KR20060121738A - 가변 용량 압축기용 제어 장치 및 가변 용량 압축기의 토크산출 방법 - Google Patents

가변 용량 압축기용 제어 장치 및 가변 용량 압축기의 토크산출 방법 Download PDF

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에이지 다까하시
마사끼 가와찌
마사노리 오가와
모리오 세끼즈까
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칼소닉 칸세이 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 가변 용량 압축기의 토크를 산출하기 위한 장치가 제공된다. 압축기는 흡입 챔버, 토출 챔버, 흡입 챔버로부터 냉매를 흡입하고, 흡입된 냉매를 압축하며, 압축된 냉매를 토출 챔버로 토출하기 위한 피스톤, 구동원으로부터의 구동력을 피스톤에 전달하여 피스톤을 작동시키도록 턴온되고 구동원의 구동력을 피스톤으로부터 연결 해제하여 피스톤을 정지시키도록 턴오프되는 클러치, 및 토출 챔버로부터 피스톤의 후방으로 도입되는 배압을 조절하여 피스톤의 스트로크를 조절하기 위한 압력 조절기를 구비한다. 상기 장치는 클러치가 다음에 턴온될 때까지 클러치가 ON 상태로부터 턴오프되는 OFF 시간을 카운트하도록 구성된 카운터, OFF 시간이 소정 시간 미만인지 여부를 판정하도록 구성된 판정기, 및 판정기의 판정에 따라 압축기의 시동 토크를 산출하도록 구성된 시동 토크 산출기를 포함한다.
피스톤, 클러치, 압력 조절기, 카운터, 판정기, 시동 토크 산출기

Description

가변 용량 압축기용 제어 장치 및 가변 용량 압축기의 토크 산출 방법 {CONTROL APPARATUS FOR VARIABLE CAPACITY COMPRESSOR AND METHOD OF CALCULATING TORQUE OF VARIABLE CAPACITY COMPRESSOR}
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 에어컨의 개략 도시도.
도2는 도1의 에어컨의 가변 용량 압축기를 도시하는 단면도.
도3은 도2의 압축기의 용량 변경 기구의 설명도.
도4는 도1의 에어컨의 압축기 콘트롤러를 도시하는 블록선도.
도5는 도1의 에어컨에서의 냉동 사이클을 도시하는 도면으로서, 냉동 사이클의 모리에 선도.
도6은 도1의 에어컨에서 듀티 계수가 상이한 상태에서의 압축기 흡입 압력 및 압축기 토출 압력의 특성 곡선을 도시하는 도면.
도7은 냉동 사이클(증발기)에서의 부하가 일정하고 듀티 계수가 상이한 상태에서의 압축기 토출 압력 및 토크의 특성 곡선을 도시하는 도면.
도8은 냉동 사이클(증발기)에서의 부하가 상이한 상태에서의 압축기 토출 압력 및 토크의 도시도.
도9는 60%의 일정한 듀티 계수에서의 토크 및 압축기 토출 압력의 특성 곡선을 도시하는 도면.
도10은 도1의 에어컨의 정상 상태 토크를 산출하는 처리를 도시하는 순서도.
도11은 도1의 에어컨의 추정 토크 및 실제 토크의 특성 곡선을 도시하는 도면.
도12는 도1의 에어컨의 압축기를 정지시키는 처리를 도시하는 순서도.
도13은 도1의 에어컨의 압축기를 작동 재개하는 처리를 도시하는 순서도.
도14는 도1의 에어컨의 압축기의 시동 토크를 산출하는 처리를 도시하는 순서도.
도15는 도1의 에어컨의 압축기를 정지시킬 때 에어컨 클러치의 ON/OFF 상태 및 출력 듀티 계수를 도시하는 타이밍 차트.
도16은 도1의 에어컨의 압축기를 작동 재개할 때 에어컨 클러치의 ON/OFF 상태, 출력 듀티 계수, 및 토크 산출 패턴을 도시하는 타이밍 차트.
도17은 도1의 에어컨의 압축기의 시동 토크의 실험 특성 곡선을 도시하는 도면.
도18은 도1의 에어컨의 압축기에 관련한 대기 온도 및 추가 토크의 특성 곡선을 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1. 엔진 2. 연료 분사기
3. 엔진 제어 유닛 3b. 클러치 콘트롤러
8. 압축기 9. 응축기
12. 증발기 13. 제어 밸브
14a. 압축기 콘트롤러 14b. 용량 콘트롤러
14c. 토크 산출기 14e. 팬 모터 콘트롤러
26d. 경사판 26e. 피스톤 로드
27. 피스톤 31. 플런저
31a. 밸브 플러그 32. 격벽
43. 에어컨(A/C) 클러치 48. 크랭크 케이스
49. 토출 챔버 50. 흡입 챔버
51. 실린더 보어 52, 53. 스프링
54. 압력 도입 통로 55. 압력 해방 통로
101. 카운터 103. 판정기
105. 정상 상태 토크 산출기 107. 정상 상태 풀 스트로크 산출기
109. 시동 토크 산출기 113. 전이 시동 토크 산출기
관련 출원
본 출원은 2005년 5월 25일자로 출원된 일본 특허 출원 제2005-153188호에 기초하여 그 우선권을 청구하며, 그 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 합체된다.
본 발명은 냉동 사이클에 배치되는 가변 용량 압축기의 토크를 산출하고 제 어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
가변 용량 압축기는 예를 들어 차량의 에어컨의 냉동 사이클에 사용된다. 차량에서, 압축기는 무단 벨트에 의해 차량 엔진에 연결된다. 벨트는 엔진의 구동 샤프트에 고정된 메인 풀리를 압축기의 구동 샤프트에 고정된 종동 풀리에 연결한다. 엔진은 압축기를 구동하기 위한 구동원으로서 작용한다. 압축기가 그 냉매 토출 용량을 변경하면, 엔진에 대한 부하가 변경되며, 이는 아이들링 작동 중에 엔진 실속(stall)을 초래할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 엔진 콘트롤러는 압축기의 부하(토크)에 따라 흡입 공기량(연료 혼합물 공급량)을 제어해야 한다. 이를 달성하기 위해, 엔진 콘트롤러는 압축기의 토크를 알아야 한다. 이를 위해서, 일본 특허 공개 평5-99156호, 제2004-211663호 및 제2003-278660호에 개시된 것과 같은 다양한 압축기 토크 산출 장치가 제안되었다.
이들 토크 산출 장치 중에서, 일본 특허 공개 평5-99156호는 정보(냉동 사이클에서의 고압, 응축기에서의 냉매 온도, 대기 온도 등)에 따라서 냉매 유량을 산출하고, 산출된 냉매 유량에 따라 압축기의 토크를 추정한다. 이 종래 기술에 의해 추정된 토크는 정상 상태(steady state) 토크인 바, 즉 냉동 사이클이 착실하게 냉매를 통과하는 기간 도중의 압축기의 작동 토크이다.
가변 용량 압축기의 작동 개시 후 짧은 기간 내, 예를 들어 압축기의 시동 후 대략 4초 이내에는 냉매의 유동이 불안정하며, 따라서 종래 기술에서는 냉매 유량에 기초하여 토크를 추정할 수 없다. 압축기가 정지되면, 압축기 내의 냉매는 그 압력이 평형 상태로 변경된다. 압력 변경 기간 중에, 압축기 내의 피스톤은 이동하고 있으므로 피스톤의 위치를 추정하기가 어려우므로, 압축기가 정지 후 바로 작동 재개되면 압축기의 시동 토크를 추정할 수 없다. 이 때문에, 일부 종래의 압축기 콘트롤러는 압축기가 정지된 후 10초 동안 압축기의 작동을 금지하고 있다. 이는 압축기의 자유 제어 측면에서 불편하다. 압축기는 필요할 때 언제든지 작동이 온 오프되어야 한다.
본 발명은, 압축기가 정지된 직후 작동 재개될 때에도 가변 용량 압축기의 토크를 산출하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 태양은 가변 용량 압축기의 토크를 산출하는 방법을 제공한다. 압축기는 흡입 챔버, 실린더 보어, 토출 챔버, 흡입 챔버로부터의 냉매를 실린더 보어 내로 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하며 압축된 냉매를 토출 챔버로 토출하기 위한 피스톤, 구동원으로부터의 구동력을 전달하여 피스톤을 구동하도록 구성되고 구동원의 구동력을 연결 해제시켜 피스톤이 구동되지 않도록 구성되는 클러치, 및 토출 챔버로부터 피스톤의 후방으로 도입되는 배압을 조절하여 피스톤 스트로크를 조절하기 위한 압력 조절기를 구비한다. 이 방법은, 클러치가 다음에 턴온될 때까지 클러치가 ON 상태로부터 턴오프되어 있는 OFF 시간을 카운트하는 단계, OFF 시간이 소정 시간 미만인지 여부를 판정하는 단계 및 판정에 따라 압축기의 시동 토크를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제2 태양은 가변 용량 압축기의 토크를 산출하는 방법을 제공한 다. 압축기는 흡입 챔버, 실린더 보어, 토출 챔버, 흡입 챔버로부터의 냉매를 실린더 보어 내로 흡입하고, 흡입된 냉매를 압축하며, 압축된 냉매를 토출 챔버로 토출하기 위한 피스톤, 구동원으로부터의 구동력을 전달하여 피스톤을 구동하도록 구성되고 구동원의 구동력을 연결 해제시켜 피스톤이 구동되지 않도록 구성되는 클러치, 및 토출 챔버로부터 피스톤의 후방으로 도입되는 배압을 조절하여 피스톤 스트로크를 조절하기 위한 압력 조절기를 구비한다. 이 방법은, 클러치가 턴오프된 후 적어도 소정 시간 동안, 풀 피스톤 스트로크를 달성하기 위한 최대 용량 신호와 동일한 외부 제어 신호를 압력 조절기에 제공하는 단계, 및 클러치가 턴온될 때 압축기의 시동 토크를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제3 태양은 가변 용량 압축기의 토크를 산출하는 방법을 제공한다. 이 압축기는 흡입 챔버, 실린더 보어, 토출 챔버, 흡입 챔버로부터의 냉매를 실린더 보어 내로 흡입하고, 흡입된 냉매를 압축하며, 압축된 냉매를 토출 챔버로 토출하기 위한 피스톤, 구동원으로부터의 구동력을 전달하여 피스톤을 구동하도록 구성되고 구동원의 구동력을 연결 해제하여 피스톤을 정지시키기 위해 턴오프되도록 구성되는 클러치, 및 토출 챔버로부터 피스톤의 후방으로 도입되는 배압을 조절하여 피스톤 스트로크를 조절하기 위한 압력 조절기를 구비한다. 이 방법은, 클러치가 ON 상태로부터 턴오프된 후, 풀 피스톤 스트로크를 달성하기 위한 최대 용량 신호와 동일한 외부 제어 신호를 압력 조절기에 제공하는 단계, 클러치가 다음에 턴온될 때까지 클러치가 ON 상태로부터 턴오프되어 있는 OFF 시간을 카운트하는 단계, OFF 시간이 소정 시간 미만인지 여부를 판정하는 단계, 및 상기 판정에 따라 압축기의 시동 토크를 산출하는 단계를 포함한다.
<실시예>
본 발명의 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 설명할 것이다.
도1 내지 도17은 본 발명의 실시예에 따른 가변 용량 압축기의 토크를 산출하기 위한 방법 및 장치를 도시한다. 도1은 가변 용량 압축기(8)를 구비하는 차량용 에어컨(6)의 개략 도시도이고, 도2는 압축기(8)를 도시하는 단면도이며, 도3은 압축기(8)의 제어 밸브(13)의 개략 도시도이며, 도4는 압축기(8)를 제어하기 위한 압축기 콘트롤러(14a)를 도시하는 블록선도이다.
