサの初めのｎ回の停止時間における温度低下に漸次的に適合させることができ、その結果、停止時間を最適の程度に短縮し得る点にあると考えられる。

請求項１０に記載の本発明の１つの発展形態によれば、負の温度勾配をコンプレッサの第ｎ＋１回の停止時間以降は一定に保持する。コンプレッサの第ｎ＋１回の停止時間以降は、停止時間の間の温度低下の時間的変化がほぼ常に同じである。この発展形態の利点は、第ｎ＋１回の停止時間以降、同じ負の温度勾配を有する同じ温度モデルが常に選択されるが、それにも拘らず、コンプレッサの停止時間が最適に決定される点にあると考えられる。

概略的に表現した空気バネ装置を示す。 グラフを示す。 グラフを示す。

次に、本発明の実施例およびさらなる利点を、図面を参照して説明する。

図１は、コンプレッサ４と、制御ユニット６と、コンプレッサ４から供給ライン８を経由して圧縮空気を充填することができる空気バネ１０とを有する自動車の空気バネ装置２の高度に概略化された表現である。図１には、本発明に必要な詳細部分のみが示されている。コンプレッサ４は制御ユニット６によって起動／停止できる。起動された状態においては、コンプレッサ４内に熱が発生し、その結果、温度が上昇する。コンプレッサ内の圧縮空気の温度が、温度モデルに従って制御ユニット６によって計算される。コンプレッサ内の空気温度が第１限界値に上昇すると、制御ユニット６がコンプレッサを停止する。停止操作の後、制御ユニット６において、コンプレッサ内の空気の温度の低下量が計算される。計算されたコンプレッサ内の空気温度が第２下限値に低下すると、必要な場合には空気バネ１０をさらに充填するために、コンプレッサ４を制御ユニット６によって起動することができる。

制御ユニット６は、自動車の別の制御ユニット１２に接続されており、この制御ユニット１２は温度センサ１４に接続されている。温度センサ１４は、周囲温度の測定に用いられ、それを制御ユニット１２に伝送する。制御ユニット１２は、測定された周囲温度を空気バネ装置の制御ユニット６に伝送する。空気バネ装置においては、この測定された周囲温度が、コンプレッサの最初の作動に際して、温度モデルに従ってコンプレッサ内の空気温度を計算するのに考慮される。

制御ユニット６においてコンプレッサ内の空気温度を計算することによって、コンプレッサ内の空気温度を測定する温度センサを省略することができる。さらに、第１上限値に達するとコンプレッサを速やかに停止することによって、コンプレッサの過熱が確実に防止される。しかし、コンプレッサの作動後に、コンプレッサの異なる部品は異なる速さで冷却される可能性がある。例えば、プラスチック製のピストンは、コンプレッサの金属製のシリンダヘッドよりも冷却が遅くなる。コンプレッサ４を最適の作動時間で運転し得るためには、コンプレッサ内の空気温度の計算において、コンプレッサの部品の冷却速度の違いが考慮されるべきである。個々の場合にこれをどのように行うかを、図２および３に関連付けて以下に説明する。

図２は、時間ｔに対して温度Ｔをプロットしたグラフを示す。このグラフの温度Ｔはコンプレッサ内の空気の温度である。図２は、連続グラフ線１６と破線グラフ線１８とを示す。グラフ線１６は、空気バネ装置（図１参照）の制御ユニット６において温度モデルに従って計算されるものとしての、温度Ｔと時間ｔとの間の関係を表す。グラフ線１８は、温度の下限値Ｔｕおよび温度の上限値Ｔｏの間において、グラフ線１６に対する平均の温度勾配がどのようになっているかを表す（すなわち、グラフ線１６および１８は、温度の上下限値においてそれぞれ共通の点を有する）。以下の説明においては、温度限界値の間の温度の変化形状は以下の検討には重要でないので、この温度勾配を、コンプレッサの作動時間および停止時間に対する基礎として用いる。

時刻ｔ＝０において、この温度は、約２５℃、すなわち周囲温度である。コンプレッサ４は、最後に停止された後５〜１５分という比較的長い時間起動されたことがなければ、周囲温度の状態にある。この場合、コンプレッサの圧縮空間内の空気は周囲温度に冷却されている。

時刻ｔ＝０において、コンプレッサ４は制御ユニット６によって起動され、コンプレッサ４の最初の作動が始まる。最初の作動（グラフで１．Ｌと略式表示されている）において、コンプレッサ４は、制御ユニット６において計算されるコンプレッサ内の空気温度が上限値Ｔｏ（選択例においては１８０℃）に達するまで起動状態に保持される。その後、コンプレッサは制御ユニット６によって停止され、コンプレッサの最初の作動が約２１０秒後に完了する。

