JP5073389B2 - 車両用空調制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサの作動中に冷凍サイクルで生成した冷熱の一部を蓄冷器に蓄え、コンプレッサの停止中に蓄冷器から放出される冷熱で車室内を空調する車両用空調制御装置に関する発明である。

車両用空調装置は、エンジンの動力で冷凍サイクルのコンプレッサを駆動するようになっているため、空調運転時にはコンプレッサの駆動に必要な動力分だけエンジンの燃費が悪化する。

そこで、特許文献１（特開２０００−３５５２１４号公報）に記載されているように、補助的な冷熱源として、コンプレッサの作動中に冷凍サイクルで生成した冷熱の余剰分を蓄える蓄冷器を設け、この蓄冷器に蓄えた冷熱を補助的に使用することで、コンプレッサの作動回数を減らすようにしたものがある。このものは、コンプレッサの作動中に蓄冷器の蓄冷剤温度Ｔが凝固点Ｂ以下となったときに、コンプレッサを停止させて、蓄冷器に蓄えた冷熱を放出して冷房を継続し、この冷熱の放出時間（放冷時間）が設定時間Ｍを越えた時点で、蓄冷器による冷房を停止し、コンプレッサを作動させて蓄冷器に蓄冷するようにしている。
特開２０００−３５５２１４号公報（第４頁〜第５頁等）

ところで、エンジンの運転状態（エンジントルク、エンジン回転速度等）に応じてエンジンの燃料消費率が変化すると共に、コンプレッサの作動に要する燃料消費率も変化する。しかし、上記特許文献１の構成では、コンプレッサの停止・作動を燃料消費率とは関係なく、蓄冷器の蓄冷剤温度Ｔと放冷時間のみで決めるため、燃料消費率が悪いエンジン運転領域でコンプレッサを作動させてしまう可能性があり、必ずしも十分な燃費向上効果が得られるとは限らない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、蓄冷器を備えた車両用空調システムにおいて、十分な燃費向上効果が得られるようにコンプレッサの作動・停止を制御することができる車両用空調制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、エンジンの動力で冷凍サイクルのコンプレッサを作動させることで、前記冷凍サイクルで生成した冷熱で車室内を空調し且つその冷熱の一部を蓄冷器に蓄え、前記コンプレッサの停止中に前記蓄冷器から放出される冷熱で車室内を空調する車両用空調制御装置において、前記冷凍サイクルの冷熱生成効率として、前記冷凍サイクルで単位冷熱量を生成するのに必要な前記エンジンの燃料消費量（以下これを「吸熱費」と定義する）をエンジントルクとエンジン回転速度から算出される前記コンプレッサの作動に要する燃料消費量に基づき演算する冷熱生成効率判定手段と、前記蓄冷器の蓄冷熱量を判定する蓄冷熱量判定手段と、前記蓄冷熱量判定手段で判定した前記蓄冷器の蓄冷熱量が多くなるほど判定しきい値が小さくなるように設定すると共に前記冷熱生成効率判定手段で演算した吸熱費を前記判定しきい値と比較し、前記冷熱生成効率判定手段で演算した吸熱費が前記判定しきい値以下のときに前記エンジンの動力で前記コンプレッサを作動させ、前記コンプレッサの作動中に前記冷熱生成効率判定手段で演算した吸熱費が前記判定しきい値を越えたときに前記コンプレッサを停止させるように制御する制御手段とを備えた構成としたものである。

この構成では、蓄冷器の蓄冷熱量が減少したときに、冷凍サイクルの冷熱生成効率が良好な領域（つまり冷凍サイクルで単位冷熱量を生成するのに必要なエンジンの燃料消費量である吸熱費が少ないエンジン運転領域）を選択してコンプレッサを作動させて蓄冷器に蓄冷するという制御が可能となり、十分な燃費向上効果を得ることができる。

この場合、冷凍サイクルの冷熱生成効率として、冷凍サイクルで単位冷熱量を生成するのに必要なエンジンの燃料消費量である吸熱費をエンジントルクとエンジン回転速度から算出されるコンプレッサの作動に要する燃料消費量に基づき演算するようにすれば、燃料消費量がより少ないエンジン運転領域を選択して蓄冷器に蓄冷することができる。

具体的には、冷熱生成効率判定手段で演算した吸熱費が判定しきい値以下のときにエンジンの動力でコンプレッサを作動させるようにすれば良い。

この場合、判定しきい値は、予め設定した一定値であっても良いが、蓄冷熱量判定手段で判定した蓄冷器の蓄冷熱量に応じて判定しきい値を設定するようにしても良い。このようにすれば、蓄冷器の蓄冷熱量が少ない領域では、コンプレッサの作動領域を拡大して蓄冷器に速やかに蓄冷するという制御が可能となり、一方、蓄冷器の蓄冷熱量が多い領域では、コンプレッサの作動領域を燃料消費量がより少ないエンジン運転領域に限定して、蓄冷器への過剰な蓄冷を防止するという制御が可能となり、蓄冷器の蓄冷熱量を適正範囲内に効率良く調整することができ、燃費効果に寄与できる。