도1에서, 차량의 엔진(1)은 연료를 분사하기 위한 연료 분사기(2)를 구비한다. 연료 분사기(2)의 개구는 엔진의 실린더 보어에 대한 공기 공급(연료 혼합물 공급)을 변경하고 엔진(1)의 회전수를 제어하기 위해 조절될 수 있다. 엔진(1)은 냉각수 배관(특정 도면부호로 도시되지는 않음)을 통해서, 엔진(1)의 열을 방사하는 라디에이터(4)에 연결된다.
엔진(1)은 주로 엔진 제어 유닛(3)에 의해 제어된다. 엔진 제어 유닛(3)은 엔진 제어 센서 그룹(20)으로부터 데이터를 수신한다. 엔진 제어 센서 그룹(20)은 속도 센서(20a), 엔진 회전 센서(20b), 가속기 개도 센서(20c), 아이들 스위치(20d) 등을 포함한다. 이들 센서로부터의 데이터 및 엔진 제어 지령에 따라, 엔진 콘트롤러(3a)를 구비하는 엔진 제어 유닛(3)은 엔진(1) 및 연료 분사기(2)를 제어한다. 엔진 제어 유닛(3)은 또한 압축기(8)의 에어컨(A/C) 클러치(43)의 ON/OFF 작동을 제어하는 클러치 콘트롤러(3b)를 구비한다.
차량의 에어컨(6)은 냉동 사이클 유닛(7a) 및 공조 유닛(7b)을 구비한다. 공조 유닛(7b)은 증발기(12)를 구비하며, 온도 조절된 공기 유동을 제공한다. 냉동 사이클 유닛(7a)은 가변 용량 압축기(8), 응축기(9), 액체 탱크(10), 온도 감지 자동 팽창 밸브(11), 증발기(12), 및 상기 구성요소(8 내지 11)를 상호 연결하는 냉매 배관(특정 도면부호로 도시되지 않음)을 포함한다.
압축기(8)는, 이 압축기(8)를 엔진(1)에 대해 연결 및 연결 해제시키며 구동원으로서 작용하는 A/C 클러치(43)(도2)를 구비한다. A/C 클러치(43)가 턴오프되면, 엔진(1)으로부터 압축기(8)로 구동력이 전혀 전달되지 않으므로 압축기(8)는 정지한다. A/C 클러치(43)가 턴온되면, 엔진(1)으로부터 압축기(8)로 구동력이 전달되어 압축기(8)가 구동된다. 압축기(8)는 구동되면 저온 저압의 기체 냉매를 압축하여, 응축기(9)에 고온 고압의 압축된 액체 냉매를 제공한다.
응축기(9)는 차량이 주행 중일 때의 공기 유동 및 전기 팬(15)으로부터의 공기 유동에 노출되도록 라디에이터(4)의 전방에 배치된다. 압축기(8)로부터의 고온 고압의 액체 냉매는 응축기(9)를 통과하는 공기 유동에 의해 응축점으로 냉각되며, 액체 탱크(10)로 유입되는 고압 중온(middle temperature)의 액체 냉매가 된다.
액체 탱크(10)는 고압 중온의 액체 냉매로부터 수분과 이물질을 제거하고 기체에서 액체를 분리한다. 분리된 액체 냉매는 액체 탱크(10)로부터 팽창 밸브(11)로 이동된다.
팽창 밸브(11)는 고압 중온의 액체 냉매를 급격히 팽창시켜 저압 저온의 무상(atomized) 액체 냉매로 만든다. 무상 액체 냉매는 증발기(12)로 유동한다.
증발기(12)는, 차량 내부에 설치되는 공조 유닛(7b)의 덕트에 배치된다. 증발기(12)는 덕트를 통과하는 공기를 냉각시킨다. 증발기(12)를 통과하는 무상 액체 냉매는 증발기(12)를 통과하는 공기로부터 열을 제거하도록 증발하여, 공기를 냉각시킨다. 증발기(12)로부터의 저온 저압의 기체 냉매는 압축기(8)로 유동한다.
공조 유닛(7b)은 차량 내부에 배치되고, 온도 조절된 공기 유동을 차량 내부로 송풍한다. 공조 유닛(7b)은 덕트(39a)를 한정하는 케이싱(39), 상기 덕트(39a)에 공기를 흡입하기 위해 덕트(39a)의 상류 단부에 배치되는 흡입 장치(40), 상기 흡입 장치(40)의 하류에 배치되는 송풍 팬(16), 및 덕트(39a)의 출구(39b)의 개도를 조절하기 위해 덕트(39a)의 하류 단부에 제공되고 차량 내부와 연통하는 출구 도어(도시되지 않음)를 구비하며, 증발기(12)는 상기 송풍 팬(16)의 하류에 배치된다.
흡입 장치(40)는 차량 내부로부터 공기를 흡입하기 위한 내부 공기 흡입부(40a), 차량 외부로부터 공기를 흡입하기 위한 외부 공기 흡입부(40b), 및 이들 내부 공기 및 외부 공기 흡입부(40a, 40b)의 개도를 조절하기 위한 흡입 도어(40c)를 구비한다.
송풍 팬(16)은 송풍 팬 모터(19)에 의해 구동된다. 송풍 팬(16)이 구동되면, 흡입 장치(40)는 내부 공기 및/또는 외부 공기를 덕트(39a)에 흡입하며, 공기는 증발기(12)를 향해 송풍되고 증발기는 공기를 냉각시키며 냉각된 공기를 출구(39b)를 통해서 차량 내부로 내보낸다.
가변 용량 압축기(8)에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 압축기(8)의 구조에 대해 도2 및 도3을 참조하여 설명한다.
도2에서, 압축기(8)는 하우징(22)을 갖는다. 하우징(22)은 축선 주위에 규칙적인 간격으로 원주방향으로 형성되는 실린더 보어(51), 실린더 보어(51)의 상사점 측에 형성되는 흡입 챔버(50)와 토출 챔버(49), 및 실린더 보어(51)의 하사점 측에 형성되는 크랭크 케이스(48)를 한정한다. 각각의 실린더 보어(51) 내에서 피스톤(27)이 왕복 이동한다. 하우징(22)은 크랭크 케이스(48)에 의해 자유롭게 회전가능한 회전 샤프트(24)를 지지한다. 압축기(8)의 클러치(43)는 구동원으로서 작용하는 엔진(1)으로부터의 구동 토크를 회전 샤프트(24)에 대해 연결 및 연결 해제시킨다. 회전 샤프트(24)는 회전 샤프트(24)의 회전을 피스톤(27)의 왕복으로 전환시키기 위한 전환 기구(26; 26a, 26b, 26c, 26d, 26e)를 갖는다.
전환 기구(26)는 예를 들어, 회전자(26a), 슬리브(26b), 허브(26c), 경사판(swash plate)(26d), 피스톤 로드(26e) 등을 구비한다. 회전자(26a)는 회전 샤프트(24)에 고정되어 회전 샤프트와 함께 회전할 수 있다. 슬리브(26b)는 회전 샤프트(24)를 따라서 미끄러질 수 있다. 허브(26c)는 슬리브(26b)에 부착되고, 회전 샤프트(24)에 대해 자유롭게 경사질 수 있으며, 허브(26c)가 회전 샤프트(24)와 함께 회전할 수 있도록 회전자(26a)에 링크된다. 경사판(26d)은 회전 샤프트(24)에 대해 경사질 수 있도록 허브(26c)에 부착된다. 피스톤 로드(26e)는 경사판(26d)을 피스톤(27)에 연결시킨다.
클러치(43)가 회전 샤프트(24)를 회전시키도록 연결(턴온)되면, 각각의 피스톤(27)은 대응하는 실린더 보어(51) 내에서 왕복 이동한다. 피스톤(27)은 냉매를 흡입 챔버(50)로부터 실린더 보어(51) 내로 흡입시키고, 실린더 보어(51) 내의 흡입된 냉매를 압축시키며, 압축된 냉매를 실린더 보어(51)로부터 토출 챔버(49)로 토출한다. 냉매는 상류측으로부터 압축기(8)로 공급되며, 흡입 포트(도시되지 않음)를 통해서 흡입 챔버(50) 내로 안내된다. 토출 챔버(49) 내의 냉매는 토출 포트(도시되지 않음)를 통해서 압축기(8)의 하류측으로 토출된다.
피스톤(27)은 경사판(26d)의 경사 각도에 따라서 그 스트로크가 달라진다.
압축기(8)가 정지하면, 크랭크 케이스(48)의 압력(Pc)은 흡입 챔버(50)의 압력[냉동 사이클(7a)에서의 저압(Ps)]과 동일해진다. 이후, 경사판(26d)과 각각의 피스톤(27)은 제1 및 제2 스프링(52, 53)에 의해 제공되는 힘으로 인해 초기 위치로 복귀한다. 본 실시예에 따르면, 경사판(26d)과 피스톤(27)의 초기 위치는 경사판(26d)과 피스톤(27)의 풀 스트로크 위치와 디스트로크(destroke)(제로 스트로크) 위치 사이의 중간이다.
압축기(8)의 토출 용량의 제어를 가능하게 하기 위해, 압축기(8)는 토출 챔버(49)를 크랭크 케이스(48)에 연결하기 위한 압력 도입 통로(54), 크랭크 케이스(48)를 흡입 챔버(50)에 연결하기 위한 압력 해방(release) 통로(55), 및 압력 도입 통로(54)와 압력 해방 통로(55) 중 하나(본 실시예에 따르면 압력 도입 통로(54))의 면적을 변경시키기 위해 밸브 플러그(31a)를 갖는 제어 밸브(13)를 구비한다.
제어 밸브(13)의 밸브 플러그(31a)의 개도를 변경하면 토출 챔버(49)로부터 압력 도입 통로(54)를 통해서 크랭크 케이스(48)로 유동하는 고압 냉매의 유량이 변경된다. 이 결과, 피스톤(27)의 상사점측 압력(즉, 흡입 챔버(50)의 압력(Ps))과 피스톤(27)의 하사점측 압력(즉, 크랭크 케이스(48)의 압력(Pc)) 사이의 압력 차이가 변경되고, 그로 인해 피스톤 스트로크, 즉 압축기(8)의 토출 용량이 변경된다.
도3은 제어 밸브(13)의 상세를 도시한다. 제어 밸브(13)는 압력 도입 통로(54)를 부분 형성하는 밸브 케이스(30), 및 밸브 케이스(30) 내에서 왕복 이동하는 플런저(31)를 구비한다. 플런저(31)는 밸브 플러그(볼 밸브)(31a), 격벽(diaphragm)(32) 및 액추에이터로서 전자기 코일(35)의 솔레노이드 코어와 일체를 이룬다. 플런저의 리프트는 압력 도입 통로(54)의 단면적을 결정한다. 격벽(32)은 흡입 챔버(50)의 흡입 압력(Ps), 즉 냉동 사이클(7a)의 저압(Ps)이 작용하는 압력 감지부로서 작용한다. 전자기 코일(35)이 여기될 때 전자기 코일에 의해 형성되는 전자기력은 플런저(31)를 이동시키도록 플런저(31)에 인가된다. 플런저(31)의 각각의 축방향 단부는 세트 스프링(33, 34)으로부터 스프링력을 수용한다. 세트 스프링(33, 34) 및 격벽(32)은 밸브 플러그(31a)의 세트 압력을 결정한다.
격벽(32)은 저압(Ps)에 반응한다. 저압(Ps)이 감소할 때, 격벽(32)은 밸브 플러그(31a)를 밸브 개방 방향으로 이동시킨다. 저압(Ps)이 증가할 때, 격벽(32)은 밸브 플러그(31a)를 밸브 폐쇄 방향으로 이동시킨다.
전자기 코일(35)이 여기되어 전자기력이 생성되면, 밸브 플러그(31a)는 밸브 폐쇄 방향으로 이동한다. 즉, 코일(35)의 전자기력은 밸브 플러그(31a)의 세트 압 력을 변경할 수 있다.
