JP5287510B2

JP5287510B2 - ガスヒートポンプのエンジン制御装置

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Publication number: JP5287510B2
Application number: JP2009129426A
Authority: JP
Inventors: 慎也森下
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: JP2010275933A

Description

本発明は、ガスヒートポンプのエンジン制御装置に関するものである。

従来、内燃機関としてのエンジンにより圧縮機を駆動する空気調和装置であって、暖房効率を高めるためにエンジンの排熱を利用した空気調和装置が知られている。例えば特許文献１に記載された装置は、エンジンの排気ガスの温度制御を行うことで、エンジンの排熱の回収率を向上させ、且つ、安定運転制御を行うことが提案されている。エンジンの排気ガスの温度制御にあたっては、エンジンの点火時期、空燃比又は排気ガスの再循環率を制御している。

特開２００１−２４８４８９号公報

ところで、特許文献１の装置では、エンジンの排熱を回収するための排気熱交換器が装着されており、エンジンの点火時期、空燃比又は排気ガスの再循環率を制御することで排気熱交換器に供給される排気ガスの温度を調整していた。こうした排気熱交換器は、伝熱面積を増加させるため、構造上、排気ガスの流路面積が全体的に狭くなっている。そのため、エンジンの熱効率優先の運転、即ち排気ガスの温度が上がらない低負荷・低回転の運転が長時間に亘って続くと、エンジンから排出された潤滑油が燃焼せずに排出されることで、特に排気熱交換器にオイルスラッジが堆積して排気ガスの流路面積が低減されてしまい、エンジンの出力低下等の不具合が発生するおそれがある。

本発明の目的は、排気熱交換器へのオイルスラッジの堆積を抑制して排気ガスの流路面積を好適に確保することができ、ひいては信頼性をより向上することができるガスヒートポンプのエンジン制御装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、エンジン、該エンジンにより駆動されて冷媒を吸入するとともに該吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、冷房運転時は冷媒の凝縮器として機能し暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能する室外機熱交換器、前記エンジンの排気ガスが導入される排気熱交換器及び該排気熱交換器に接続され前記エンジンの排熱との間で熱交換して暖房運転時に冷媒の加熱に供せられる熱交換手段を有する室外機と、冷房運転時は冷媒の蒸発器として機能し暖房運転時は冷媒の凝縮器として機能する室内機熱交換器を有する室内機とを備えるガスヒートポンプのエンジン制御装置において、前記エンジンの低負荷又は低回転運転を検出する検出手段と、前記エンジンの低負荷又は低回転運転の継続時間が第１の所定時間を超えたときに、前記排気熱交換器に導入される排気ガスの温度が前記エンジンの排気ガス導入により上昇するように前記エンジンを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記排気熱交換器に導入される排気ガスの温度が上昇するように前記エンジンの制御を開始してからの経過時間が前記第１の所定時間よりも短い第２の所定時間を超えたときに、前記エンジンの低負荷又は低回転運転を再開することを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガスヒートポンプのエンジン制御装置において、前記制御手段は、低負荷又は低回転運転の継続時間が前記第１の所定時間を超えたときに、前記エンジンの点火時期の遅角及び燃料調整弁の開度増加を行うことを要旨とする。

上記各構成によれば、前記エンジンの低負荷又は低回転運転の継続時間が前記所定時間を超えたとき、前記制御手段により前記排気熱交換器に導入される排気ガスの温度が前記エンジンの排気ガス導入により上昇するように前記エンジンが制御される。従って、前記エンジンの低負荷又は低回転運転が行われた前記第１の所定時間内に前記排気熱交換器に堆積したオイルスラッジを高温の排気ガスで焼ききることができる。これにより、前記排気熱交換器へのオイルスラッジの堆積を抑制して排気ガスの流路面積を好適に確保することができ、ひいては前記エンジンの信頼性をより向上することができる。

上記請求項１に記載の発明の構成によれば、前記排気熱交換器に導入される排気ガスの温度が上昇するように前記エンジンの制御が開始されてからの経過時間が前記第２の所定時間を超えたときに、前記制御手段により前記エンジンの低負荷又は低回転運転が再開されることで、例えばオイルスラッジを焼ききった後も徒に前記制御が継続されて前記エンジンの熱効率が悪化することを回避することができる。

本発明では、排気熱交換器へのオイルスラッジの堆積を抑制して排気ガスの流路面積を好適に確保することができ、ひいては信頼性をより向上することができるガスヒートポンプのエンジン制御装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の冷媒系統を示す回路図。同実施形態の燃料ガス、吸排気及び冷却液の各系統を示す回路図。同実施形態の制御態様を示すフローチャート。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態に係るガスヒートポンプのエンジン制御装置が適用される空気調和装置を示す回路図である。同図に示されるように、この空気調和装置は、室外機１０と、室内機３０とを備えて構成されている。