また、冷熱生成効率判定手段で演算した吸熱費が判定しきい値以下のときにエンジンの動力でコンプレッサを作動させ、コンプレッサの作動中に冷熱生成効率判定手段で演算した吸熱費が判定しきい値を越えたときにコンプレッサを停止させるようにすれば良い。この場合、コンプレッサの作動回数を減らすために、判定しきい値に適度のヒステリシスを持たせるようにすると良い。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいて車両用空調装置（エアコン）の冷凍サイクル１１全体の構成を概略的に説明する。

冷凍サイクル１１は、コンプレッサ１２の吐出口→コンデンサ１３→レシーバタンク１４→膨張弁１５→エバポレータ１６→蓄冷器１７→コンプレッサ１２の吸入口の経路で冷媒が循環するように冷媒配管で接続して構成されている。

コンプレッサ１２の作動中は、コンプレッサ１２で圧縮されて高温になった冷媒がコンデンサ１３に送られて放熱凝縮して液化した後、レシーバタンク１４を介して膨張弁１５に送られる。そして、この膨張弁１５にて冷媒が液化状態から膨張させられて低温・低圧の霧状となった後、エバポレータ１６へ送られる。このエバポレータ１６内で冷媒が蒸発気化することで、その蒸発潜熱によりエバポレータ１６が冷却される。これにより、エバポレータ１６に沿って流れる風が冷却されて車室内に吹き出される。このエバポレータ１６内で気化した冷媒は、エバポレータ１６から蓄冷器１７を通過してコンプレッサ１２に吸入されて圧縮され、再びコンデンサ１３に送られ、以後、上述した作用を繰り返す。蓄冷器１７の蓄冷作用は後述する。

コンプレッサ１２は、電磁クラッチ２１と駆動ベルト２２を介して車両の駆動源であるエンジン２３のクランク軸２４に連結されている。これにより、エンジン２３の運転中に電磁クラッチ２１を結合・解放させることでコンプレッサ１２を作動・停止させるようになっている。

膨張弁１５は、エバポレータ１６の出口側の冷媒温度を検出する感温部２５を備え、この感温部２５で検出したエバポレータ１６の出口側の冷媒温度に応じて膨張弁１５の絞り開度を自動的に調整することで、エバポレータ１６の出口側の冷媒温度が所定温度となるように制御するようになっている。また、膨張弁１５はバイパス流路１８を持っており、膨張弁１５閉弁中は冷媒がバイパス流路１８を通りエバポレータ１６に流れる仕組みとなっている。

コンプレッサ１２の停止中は、膨張弁１５が閉弁状態に維持され、エバポレータ１６の入口とレシーバタンク１４との間が遮断された状態になるが、バイパス流路１８が確保されているため、コンデンサ１３内の残冷媒がエバポレータ１６、蓄冷器１７と連通した状態に保たれ、コンデンサ１３と蓄冷器１７内の圧力差がある限り、コンデンサ１３の残冷媒がエバポレータ１６、蓄冷器１７に流れるようになっている。

蓄冷器１７内には蓄冷剤２６が設けられ、コンプレッサ１２の作動中にエバポレータ１６から流出した冷媒が蓄冷器１７内に流入して蓄冷剤２６と熱交換することで、冷媒の冷熱が蓄冷剤２６に蓄えられる。そして、蓄冷器１７内で蓄冷剤２６と熱交換して温度上昇した冷媒が蓄冷器１７から流出してコンプレッサ１２に吸入される。
エンジン２３の運転状態（点火制御、燃料噴射制御等）は、エンジンＥＣＵ２８によって制御される。

一方、コンプレッサ１２の作動・停止（電磁クラッチ２１の結合・解放）は、エアコンＥＣＵ２９によって制御される。このエアコンＥＣＵ２９は、外気温を検出する外気温センサ３１、車室内温度を検出する車室内温度センサ３２、蓄冷器１７の蓄冷剤温度を検出する蓄冷剤温度センサ３３、空調温度（冷房温度）の設定温度を設定する空調温度設定スイッチ３４、空調運転をオン・オフするエアコンスイッチ３５等の出力信号を読み込み、空調運転中（エアコンスイッチ３５のオン中）に車室内温度を設定温度に調節するようにコンプレッサ１２の作動・停止（電磁クラッチ２１の結合・解放）を制御すると共に、コンプレッサ１２の停止中は、膨張弁１５が閉弁状態に維持されるが、バイパス流路１８を通じ冷媒がエバポレータ１６側に流れることでエバポレータ１６が冷却される。これにより、エバポレータ１６に沿って流れる風が冷却されて車室内に吹き出される。