전자기 코일(35)은 에어컨 제어 유닛(14)(후술함)의 용량 콘트롤러(14b)로부터 제어 펄스 신호 또는 외부 제어 신호를 수신한다. 제어 펄스 신호는 듀티 계수(duty factor)를 가지며, 플런저(31)에는 듀티 계수에 비례하는 전자기력이 가해진다. 인가된 전자기력은 밸브 플러그(31a)의 세트 압력을 변경시키고, 그로 인해 밸브 플러그(31a)의 리프트(밸브 개도)를 변경시킨다. 밸브 플러그(31a)의 리프트(밸브 개도)의 변경은 압력 도입 통로(54)를 통해서 토출 챔버(49)로부터 크랭크 케이스(48)로 유동하는 고압 냉매의 유량을 변경시킨다. 이러한 작동은 결과적으로 경사판(26d)의 경사를 변경시켜 피스톤 스트로크를 변경시킨다.
전자기 코일(35)이 비활성화되면(0%의 듀티 계수), 토출 압력(냉동 사이클(7a)의 고압)(Pd) 및 흡입 압력(냉동 사이클(7a)의 저압)(Ps)은 도6에 도시된 듀티 계수 0% 곡선(일점 쇄선 곡선)을 따른다.
듀티 계수 0% 상태에서는, 증발기(12)에 대한 부하가 흡입 압력(Ps)(예를 들어, 5 Kg/㎠G)을 현저히 증가시키도록 변하는 것으로 추정된다. 밸브 플러그(31a)를 완전 폐쇄된 위치로 밀어내리기 위해 격벽(32)에는 5 kg/㎠G의 압력이 작용한다. 완전 폐쇄된 위치에서는, 압력 도입 통로(54)를 통해서 토출 챔버(49)로부터 크랭크 케이스(48)로 고압 냉매가 전혀 도입되지 않으며, 크랭크 케이스(48) 내의 냉매는 압력 해방 통로(55)를 통해서 흡입 챔버(50)로 방출된다. 그 결과, 크랭크 케이스(48)의 압력이 흡입 압력(Ps)으로 점차 감소함으로써, 풀 스트로크(최대 용량) 상태가 달성된다. 즉, 냉동 사이클(7a)을 통해서 순환하는 냉매의 양이 증가 되어 흡입 압력(Ps)을 점차 감소시킨다. 흡입 압력(Ps)이 듀티 계수 0% 곡선에 접근할 때, 격벽(32)에 작용하는 흡입 압력(Ps)은 밸브 플러그(31a)를 리프트시키도록 감소하며, 밸브 플러그(31a)의 개도를 증가시킨다. 이러한 작동은 결과적으로 압력 도입 통로(54)를 통한 토출 챔버(49)로부터 크랭크 케이스(48) 내로의 고압 냉매의 유량을 증가시킴으로써, 크랭크 케이스(48)의 압력(Pc)을 증가시킨다. 즉, 피스톤(27)의 후방에 작용하는 압력이 점차 증가하여 피스톤 스트로크를 점차 감소시키며, 압력 Ps와 Pd 사이의 관계는 듀티 계수 0% 곡선을 따라서 용량 제어 상태가 안정화된다.
듀티 계수가 변경되면, 압력 Pd와 Ps 사이의 관계는 변경된 듀티 계수에 대응하는 곡선(도6)을 따라서 안정화된다.
예를 들어, 듀티 계수가 60%로 변경되면, 압축기(8)와 냉동 사이클(7a)의 압력 관계, 즉 토출 압력(Pd)과 흡입 압력(Ps) 사이의 관계는 도6의 듀티 계수 60% 곡선을 따를 것이다.
듀티 계수 60% 상태에서는, 증발기(12)에 대한 부하가 흡입 압력(저압)(Ps)(예를 들어, 5 Kg/㎠G)을 현저히 증가시키도록 변하는 것으로 추정된다. 밸브 플러그(31a)를 밀어내리기 위해 격벽(32)에는 5 Kg/㎠G의 압력이 작용한다. 크랭크 케이스(48)의 압력이 흡입 챔버(50)의 흡입 압력(Ps)으로 점차 감소함으로써, 풀 스트로크(최대 용량) 상태가 달성된다. 냉동 사이클(7a)을 통해서 순환하는 냉매의 양이 증가되어 흡입 압력(Ps)을 점차 감소시킨다. 흡입 압력(Ps)이 듀티 계수 60% 곡선에 접근할 때, 격벽(32)에 작용하는 흡입 압력(Ps)은 밸브 플러그(31a) 를 리프트시키도록 감소한다. 이러한 작동은 결과적으로 피스톤(27)의 후방에 작용하는 압력을 점차 증가시킴으로써, 피스톤 스트로크를 점차 감소시킨다. 저압(Ps)과 고압(Pd)은 듀티 계수 60% 곡선을 따라서 용량 제어 상태가 성립되도록 안정화된다.
이런 식으로, 압축기(8)의 흡입 압력(Ps)은 압축기(8)의 토출 압력(Pd) 및 듀티 계수에 따라 근사화될 수 있다.
에어컨(6)은 주로 에어컨 제어 유닛(14)에 의해 제어되고 부분적으로 엔진 제어 유닛(3)에 의해 제어된다.
도1에서, 에어컨 제어 유닛(14)은 양방향 통신 라인에 의해 엔진 제어 유닛(3)에 연결된다. 에어컨 제어 유닛(14)은 에어컨 제어 센서 그룹(21)으로부터의 데이터를 수신한다. 센서 그룹(21)은 에어컨(A/C) 스위치(21a), 모드 스위치(21b), 디프로스트(defrost. 서리 제거) 스위치(21c), 자동 스위치(21d), FRE(fresh air) 스위치(21e), REC(recirculation) 스위치(21f), 온도 조절 스위치(21g), OFF 스위치(21h), 차량 내부의 온도를 검출하기 위한 내부 온도 센서(21i), 차량 외부의 온도를 검출하기 위한 대기 온도 센서(21j), 일사(insolation) 센서(21k), 증발기(12) 출구에서의 공기 온도를 검출하기 위한 증발기 출구 온도 센서(21l), 수온 센서(21m), 압축기(8)의 토출 측에서의 냉매 압력을 검출하기 위한 냉매 압력 센서(21n) 등과 같은 에어컨(6)용으로 제공된 표준 센서를 구비한다.
에어컨 제어 유닛(14)은 센서들로부터의 데이터 및 에어컨 제어 지령에 따라 압축기(8), 송풍 팬 모터(17, 19), 흡입 도어(40) 등을 제어한다.
에어컨 제어 유닛(14)은 도1에 도시한 바와 같이 압축기 콘트롤러(14a), 팬 모터 콘트롤러(14e) 및 흡입 콘트롤러(14f)를 구비한다.
팬 모터 콘트롤러(14e)는 탑승자가 온도 조절 스위치(21g)를 통해서 설정한 목표 내부 온도 및 에어컨 제어 센서 그룹(21)의 센서들로부터의 데이터를 수신하고, 공조 유닛(7b)으로부터 공급될 공기의 유량을 산출하며, 산출된 유량에 따라, PWM(pulse width modulation) 모듈(18)을 통해서 전기 팬(15)의 팬 모터(17)를 제어함으로써, 전기 팬(15)의 유량을 제어한다. 동시에, 팬 모터 콘트롤러(14e)는 전기 팬(16)의 유량을 제어하기 위해 전기 팬(16)의 팬 모터(19)를 제어한다. 팬 모터(17, 19)는 엔진 제어 유닛(3)에 의해 직접 또는 간접적으로 제어될 수 있다.
FRE 스위치(21e)가 눌리거나 외부 공기 모드(신선한 공기 모드)를 달성하기 위한 제어 신호가 제공되면, 흡입 콘트롤러(14f)는 흡입 도어(40c)의 도어 드라이버(41)를 작동시켜 내부 공기 흡입부(40a)를 폐쇄하고 외부 공기 흡입부(40b)를 개방함으로써 신선한 공기가 공조 유닛(7b)의 덕트 내부로 안내되게 한다. REC 스위치(21f)가 눌리거나 내부 공기 모드(재순환 모드)를 달성하기 위한 제어 신호가 제공되면, 흡입 콘트롤러(14f)는 흡입 도어(40c)의 도어 드라이버(41)를 작동시켜 내부 공기 흡입부(40a)를 개방하고 외부 공기 흡입부(40b)를 폐쇄함으로써 내부 공기가 공조 유닛(7b)의 덕트 내부로 도입되게 한다.
압축기 콘트롤러(14a)는 용량 콘트롤러(14b) 및 토크 산출기(14c)를 구비한다.
용량 콘트롤러(14b)는 압축기(8)의 제어 밸브(13)를 제어한다. 용량 콘트롤러(14b)는 탑승자가 온도 조절 스위치(21g)로 설정한 목표 내부 온도 및 여러 센서로부터의 데이터를 수신하고, 공조 유닛(7b)으로부터 공급되는 목표 공기 온도를 산출하며, 산출된 목표 조절된 공기 온도에 따라서 증발기(12) 출구에서의 목표 공기 온도를 찾아내고, 증발기(12) 출구에서의 실제 공기 온도를 증발기(12) 출구에서의 산출된 목표 공기 온도로 하기 위한 듀티 계수를 산출하며, 산출된 듀티 계수를 제어 밸브(13)에 전달한다.
이런 식으로, 용량 콘트롤러(14b)는 압축기(8)의 냉매 토출을 결정짓는 듀티 계수를 갖는 제어 펄스 신호를 제어 밸브(13)에 제공한다. 용량 콘트롤러(14b)가 100%의 최대 듀티 계수를 갖는 최대 용량 신호를 제어 밸브(13)에 제공하면, 제어 밸브(13)의 밸브 플러그(31a)는 폐쇄 위치로 이동한다. 이후, 압력 도입 통로(54)를 통해서 토출 챔버(49)로부터 크랭크 케이스(48)로 압력이 전혀 도입되지 않는다. 그 결과, 크랭크 케이스(48)의 압력이 감소하고, 경사판(26d)은 최대 경사 각도로 경사지며, 피스톤(27)은 풀 스트로크 위치를 차지한다. 따라서, 압축기(8)의 토출이 최대로 증가한다.
용량 콘트롤러(14b)가 0%의 최소 듀티 계수를 갖는 최소 토출 신호를 제어 밸브(13)에 제공하면, 제어 밸브(13)의 밸브 플러그(31a)는 개방 위치로 이동한다. 이후, 압력 도입 통로(54)를 통해서 토출 챔버(49)로부터 크랭크 케이스(48)로 압력이 도입된다. 그 결과, 크랭크 케이스(48)의 압력이 증가하고, 경사판(26d)은 최소 경사 각도로 경사지며, 피스톤(27)은 디스트로크 위치를 차지한다. 따라서, 압축기(8)의 토출이 최소로 감소한다.
이런 식으로, 용량 콘트롤러(14b)는 듀티 계수를 조절하여, 압력 도입 통로(54)를 통해서 토출 챔버(49)로부터 크랭크 케이스(48)로 도입될 고압 냉매의 유량을 조절하며, 그로 인해 압축기(8)의 냉매 토출을 제어한다.
정상 상태 작동에 있어서, 용량 콘트롤러(14b)는 증발기(12) 출구에서의 목표 공기 온도 및 센서(21l)에 의해 제공되는 증발기(12) 출구에서의 실제 공기 온도에 따라 듀티 계수를 산출하기 위해 정상 모드에서 작동한다. 용량 콘트롤러(14b)는 최소 듀티 계수 모드 및 최대 듀티 계수 모드에서 작동할 수 있다. 최대 듀티 계수 모드에서, 용량 콘트롤러(14b)는 최대 듀티 계수(100%)를 유지한다. 최소 듀티 계수 모드에서, 용량 콘트롤러(14b)는 최대 듀티 계수(0%)를 유지한다.
압축기(8)의 정상 상태 토크 및 시동 토크의 산출에 대해 설명한다.
