JP2017100674A

JP2017100674A - 車両用熱利用装置

Info

Publication number: JP2017100674A
Application number: JP2015237771A
Authority: JP
Inventors: 陽一大西; Yoichi Onishi; 梯　伸治; Shinji Kakehashi; 伸治梯
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2017-06-08

Abstract

【課題】エンジンを熱源とした暖房と冷媒サイクルを用いた暖房とを併用して、効率的な暖房制御を行うことを目的とする。
【解決手段】エンジン１８、車室内に放熱するヒータコア２４、及び冷媒をコンプレッサ３２により圧縮して膨張する冷媒サイクル３０に含まれる温水加熱器３４の各々を冷却水が循環する循環路におけるヒータコア２４の温度または冷却水のヒータコア２４部分の温度を検出するヒータコア温度センサと、暖房要求時にヒータコア温度センサによって検出された温度が予め定めた暖房要求温度以下の場合に、コンプレッサ３２を作動して冷媒の熱を温水加熱器３４から放熱して冷却水を加熱するようコンプレッサ３２を制御する制御部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用熱利用装置に関する。

特許文献１では、蒸発器と凝縮器とを有する冷媒サイクルに対して、液体を循環させて冷媒の熱を熱交換器で液体に受熱または吸熱させる空調装置が提案されている。具体的には、夏期は、蒸発器と空調用ラジエタとの間、及び凝縮器と外側ラジエタとの間の各々で液体を循環し、冬期は、蒸発器と外側ラジエタとの間、及び凝縮器と空調用ラジエタとの間の各々で液体を循環させる空調装置が開示されている。

特開平６−２１９１５０号公報

しかしながら、特許文献１では、電気自動車を前提としているので、エンジンを熱源とした暖房については考慮していない。ハイブリッド車両やアイドリングストップ機能を備えた車両等のようにエンジンを有する車両では、冷媒サイクルを用いた暖房とエンジンを熱源とした暖房とを併用することが想定されるが、この場合には、効率的な暖房制御が望まれる。

本発明は、上記事実を考慮して成されたもので、エンジンを熱源とした暖房と冷媒サイクルを用いた暖房とを併用して、効率的な暖房制御を行うことを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、エンジン、車室内に放熱する車室内熱交換器、及び冷媒を圧縮機により圧縮して膨張する冷媒サイクルに含まれる放熱用熱交換器の各々を液体が循環する循環路における前記車室内熱交換器の温度または前記液体の前記車室内熱交換器部分の温度を検出する検出部と、暖房要求時に前記検出部によって検出された温度が予め定めた暖房要求温度以下の場合に、前記圧縮機を作動して冷媒の熱を前記放熱用熱交換器から放熱して液体を加熱するよう前記圧縮機を制御する制御部と、を備える。

請求項１に記載の発明によれば、液体が循環する循環路に、エンジン、車室内熱交換器、及び冷媒サイクルに含まれる放熱用熱交換器が設けられている。すなわち、エンジンを液体が循環することにより、液体によってエンジンが冷却される。また、エンジンの熱によって液体が加熱され、車室内熱交換器から放熱することで車室内の暖房が可能とされている。さらに、冷媒サイクルに含まれる放熱用熱交換器を液体が循環することで、液体が放熱用熱交換器によって加熱可能とされている。

検出部では、循環路における車室内熱交換器の温度または液体の車室内熱交換器部分の温度が検出部によって検出される。

そして、制御部では、暖房要求時に検出部によって検出された温度が予め定めた暖房要求温度以下の場合に、圧縮機を作動して冷媒の熱を放熱用熱交換器から放熱して液体を加熱するよう圧縮機が制御される。これにより、エンジンの作動に関わらず、冷媒サイクルを利用して暖房に必要な液体の温度を維持することができる。また、アイドリングストップやハイブリッド車両のモータ走行時等のようにエンジンが停止している場合でも暖房要求があるときには、冷媒サイクルを利用して液体を加熱できるので、液体の温度がエンジンの暖機が必要な温度以下になるのを防止することができる。従って、常に圧縮機を作動して液体を加熱して暖房する場合に比べて効率的な暖房制御が可能となり、エンジンを熱源とした暖房と冷媒サイクルを用いた暖房とを併用した効率的な暖房制御が可能となる。