この最初の作動においては、正の温度勾配ＰＴＧは次式のとおりである。すなわち、
ＰＴＧ １．Ｌ＝（Ｔｏ−Ｔｕ）／（ｔ１ｏ−ｔ１ｕ）
である（グラフも参照）。

コンプレッサ４の最初の作動においては、コンプレッサの部品、特にプラスチック製のピストンが、コンプレッサ内の空気と正確に同じ程度に加熱されると想定できる。これは、コンプレッサが停止される時点で、コンプレッサのピストンの温度も約１８０℃になっていることを意味している。

コンプレッサ４が停止された後、コンプレッサ内の空気温度は低下する。制御ユニット６は、これがどのように生起するかを計算する。制御ユニット６において計算される温度が下限値Ｔｕ（選択例においては１００℃）に達すると、コンプレッサ４は第２回作動可能となる。この状態になるのは約３３０秒後である。引き続いて、コンプレッサ４を制御ユニット６によって再度起動することができ、コンプレッサ４は空気バネ１０に再び充填できる。コンプレッサ４は、制御ユニット６において計算されるコンプレッサ内の空気温度が１８０℃の上限値Ｔｏに達するまで第２回作動における起動状態に保持される。その後、コンプレッサ４は再度停止される。この第２回作動においては、正の温度勾配、すなわち、「温度の上昇値／限界値Ｔｏおよび限界値Ｔｕの間の時間」の値は次式のとおりである。すなわち、
ＰＴＧ ２．Ｌ＝（Ｔｏ−Ｔｕ）／（ｔ２ｏ−ｔ２ｕ）
である。

コンプレッサの最初の作動および第２回の作動に関連して説明した手順は、空気バネ装置の空気バネ１０が所要の状態に充填され、全く新しい制御過程を実施するべき時（例えば、車両への負荷搭載によって）までコンプレッサ４を停止し得るまで、繰り返される。

コンプレッサの初めのｎ回の作動に対する正の温度勾配は次式によって計算される。すなわち、
ＰＴＧ ｎ．Ｌ＝（Ｔｏ−Ｔｕ）／（ｔｎｏ−ｔｎｕ）
；ｎ＝１，２，３，４，．．．
但し、
Ｔｏ＝温度の上限値、
Ｔｕ＝温度の下限値、
ｔｎｏ＝第ｎ回の作動において、計算温度が値Ｔｏに達する時刻、および、
ｔｎｕ＝第ｎ回の作動において、計算温度が値Ｔｕに達する時刻、
である。

コンプレッサの最初の４回の作動（グラフ２参照）においては、正の温度限界値に対して次式が成り立つ。すなわち、
ＰＴＧ １．Ｌ＜ＰＴＧ ２．Ｌ＜ＰＴＧ ３．Ｌ＜ＰＴＧ ４．Ｌ
である。

従って、特に、最初の作動における正の温度勾配は、後続するコンプレッサの作動に対する正の温度勾配よりも小さい。これは、コンプレッサの最初の作動時間の間、コンプレッサ内のピストンの温度が、実際に計算されるコンプレッサ内の空気温度にほぼ等しいという事実によるものである。このため、最初の作動時間は特に長くなる可能性がある。さらに、第１回目の作動においては、制御ユニット１２から制御ユニット６に伝送されるコンプレッサの周囲温度を考慮することができる。第１回目の作動の開始時点においては、コンプレッサ内の空気温度は測定された周囲温度と同じであることが前提とされている。そこで、コンプレッサの第１回目の作動に対しては、コンプレッサ内の空気温度が計算される温度モデルを周囲温度に応じて規定できる。この規定は、第１回目の作動に対する正の温度勾配が、測定された周囲温度が低い程それだけ小さくなるように行われる。

最初の作動時間後、つまり最初の停止時間の間（グラフでは１．Ａによって示される）、コンプレッサ内の空気温度は低下する。コンプレッサ内の温度の低下は制御ユニット６において計算され、計算温度が温度の下限値Ｔｕに達するとコンプレッサを再起動できる。しかし、コンプレッサのプラスチックのピストンは空気と同じようには温度低下しないので、第２回の作動時間の開始時点（すなわち、時刻ｔ２ｕ）においては、プラスチックのピストンの温度がＴｕより高いこと、すなわち１００℃を超えていることを想定する必要がある。プラスチックのピストンの温度がどの程度高いかを正確に推定することは不可能である。本発明によれば、第２回作動時間の開始時点においてコンプレッサのプラスチックのピストンの温度が高いことを斟酌するために、コンプレッサ４の第２回の作動時間に対して、コンプレッサ４の最初の作動時間の場合よりも小さい値が選択される。これに対応して、正の温度勾配ＰＴＧ２は最初の作動時間の正の温度勾配ＰＴＧ１よりも大きい。引き続くコンプレッサの作動においても、コンプレッサ内の空気の加熱または冷却と、コンプレッサのプラスチックのピストンの加熱または冷却との間の乖離が増大するのを斟酌するために、コンプレッサの作動時間は次第に大きく短縮される。