토크 산출기(14c)는 압축기(8)의 구동 토크(부하 토크)를 산출한다. 본 실시예에 따르면, 토크 산출기(14c)는 압축기(8)의 시동 이후 소정 기간(본 실시예에서는 4초) 동안 시동 토크 Tk를 산출하며, 소정 기간 이후 정상 상태 토크 Ts(Tsn, Tsf)를 산출한다.
먼저, 정상 작동에서의 정상 상태 토크 Ts(Tsn, Tsf) 산출에 대해 도5 내지 도11을 참조하여 설명한다.
도5는 냉동 사이클(7a)의 모리에 선도(Mollier chart)를 도시하고, 도6은 듀티 계수가 상이한 상태에서의 압축기 흡입 압력(Ps) 및 압축기 토출 압력(Pd)의 특성 곡선을 도시하고, 도7은 냉동 사이클 부하(증발기 부하)가 일정하고 듀티 계수 가 상이한 상태에서의 압축기 토출 압력(Pd) 및 토크의 특성 곡선을 도시하고, 도8은 냉동 사이클 부하(이 부하는 증발기(12)의 흡입 공기의 온도(℃)와 습도(%) 및 송풍 전압(V)과 고정 듀티 계수 60%에 의해 결정됨)가 상이한 상태에서의 압축기 토출 압력 Pd 및 토크를 도시하고, 도9는 듀티 계수가 60%로 고정되고 냉동 사이클 부하(이 부하는 증발기(12)의 흡입 공기의 온도(℃)와 습도(%) 및 송풍 전압(V)에 의해 결정됨)가 상이한 상태에서의 압축기 토출 압력(Pd)에 대한 증발기 온도 차이 △T의 비율 및 토크의 특성 곡선을 도시하고, 도10은 정상 상태 토크를 산출하는 처리를 도시하는 순서도이며, 도11은 본 실시예에 따라 추정된 토크 및 실제 토크의 특성 곡선을 도시한다.
본 실시예는 후술될 토크 식(12) 및 (13)에 따라 정상 상태 토크 Ts(Tsn, Tsf)를 산출한다. 토크 식(12) 및 (13)은 입력 파라미터로서, 증발기(12)의 입구와 출구에서의 공기 온도 사이의 온도 차이(△T), 압축기 토출 냉매 압력(Pd), 제어 밸브(13)를 제어하기 위한 듀티 계수를 갖는 외부 제어 신호, 및 압축기(8)의 회전수(Nc)를 포함한다.
토크 식(12) 및 (13)에 대해 설명한다.
가변 용량 압축기(8)의 토크 Ts는 이론적으로 다음과 같이 표시되며.
Ts= (i1 i2)×Gr×ηm /Nc …(1)
여기에서 i1은 압축기(8)로부터 토출되는 냉매의 엔탈피이고, i2는 압축기(8)로 공급되는 냉매의 엔탈피이며, Gr은 냉매의 유량이고, ηm은 압축기(8)의 기계적 효율이며, Nc는 압축기(8)의 회전수이다.
도5에 도시한 바와 같이, 압축기(8)로부터 토출되는 냉매의 엔탈피(i1)와 압축기(8)로 공급되는 냉매의 엔탈피(i2)는 함수 i1=f(Pd) 및 i2=f(Ps)로 표시될 수 있다. 따라서, 식(1)은 다음과 같이 표시된다.
Ts={f(Pd) f(Ps)}×Gr×ηm /Nc …(2)
식(2)에서, ηm은 압축비(Pd/Ps) 및 냉매 유량에 따라 변경되며, 압축기(8)마다 특정하다. Nc는 공지된 값이며, 따라서 압축기 토출 압력(Pd), 압축기 흡입 압력(Ps), 및 냉매 유량(Gr)이 얻어지면 토크를 추정할 수 있다.
압축기 토출 압력(Pd)은 냉매 압력 센서(21n)의 검출된 값으로부터 판독될 수 있다. 본 실시예의 압축기(8)에 따르면, 압축기 흡입 압력(Ps)은 제어 밸브(13)에 공급되는 제어 펄스 신호의 듀티 계수에 의해 제어되며, 따라서 흡입 압력(Ps)은 압축기 토출 압력(Pd) 및 듀티 계수로부터 알 수 있다. 도6에 도시한 바와 같이, 압축기 흡입 압력(Ps) 및 압축기 토출 압력(Pd)은 듀티 계수에 따라서 특정한 특성 곡선을 따른다. 따라서, 압축기 흡입 압력(Ps)은 외부 제어 신호의 듀티 계수 및 압축기 토출 압력(Pd)으로부터 근사될 수 있다. 즉, 식(2)는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Ts={f(Pd) f(Pd, 듀티 계수)}×Gr×ηm /Nc …(3)
이 식(3)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Ts=F1(Pd, 듀티 계수)}×Gr×ηm /Nc …(4)
이후, 식(4)에서의 변수가 해결된다. 도7은 냉동 사이클(7a)(증발기 흡입측)이 25℃의 온도, 50%의 습도 및 5V의 송풍 전압에 대응하는 공기 유량에 의해 정해지는 일정한 부하를 수용하고 듀티 계수가 상이한 상태에서의 압축기 토출 압력(Pd) 및 토크(Ts)의 특성 곡선을 도시한다. 도7에서는 압축기 토출 압력(Pd) 및 듀티 계수로부터 토크(Ts)가 추정될 수 있음을 알 수 있다.
냉동 사이클(7a)(증발기 흡입측)에서의 부하가 일정한 상태에서, 냉매 유량(Gr)은 함수 f1(Pd, Ps)로 표시될 수 있고 ηm은 함수 f2(Pd, Pd)로 표시될 수 있다. 따라서, 식(4)는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Ts=F(Pd, 듀티 계수)/Nc …(5)
냉동 사이클 부하(증발기 흡입측)의 변경으로 인한 토크 변경이 검사될 것이다. 증발기(12)의 흡입 공기의 온도는 25℃로 일정한 것으로 추정된다. 증발기 흡입 공기의 습도 및 공기 유량(송풍 팬 모터(19)의 전압)이 변경될 때, 압축기 토출 압력(Pd)과 토크(Ts) 사이에는 도8에 도시하는 바와 같은 관계가 성립된다. 즉, 토크가 변경 가능한 범위에서 변경되고, 냉동 사이클 부하(증발기 흡입 공기 부하)가 변경되면, 냉매 유량(Gr)이 변경된다. 그러한 요소는 증발기 부하에 기초하여 냉각 성능으로부터 검사되며.
Qevap=(i3 i2)×Gr …(6)
Gr= Qevap/(i3 i2) …(7)
여기에서 Qevap는 증발기에서의 냉매의 흡열 양이고, i3은 증발기(12) 입구에서의 냉매의 엔탈피이며, i2는 증발기(12) 출구에서의 냉매의 엔탈피이다(이는 압축기(8)의 흡입측에서의 냉매의 엔탈피와 동일하고, 따라서 동일한 참조부호가 사용된다).
증발기(12)의 공기의 흡열 양은 다음과 같이 표시된다.
Qevap(공기)= {(증발기 이전의 공기 흡열 양) (증발기 이후의 흡열 양)}×(증발기 공기 유량)/(공기 비체적)
증발기(12)의 냉매 흡열 양은 증발기(12)의 공기 흡열 양과 동일하고, 증발기 입구에서의 공기와 증발기 출구에서의 공기 사이의 온도 차이에 비례한다. 따라서, 증발기(12)의 냉매 흡열 양은 증발기(12) 전후의 공기 온도 사이의 온도 차이(△t)로부터 추정될 수 있으며, 함수 Qevap=f(△t)로서 표시될 수 있다.
도5에 도시한 바와 같이, 증발기(12)의 입구에서의 엔탈피(i3)는 함수 i3=f(Pd)로서 표시되며, 증발기(12)의 출구에서의 엔탈피는 함수 i2=f(Ps)로서 표시된다. 따라서, 식(7)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Gr=f3(△t)/f4(Pd) f(Pd, 듀티 계수) …(8)
식(8)은 Pd와 듀티 계수의 함수인 분모를 포함하며, 따라서 다음과 같이 표시된다.
Gr=f3(△t)/f2(Pd, 듀티 계수) …(9)
식(9)와 (4)로부터, 토크 Ts는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Ts=f1(Pd, 듀티 계수)×{f3(△t)/f2(Pd, 듀티 계수)}/Nc …(10)
식(10)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Ts=f(△t)/f(Pd, 듀티 계수)}/Nc …(11)
식(11)에 기초하여, △t/Pd 및 토크 Ts는 도9의 그래프로서 플로팅될 수 있다. 이 그래프는 증발기 부하(흡입 공기의 습도 및 공기 유량)의 차이가 흡수될 수 있음을 도시한다. 이런 식으로, 압축기(8)의 토크(Ts)는 증발기(12)의 입구와 출구 사이에서의 공기 온도 차이(△t), 압축기 토출 압력(Pd), 제어 밸브(13)를 제어하기 위한 제어 펄스 신호의 듀티 계수, 및 압축기(8)의 회전수(Nc)로부터 산출될 수 있다.
아이들링 작동 및 연료 차단(fuel cut) 감속 작동 중에 압축기(8)의 토크(Ts)를 쉽게 산출하기 위해서, 식(11)에서의 압축기(8)의 회전수(Nc)로서 일정한 값(아이들링 및 연료 차단 감속을 위한 표준 회전수)이 사용된다. 또한, 증발기(12) 전후에서의 온도 차이(△t) 및 압력기 토출 압력(Pd)은 변수 항으로서 취급된다. 주어진 듀티 계수 및 증발기(12) 전후에서의 온도 차이(△t)를 갖는 실제 차량에 대한 측정으로부터 얻어지는 값들은 하기 식을 제공하기 위해 정수항 A와 B로서 사용된다.
Ts=A×LN(Pd/△t)+B …(12)
토크 산출기(14c)는 다양한 조건 하에서의 측정에 의해 얻어진 정수항 A와 B에 대한 값과 식(12)을 외부 또는 내부 메모리(도시되지 않음)에 저장하며, 식(12)의 변수 항 및 정수항에 데이터를 입력함으로써 토크 Ts를 산출한다.
토출 용량이 제어되는 상태 하에서의 압축기(8)의 정상 상태 토크(Tsn)는 식(12)에 도시한 바와 같이 압축기 토출 압력(Pd)과 증발기(12) 전후에서의 온도 차이(△t)에 종속된다. 압축기(8)의 풀 스트로크 토크(정상 상태 풀 스트로크 토크)(Tsf)는 다음과 같이 고정 용량 압축기처럼 압축기 토출 압력(Pd)만의 함수로부터 추정될 수 있다.
Tsf=fsf(Pd) …(13)(도7)
식(12)와 (13)에 따른 압축기(8)의 (아이들링 및 연료 차단 감속 도중의) 정상 상태 토크(Ts) 산출 처리에 대해 도10을 참조하여 설명한다.
압축기(8)의 시동 이후 소정 시간(본 실시예에서는 4초)이 지나면 시동 작동은 안정적인 작동으로 시프트되며, 정상 상태 토크(Ts)의 산출이 시작된다. 도10의 단계 S1에서, 용량 콘트롤러(14b)는 제어 밸브(13)에 대해 정상 모드 듀티 계수를 설정한다. 단계 S2에서, 용량 콘트롤러(14b)는 목표 증발기 출구 공기 온도를 산출하기 위해 정상 콘트롤러(12l)를 채용하고, 목표 증발기 출구 공기 온도 및 실제 증발기 출구 공기 온도에 따라 듀티 계수를 산출하며, 이 산출된 듀티 계수를 갖는 제어 신호를 제어 밸브(13)에 제공한다. 단계 S3에서, 흡입 콘트롤러(14f)는 FRE 스위치(21e) 및 REC 스위치(21f)로부터의 정보에 따라 흡입 도어(40)가 외부 공기 도입 위치에 있는지 또는 내부 공기 순환 위치에 있는지를 판정한다. 흡입 도어(40)가 외부 공기 도입 위치에 있으면, 토크 산출기(14c)가 대기 온도 센서(21j)에 의해 검출된 온도를 증발기 입구 공기 온도 신호로서 수신하고, 수신된 온도 신호를 지연 및 수정하며, 인지된 대기 온도 신호를 제공하는 단계 S4가 실행된다. 흡입 도어(40)가 내부 공기 순환 위치에 있으면, 토크 산출기(14c)가 내부 온도 센서(21i)에 의해 검출된 온도를 증발기 입구 공기 온도 신호로서 수신하고, 수신된 온도 신호를 지연 및 수정하며, 인지된 대기 온도 신호를 제공하는 단계 S5가 실행된다.