制御部は、請求項２に記載の発明のように、検出部によって検出された温度が暖房要求温度より高い場合に、圧縮機の作動を停止するよう圧縮機を更に制御してもよい。これにより、圧縮機の無駄な作動を抑制することができる。

なお、請求項３に記載の発明のように、液体のエンジン部分の温度を検出する温度検出部を更に備え、制御部が、温度検出部によってエンジンの機械損失を低減する予め定めた機械損失低減要求温度以下の温度が検出された場合に、エンジンを始動すると共に、前記圧縮機を作動して冷媒の熱を前記放熱用熱交換器から放熱して液体を加熱するよう圧縮機を制御してもよい。これにより、外気温が低く、冷媒サイクルを用いた暖房だけでは液体の温度が低下するような場合でもエンジンの熱と併用して液体を加熱できるので、暖房性能を維持することができる。また、液体の温度が機械損失低減要求温度以上に維持され、機械損失の悪化を防止できる。

以上説明したように本発明によれば、エンジンを熱源とした暖房と冷媒サイクルを用いた暖房とを併用して、効率的な暖房制御を行うことができる、という効果がある。

本実施形態に係る車両用熱利用装置の概略構成を示す図である。本実施形態に係る車両用熱利用装置の制御系の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る車両用熱利用装置の制御部で行われる処理の流れの一例を示すフローチャートである。本実施形態に係る車両用熱利用装置の制御部で行われる処理の流れの変形例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本実施形態の一例を詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る車両用熱利用装置の概略構成を示す図である。

本実施形態に係る車両用熱利用装置１０は、エンジン等によって発生する熱を利用して車室内を暖房可能な装置である。なお、本実施形態に係る車両用熱利用装置１０は、例えば、信号などによって停車したときにエンジンを停止するアイドリングストップ機能を備えた車両や、モータとエンジンとを備えたハイブリッド車両に搭載される。

本実施形態に係る車両用熱利用装置１０は、図１に示すように、エンジン液回路１２、ヒータ液回路１４、及び冷温液回路１６を含む循環路を有しており、循環路には、液体としての冷却水が循環する。なお、本実施形態では、液体として冷却水（例えば、不凍液）を適用するが、水などの他の液体を適用してもよい。

エンジン液回路１２は、エンジン１８を冷却する循環路であり、エンジンウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）２０によって冷却水が循環される。エンジン１８内は、ウォータジェケット内を冷却水が循環する。また、エンジン液回路１２には、第１ラジエタ２２が図示しないサーモスタットを介して接続されて、サーモスタットの開閉に応じて図１の点線で示すように第１ラジエタ２２へ冷却水が循環される。すなわち、冷却水の冷却が必要となる予め定めた温度以下では、サーモスタットが閉鎖状態となり、第１ラジエタ２２への冷却水の循環が行われず、予め定めた温度を超えた場合に、サーモスタットが開放状態となり、第１ラジエタ２２へ冷却水を循環して放熱される。なお、エンジン液回路１２のウォータポンプ２０は、エンジン１８の駆動によって動作する機械式のウォータポンプを適用してもよいし、電気的に動作する電動ウォータポンプを適用してもよい。本実施形態では、電気式のウォータポンプを適用した例として説明する。また、サーモスタットについても電気式のものを適用してもよいし、機械式のものを適用してもよい。

ヒータ液回路１４は、エンジン１８を冷却する冷却水の車室内側の循環路であり、エンジン液回路１２に接続されて、車室内熱交換器としてのヒータコア２４及び排熱回収器２６が設けられている。

