JP6413198B2 - 気体圧縮機のトルク推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体圧縮機のトルク推定装置に関する。

空気調和システム（以下、空調システムという。）には気体圧縮機が用いられている。気体圧縮機は、外部からの動力の供給を受けて動作する。このため、気体圧縮機は、外部の動力源に対して負荷となる。
空調システムが例えば車両に搭載される場合、動力源は、車両のエンジンとなることが多い。そして、エンジンは、気体圧縮機が動作しているときは気体圧縮機の負荷に対応させて、エンジン制御装置（以下、ＥＣＵ（Engine Control Unit）という。）による、燃料噴射等の制御を最適に行う必要がある。
そこで、気体圧縮機の動作時のトルクを推定することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３９２１４３０号公報

特許文献１に記載されたコンプレッサトルク推定装置は、起動から所定時間経過した後の定常運転時のトルクについては、エンジン回転速度と冷媒の圧力とに基づいて推定している（特許文献１の段落［００２４］の記載及び［図４］参照）。一方、起動時のトルクについては、起動直前における冷媒の圧力に応じたトルクを求めてトルク特性として予め記憶させておき、起動直前の冷媒の圧力を実際に検出して、その検出された圧力に対応するトルクを、記憶されたトルク特性に基づいて推定している。

ここで、起動時のトルクは、起動直前におけるエンジン等の動力源の回転速度が速いとき、大きくなる傾向がある。しかし、特許文献１に記載されたコンプレッサトルク推定装置は、起動時のトルクを起動直前の冷媒の圧力のみに基づいて推定しているため、動力源の回転速度を考慮しておらず、回転速度が速いときは推定された起動時のトルクと実際の起動時のトルクとの誤差が大きくなる。
この誤差は、特に、圧縮速度が速いという特性を有するロータリー型の気体圧縮機ではより大きくなる。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、起動時のトルクを推定する精度を向上させることができる気体圧縮機のトルク推定装置を提供することを目的とする。

本発明は、気体圧縮機の特定の動作状態における前記気体圧縮機のトルク特性として基準トルク特性を記憶した基準トルク特性記憶部と、入力された前記気体圧縮機の回転速度及び前記気体圧縮機から吐出された冷媒の圧力に対応するトルクを、前記基準トルク特性記憶部に記憶された前記基準トルク特性に基づいて設定するトルク設定部と、前記トルク設定部により設定された前記トルクのうち前記気体圧縮機の起動時のトルクを、前記トルク設定部により設定されたトルクに対する前記回転速度及び起動時からの経過時間に応じた補正により設定するトルク補正部と、を備えた気体圧縮機の動作トルク推定装置である。

本発明に係る気体圧縮機のトルク推定装置によれば、起動時のトルクを推定する精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態である気体圧縮機のトルク推定装置の構成を示すブロック図である。 トルク設定部により設定されたトルクの一例を示すグラフである。 補正係数記憶部に記憶した補正係数を示すグラフである。 トルク補正部により補正された後のトルクを示すグラフである。 相対的に低い回転速度においてトルク設定部により設定されたトルクの一例を示すグラフである。

以下、本発明の気体圧縮機のトルク推定装置に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
＜トルク推定装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態である気体圧縮機２００のトルク推定装置１００の構成を示すブロック図である。本実施形態のトルク推定装置１００によってトルクが推定される気体圧縮機２００は、例えばベーンロータリ形式の気体圧縮機である。この気体圧縮機２００は、例えば回転軸とともに回転するロータに等角度間隔で５枚のベーンが埋め込まれていて、回転軸の１回転（ロータの１回転）の間に、冷媒の吸入、圧縮、吐出が各１０回行われる。

図１に示したトルク推定装置１００は、車両に搭載されたエンジン３００を動力源として動作する、車両に装備された空気調和システム５００における気体圧縮機２００の動作中のトルクを推定する装置である。
トルク推定装置１００は、気体圧縮機２００が起動したときのエンジン３００に作用する負荷（トルク）を設定（推定）し、そのトルクに対応して、エンジン３００の動作を制御するエンジン制御装置（ＥＣＵ）４００による燃料噴射等の制御を最適に行わせる目的で用いられる。
トルク推定装置１００は、ＥＣＵ４００の内部に設けられている。トルク推定装置１００は、基準トルク特性記憶部２０と、トルク設定部１０と、トルク補正部３０と、を備えている。