단계 S6에서, 토크 산출기(14c)는 증발기 출구 온도 센서(21l)에 의해 검출 된 온도를 증발기 출구 공기 온도 신호로서 수신하고, 수신된 온도 신호를 지연 및 수정하며, 인지된 증발기 출구 온도 신호를 제공한다.
단계 S7에서, 토크 산출기(14c)는 상기 데이터에 따라 증발기(12) 전후에서의 온도 차이(△t)를 산출한다. 즉, 흡입 도어(40)가 외부 공기 도입 위치에 있으면, 토크 산출기(14c)는 온도 차이(△t)를 결정하기 위해, 인지된 대기 온도로부터 인지된 증발기 출구 온도를 차감한다. 흡입 도어(40)가 내부 공기 순환 위치에 있으면, 토크 산출기(14c)는 온도 차이(△t)를 결정하기 위해, 인지된 내부 온도로부터 인지된 증발기 출구 온도를 차감한다.
단계 S8에서, 토크 산출기(14c)는 냉매 압력 센서(21n)에 의해 검출된 압력을 불러오고, 검출된 압력 신호를 지연 및 수정하며, 인지된 압축기 토출 압력 신호를 제공한다.
단계 S9에서, 토크 산출기(14c)는 용량 콘트롤러(14b)에 의해 제어 밸브(13)에 제공되는 제어 펄스 신호의 듀티 계수를 수신한다.
단계 S10에서, 토크 산출기(14c)는 듀티 계수가 90% 이상인지를 체크한다. 듀티 계수가 90% 이상이면, 토크 산출기(14c)의 정상 상태 풀 스트로크 산출기(107)(도4)가 정상 상태 풀 스트로크 토크 식(13)(도7)에 따라 정상 상태 풀 스트로크 토크(Tsf)를 산출하는 단계 S11이 실행된다. 듀티 계수가 90% 미만이면, 토크 산출기(14c)의 정상 상태 토크 산출기(105)가 정상 상태 토크 식(12)에 따라 정상 상태 토크(Ts)를 산출하는 단계 S12가 실행된다. 단계 S13에서, 토크 산출기(14c)는 산출된 정상 상태 토크 Tc=Ts(Tsn 또는 Tsf)를 엔진 제어 유닛(3)에 송 신한다. 이 처리는 가변 용량 압축기(8)의 정상 상태 토크 Ts(Tsn 또는 Tsf)를 실시간으로 산출하기 위해 반복된다. 송신된 정상 상태 토크 Ts(Tsn 또는 Tsf)에 따르면, 엔진 제어 유닛(3)은 아이들링 모드에서의 엔진 실속 및 과도한 아이들링을 방지하기 위해 흡입 공기량(연료 혼합물 공급량)을 제어한다.
정상 상태 토크 산출의 변형예에 대해 설명한다. 변형예에 따르면, 토크 산출기(14c)는 증발기(12)의 입구와 출구 사이의 공기 온도 차이(△t), 압축기 토출 압력(Pd), 듀티 계수, 및 압축기(8)의 회전수(Nc)를 변수로서 구비하는 식(11)을 외부 또는 내부 메모리(도시되지 않음)에 저장한다. 여러 센서로부터 수신한 데이터를 식(11)의 변수에 넣음으로써, 토크 산출기(14c)는 압축기(8)의 토크를 산출한다. 변형예는 또한 압축기(8)의 토크를 산출하기 위한 데이터로서 압축기(8)의 회전수(Nc)를 채용한다. 변형예는 메모리에 저장될 데이터의 양을 감소시킬 수 있다. 변형예는 에어컨(6)의 아이들링 모드 및 연료 차단 감속 모드에서뿐 아니라 에어컨(6)의 임의의 다른 작동 모드에서도 압축기(8)의 토크를 산출할 수 있다.
식(11)에서의 압축기(8)의 회전수(Nc)는 일정한 값(아이들링 및 연료 차단 감속을 위한 표준 회전수)으로 대체될 수 있으며, 대체된 식은 메모리에 저장될 수 있다. 이는 입력할 데이터의 양을 감소시킬 수 있으며, 압축기(8)의 회전수(Nc)가 거의 일정한 아이들링 및 연료 차단 감속을 위한 식의 계산을 더욱 간단하게 만들 수 있다.
시동 토크의 산출에 대해 도12 내지 도18을 참조하여 설명한다.
도12는 가변 용량 압축기(8)의 정지 처리를 도시하는 순서도이고, 도13은 압 축기(8)의 작동 재개 처리를 도시하는 순서도이고, 도14는 압축기(8)의 시동 토크 산출 처리를 도시하는 순서도이고, 도15는 압축기(8)를 정지시키기 위한 에어컨 클러치(43)의 ON/OFF 상태, 및 출력 듀티 계수를 도시하는 타이밍 차트이고, 도16은 압축기(8)를 작동 재개할 때의 에어컨 클러치(43)의 ON/OFF 상태, 출력 듀티 계수, 및 토크 산출 패턴을 도시하는 타이밍 차트이고, 도17은 압축기(8)의 시동 토크의 실험 특성 곡선을 도시하며, 도18은 압축기(8)에 관한 대기 온도(Ta) 및 추가 토크의 특성 곡선을 도시한다.
이 실시예는 압축기(8)를 정지 직후 작동 재개할 때에도 가변 용량 압축기(8)의 시동 토크를 산출할 수 있다.
본 발명자는, 특정 조건 하에서 압축기(8)의 크랭크 케이스(48)와 흡입 챔버(50)는 압축기(8)가 정지된 후 소정 시간(본 실시예에서는 6초) 이내에 점진적으로 동등한 압력을 획득하고, 그로 인해 피스톤(27)을 초기 위치로 복귀시킨다는 것을 테스트를 통해서 발견하였다. 이 발견에 기초하여, 본 발명자는 압축기(8)가 작동 재개될 때 피스톤(27)이 초기 위치에 있는지 중간 위치에 있는지를 판정함으로써 시동 토크가 산출될 수 있음을 테스트를 통해서 확인하였다.
압축기(8)의 OFF 시간이 소정 시간(본 실시예에서는 6초) 미만일 때와 소정 시간 이상일 때 시동 토크를 산출하는 방법에 대해 상세히 설명할 것이다.
가변 용량 압축기(8)가 정지할 때의 압축기 콘트롤러(14a)의 작동을 설명한다. 도12의 단계 S20에서, 에어컨(A/C) 스위치(21a)는 ON에서 OFF로 전환되며, 압축기 콘트롤러(14a)는 압축기 정지 처리를 시작한다. 단계 S21에서, 압축기 콘트 롤러(14a)는 엔진 제어 유닛(3)이 A/C 클러치(43)를 ON에서 OFF로 변경했는지 여부를 판정한다. A/C 클러치(43)가 턴오프되었으면, 용량 콘트롤러(14b)는 단계 S23에서 최대 듀티 계수 모드를 선택하며, 단계 S24에서 100%의 듀티 계수(도15)를 갖는 제어 펄스 신호를 제어 밸브(13)에 제공한다. 단계 S25에서, 토크 산출기(14c)의 카운터(101)는 A/C 클러치(43)의 OFF 시간부터 OFF 시간(t0)을 카운트한다. 단계 S26에서, 토크 산출기(14c)의 정상 상태 토크 산출기(105)는 입력 데이터(고압(Pd) 및 온도 차이(△T)) 및 정상 상태 토크 식(12)에 따라서 정상 상태 토크(Ts)를 산출하며, 단계 S27에서 토크 산출기(14c)는 산출된 토크 Ts(=Tc)를 엔진 제어 유닛(3)에 제공한다. 단계 S28에서, 토크 산출기(14c)의 판정기(determiner)(103)는 OFF 시간(t0)이 10초 이상인지 여부를 판정하며, 그렇지 않을 경우 단계 S26 및 S27을 반복한다.
압축기(8) 정지후 10초가 지났으면, 용량 콘트롤러(14b)는 단계 S29에서 최소 듀티 계수 모드를 선택하고, 단계 S30에서는 0%의 듀티 계수를 갖는 제어 펄스 신호를 제어 밸브(13)에 제공한다. 단계 S31 및 S32에서 토크 산출기(14c)는 엔진 제어 유닛(3)에 현재 토크로서 Tc=0을 제공한다.
이런 식으로, 본 실시예에 따른 용량 콘트롤러(14b)는, 압축기(8)를 정지시키기 위해 A/C 클러치(43)가 턴오프된 후 10초 동안(도15) 100%의 듀티 계수를 갖는 외부 제어 신호를 제어 밸브(13)에 제공한다. 즉, 제어 밸브(13)는 압축기(8)의 정지후 10초 동안 완전히 폐쇄된다. 이는 압축기(8)가 정지될 때 크랭크 케이스 압력(Pc)을 급격히 변경시키지 않고 유지시키기 위한 것이다. 제어 밸브(13)는 폐쇄 위치에 있을 때 토출 챔버(49)와 크랭크 케이스(48) 사이의 압력 도입 통로(54)를 차단하며, 따라서 고압 냉매가 압력 도입 통로(54)를 통해서 토출 챔버(49)로부터 크랭크 케이스(48) 내로 일절 유동하지 않는다. 한편, 크랭크 케이스(48)와 흡입 챔버(50)는 압력 해방 통로(55)를 통해서 항상 상호 연결되며, 따라서 크랭크 케이스(48) 내의 냉매가 흡입 챔버(50) 내로 유입되어 크랭크 케이스(48)의 압력(Pc)을 흡입 챔버(50)의 저압(Ps)과 동등하게 함으로써, 크랭크 케이스(48)의 압력(Pc)을 안정화시킨다. 즉, 크랭크 케이스(48) 및 흡입 챔버(50)의 압력은 압축기(8)의 정지후 소정 시간(본 실시예에서는 6초) 이내에 점진적으로 상호 동등해진다. 이러한 점진적인 압력 변화로 인해, 경사판(26d) 및 피스톤(27)은 압축기(8)가 정지된 후 소정 시간(본 실시예에서는 6초) 이내에 그 중립 위치로 점진적으로 복귀한다. 따라서, 압축기(8)가 정지될 때 경사판(26d) 및 피스톤(27)의 위치를 추정할 수 있다. 즉, 압축기(8)가 정지된 후 피스톤(27)이 중립 위치에 있는 시점과 피스톤(27)이 중립 위치로 이동하는 시점에서 시동 토크(Tk)를 정확히 산출할 수 있다.
본 실시예의 압축기(8)에 대한 6초의 상기 소정 시간은 실험적으로 얻어진다. 상기 소정 시간은 압축기에 따라서 달라질 수 있다.
가변 용량 압축기(8)가 작동 재개될 때의 압축기 콘트롤러(14a)의 작동에 대해 도13을 참조하여 설명한다.