ヒータコア２４は、車室内を暖房するための熱交換器であり、冷却水の熱をヒータコア２４から放熱することにより車室内の暖房が可能とされている。

排熱回収器２６は、エンジン１８の排気ガスを排出する排気管２８の経路中に設けられ、排気管２８の熱を利用して冷却水を加熱可能とされている。すなわち、排熱回収器２６によって回収した熱により冷却水を加熱して車室内を暖房することが可能とされている。なお、本実施形態では、排熱回収器２６を備える例を示すが、排熱回収器２６は省略してもよい。

冷温液回路１６は、冷媒サイクル３０に含まれる熱交換器を通過する循環路に沿って冷却水が循環する循環路である。冷温液回路１６はヒータ液回路１４に接続されると共に、冷媒サイクル３０に含まれる熱交換器によって冷却水の加熱または冷却が可能とされている。

具体的には、冷媒サイクル３０は、圧縮機としてのコンプレッサ３２、放熱用熱交換器としての温水加熱器３４、冷水冷却器３６、及び膨張弁３８を含み、ヒートポンプとして機能可能とされている。すなわち、コンプレッサ３２によって冷媒を圧縮し、膨張弁３８により冷媒を膨張させながら冷媒を循環させることで、圧縮された冷媒の熱を温水加熱器３４で放熱して冷却水を加熱し、膨張された冷媒に冷水冷却器３６で熱を吸熱させることで冷却水を冷却する。

冷温液回路１６は、詳細には、冷水冷却器３６を通過することにより冷却水を冷却する循環路とされた冷液回路４０と、温水加熱器３４を通過することにより冷却水を加熱する循環路とされた温液回路４２とを有する。

冷液回路４０には、冷水用ウォータポンプ４４、第２ラジエタ４８、及びクーラコア５０が設けられ、冷水用ウォータポンプ４４を駆動することにより、冷水冷却器３６、第２ラジエタ４８、及びクーラコア５０の順に冷却水が循環する。なお、暖房必要時に、外気温がある閾値温度以下の場合には、クーラコア５０を通らずに循環する図示しない冷却水バイパス回路が存在する。また、第２ラジエタは、第１ラジエタの車両前側にあってもよい。

一方、温液回路４２には、ヒータ液回路１４が接続されていると共に、温水用ウォータポンプ４６が設けられており、温水用ウォータポンプ４６を駆動することで冷却水が循環される。

なお、冷水用ウォータポンプ４４及び温水用ウォータポンプ４６はそれぞれ電動ウォータポンプが適用される。

続いて、本実施形態に係る車両用熱利用装置１０の制御系の構成について説明する。図２は、本実施形態に係る車両用熱利用装置１０の制御系の概略構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る車両用熱利用装置１０は、上述のコンプレッサ３２やウォータポンプ等の動作を制御する制御部６０を備えている。

制御部６０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を含むマイクロコンピュータで構成されている。

制御部６０には、温度検出部としてのエンジン水温センサ６２、検出部としてのヒータコア温度センサ６４、エンジン（ＥＮＧ）ウォータポンプ２０、コンプレッサ３２、冷水用ウォータポンプ４４、及び温水用ウォータポンプ４６が接続されている。

エンジン水温センサ６２は、冷却水の温度を検出して検出結果を制御部６０に出力する。エンジン水温センサ６２は、本実施形態では、エンジンブロック等に設けられてエンジン１８内を循環する冷却水の温度を検出する。例えば、エンジン水温センサ６２は、エンジンブロックや、サーモスタットを収納するサーモスタットハウジング等に設けられて、エンジン１８部分の冷却水の温度を検出する。

ヒータコア温度センサ６４は、ヒータコア２４の温度またはヒータコア２４部分の冷却水の温度を検出して検出結果を制御部６０に出力する。なお、以下では、ヒータコア２４の温度またはヒータコア２４部分の冷却水の温度をヒータコア温度と称す。ここで、ヒータコア２４の近傍の温度またはヒータコア２４の近傍の冷却水の温度を検出してヒータコア温度を推定することにより、ヒータコア温度を検出することもできる。