コンプレッサの停止時間（すなわち、コンプレッサ４が作動せず、コンプレッサ内の空気が温度低下し得る時間）に対する負の温度勾配は次式によって決定される。すなわち、
ＮＴＧｎ．Ａ＝（Ｔｕ−Ｔｏ）／（ｔｎ＋１ｕ−ｔｎｏ）
；ｎ＝１，２，３，４，．．．
但し、
Ｔｏ＝温度の上限値、
Ｔｕ＝温度の下限値、
ｔｎ＋１ｕ＝第ｎ回の停止時間の終了時刻または第ｎ＋１回の作動時間の開始時刻、
ｔｎｏ＝第ｎ回の停止時間の開始時刻または第ｎ回の作動時間の終了時刻、
である。

初めのｎ回の停止時間の負の温度勾配に対しては、次式が成り立つ。すなわち、
ＮＴＧ１．Ａ＜ＮＴＧ２．Ａ＜ＮＴＧ３．Ａ＜ＮＴＧ４．Ａ
である。

特に、コンプレッサの最初の停止時間に対する負の温度勾配ＮＴＧ１．Ａは、後続する停止時間に対する負の温度勾配よりも小さい。さらに、初めのｎ回の停止時間に対する負の温度勾配は漸増しており、これは上記の式からも明らかである。コンプレッサの停止時間における負の温度勾配が漸増していることは、コンプレッサの停止時間が次第に長くなっていることを意味している。このように停止時間が長くなることによって、コンプレッサのプラスチックのピストンがコンプレッサ内の空気温度に冷却されるのに要する時間が長くなるという事実が斟酌される。

図３のグラフから、コンプレッサ４の第５回の作動または第５回の停止時間から以降は、それ以後のコンプレッサの作動時間５、６、７等がすべて同じ長さであることが分かる。同じことは、停止時間５、６、７等に対しても当てはまり、これらの時間は同様にすべて同じ時間である。これに対応して、コンプレッサのこれらの作動時間または停止時間の間は、同じ正の温度勾配または負の温度勾配が選択される。これによって、コンプレッサの温度変化が「定常状態」にあることが顧慮される。

２ 空気バネ装置
４ コンプレッサ
６ 制御ユニット
８ 供給ライン
１０ 空気バネ
１２ 制御ユニット
１４ 温度センサ
１６ グラフ線
１８ グラフ線

Claims (9)

1. 自動車の空気バネ装置を起動し停止するコンプレッサ（４）であり、空気バネ装置の空気バネ（１０）を充填することができるコンプレッサ（４）の制御方法であって、
   コンプレッサ（４）内で圧縮される空気の温度を温度モデルに従って計算し、
   前記圧縮空気の前記計算温度が第１限界値に上昇するまで、起動されたコンプレッサ（４）を起動状態に保持し、
   停止されたコンプレッサ（４）を、コンプレッサ（４）内の空気の前記計算温度が第２限界値に下降した時点で素早く再度起動することができる、方法において、
   コンプレッサ（４）に対する最初の作動を、前記最初の作動の開始時点におけるコンプレッサ（４）内の空気の温度がコンプレッサ（４）の周囲温度であるということによって決定しかつ規定すること、
   コンプレッサ（４）の最初の作動に対しては、正の温度勾配である「温度の上昇値／第２限界値と第１限界値の間の時間」の値に対して、コンプレッサ（４）の後続の作動の場合よりも低い値を選択する、ことを特徴とする方法。
2. コンプレッサ（４）の初めのｎ回の作動に対する前記正の温度勾配が次第に増大する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記正の温度勾配をコンプレッサ（４）の第ｎ＋１回の作動以降は一定に保持する、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 停止されたコンプレッサ（４）が特定の時間再起動されなければ、コンプレッサ（４）内の空気の温度がコンプレッサ（４）の周囲温度であると想定する、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
5. 前記周囲温度を自動車の制御ユニットによって測定すること、および、コンプレッサ（４）の最初の作動に対する温度モデルを前記周囲温度に応じて規定すること、を特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
6. コンプレッサ（４）の最初の停止時間に対しては、負の温度勾配である「温度の下降値／第１限界値と第２限界値の間の時間」の値に対して、コンプレッサ（４）の後続の停止時間の場合よりも低い値を選択すること、を特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
7. コンプレッサ（４）の初めのｎ回の停止時間に対する前記負の温度勾配が次第に増大する、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記負の温度勾配をコンプレッサ（４）の第ｎ＋１回の停止時間以降は一定に保持する、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 空気バネ装置の空気バネを充填することができるコンプレッサ（４）を有する自動車用の空気バネ装置において、請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法を実施する制御ユニットを有することを特徴とする空気バネ装置。

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