도13의 단계 S40에서, 에어컨(A/C) 스위치(21)는 OFF에서 ON으로 전환된다. 단계 S41에서, 압축기 콘트롤러(14a)는 엔진 제어 유닛(3)이 A/C 클러치(43)를 OFF 에서 ON으로 변경했는지 여부를 판정한다. A/C 클러치(43)가 턴온되었으면, 압축기 콘트롤러(14a)의 카운터(101)가 A/C 클러치(43)의 ON 시간으로부터 ON 시간(t1)을 카운트하는 단계 S42가 실행된다. 단계 S43에서, 용량 콘트롤러(14b)는 최대 듀티 계수 모드를 선택하고, 단계 S44에서는 100%의 듀티 계수(도16)를 갖는 제어 펄스 신호를 제어 밸브(13)에 제공한다. 용량 콘트롤러(14b)는 10초 동안 100%의 듀티 계수를 갖는 제어 펄스 신호를 지속적으로 제공한다. 제어 펄스 신호에 반응하여, 제어 밸브(13)는, 흡입 챔버(50)의 저압을 안정화시키고 시동 토크의 추정 정확도를 증가시키기 위해 완전 폐쇄 위치로 이동한다. 듀티 계수 100%의 제어 펄스 신호가 10초 동안 지속적으로 제공되는 이유는, 압축기(8)의 시동 이후 흡입 챔버(50)의 흡입 압력(Ps)이 안정화하는 시간이 대기 온도(Ta)에 종속되기 때문이다. 예를 들어, 대기 온도(Ta)가 35℃이면 흡입 압력(Ps)을 안정화시키는데 대략 6초가 걸리며, 대기 온도(Ta)가 15℃이면 대략 8초가 걸린다. 따라서, 대기 온도(Ta)에 관계없이 흡입 압력(Ps)을 확실히 안정화시키기 위해서는 10초가 필요하다.
단계 S45에서, 압축기 콘트롤러(14a)의 시동 토크 산출기(109)는 시동 토크(Tk)를 산출하며, 엔진 제어 유닛(3)에 산출된 시동 토크 Tc=Tk를 제공한다. 단계 S47은 압축기(8)의 작동 재개로부터 4초 동안 시동 토크(Tk)의 산출을 지속한다. 시동 토크(Tk)의 산출에 대한 상세에 대해 후술한다.
단계 S47에서 ON 시간(t1)이 4초 이상인 것으로 판정되면, 즉 압축기(8)의 작동 재개후 4초가 경과했으면, 시동 토크 산출기(109)는 시동 토크(Tk) 산출을 정지한다. 단계 S48에서, 정상 상태 풀 스트로크 산출기(107)는 식(13)에 따라 정상 상태 풀 스트로크 토크(Tsf)를 산출한다. 이는 100%의 듀티 계수에서 압축기(8)의 작동 재개 4초 이후 피스톤(27)이 풀 스트로크를 얻는 것으로 추정되기 때문이다. 단계 S49에서는, 산출된 정상 상태 풀 스트로크 토크 Tsf(=Tc)가 엔진 제어 유닛(3)에 송신된다. 단계 S50에서는 ON 시간(t1)이 10초 이상인지가 체크된다. ON 시간(t1)이 10초 이상이면, 즉 압축기(8)의 작동 재개 이후 10초가 경과했으면, 시동 처리가 종료되고, 전술한 정상 상태 토크 산출 처리(도10)가 시작된다.
시동 토크(Tk) 산출의 상세에 대해 도14를 참조하여 설명한다.
단계 S60에서 토크 산출기(14c)는 대기 온도 센서(21j)로부터 대기 온도(Ta)를 수신하며, 단계 S61에서는 냉매 압력 센서(21n)로부터 냉매 압력(Pd)을 수신한다.
단계 S62에서, 토크 산출기(14c)는 대기 온도(Ta)가 10℃ 미만인지를 체크한다. 만약 그러하다면, 토크 산출기(14c)의 낮은 대기 온도 시동 토크 산출기(111)가 낮은 대기 온도 시동 토크 식 Tu 및 Tmin(도17)에 따라서 낮은 대기 온도 시동 토크를 산출한다. 단계 S63에서, 시동 토크 산출기(14c)는 토출 압력(Pd)이 소정 압력(P1)과 동등한 지를 체크한다. 토출 압력(Pd)이 소정 압력(P1) 미만이라면, 낮은 대기 온도 시동 토크 특성 곡선 Tu=a2·Pd(도17)에 따라 시동 토크를 산출하기 위한 단계 S64가 실행된다. 토출 압력(Pd)이 소정 압력(P1)을 초과하면, 낮은 대기 온도 시동 토크 특성 곡선 Tmin=f(Pd)에 따라 시동 토크를 산출하기 위한 단계 S64가 실행된다. 이들 식 Tu=a2·Pd 및 Tmin=f(Pd)는 도17에 도시된 점선 특성 곡선으로부터 얻어진다. 특성 곡선 Tu 및 Tmin은 가변 용량 압축기(8)를 반복적으 로 작동 재개시키는 테스트에서 측정된 시동 토크 값으로부터 준비된다. 특성 곡선 Tu 및 Tmin은 Pd=P1의 지점에서 상호 분리된다.
단계 S62에서 대기 온도(Ta)가 10℃ 이상이면, A/C 클러치(43)의 OFF 시간(t0)이 6초 이상인지를 판정하기 위한 단계 S66이 실행된다. 이는 전술했듯이 경사판(26d) 및 피스톤(27)이 압축기(8)가 턴오프된 후 대략 6초의 소정 시간 내에 그 초기 위치로 점진적으로 복귀하기 때문이다.
OFF 시간(t0)이 6초 미만이면, 토크 산출기(14c)의 전이(transitional) 시동 토크 산출기(113)(도4)가 도17에 도시된 전이 시동 토크 식 Tt에 따라 시동 토크(Tt)를 산출하는 단계 S67이 실행된다. 전이 시동 토크 식 Tt는, 피스톤(27)이 풀 스트로크 위치와 초기 스트로크 위치 사이에 있을 때 압축기(8)를 시동하는 테스트에서 측정된 시동 토크 값으로부터 준비되는 도17에 도시된 특성 곡선(Tt)에 기초하고 있다. 전이 시동 토크 식 Tt는 입력 파라미터로서, 대기 온도(Ta) 및 고압(토출 압력)(Pd)을 포함한다. 또한 단계 S67에서 산출되는 것은 전이 시동 토크(Tt)에 대한 상한치(Tmax)(피스톤(27)이 풀 스트로크 위치에 있을 때) 및 전이 시동 토크(Tt)에 대한 하한치(Tmin)(피스톤(27)이 초기 위치에 있을 때)이다. 단계 S68은 산출된 전이 시동 토크(Tt)가 상한치(Tmax) 미만 하한치(Tmin) 초과인지를 판정한다. 만약 그러하다면, 전이 시동 토크(Tt)를 시동 토크(Tc)로서 채택하는 단계 S70이 실행된다. 단계 S68에서 전이 시동 토크(Tt)가 상한치(Tmax)를 초과하면, 상한치(Tmax)를 시동 토크(Tc)로서 채택하는 단계 S71이 실행된다. 단계 S68에서 전이 시동 토크(Tt)가 하한치(Tmin) 미만이면, 하한치(Tmin)를 시동 토 크(Tc)로서 채택하는 단계 S69가 실행된다. 전이 시동 토크(Tt)는 기계적 상한치(Tmax)와 하한치(Tmin) 사이에 있어야 한다. 추정 전이 시동 토크(Tt)가 상한치(Tmax)를 초과하거나 하한치(Tmin) 미만인 이상(abnormal) 상태일 경우, 상한치(Tmax) 또는 하한치(Tmin)가 시동 토크 Tk(Tc)로서 채택된다.
단계 S66에서 A/C 클러치(43)의 OFF 시간(t0)이 6초 이상이라면, 피스톤(27)은 초기 위치에 존재한다. 따라서, 토크 산출기(14c)의 초기 스트로크 시동 토크 산출기(115)(도4)는 초기 스트로크 시동 토크 식 Tmin(도17)에 따라서 단계 S72 및 S73에서 시동 토크를 산출한다.
본 실시예는 단지 피스톤(27)의 초기 위치에 대해 시동 토크 Tmin을 채택하지 않을 뿐이다. 대신에, 도14의 단계 S72는 대기 온도 Ta에 따라 추가 토크(추가 값 a1·Pd+b)를 산출하며, 단계 S73은 이 추가 토크를 시동 토크 Tmin에 추가하여 그 합을 시동 토크 Tk(Tc)로서 제공한다. 이는 실제 차량에서는 고압(Pd)을 검출하기 위한 센서가 예를 들어 응축기(9)의 출구측에 설치되기 때문이다. 이 경우, 압축기(8)는 압축기(8) 주위의 발열 부재에 의해 영향을 받지만, 압력 검출 센서는 발열 부재의 영향으로부터 자유로우며, 따라서 검출된 고압(Pd)은 열의 영향으로부터 자유롭다. 즉, 단계 S72에서 추가되는 추가 값은 압축기(8)에서의 실제 고압과 검출된 고압(Pd) 사이의 차이에 기초한다. 이 차이를 보상하기 위해, 단계 S72는 차량의 라디에이터 그릴 근처에 배치된 대기 온도 센서(21j)에 의해 검출되는 대기 온도(Ta)에 따라 관계 맵(도18)으로부터 추가 값을 결정하며, 단계 S73은 결정된 추가 값을 시동 토크 Tmin에 추가한다.
전술했듯이, 본 실시예는, 압축기(8)가 ON에서 OFF로 전환된 후 소정 시간(본 실시예에서는 6초) 이내에 경사판(26d)과 피스톤(27)이 그 초기 위치로 복귀한다는 본 발명자의 발견에 기초한다. 본 실시예는 단계 S67 내지 S71 및 S72 내지 S73에서, 압축기(8)가 턴오프된 후 OFF 시간이 소정 시간 미만인지 여부에 따라 시동 토크를 추정한다. 이 기술에 의하면, 실시예는 압축기(8)가 그 정지 직후 작동 재개될 때에도 시동 토크를 정확히 추정할 수 있다.
A/C 클러치(43)가 ON에서 OFF로 전환될 때, 본 실시예는 풀 피스톤 스트로크를 달성하기 위한 최대 용량 신호와 동일한 외부 제어 신호로 제어 밸브(13)를 제어한다. 즉, 압축기(8)가 턴오프될 때, 제어 밸브(13)는 완전히 폐쇄된다. 완전 폐쇄된 제어 밸브(13)는 토출 챔버(49)와 크랭크 케이스(48) 사이의 압력 도입 경로(54)를 차단하며, 따라서 고압 냉매가 토출 챔버(49)로부터 크랭크 케이스(48)로 일절 유동하지 않는다. 이 시점에서, 크랭크 케이스(48)내의 냉매는, 크랭크 케이스(48)와 흡입 챔버(50)를 항상 상호 연결시키는 압력 해방 통로(55)를 통해서 흡입 챔버(50)로 점차 유동한다. 그 결과, 크랭크 케이스(48)의 압력(Pc)은 흡입 챔버(50)의 저압(Ps)과 동등해지고, 안정화된다. 이 기술에 의하면, 압축기(8)가 턴오프될 때 크랭크 케이스(48)의 압력(Pc)은 결코 갑작스럽게 변화하지 않는다. 대신에, 크랭크 케이스(48)의 압력(Pc)은 압축기(8)가 정지될 때 피스톤(27)의 거동을 안정화시키기 위해 부드럽게 천천히 변화한다. 따라서, 시동 토크가 정확히 산출될 수 있다.
압축기(8)의 A/C 클러치(43)가 턴오프된 직후 턴온되면, 제어 밸브(13)는 크 랭크 케이스(48)의 압력(Pc)이 낮은 레벨로 유지되도록 완전 폐쇄 위치에 놓인다. 따라서, 압축기(8)가 작동 재개되면, 압축기(8)의 최대 용량 작동이 즉시 시작된다. 이런 식으로, 본 실시예는 퀵 스타트 능력을 달성한다.
짧은 시간(본 실시예에서는 4초) 이내에, 경사판(26d)은 최대 경사 각도로 시프트되는 바, 즉 피스톤(27)은 풀 스트로크를 달성한다. 따라서, 단계 S48에서의 정상 상태 풀 스트로크 추정 및 정상 상태 작동이 신속하게 달성될 수 있다.
본 실시예의 효과에 대해 설명한다.