ＥＮＧウォータポンプ２０は、エンジン１８に設けられており、駆動されることにより、循環路に沿って冷却水を循環させる。

コンプレッサ３２は、駆動されることによって、冷媒サイクル３０内の冷媒の圧縮及び循環を行う。

冷水用ウォータポンプ４４は、駆動されることにより、冷水冷却器３６、第２ラジエタ４８、及びクーラコア５０の順に冷液回路４０の冷却水を循環させる。

温水用ウォータポンプ４６は、駆動されることにより、温液回路４２の冷却水を循環させる。

ところで、本実施形態に係る車両用熱利用装置１０は、上述したように、アイドリングストップ機能を備えた車両や、ハイブリッド車両に搭載されるので、暖房中にエンジンを停止することがある。暖房時にエンジンを停止した場合には、暖房の熱源として利用される冷却水の温度が暖房要求温度より低くなると暖房として機能しないため、エンジンを始動する必要があり、エンジン停止による燃費向上効果が低減する。

そこで、本実施形態では、エンジン作動の有無にかかわらず、暖房要求時にヒータコア温度ＴＨが予め定めた暖房要求温度Ｔ１以下の場合に、制御部６０がコンプレッサ３２を作動するよう制御することでヒートポンプを機能させるようになっている。これにより、温水加熱器３４から冷媒の熱が冷却水に放熱されて、暖房の熱源としての冷却水が加熱されるので、アイドリングストップ等によるエンジン停止時間を延長させることが可能となる。

なお、予め定めた暖房要求温度Ｔ１は、予め定めた固定値（例えば、６０℃等）や変動値を適用してもよい。変動値を適用する場合には、例えば、空調装置の目標吹き出し温度Ｔａｏや、外気温等に応じて暖房要求温度Ｔ１を予め定めて対応する値を導出してもよい。ここで、目標吹き出し温度Ｔａｏは、Tao=k1×Tset-k2×Ta-k3×Tr-k4×ST+C（k1〜k4及びCは定数、Tsetは設定温度、Trは車室内温度、Taは外気温、STは日射量を表す。）により得られる。

続いて、本実施形態に係る車両用熱利用装置１０の制御部６０で行われる具体的な処理について説明する。図３は、本実施形態に係る車両用熱利用装置１０の制御部６０で行われる処理の流れの一例を示すフローチャートである。なお、図３の処理は、図示しないイグニッションスイッチがオンされた場合、或いは、エンジン停止時（アイドリングストップ時又はエンジン停止したモータのみの走行開始時等）に開始するものとして説明する。また、本実施形態の車両用熱利用装置１０は、アイドリングストップ機能を備えた車両やハイブリッド車両に搭載されるため、イグニッションスイッチがオンでもエンジン１８が始動しているとは限らず、エンジン１８の動作は図３とは別の制御として説明する。

ステップ１００では、制御部６０が、ヒータコア温度センサ６４の検出結果を取得することによりヒータコア温度を検出してステップ１０２へ移行する。

ステップ１０２では、制御部６０が、ヒータコア温度が暖房要求温度Ｔ１以下か否かを判定する。該判定が肯定された場合にはステップ１０４へ移行し、否定された場合にはステップ１０６へ移行する。

ステップ１０４では、制御部６０が、Ｗ／Ｐ（冷水用ウォータポンプ４４及び温水用ウォータポンプ４６）及びコンプレッサ３２をオンしてステップ１０８へ移行する。これにより、エンジン１８が停止していても冷媒サイクル３０がヒートポンプとして機能し、冷媒の熱が温水加熱器３４に放熱されることで、温水加熱器３４によって冷却水を加熱することができるので、暖房の熱源を確保することができる。よって、アイドリングストップ時やハイブリッド車両のモータ走行時等のエンジン停止時間を延長することが可能となる。