更に、エアコンＥＣＵ２９は、空調運転中に冷凍サイクル１１の冷熱生成効率として、冷凍サイクル１１で単位吸熱量（単位冷熱量）を生成するのに必要なエンジン２３の燃料消費量（以下これを「吸熱費」と定義する）を次式により算出する。

上式において、要求吸熱量（要求冷熱量）は、車室内温度を運転者の要求する設定温度に調整するのに必要な吸熱量［ｋＷ］である。この要求吸熱量は次式により算出される。
要求吸熱量［ｋＷ］＝要求コンプレッサ動力［ｋＷ］×エアコン効率

ここで、要求コンプレッサ動力は、車室内温度を運転者の要求する設定温度に調整するのに必要なコンプレッサトルクＴ（要求トルク）の時のコンプレッサ動力であり、車室内温度、外気温、湿度、設定温度に基づいてマップ又は数式により算出される。

また、エアコン効率は、コンプレッサ動力を吸熱量（冷熱量）に変換する効率であり、車室内温度、外気温、エバポレータ１６の出口側の冷媒温度、コンプレッサ１２の吐出圧等に基づいてマップ又は数式により算出される。

また、上記［数１］式において、「コンプレッサ駆動に要する燃料消費量」は、図２に示すエンジントルクとエンジン回転速度をパラメータとする燃料消費率のマップを用いて算出され、コンプレッサトルクがゼロの時（×印）の燃料消費量とコンプレッサトルクが要求トルクＴの時（○印）の燃料消費量との差分が「コンプレッサ駆動に要する燃料消費量」となる。
従って、吸熱費は、上記［数１］式を変形して次の［数２］式で算出すれば良い。

エアコンＥＣＵ２９は、上記［数２］式を用いて算出した現在の吸熱費を判定しきい値と比較し、現在の吸熱費が判定しきい値以下のときにはエンジン１１の動力でコンプレッサ１２を作動させる。その後、コンプレッサ１２の作動中に上記［数２］式を用いて算出した現在の吸熱費が判定しきい値を越えたときにコンプレッサ１２を停止させる。

この場合、判定しきい値は、予め設定した一定値であっても良いが、本実施例では、図３に示す蓄冷器１７の蓄冷熱量をパラメータとする判定しきい値のマップを用いて、蓄冷器１７の蓄冷熱量に応じて判定しきい値を設定するようにしている。

図３の判定しきい値のマップの特性は、蓄冷器１７の蓄冷熱量が所定値Ａ以下の領域と所定値Ｂ以上の領域では、判定しきい値がそれぞれ上限値と下限値となり、蓄冷器１７の蓄冷熱量が所定値Ａから所定値Ｂまでの領域では、蓄冷器１７の蓄冷熱量が多くなるほど、判定しきい値が小さくなるように設定されている。このようにすれば、蓄冷器１７の蓄冷熱量が少ない領域では、コンプレッサ１２の作動領域を拡大して蓄冷器１７に速やかに蓄冷するという制御が可能となり、一方、蓄冷器１７の蓄冷熱量が多い領域では、コンプレッサ１２の作動領域を燃料消費量がより少ないエンジン運転領域に限定して、蓄冷器１７への過剰な蓄冷を防止するという制御が可能となり、平均燃費を悪化させずに蓄冷器１７の蓄冷熱量を適正範囲内に効率良く調整することができる。この場合、蓄冷器１７の蓄冷熱量は、蓄冷剤温度センサ３３で検出した蓄冷剤温度に基づいてマップ又は数式により算出するようにすれば良い。

以上説明した本実施例の空調運転制御は、エアコンＥＣＵ２９によって図４の空調運転制御プログラムに従って次のように実行される。まず、ステップ１０１で、エアコンスイッチ３５がオン（ＯＮ）されているか否かを判定し、エアコンスイッチ３５がオフ（ＯＦＦ）されていれば、ステップ１０２に進み、コンプレッサ１２と送風ファン（図示せず）を共に停止させて空調運転を停止する（又は停止状態を引き続き維持する）。

その後、エアコンスイッチ３５がオンされた時点で、ステップ１０１で「Ｙｅｓ」と判定されて、ステップ１０３に進み、図２の燃料消費率のマップと前記［数２］式を用いて現在の吸熱費を算出すると共に、蓄冷剤温度センサ３３で検出した蓄冷剤温度に基づいてマップ又は数式により蓄冷器１７の蓄冷熱量を算出し、図３の判定しきい値のマップを参照して、現在の蓄冷器１７の蓄冷熱量に応じた判定しきい値を算出する。上記ステップ１０３の処理が特許請求の範囲でいう冷熱生成効率判定手段及び蓄冷熱量判定手段としての役割を果たす。