室外機１０に設置され、ガスエンジン１１（図２参照）により駆動される圧縮機１２は、冷媒を吸入するとともに該吸入した冷媒を圧縮して、冷媒配管１３ａを介して接続された四方弁１４に冷媒を送り出す。なお、冷媒配管１３ａには、オイルセパレータ２６が設けられている。

四方弁１４は、冷媒配管１３ｂを介して室外機熱交換器１５に接続されるとともに、冷媒配管１３ｃを介してサブ熱交換器１６に接続され、更に冷媒配管１３ｄを介して開閉弁１７に接続されている。また、四方弁１４は、冷媒配管１３ｅを介してアキュームレータ１８に接続されるとともに、該アキュームレータ１８は、冷媒配管１３ｆを介して前記圧縮機１２に接続されている。

なお、前記室外機熱交換器１５は、冷房運転時は冷媒の凝縮器として機能し暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能するもので、冷媒配管１３ｇを介して過冷却熱交換器１９に接続されている。また、冷媒配管１３ｇには、過冷却熱交換器１９側への冷媒の流れを許容する逆止弁２１が配置されるとともに、該逆止弁２１と並列で流量調整弁２２ａが配置されている。さらに、前記サブ熱交換器１６は、暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能するもので、冷媒配管１３ｈを介して過冷却熱交換器１９に接続されている。そして、冷媒配管１３ｈには、流量調整弁２２ｂが配置されている。また、過冷却熱交換器１９は、冷媒配管１３ｉを介して開閉弁２０に接続されている。

室内機３０に設置された室内機熱交換器３１は、冷媒配管３２ａを介して前記開閉弁１７に接続されるとともに、冷媒配管３２ｂを介して前記開閉弁２０に接続されている。そして、冷媒配管３２ｂには、電子膨張弁３３が配置されている。なお、前記室内機熱交換器３１は、冷房運転時は冷媒の蒸発器として機能し暖房運転時は冷媒の凝縮器として機能する。

冷媒配管１３ａ〜１３ｉ，３２ａ，３２ｂは、圧縮機１２から吐出された冷媒が該圧縮機１２に吸入されるまでの流路を形成して、室外機熱交換器１５及び室内機熱交換器３１に冷媒を循環させる冷媒回路Ｌを構成する。

ここで、冷媒の流れについて説明する。なお、図１では、冷房運転時及び暖房運転時の冷媒の流れを実線矢印及び破線矢印で表している。
冷房運転時、圧縮機１２を出た冷媒は、オイルセパレータ２６及び四方弁１４を通過した後、室外機熱交換器１５に導かれる。ここで、冷媒は、外気により熱を奪われて凝縮・液化し、更に過冷却熱交換器１９により過冷却状態となる。その後、冷媒配管３２ｂを通り室内機３０の電子膨張弁３３で減圧された冷媒は、室内機熱交換器３１で室内の熱を奪い気化する。その後、冷媒は、冷媒配管３２ａを通り四方弁１４及びアキュームレータ１８を経て圧縮機１２に戻る。

一方、暖房運転時、圧縮機１２を出た冷媒は、オイルセパレータ２６及び四方弁１４を通過した後、室内機熱交換器３１（室内機３０）に導かれる。ここで、冷媒は、室内へ熱を放出し、凝縮・液化する。その後、室内機３０の電子膨張弁３３で減圧された冷媒は、冷媒配管３２ｂを通り、室外機１０の流量調整弁２２ａ，２２ｂでそれぞれ減圧され、該流量調整弁２２ａを通過した冷媒は室外機熱交換器１５に、流量調整弁２２ｂを通過した冷媒はサブ熱交換器１６にそれぞれ導かれる。冷媒は、室外機熱交換器１５では外気から熱を吸収、気化し、サブ熱交換器１６ではエンジン排熱から熱を吸収、気化する。その後、室外機熱交換器１５を通過し四方弁１４を経た冷媒と、サブ熱交換器１６を通過した冷媒とが合流し、アキュームレータ１８を経て圧縮機１２に戻る。