一方、ステップ１０６では、制御部６０が、Ｗ／Ｐ（冷水用ウォータポンプ４４及び温水用ウォータポンプ４６）及びコンプレッサ３２をオフしてステップ１０８へ移行する。

ステップ１０８では、制御部６０が、処理を終了するか否かを判定する。該判定は、例えば、イグニッションスイッチがオフされたか否か、或いは、エンジン停止（アイドリングストップ）の終了か否か等を判定する。該判定が否定された場合にはステップ１００に戻って上述の処理を繰り返し、判定が肯定された場合に一連の処理を終了する。

このように制御部６０による制御を行うことで、ヒータコア温度が暖房要求温度Ｔ１以下となった場合には、コンプレッサ３２がオンすることで冷媒サイクル３０をヒートポンプとして機能させて冷却水を加熱するので、暖房の熱源を確保することができる。また、エンジンの暖機が必要な温度以上に冷却水の温度が維持可能となり、アイドリングストップやモータ走行などでエンジンを停止する時間が短くなるのを防止することが可能となる。さらに、ヒータコア温度が暖房要求温度Ｔ１より高くなった場合には、ステップ１０２の判定が否定されてステップ１０６でコンプレッサ３２がオフされるので、不必要な冷却水の加熱を防止できる。

ところで、上記の実施形態では、寒冷地のように外気温が低い状態においては、エンジン１８を始動せずにヒートポンプ機能だけの暖房を行った場合に、冷却水の温度を上昇させることができないことがあり得る。冷却水の温度がエンジン１８の機械損失低減要求温度（暖機運転の閾値となる温度）Ｔ２以下になると、暖機運転が必要となり、機械損失が大きくなる。そこで、エンジン水温センサ６２によって機械損失低減要求温度Ｔ２（例えば、４０度）以下のエンジン１８の冷却水温度（エンジン冷却水温度）が検出された場合に、コンプレッサ３２の作動と共にエンジン１８を始動してもよい。例えば、制御部６０が、図４に示す処理を行ってもよい。図４は、本実施形態に係る車両用熱利用装置１０の制御部６０で行われる処理の流れの変形例を示すフローチャートである。なお、図４の処理は上記の実施形態に対してステップ１１０〜１１６の処理を追加したものであり、以下では、上記の実施形態と同一処理については同一符号を付して説明する。また、図４の処理は、図示しないイグニッションスイッチがオンされた場合、或いは、エンジン停止時（アイドリングストップ時又はエンジン停止したモータのみの走行開始時等）に開始するものとして説明する。また、エンジン１８のサーモスタットの全開温度をＴ３とした場合、暖房では通常、サーモスタット全開温度Ｔ３＞暖房要求温度Ｔ１＞機械損失低減要求温度Ｔ２となるものとする。

ステップ１０４では、制御部６０が、Ｗ／Ｐ（冷水用ウォータポンプ４４及び温水用ウォータポンプ４６）及びコンプレッサ３２をオンしてステップ１１０へ移行する。これにより、エンジン１８が停止していても冷媒サイクル３０がヒートポンプとして機能し、冷媒の熱が温水加熱器３４に放熱されることで、温水加熱器３４によって冷却水を加熱することができるので、暖房の熱源を確保することができる。よって、アイドリングストップ時やハイブリッド車両のモータ走行時等のエンジン停止時間を延長することが可能となる。

一方、ステップ１０６では、制御部６０が、Ｗ／Ｐ（冷水用ウォータポンプ４４及び温水用ウォータポンプ４６）及びコンプレッサ３２をオフしてステップ１１０へ移行する。なお、ステップ１０６によりＷ／Ｐ及びコンプレッサ３２がオフされた状態で処理がループして再びステップ１０６に移行する場合には当該ステップはスキップしてステップ１１０へ移行する。

ステップ１１０では、制御部６０がエンジン停止中であるか否かを判定する。該判定は、例えば、図示しないエンジンＥＣＵ等から情報を取得したり、点火信号の有無を検出したりすることで判定する。該判定が肯定された場合にはステップ１１２へ移行し、否定された場合にはステップ１０８へ移行する。