(1) 본 실시예에 따른 가변 용량 압축기(8)의 토크 산출 방법은, 클러치(43)가 다음에 턴온될 때까지 턴오프되는 OFF 시간(t0)을 카운트하고(단계 S25), OFF 시간(t0)이 소정 시간(본 실시예에서는 6초) 이상인지 여부를 판정하며(단계 S66), OFF 시간(t0)이 소정 시간 미만인지 여부에 따라 시동 토크를 산출한다(단계 S67 내지 S71 및 S72 내지 S73).
본 실시예에 따른 가변 용량 압축기(8)의 토크 산출 장치는, 클러치(43)가 다음에 턴온될 때까지 턴오프되는 OFF 시간(t0)을 카운트하기 위한 (단계 S25에 대응하는) 카운터(101), OFF 시간(t0)이 소정 시간 미만인지 여부를 판정하기 위한 (단계 S66에 대응하는) 판정기(103), 및 OFF 시간(t0)이 소정 시간 미만인지 여부에 따라 시동 토크를 산출하기 위한 (단계 S67 내지 S71 및 S72 내지 S73에 대응하는) 시동 토크 산출기(109)를 구비한다.
이런 식으로, 본 실시예는 압축기(8)가 정지된 후 경과한 시간이, 압축기(8) 의 압력이 평형 상태를 달성하고 피스톤(27)이 초기 위치로 복귀하는 시간인 소정 시간(본 실시예에서는 6초) 미만인지를 체크한다. 이 기술에 의하면, 본 실시예는 압축기(8)가 정지 직후 작동 재개되더라도 시동 토크를 정확히 산출할 수 있다.
(2) 본 실시예에 따른 가변 용량 압축기(8)의 토크 산출 방법은, 클러치(43)가 턴오프된 후 적어도 소정 시간 동안 풀 피스톤 스트로크를 달성하기 위한 최대 용량 신호와 동일한 외부 제어 신호를 압력 조절기(13)에 제공하며(단계 S24), 클러치(43)가 턴온될 때는 압축기(8)의 시동 토크를 산출한다(단계 S45).
본 실시예에 따른 가변 용량 압축기(8)의 토크 산출 장치는, 압력 조절기로서 작용하는 제어 밸브(13)에 외부 제어 신호를 제공하기 위한 용량 콘트롤러(14b)를 구비한다. 용량 콘트롤러(14b)는, 클러치(43)가 턴오프된 후 적어도 소정 시간 동안 풀 피스톤 스트로크를 달성하기 위한 최대 용량 신호와 동일한 외부 제어 신호를 압력 조절기(13)에 제공하기 위한 (단계 S24에 대응하는) 시동 토크 산출 보조 부재(adminicle)(123)를 구비한다. 상기 장치는 또한 압축기(8)의 시동 토크를 산출하기 위한 토크 산출기(14c)를 구비한다. 토크 산출기(14c)는 클러치(43)가 턴온될 때 압축기(8)의 시동 토크를 산출하도록 구성된 (단계 S45에 대응하는) 시동 토크 산출기(109)를 구비한다.
이러한 구성에 의하면, 토출 챔버(49)로부터 크랭크 케이스(48) 내로 고압 냉매가 일절 유동하지 않고, 크랭크 케이스(48) 내의 냉매는 흡입 챔버(50)로 유입되므로, 크랭크 케이스(48)의 압력(Pc)이 점진적으로 흡입 챔버(50)의 압력(Ps)과 동일해지고 안정화된다. 크랭크 케이스(48)의 압력(Pc)은 급격한 요동 없이 천천 히 변화하며, 피스톤(27)은 소정 시간 이내에 점진적으로 그 초기 위치로 복귀한다. 따라서, 본 실시예는 피스톤(27)의 위치를 추정할 수 있고, 압축기(8)의 시동 토크를 정확히 추정할 수 있다.
(3) 상기 (1)항과 (2)항의 조합은 또한 가변 용량 압축기(8)의 토크 산출 방법을 형성한다.
이 조합 방법은, 클러치(43)가 턴오프된 후 풀 피스톤 스트로크를 달성하기 위한 최대 용량 신호와 동일한 외부 제어 신호를 압력 조절기로서 작용하는 제어 밸브(13)에 제공하는 단계(S24), 클러치(43)가 다음에 턴온될 때까지 클러치(43)가 턴오프되는 OFF 시간(t0)을 카운트하는 단계(S25), OFF 시간(t0)이 소정 시간 미만인지 여부를 판정하는 단계(S66), 및 판정에 따라 압축기(8)의 시동 토크를 산출하는 단계(S67 내지 S71, S72 내지 S73)를 포함한다.
상기 (1)항과 (2)항의 조합은 가변 용량 압축기(8)의 토크를 산출하기 위한 조합 장치를 제공한다. 이 장치는 압축기(8)의 토크를 산출하기 위한 토크 산출기(14c)를 구비한다. 토크 산출기(14c)는 클러치(43)가 다음에 턴온될 때까지 턴오프되는 OFF 시간(t0)을 카운트하기 위한 카운터(101), OFF 시간(t0)이 소정 시간 미만인지 여부를 판정하기 위한 판정기(103), 및 판정기(103)의 판정에 따라 압축기(8)의 시동 토크를 산출하기 위한 시동 토크 산출기(109)를 구비한다. 상기 장치는 또한 제어 밸브(13)에 외부 제어 신호를 제공하기 위한 용량 콘트롤러(14b)를 구비한다. 용량 콘트롤러(14b)는 클러치(43)가 턴오프된 후 적어도 소정 시간 동안 제어 밸브(13)에 외부 제어 신호를 제공하기 위한 시동 토크 산출 보조 부 재(123)를 구비하며, 상기 외부 제어 신호는 풀 피스톤 스트로크를 달성하기 위한 최대 용량 신호와 동일하다.
이들 조합 방법 및 장치는 상기 (1)항과 (2)항의 조합 효과를 제공한다.
(4) 본 실시예에 따르면, 가변 용량 압축기(8)는 실린더 보어(51), 실린더 보어(51)의 상사점 측에 배치되는 흡입 챔버(50) 및 토출 챔버(49), 실린더 보어(51)의 하사점 측에 배치되는 크랭크 케이스(48), 냉매를 흡입 챔버(50)로부터 실린더 보어(51) 내로 흡입하고, 흡입된 냉매를 압축하며, 압축된 냉매를 토출 챔버(49) 내로 토출하기 위해 각각의 실린더 보어(51) 내에 배치되는 피스톤(27), 구동원(1)으로부터의 구동력을 각각의 피스톤(27)에 전달하여 피스톤(27)을 작동시키도록 턴온되고 구동원(1)의 구동력을 각 피스톤(27)으로부터 차단하여 피스톤(27)을 정지시키도록 턴오프될 클러치(43), 토출 챔버(49)와 크랭크 케이스(48)를 상호 연결하기 위한 압력 안내 통로(54), 크랭크 케이스(48)와 흡입 챔버(50)를 상호 연결하기 위한 압력 방출 통로(55), 및 상기 크랭크 케이스(48)의 압력(Pc), 각 피스톤(27)의 피스톤 스트로크, 및 토출 용량을 변경시키기 위해 상기 압력 안내 통로(54)와 압력 방출 통로(55)중 하나의 개도를 변경하도록 압력 조절기로서 작용하는 제어 밸브(13)를 구비한다.
(5) 시동 토크 산출기(109)는 OFF 시간(t0)이 소정 시간 미만이면 압축기(8)의 시동 토크를 산출하기 위한 (단계 S67 내지 S71에 대응하는) 제1 시동 토크 산출기로서 작용하는 전이 토크 산출기(113), 및 OFF 시간(t0)이 소정 시간 이상이면 압축기(8)의 시동 토크를 산출하기 위한 (단계 S72 및 S73에 대응하는) 제2 시동 토크 산출기로서 작용하는 초기 스트로크 시동 토크 산출기(115)를 구비한다.
(6) 전이 시동 토크 산출기(113)는 시동 토크 Tt=f(Ta, Pd)를 산출하기 위한 입력 파라미터로서 대기 온도(Ta) 및 냉동 사이클(7a)의 고압(Pd)을 사용한다. 초기 스트로크 시동 토크 산출기(115)는 시동 토크 Tmin=f(Pd)를 산출하기 위한 입력 파라미터로서 냉동 사이클(7a)의 고압(Pd)을 사용한다. 그러한 소수의 입력 파라미터에 의해, 본 실시예는 시동 토크 Tt 또는 Tmin을 산출할 수 있다.
(7) 용량 콘트롤러(14b)는 실제 증발기 출구 공기 온도가 목표 증발기 출구 공기 온도에 근접하도록 제어 밸브(13)를 제어하는 정상 콘트롤러(121)를 구비한다. 압축기(8)의 정상 작동 중에, 실제 증발기 출구 공기 온도는 항상 목표 증발기 출구 공기 온도에 근접해있다.
(8) 압력 조절기로서 작용하는 제어 밸브(13)는 압력 도입 통로(54)의 개도를 변경하기 위한 밸브 플러그(31a)뿐 아니라, 밸브 플러그(31a)를 냉동 사이클(7a)의 저압(Ps)이 감소하면 밸브 개방 방향으로 이동시키고 저압(Ps)이 증가하면 밸브 폐쇄 방향으로 이동시키기 위한 압력 감지 요소(32)를 구비한다.
용량 콘트롤러(14b)에 의해 제공되는 외부 제어 신호가 변하지 않더라도, 본 실시예는 증발기(12)에 대한 부하를 위해 적절한 냉매 유량을 보장할 수 있으며, 압축기(8)의 시동 토크를 정확히 추정할 수 있다.
본 실시예에 따르면, A/C 클러치(43)는 에어컨 스위치(21a)를 온오프시킴으로써 온오프된다. A/C 클러치(43)를 온오프시키기 위해서는 에어컨 스위치(21a) 대신에 임의의 다른 온/오프 제어 요소가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 변형예에 서는 증발기(12) 출구에서의 공기 온도가 소정 온도(예를 들면, 5℃) 아래로 저하될 때 A/C 클러치(43)를 턴오프시키기 위한 요소를 사용할 수 있다. 다른 변형예에서는 가속 조건과 같은 엔진 조건에 따라 A/C 클러치(43)를 온오프시키기 위한 요소를 사용할 수 있다. 이들 변형예는 에너지 절감을 위해 A/C 클러치(43)를 자주 온오프시킨다. 즉, 변형예는 압축기(8)를 그 정지 직후에 자주 작동 재개하며, 본 실시예의 시동 토크 산출 방법은 압축기(8)의 그러한 잦은 ON/OFF 동작에 있어서 특히 효과적이다.
본 실시예에 따르면, 제어 밸브(13)는 도3에 도시한 바와 같이 흡입 압력(Ps)을 감지하고 밸브 개도를 제어하기 위해 압력 감지부(격벽)(32)를 구비한다. 흡입 압력(Ps) 대신에, 제어 밸브(13)는 토출 압력(고압)(Pd)을 감지할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 경사판(26d)과 피스톤(27)은 압축기(8)가 압력 평형을 달성할 때 그 초기 위치로 복귀하며, 초기 위치는 풀 스트로크 위치와 디스트로크 위치 사이의 중간이다. 초기 위치는 중간 위치 대신에 다른 임의의 위치일 수 있다. 이 경우, 임의의 초기 위치에 따라 시동 토크 맵이 준비된다.
본 실시예는 압축기(8)의 냉매의 토출 용량을 외부 제어하기 위해 제어 펄스 신호의 듀티 계수를 사용한다. 압축기(8)의 냉매의 토출 용량을 제어하기 위해 제어 펄스 신호의 듀티 계수 대신에 임의의 다른 전기량이 사용될 수도 있다.
본 실시예는 압축기(8)의 구동원으로서 차량 엔진을 사용한다. 대신에, 압축기(8)의 구동원은 전기 모터일 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 용량 콘트롤러(14b) 및 토크 산출기(14c)는 에어컨 제 어 유닛(14) 내에 배치된다. 대신에, 용량 콘트롤러(14b) 및 토크 산출기(14c)는 엔진 제어 유닛(3) 내에 배치될 수도 있다. 용량 콘트롤러(14b) 및 토크 산출기(14c)를 분리하여 배치할 수도 있다.