次に、前記室外機１０のガスエンジン１１並びにその燃料、吸排気及び冷却液の各系統について図２に基づき概略的に説明する。同図に示されるように、燃料は、燃料調整弁４１を経てミキサ４２に供給される。燃料調整弁４１は、ミキサ４２に供給される燃料の流量をその開度の増減によって調整するためのものである。ミキサ４２に供給された燃料は、吸入空気と混合され、配管４３を介してガスエンジン１１のシリンダ（燃焼室）に導入される。従って、燃料調整弁４１によりミキサ４２に供給される燃料の流量が調整されることで、シリンダに導入される混合気の空燃比が調整されるようになっている。なお、配管４３には、シリンダに導入される混合気の流量を開度の増減によって調整するスロットルバルブ４４が設けられている。

また、ガスエンジン１１には、シリンダに導入される燃料（混合気）を点火する点火装置４０が設けられている。ガスエンジン１１は、シリンダに導入された燃料を燃焼することで、前記圧縮機１２等の駆動力を発生する。燃焼に伴い排出される排気ガスは、排気熱交換器４５で放熱し、排気マフラ４６及び排気トラッパ４７を経て大気中に排出される。

一方、冷却液は、室外機１０に設置されたウォータポンプ５１によってその流れが作られており、液配管５２ａを介して接続された前記排気熱交換器４５に送り出される。なお、排気熱交換器４５は、前記ガスエンジン１１の排熱（排気ガス）との間で熱交換することで冷却液を加熱する。この排気熱交換器４５は、ガスエンジン１１内部の流路（図示略）及び液配管５２ｂを介してサーモスタット弁５３に接続されている。

サーモスタット弁５３は、バイパス液配管５２ｃを介してウォータポンプ５１に接続されるとともに、液配管５２ｄを介して前記サブ熱交換器１６に接続され、更に液配管５２ｅを介してラジエータ５４に接続されている。このラジエータ５４は、前記ガスエンジン１１により加熱された冷却液を、室外の空気との間の熱交換により放熱する。なお、前記サブ熱交換器１６は、液配管５２ｆを介して前記ウォータポンプ５１に接続されるとともに、前記ラジエータ５４は、液配管５２ｇを介して該ウォータポンプ５１に接続されている。そして、前記サーモスタット弁５３は、冷却液の温度に応じてバイパス液配管５２ｃ、サブ熱交換器１６及びラジエータ５４をそれぞれ流れる冷却液の流量を調節する。

具体的には、ガスエンジン１１で加熱された冷却液は、運転開始時等で温度が低いときは、サーモスタット弁５３を介してウォータポンプ５１に戻り、再びガスエンジン１１の排熱で加熱される。また、ガスエンジン１１で加熱された冷却液は、温度が上昇してくると、サーモスタット弁５３を介してサブ熱交換器１６に流れる。さらに、ガスエンジン１１で加熱された冷却液は、温度が更に上昇してくると、サーモスタット弁５３を介してラジエータ５４に流れる。

なお、サーモスタット弁５３によりバイパス液配管５２ｃに導かれた冷却液は、排気熱交換器４５においてガスエンジン１１の排熱との間で熱交換を繰り返すことで円滑に加熱される。また、サーモスタット弁５３によりサブ熱交換器１６に導かれた冷却液は、該サブ熱交換器１６を流れる冷媒との熱交換に供せられて該冷媒を加熱する。これにより、暖房時は冷媒を温めて暖房能力を向上させる。さらに、サーモスタット弁５３によりラジエータ５４に導かれた冷却液は、室外の空気との間で熱交換することで放熱される。液配管５２ａ〜５２ｇは、ウォータポンプ５１により送り出された冷却液が該ウォータポンプ５１に戻るまでの流路を形成して、排気熱交換器４５及びガスエンジン１１等に冷却液を循環させる冷却液回路Ｌ１を構成する。なお、冷却液回路Ｌ１は、前記サブ熱交換器１６とともにガスエンジン１１の排熱を冷媒の加熱に利用する熱交換手段を構成する。

図２に併せ示したように、室外機１０には、例えばマイコンを主体に構成された制御ユニット６０が搭載されている。この制御ユニット６０は、前記スロットルバルブ４４の開度を検出するスロットルモータポジション（ステッピングモータ）６１及び前記ガスエンジン１１の回転速度を検出する回転速度センサ６２と電気的に接続されるとともに、前記点火装置４０及び前記燃料調整弁４１と電気的に接続されている。制御ユニット６０は、例えば点火装置４０を駆動制御することでシリンダに導入される燃料の点火時期を制御する。あるいは、制御ユニット６０は、燃料調整弁４１を駆動制御することでその開度を増減させ、シリンダに導入される混合気の空燃比を調整制御する。