ステップ１１２では、制御部６０がエンジン水温センサ６２の検出結果を取得することによりエンジン水温を検出してステップ１１４へ移行する。

ステップ１１４では、制御部６０がエンジン水温が機械損失低減要求温度Ｔ２以下か否かを判定する。該判定が肯定された場合にはステップ１１６へ移行し、否定された場合にはステップ１０８へ移行する。

ステップ１１６では、制御部６０がエンジンＥＣＵ等にエンジン始動要求を行う等によりエンジン１８を始動してステップ１０８へ移行する。これにより、機械損失低減要求温度Ｔ２以下になった場合にはエンジン１８が始動されるので、機械損失の悪化を防止できる。また、外気温が低く、ヒートポンプ機能による暖房だけでは冷却水の温度が低下するような場合でもエンジン１８とヒートポンプの双方により冷却水を加熱することができるので、暖房性能を維持することができる。

そして、ステップ１０８では、制御部６０が、処理を終了するか否かを判定する。該判定は、例えば、イグニッションスイッチがオフされたか否か、或いは、エンジン停止（アイドリングストップ）の終了か否か等を判定する。該判定が否定された場合にはステップ１００に戻って上述の処理を繰り返し、判定が肯定された場合に一連の処理を終了する。

なお、上記の実施形態におけるクーラコア５０は省略した構成としてもよい。また、上記の実施形態は、冷却水を加熱する熱源として他の熱源（例えば、燃焼ヒータ等）を更に備えてもよい。

また、上記の実施形態では、ＥＮＧウォータポンプ２０及び温水用ウォータポンプ４６を備えて冷却水を循環する例を説明したが、温水用ウォータポンプ４６は省略してＥＮＧウォータポンプ２０のみで冷却水の循環を行ってもよい。

また、上記の実施形態では、ヒータ液回路１４に排熱回収器２６を設けた例を説明したが、これに限るものではない。例えば、ヒータ液回路１４の冷却水の循環路中に、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）や、トランスアクスル等を設けてもよい。

また、上記の実施形態における制御部６０で行われる処理は、コンピュータがプログラムを実行することにより行われるソフトウエア処理としてもよいし、ハードウエアで行う処理としてもよい。或いは、ソフトウエア及びハードウエアの双方を組み合わせた処理としてもよい。また、ソフトウエアで行う処理とする場合のプログラムは、各種記憶媒体に記憶して流通させるようにしてもよい。

また、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１０車両用熱利用装置
１２エンジン液回路
１４ヒータ液回路
１６冷温液回路
１８エンジン
２４ヒータコア（車室内熱交換器）
３０冷媒サイクル
３２コンプレッサ（圧縮機）
３４温水加熱器（放熱用熱交換器）
３８膨張弁
４２温液回路
６０制御部
６２エンジン水温センサ（温度検出部）
６４ヒータコア温度センサ（検出部）

Claims

エンジン、車室内に放熱する車室内熱交換器、及び冷媒を圧縮機により圧縮して膨張する冷媒サイクルに含まれる放熱用熱交換器の各々を液体が循環する循環路における前記車室内熱交換器の温度または前記液体の前記車室内熱交換器部分の温度を検出する検出部と、
暖房要求時に前記検出部によって検出された温度が予め定めた暖房要求温度以下の場合に、前記圧縮機を作動して冷媒の熱を前記放熱用熱交換器から放熱して液体を加熱するよう前記圧縮機を制御する制御部と、
を備えた車両用熱利用装置。
前記制御部は、前記検出部によって検出された温度が前記暖房要求温度より高い場合に、前記圧縮機の作動を停止するよう前記圧縮機を更に制御する請求項１に記載の車両用熱利用装置。
前記液体のエンジン部分の温度を検出する温度検出部を更に備え、
前記制御部が、前記温度検出部によってエンジンの機械損失を低減する予め定めた機械損失低減要求温度以下の温度が検出された場合に、エンジンを始動すると共に、前記圧縮機を作動して冷媒の熱を前記放熱用熱交換器から放熱して液体を加熱するよう前記圧縮機を制御する請求項１又は請求項２に記載の車両用熱利用装置。