基準トルク特性記憶部２０は、気体圧縮機２００の動作状態における基準トルク特性を記憶している。この基準トルク特性は、気体圧縮機２００の回転速度と、空気調和システム５００におけるコンデンサの出口における冷媒の圧力とをパラメータとして実験的に予め求められたトルクの特性である。そして、求められた基準トルク特性（回転速度及び冷媒の圧力とトルクとの対応関係）は例えばマップとして表され、基準トルク特性記憶部２０に記憶されている。
なお、トルク推定装置１００における基準トルク特性としては、コンデンサの出口における冷媒の圧力に代えて、気体圧縮機２００の出口における冷媒の圧力を適用することもできる。その場合、トルク設定部１０に入力される冷媒の圧力も、気体圧縮機２００の出口における圧力となる。

トルク設定部１０は、基準トルク特性記憶部２０に記憶された基準トルク特性に基づいて、ＥＣＵ４００によって検出されたエンジン３００の回転速度及び空気調和システム５００のコンデンサの出口に設けられた圧力センサ５１０から入力された冷媒の圧力に対応したトルクを設定する。
なお、気体圧縮機２００はプーリを介してエンジン３００によって駆動され、気体圧縮機２００の回転速度はエンジン３００の回転速度に対応しているため、ＥＣＵ４００によって検出されたエンジン３００の回転速度にそのプーリ比を乗じた値が、気体圧縮機２００の回転速度としてトルク推定装置１００に入力される。

ＥＣＵ４００は、実際に気体圧縮機２００が動作したときに、エンジン３００の回転速度をトルク推定装置１００で推定したトルクに対応して燃料噴射等の制御を適切に追従させる必要がある。したがって、特に、気体圧縮機２００が起動した瞬間には、ＥＣＵ４００は、そのときの気体圧縮機２００のトルクに瞬時に追従させる必要がある。このため、気体圧縮機２００の起動時の回転速度として、実際に気体圧縮機２００が起動する直前におけるエンジン３００の回転速度にプーリ比を乗じた値が適用される。これにより、ＥＣＵ４００による燃料噴射等の制御の追従性が向上される。

入力された気体圧縮機２００の回転速度及び冷媒の圧力に対応するトルクは、マップとして記憶された回転速度及び冷媒の圧力と基準トルクとの対応関係（基準トルク特性）に基づいて、例えば補間処理によって設定される。
図２は、トルク設定部１０により設定されたトルクの一例を示すグラフである。図２において、例示として時間が４．９［秒］の時点で気体圧縮機２００が起動しているため、トルクは、時間４．９［秒］の時点からの気体圧縮機２００の回転速度及び冷媒の圧力に応じて急激に増加している図となっている。

トルク補正部３０は、トルク設定部１０により設定されたトルク（例えば、図２参照）のうち気体圧縮機２００の起動時のトルク（起動時からの経過時間が例えば２［秒間］程度の範囲のトルク）を、トルク設定部１０により設定されたトルクに対する、入力された回転速度及び気体圧縮機２００の起動時からの経過時間に応じた補正により設定（推定）する。
トルク補正部３０は、補正係数記憶部４０を備えている。補正係数記憶部４０は、トルク設定部１０により設定されたトルクに対する補正を行うための、入力された気体圧縮機２００の回転速度及び気体圧縮機２００の起動時からの経過時間に応じた補正係数を記憶している。そして、トルク補正部３０は、補正係数記憶部４０に記憶した補正係数をトルク設定部１０により設定されたトルクに乗じて、起動時のトルクを設定（推定）する。ここで、補正係数は、実験的に予め求められている。

トルク補正部３０に入力される気体圧縮機２００の回転速度は、前述したＥＣＵ４００により検出されたエンジン３００の回転速度にプーリ比を乗じた値である。。
トルク補正部３０による、トルク設定部１０により設定されたトルクに対する気体圧縮機２００の回転速度及び気体圧縮機２００の起動時からの経過時間に応じた補正は、補正の程度が、気体圧縮機２００の回転速度が高くなるにしたがって大きく、かつ気体圧縮機２００の起動時からの経過時間が長くなるにしたがって小さく設定されている。

図３は、補正係数記憶部４０に記憶した補正係数を示すグラフである。図３に示した補正係数のグラフのうち太い実線は、気体圧縮機２００の回転速度が４０００［ｒｐｍ］に対応した、気体圧縮機２００の起動時からの経過時間に応じた補正係数を示す。また、図３に示した補正係数のグラフのうち細い実線は、気体圧縮機２００の回転速度が２０００［ｒｐｍ］に対応した、気体圧縮機２００の起動時からの経過時間に応じた補正係数を示す。
なお、グラフの細い実線と太い実線は、経過時間が１．０［秒］以後の範囲で重なっている。