具体的には、制御ユニット６０は、例えば暖房要求が比較的少ないとき（室内機３０の設置される空間の設定温度と実温度との差が小さいときなど）には、熱効率を向上させるべく、ガスエンジン１１の回転速度が性能を維持し得る最低回転速度になるように該ガスエンジン１１の回転速度を制御する。

また、制御ユニット６０は、熱効率優先でガスエンジン１１が低負荷又は低回転運転を行っているとき、該ガスエンジン１１の当該運転を第１の所定時間Ｔ１を超えて継続していることが確認されることで、前記排気熱交換器４５に導入される排気ガスの温度が前記エンジン１１の排気ガス導入により上昇するようにガスエンジン１１を制御する（制御手段）。すなわち、制御ユニット６０は、ガスエンジン１１の負荷に相関するスロットルモータポジション（ステッピングモータ）６１の検出結果に基づいて低負荷運転を検出するとともに、回転速度センサ６２の検出結果に基づいて低回転運転を検出し、更にその内蔵するタイマーによってこれらの運転状態の継続時間を検出する。なお、スロットルモータポジション（ステッピングモータ）６１の検出結果に基づく低負荷運転の検出は、該スロットルモータポジション（ステッピングモータ）６１の検出開度と所定閾値との大小関係によって判断すればよい。同様に、回転速度センサ６２の検出結果に基づく低回転運転の検出も、回転速度センサ６２の検出回転速度と所定閾値との大小関係によって判断すればよい。そして、制御ユニット６０は、低負荷・低回転運転が前記第１の所定時間Ｔ１を超えて継続していることが確認されると、前記排気熱交換器４５に導入される排気ガスの温度を上昇させるべく、シリンダに導入される燃料の点火時期が遅れる（遅角側にずれる）ように前記点火装置４０を制御するとともに、混合気の空燃比が低下する（リッチ側にずれる）ように前記燃料調整弁４１の開度を制御する。これは、ガスエンジン１１の低負荷・低回転運転が行われた前記第１の所定時間Ｔ１内に前記排気熱交換器４５に堆積したオイルスラッジを高温の排気ガスで焼ききるためである。

また、制御ユニット６０は、前記排気熱交換器４５に導入される排気ガスの温度を上昇させるための制御を開始してからの経過時間が前記第１の所定時間Ｔ１よりも短い第２の所定時間Ｔ２を超えたときに、前記エンジンの低負荷・低回転運転を再開するべく、該ガスエンジン１１を制御する。これは、オイルスラッジを焼ききった後も徒に前述の排気ガスの温度を上昇させるための制御が継続されてガスエンジン１１の熱効率が悪化することを回避するためである。

次に、制御ユニット６０によるガスエンジン１１の制御態様について図３のフローチャートに基づき総括して説明する。なお、この処理は、例えば所定時間ごとの定時割り込みにより繰り返し実行される。

同図に示されるように、処理がこのルーチンに移行すると、現在、ガスエンジン１１が低負荷・低回転運転をしているか否かが判断される（Ｓ１）。そして、ガスエンジン１１が低負荷・低回転運転になるのを待って、第１タイマーＴＭ１の計時が開始される（Ｓ２）。この第１タイマーＴＭ１は、ガスエンジン１１が低負荷・低回転運転を継続しているときの経過時間を計時するものである。

続いて、第１タイマーＴＭ１が前記第１の所定時間Ｔ１を超えたか否かが判断される（Ｓ３）。そして、第１タイマーＴＭ１が前記第１の所定時間Ｔ１を超えるのを待って、点火時期が遅角補正されるとともに、燃料調整弁開度が増加補正される（Ｓ４）。ガスエンジン１１は、これらの補正により、点火装置４０による燃料の点火時期が遅角されるとともに、燃料調整弁４１の開度が増加されて、その排気ガスの温度が上昇するように制御される。これにより、前記排気熱交換器４５に導入される排気ガスの温度が上昇して、該排気熱交換器４５に堆積したオイルスラッジが焼ききられる。

点火時期の遅角補正等が開始されると、第２タイマーＴＭ２の計時が開始される（Ｓ６）。この第２タイマーＴＭ２は、点火時期の遅角補正等を開始してからの経過時間を計時するものである。