본 발명을 특정 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 청구범위의 정신 또는 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 상기한 실시예들의 변형예 및 수정예가 이루어질 수 있다. 상기한 실시예들은 단지 예시적인 목적을 위한 것이며, 본 발명을 제한하려는 것이 아니다.

Claims (19)

  1. 흡입 챔버와, 토출 챔버와, 상기 흡입 챔버로부터 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하며 압축된 냉매를 토출 챔버로 토출하기 위한 피스톤과, 피스톤을 작동시키기 위해 구동원으로부터의 구동력을 피스톤에 전달하도록 턴온되고 피스톤을 정지시키기 위해 구동원의 구동력을 피스톤으로부터 연결 해제하여 턴오프되도록 구성된 클러치와, 상기 토출 챔버로부터 피스톤의 후방으로 도입되는 배압을 조절하여 피스톤의 스트로크를 조절하기 위한 압력 조절기를 구비하는 가변 용량 압축기의 토크를 산출하기 위한 장치이며,
    클러치가 다음에 턴온될 때까지 턴오프되는 OFF 시간을 카운트하도록 구성된 카운터와,
    OFF 시간이 소정 시간 미만인지를 판정하도록 구성된 판정기와,
    상기 판정기의 판정에 따라 압축기의 시동 토크를 산출하도록 구성된 시동 토크 산출기를 포함하는 토크 산출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소정 시간은 피스톤을 초기 위치로 복귀시키기 위해 클러치가 턴오프될 때와 가변 용량 압축기에서 압력 평형 상태가 달성될 때 사이의 실험적으로 얻어지는 기간인 토크 산출 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 시동 토크 산출기는
    OFF 시간이 소정 시간 미만일 때 시동 토크를 산출하도록 구성된 제1 시동 토크 산출기와,
    OFF 시간이 소정 시간 이상일 때 시동 토크를 산출하도록 구성된 제2 시동 토크 산출기를 포함하는 토크 산출 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 시동 토크 산출기는 피스톤이 초기 위치와 풀 스트로크 위치 사이에 있다고 추정하여 제1 시동 토크 식에 따라 시동 토크를 산출하도록 구성되며,
    상기 제2 시동 토크 산출기는 피스톤이 초기 위치에 있다고 추정하여 제2 시동 토크 식에 따라 시동 토크를 산출하도록 구성되는 토크 산출 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 시동 토크 산출기는 시동 토크를 산출하기 위한 입력 파라미터로서 대기 온도 및 냉동 사이클의 고압을 사용하고,
    상기 제2 시동 토크 산출기는 시동 토크를 산출하기 위한 입력 파라미터로서 냉동 사이클의 고압을 사용하는 토크 산출 장치.
  6. 흡입 챔버와, 실린더 보어와, 토출 챔버와, 상기 흡입 챔버로부터 실린더 보어로 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하며 압축된 냉매를 토출 챔버로 토출하기 위한 피스톤과, 피스톤을 작동시키기 위해 구동원으로부터의 구동력을 피스톤에 전달하도록 피스톤을 정지시키도록 턴온되고 피스톤을 정지시키기 위해 구동원의 구동력을 피스톤으로부터 연결 해제하여 턴오프되도록 구성된 클러치와, 상기 토출 챔버로부터 피스톤의 후방으로 도입되는 배압을 조절하여 피스톤의 스트로크를 조절하기 위한 압력 조절기를 구비하는 가변 용량 압축기의 토크를 산출하기 위한 장치이며,
    클러치가 턴오프된 후 적어도 소정 시간 동안, 풀 피스톤 스트로크를 달성하기 위한 최대 용량 신호와 동일한 외부 제어 신호를 상기 압력 조절기에 제공하도록 구성된 시동 토크 산출 보조 부재를 구비하는 용량 콘트롤러와,
    클러치가 턴온될 때 압축기의 시동 토크를 산출하도록 구성된 시동 토크 산출기를 갖는 토크 산출기를 포함하는 토크 산출 장치.
  7. 흡입 챔버와, 실린더 보어와, 토출 챔버와, 상기 흡입 챔버로부터 실린더 보어로 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하며 압축된 냉매를 토출 챔버로 토출하기 위한 피스톤과, 피스톤을 작동시키기 위해 구동원으로부터의 구동력을 피스톤에 전달하여 턴온되고 피스톤을 정지시키기 위해 구동원의 구동력을 피스톤으로부터 연결 해제하여 턴오프되도록 구성된 클러치와, 상기 토출 챔버로부터 피스톤의 후방으로 도입되는 배압을 조절하여 피스톤의 스트로크를 조절하기 위한 압력 조절기를 구비하는 가변 용량 압축기의 토크를 산출하기 위한 장치이며,
    압축기의 토크를 산출하도록 구성된 토크 산출기와, 상기 압력 조절기에 외부 제어 신호를 제공하도록 구성된 용량 콘트롤러를 포함하며,
    상기 토크 산출기는 클러치가 다음에 턴온될 때까지 턴오프되는 OFF 시간을 카운트하도록 구성된 카운터와, OFF 시간이 소정 시간 미만인지를 판정하도록 구성된 판정기와, 상기 판정기의 판정에 따라 압축기의 시동 토크를 산출하도록 구성된 시동 토크 산출기를 구비하고,
    상기 용량 콘트롤러는 상기 클러치가 턴오프된 후 적어도 소정 시간 동안, 풀 피스톤 스트로크를 달성하기 위한 최대 용량 신호와 동일한 외부 제어 신호를 압력 조절기에 제공하도록 구성된 시동 토크 산출 보조 부재를 구비하는 토크 산출 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 클러치는 증발기 출구 온도가 소정 온도 이하일 때 턴오프되는 토크 산출 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 압력 조절기는
    토출 챔버와 피스톤의 후방 사이의 통로의 개도를 변경하도록 구성된 밸브 플러그와,
    상기 밸브 플러그를 냉동 사이클의 저압이 감소할 때는 밸브 개방 방향으로 이동시키고 상기 저압이 증가할 때는 밸브 폐쇄 방향으로 이동시키도록 구성된 압력 감지 요소를 포함하는 토크 산출 장치.
  10. 제6항에 있어서, 상기 압축기가 정상 상태 작동에 있을 때, 상기 용량 콘트롤러는 실제 증발기 출구 온도가 목표 증발기 출구 온도에 근접하도록 압력 조절기 를 제어하는 토크 산출 장치.
  11. 흡입 챔버와, 실린더 보어와, 토출 챔버와, 상기 흡입 챔버로부터 실린더 보어로 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하며 압축된 냉매를 토출 챔버로 토출하기 위한 피스톤과, 피스톤을 작동시키기 위해 구동원으로부터의 구동력을 피스톤에 전달하여 턴온되고 피스톤을 정지시키기 위해 구동원의 구동력을 피스톤으로부터 연결 해제하여 턴오프되도록 구성된 클러치와, 상기 토출 챔버로부터 피스톤의 후방으로 도입되는 배압을 조절하여 피스톤의 스트로크를 조절하기 위한 압력 조절기를 구비하는 가변 용량 압축기의 토크를 산출하는 방법이며,
    클러치가 다음에 턴온될 때까지 턴오프되는 OFF 시간을 카운트하는 단계와,
    OFF 시간이 소정 시간 미만인지를 판정하는 단계와,
    판정에 따라 압축기의 시동 토크를 산출하는 단계를 포함하는 토크 산출 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 소정 시간은 클러치가 턴오프될 때와 피스톤을 초기 위치로 복귀시키기 위해 가변 용량 압축기에서 압력 평형 상태가 달성될 때 사이의 실험적으로 얻어지는 기간인 토크 산출 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 판정에 따라 압축기의 시동 토크를 산출하는 단계는
    OFF 시간이 소정 시간 미만일 때는 피스톤이 초기 위치와 풀 스트로크 위치 사이에 있다고 추정하여 제1 시동 토크 식에 따라 시동 토크를 산출하고 단계와,
    OFF 시간이 소정 시간 이상일 때는 피스톤이 초기 위치에 있다고 추정하여 제2 시동 토크 식에 따라 시동 토크를 산출하는 단계를 포함하는 토크 산출 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 판정에 따라 압축기의 시동 토크를 산출하는 단계는
    OFF 시간이 소정 시간 미만일 때는 시동 토크를 산출하기 위한 입력 파라미터로서 대기 온도 및 냉동 사이클의 고압을 사용하는 단계와,
    OFF 시간이 소정 시간 이상일 때는 시동 토크를 산출하기 위한 입력 파라미터로서 냉동 사이클의 고압을 사용하는 단계를 포함하는 토크 산출 방법.
  15. 흡입 챔버와, 실린더 보어와, 토출 챔버와, 상기 흡입 챔버로부터 실린더 보어로 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하며 압축된 냉매를 토출 챔버로 토출하기 위한 피스톤과, 피스톤을 작동시키기 위해 구동원으로부터의 구동력을 피스톤에 전달하여 턴온되고 피스톤을 정지시키기 위해 구동원의 구동력을 피스톤으로부터 연결 해제하여 턴오프되도록 구성된 클러치와, 상기 토출 챔버로부터 피스톤의 후방으로 도입되는 배압을 조절하여 피스톤의 스트로크를 조절하기 위한 압력 조절기를 구비하는 가변 용량 압축기의 토크를 산출하는 방법이며,
    클러치가 턴오프된 후 적어도 소정 시간 동안, 풀 피스톤 스트로크를 달성하기 위한 최대 용량 신호와 동일한 외부 제어 신호를 상기 압력 조절기에 제공하는 단계와,
    클러치가 턴온될 때 압축기의 시동 토크를 산출하는 단계를 포함하는 토크 산출 방법.
  16. 흡입 챔버와, 실린더 보어와, 토출 챔버와, 상기 흡입 챔버로부터 실린더 보어로 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하며 압축된 냉매를 토출 챔버로 토출하기 위한 피스톤과, 피스톤을 작동시키기 위해 구동원으로부터의 구동력을 피스톤에 전달하여 턴온되고 피스톤을 정지시키기 위해 구동원의 구동력을 피스톤으로부터 연결 해제하여 턴오프되도록 구성된 클러치와, 상기 토출 챔버로부터 피스톤의 후방으로 도입되는 배압을 조절하여 피스톤의 스트로크를 조절하기 위한 압력 조절기를 구비하는 가변 용량 압축기의 토크를 산출하는 방법이며,
    클러치가 ON 상태로부터 턴오프된 후, 풀 피스톤 스트로크를 달성하기 위한 최대 용량 신호와 동일한 외부 제어 신호를 상기 압력 조절기에 제공하는 단계와,
    클러치가 다음에 턴온될 때까지 턴오프되는 OFF 시간을 카운트하는 단계와,
    OFF 시간이 소정 시간 미만인지를 판정하는 단계와,
    판정에 따라 압축기의 시동 토크를 산출하는 단계를 포함하는 토크 산출 방법.
  17. 제16항에 있어서, 최대 용량 신호와 동일한 외부 제어 신호를 제공하기 위한 시간이 상기 소정 시간보다 긴 토크 산출 방법.
  18. 제11항에 있어서, 증발기 출구 온도가 소정 온도 이하일 때 클러치를 턴오프시키는 단계를 더 포함하는 토크 산출 방법.
  19. 제11항에 있어서, 상기 압력 조절기는
    토출 챔버와 피스톤의 후방 사이의 통로의 개도를 변경하도록 구성된 밸브 플러그와,
    상기 밸브 플러그를 냉동 사이클의 저압이 감소할 때는 밸브 개방 방향으로 이동시키고 상기 저압이 증가할 때는 밸브 폐쇄 방향으로 이동시키도록 구성된 압력 감지 요소를 포함하는 토크 산출 방법.
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