トルク補正部３０による、経過時間に応じた補正は、経過時間が予め設定された長さを超えたときは、補正の程度が一定（補正係数が一定）に設定されている。
具体的には、経過時間が１．０［秒］から１．４［秒］の範囲では補正係数が１．１の一定値、経過時間が１．５［秒］から１．９［秒］の範囲では補正係数が１．０５の一定値に設定されている。なお、トルク補正部３０は、経過時間が１．９［秒］を超えた以後は補正を行わないため、経過時間が１．９［秒］以後の補正係数は設定されていない。ただし、トルク補正部３０が、経過時間が１．９［秒］以後も補正を行うものとしてもよく、この場合、経過時間が１．９［秒］以後の補正係数を１．０の一定値に設定すればよい。

＜トルク推定装置の作用＞
次に、本実施形態のトルク推定装置１００の作用について説明する。
気体圧縮機２００は、例えば電磁クラッチが接続されてエンジン３００に同期して動作を開始することにより起動する。この気体圧縮機２００の起動時を、例えば図２に示した時間４．９［秒］の時点とする。
気体圧縮機２００が起動してからの気体圧縮機２００の回転速度として、気体圧縮機２００が起動する直前からのエンジン３００の回転速度にプーリ比を乗じた値が、ＥＣＵ４００からトルク推定装置１００に入力される。また、気体圧縮機２００が起動する直前からの冷媒の圧力（気体圧縮機２００から吐出された冷媒の圧力として）が、圧力センサ５１０からトルク推定装置１００に入力される。

トルク設定部１０は、入力された気体圧縮機２００の回転速度及び冷媒の圧力に対応するトルクを、基準トルク特性記憶部２０に記憶された基準トルク特性に基づいて設定する。回転速度及び冷媒の圧力が入力されるごとにトルク設定部１０により設定されたトルクは、例えば図２に示すような特性を示す。
つまり、気体圧縮機２００が起動した直後（図２において、時間４．９［秒］から時間５．０［秒］の範囲）は、その時間ごとに入力された気体圧縮機２００の回転速度及び冷媒の圧力に応じて設定されたトルクは急激に増加する。
また、トルクの急激な増加の後（図２において、時間５．０［秒］から１０［秒］の範囲）は、その時間ごとに入力された気体圧縮機２００の回転速度及び冷媒の圧力に応じて設定されたトルクは緩やかに増加する。
その後、対応する時間ごとに入力された気体圧縮機２００の回転速度及び冷媒の圧力に応じて設定されたトルクはほぼ一定値に近付く。

トルク補正部３０は、検出された気体圧縮機２００の回転速度及び冷媒の圧力に応じてその都度、トルク設定部１０により設定されたトルク（図２参照）のうち、気体圧縮機２００の起動時から２［秒間］のトルクを、トルク設定部１０により設定されたトルクに対する補正により設定（推定）する。具体的には、トルク補正部３０に入力された回転速度及び入力された気体圧縮機２００の起動時からの経過時間に応じた補正係数を、トルク設定部１０により設定されたトルクに乗じることで算出する。

トルク補正部３０に入力された回転速度及び入力された気体圧縮機２００の起動時からの経過時間に応じた補正係数は、補正係数記憶部４０に記憶された２種類の回転速度（４０００［ｒｐｍ］、２０００［ｒｐｍ］）に対応した、起動時から経過時間に応じた補正係数を、入力された回転速度に対応させて補間処理することにより求める。そして、求められた補正係数を、起動時からの経過時間に対応させて、トルク設定部１０により設定されたトルクに乗じる。

図４は、トルク補正部３０により補正された後のトルクを示すグラフである。トルク補正部３０が、トルク設定部１０により設定されたトルク（図４において破線で示す。図２における実線と同じ。）を補正して、補正後のトルク（図４において実線で示す。）を設定（推定）する。
なお、トルク推定装置１００は、気体圧縮機２００の起動時から２［秒間］の範囲では補正により起動時のトルクを設定（推定）するが、起動時から２［秒］以後のトルクは、トルク設定部１０により設定されたトルクを補正せずにそのまま定常トルクとして設定（推定）する。図４において、起動時から２［秒］以後の時間７［秒］手前付近からは、グラフの実線（補正後のトルク）が破線（補正前のトルク）に重なっている。