続いて、第２タイマーＴＭ２が前記第２の所定時間Ｔ２を超えたか否かが判断される（Ｓ６）。そして、第２タイマーＴＭ２が前記第２の所定時間Ｔ２を超えるのを待って、点火時期及び燃料調整弁開度がベースに戻され（Ｓ７）、当該ルーチンでの処理が終了される。エンジン１１は、点火時期等がベースに戻されることで、熱効率を向上させるべく、低負荷・低回転運転を再開するように制御される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、ガスエンジン１１の低負荷又は低回転運転の継続時間が第１の所定時間Ｔ１を超えたとき、制御ユニット６０により排気熱交換器４５に導入される排気ガスの温度がエンジン１１の排気ガス導入により上昇するようにガスエンジン１１が制御される。従って、ガスエンジン１１の低負荷又は低回転運転が行われた第１の所定時間Ｔ１内に排気熱交換器４５に堆積したオイルスラッジを高温の排気ガスで焼ききることができる。これにより、排気熱交換器４５へのオイルスラッジの堆積を抑制して排気ガスの流路面積を好適に確保することができ、ひいてはガスエンジン１１の信頼性をより向上することができる。

また、ガスエンジン１１の排気ガスの温度を下げることで生じる排気熱交換器４５のオイルスラッジの堆積を抑制できるため、該排気熱交換器４５においてより積極的に熱回収を行うことができ、暖房効率をより向上させることができる。

（２）本実施形態では、排気熱交換器４５に導入される排気ガスの温度が上昇するようにガスエンジン１１の制御が開始されてからの経過時間が第２の所定時間Ｔ２を超えたときに、制御ユニット６０によりガスエンジン１１の低負荷又は低回転運転が再開されることで、例えばオイルスラッジを焼ききった後も徒に前記制御が継続されてガスエンジン１１の熱効率が悪化することを回避することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態においては、排気熱交換器４５で回収されたガスエンジン１１の排熱を冷却液回路Ｌ１及びサブ熱交換器１６を介して冷媒の加熱に利用したが、例えば冷媒回路Ｌを排気熱交換器４５に直に接続して、該排気熱交換器４５で回収されたガスエンジン１１の排熱を冷媒の加熱に直に利用してもよい。

・前記実施形態において、第１タイマーＴＭ１の計時は、ガスエンジン１１が低負荷運転及び低回転運転のいずれか一方を継続するときに行ってもよいし、ガスエンジン１１が低負荷運転及び低回転運転の少なくとも一方を継続するときに行ってもよい。

・前記実施形態においては、ガスエンジン１１の低負荷又は低回転運転の継続時間が第１の所定時間Ｔ１を超えたときに排気熱交換器４５に導入される排気ガスの温度がエンジン１１の排気ガス導入により上昇するようにガスエンジン１１を制御したが、これとは別に、ガスエンジン１１の運転時間が一定時間経過するごとに排気熱交換器４５に導入される排気ガスの温度がエンジン１１の排気ガス導入により上昇するようにガスエンジン１１を制御してもよい。

Ｌ１…冷却液回路（熱交換手段）、１０…室外機、１１…ガスエンジン（エンジン）、１２…圧縮機、１５…室外機熱交換器、１６…サブ熱交換器（熱交換手段）、３０…室内機、３１…室内機熱交換器、４０…点火装置、４１…燃料調整弁、４５…排気熱交換器、６０…制御ユニット（制御手段）、６１…スロットルモータポジション（ステッピングモータ）（検出手段）、６２…回転速度センサ（検出手段）。

Claims

エンジン、該エンジンにより駆動されて冷媒を吸入するとともに該吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、冷房運転時は冷媒の凝縮器として機能し暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能する室外機熱交換器、前記エンジンの排気ガスが導入される排気熱交換器及び該排気熱交換器に接続され前記エンジンの排熱との間で熱交換して暖房運転時に冷媒の加熱に供せられる熱交換手段を有する室外機と、冷房運転時は冷媒の蒸発器として機能し暖房運転時は冷媒の凝縮器として機能する室内機熱交換器を有する室内機とを備えるガスヒートポンプのエンジン制御装置において、
前記エンジンの低負荷又は低回転運転を検出する検出手段と、
前記エンジンの低負荷又は低回転運転の継続時間が第１の所定時間を超えたときに、前記排気熱交換器に導入される排気ガスの温度が前記エンジンの排気ガス導入により上昇するように前記エンジンを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記排気熱交換器に導入される排気ガスの温度が上昇するように前記エンジンの制御を開始してからの経過時間が前記第１の所定時間よりも短い第２の所定時間を超えたときに、前記エンジンの低負荷又は低回転運転を再開することを特徴とするガスヒートポンプのエンジン制御装置。
請求項１に記載のガスヒートポンプのエンジン制御装置において、
前記制御手段は、低負荷又は低回転運転の継続時間が前記第１の所定時間を超えたときに、前記エンジンの点火時期の遅角及び燃料調整弁の開度増加を行うことを特徴とするガスヒートポンプのエンジン制御装置。