以上のように構成されたトルク推定装置１００によれば、起動時の回転速度が速くなるにしたがって定常トルクよりも大きくなる特性を有する気体圧縮機２００の起動時のトルクを、回転速度を加味した補正により、精度よく設定（推定）することができる。
また、気体圧縮機２００の起動時からの経過時間にしたがって、補正係数を小さく設定したことにより、起動時からの経過時間が長くなるにしたがって定常トルクとの差が小さくなる特性を有する気体圧縮機２００の起動時のトルクを、起動時からの経過時間に応じて、精度よく設定することができる。
なお、上記実施形態においては、図３の例示で、起動時からの経過時間が２［秒間］の範囲で補正係数を設定しているため、トルク推定装置１００は起動時から２［秒間］の範囲で補正を行うものとしている。しかし、この補正を行う期間である２［秒間］は例示にすぎず、本発明のトルク推定装置は、補正を行う期間として、起動時から２［秒間］に限定されるものではない。

図５は、相対的に低い回転速度（例えば、１０００［ｒｐｍ］未満の回転速度）においてトルク設定部により設定されたトルクの一例を示すグラフである。図５において、時間約５．１［秒］以後は、グラフの破線（トルク設定部１０により設定されたトルク）に実線（実際に検出されたトルク）が重なっている。
図２，４は気体圧縮機の回転速度が、相対的に高い回転速度（例えば、１０００［ｒｐｍ］以上の回転速度）におけるトルクを示すものであるが、これよりも低い回転速度（例えば、１０００［ｒｐｍ］未満の回転速度）においては、図５に示すように、起動時のトルク（実線で表す）が、トルク設定部１０により設定されたトルク（破線で表す）に対して大きな差が無い。
したがって、気体圧縮機２００が相対的に低い回転速度（例えば、１０００［ｒｐｍ］未満の回転速度）で動作しているときは、トルク推定装置１００は、トルク設定部１０により設定されたトルクに対して補正を行わないか、又は、トルク補正部３０により、補正係数を１．０として補正を行えばよい。

なお、本実施形態のトルク推定装置１００は、基準トルク特性記憶部２０が、基準トルク特性をマップとして記憶しているが、本発明に係るトルク推定装置は、基準トルク特性をマップで記憶しているものに限定されず、関数形式等で記憶していてもよい。
また、本実施形態のトルク推定装置１００は、基準トルク特性と補正係数とを別々に記憶しているが、本発明に係るトルク推定装置は、基準トルク特性を、補正係数を加味した補正トルク特性（基準トルク特性に補正係数を乗じて得られたトルク特性）として、マップ等の形式で記憶していてもよい。

本発明に係るトルク推定装置が適用される気体圧縮機は、ベーンロータリ形式の気体圧縮機２００に限定されるものではなく、斜板形式やスクロール形式等のコンプレッサであってもよく、その形式に限定されるものではない。

１０ トルク設定部
２０ 基準トルク特性記憶部
３０ トルク補正部
４０ 補正係数記憶部
１００ トルク推定装置
２００ 気体圧縮機
３００ エンジン
４００ エンジン制御装置（ＥＣＵ）
４１０ クロック
５００ 空気調和システム
５１０ 圧力センサ

Claims (4)

1. 気体圧縮機の特定の動作状態における前記気体圧縮機のトルク特性として基準トルク特性を記憶した基準トルク特性記憶部と、
   入力された前記気体圧縮機の回転速度及び前記気体圧縮機から吐出された冷媒の圧力に対応するトルクを、前記基準トルク特性記憶部に記憶された前記基準トルク特性に基づいて設定するトルク設定部と、
   前記トルク設定部により設定された前記トルクのうち前記気体圧縮機の起動時のトルクを、前記トルク設定部により設定されたトルクに対する前記回転速度及び起動時からの経過時間に応じた補正により設定するトルク補正部と、を備えた気体圧縮機のトルク推定装置。
2. 前記トルク補正部は、前記トルク設定部により設定されたトルクに対する補正を行うための、前記回転速度及び起動時からの経過時間に応じた補正係数を記憶した補正係数記憶部を備え、前記補正係数記憶部に記憶した補正係数を、前記トルク設定部により設定されたトルクに乗じて、前記起動時のトルクを設定する請求項１に記載の気体圧縮機のトルク推定装置。
3. 前記トルク補正部による、前記トルク設定部により設定されたトルクに対する前記回転速度及び起動時からの経過時間に応じた補正は、補正の程度が、前記回転速度が大きくなるにしたがって大きく、かつ前記経過時間が長くなるにしたがって小さく設定されている請求項１又は２に記載の気体圧縮機のトルク推定装置。
4. 前記トルク補正部による、前記トルク設定部により設定されたトルクに対する前記回転速度及び起動時からの経過時間に応じた補正は、前記経過時間が予め設定された長さを超えたときは、補正の程度が一定である請求項３に記載の気体圧縮機のトルク推定装置。