この後、ステップ１０４に進み、現在の吸熱費を判定しきい値と比較して、現在の吸熱費が判定しきい値以下と判定されたときには、ステップ１０５に進み、電磁クラッチ２１を結合してエンジン１１の動力でコンプレッサ１２を作動させると共に送風ファンを運転する。このコンプレッサ１２の作動中は、コンプレッサ１２から吐出した冷媒をコンデンサ１３→レシーバタンク１４→膨張弁１５→エバポレータ１６→蓄冷器１７→コンプレッサ１２の吸入口の経路で循環させて、エバポレータ１６内で冷媒を蒸発気化させてエバポレータ１６を冷却することで、エバポレータ１６に沿って流れる風が冷却されて車室内に吹き出されると共に、エバポレータ１６から流出した冷媒が蓄冷器１７内に流入して蓄冷剤２６と熱交換することで、冷媒の冷熱が蓄冷剤２６に蓄えられる。

その後、コンプレッサ１２の作動中に、上記ステップ１０４で、現在の吸熱費が判定しきい値よりも大きいと判定されると、ステップ１０６に進み、電磁クラッチ２１を解放してコンプレッサ１２を停止して、送風ファンのみを運転する。このコンプレッサ１２の停止中は、膨張弁１５が閉弁状態に維持され、コンデンサ１３と蓄冷器１７内の圧力が均一になるまで冷媒がバイパス流路を通りエバポレータ１６側に流れることでエバポレータ１６が冷却され、エバポレータ１６に沿って流れる風が冷却されて車室内に吹き出される。この場合、コンプレッサ１２の作動回数を減らすために、判定しきい値に適度なヒステリシスを持たせるようにすると良い。上記ステップ１０４〜１０６の処理が特許請求の範囲でいう制御手段としての役割を果たす。

以上説明した本実施例では、冷凍サイクル１１で単位吸熱量（単位冷熱量）を生成するのに必要なエンジン２３の燃料消費量を「吸熱費」として算出し、この吸熱費を判定しきい値と比較して、吸熱費が判定しきい値以下の領域では、コンプレッサ１２を作動させてコンプレッサ１２から吐出した冷媒をエバポレータ１６と蓄冷器１７に流して、エバポレータ１６を冷熱源として車室内を空調すると共に、蓄冷器１７に蓄冷し、一方、吸熱費が判定しきい値よりも大きい領域では、コンプレッサ１２を停止して、蓄冷器１７内の冷気がエバポレータ１６側に逆流することでエバポレータ１６が冷却され、エバポレータ１６に沿って流れる風が冷却されて車室内に吹き出される。この構成では、蓄冷器１７の蓄冷熱量が減少したときに、吸熱費が小さいエンジン運転領域（つまり燃料消費量が少ないエンジン運転領域）を選択してコンプレッサ１２を作動させて蓄冷器１７に蓄冷するという制御が可能となり、十分な燃費向上効果を得ることができる。

尚、本実施例では、冷凍サイクル１１中にエバポレータ１６と蓄冷器１７を直列接続するようにしたが、両者を並列接続するようにしても良い等、冷凍サイクル１１の構成は種々変更しても良い。

また、本実施例では、冷凍サイクル１１の冷熱生成効率（吸熱費）を［数１］、［数２］式により算出するようにしたが、他の数式で算出するようにしても良い。また、コンプレッサ１２の停止中に蓄冷器１７に沿って風を流して、蓄冷器１７によって風を冷却するように構成しても良い。

その他、本発明は、エンジン２３のみを駆動源とする車両に限定されず、エンジンとモータを駆動源として併用するハイブリッド車にも適用して実施できる等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

本発明の一実施例における車両用空調装置の冷凍サイクルとその制御系の構成を概略的に示す図である。 エンジントルクとエンジン回転速度をパラメータとする燃料消費率のマップの一例を概略的に示す図である。 蓄冷器の蓄冷熱量をパラメータとする判定しきい値のマップの一例を概略的に示す図である。 空調運転制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１１…冷凍サイクル、１２…コンプレッサ、１３…コンデンサ、１４…レシーバタンク１４、１５…膨張弁、１６…エバポレータ、１７…蓄冷器、２１…電磁クラッチ、２３…エンジン、２５…感温部、２６…蓄冷剤、２９…エアコンＥＣＵ（冷熱生成効率判定手段，蓄冷熱量判定手段，制御手段）、３１…外気温センサ、３２…車室内温度センサ、３３…蓄冷剤温度センサ、３４…空調温度設定スイッチ、３５…エアコンスイッチ

Claims (1)

1. エンジンの動力で冷凍サイクルのコンプレッサを作動させることで、前記冷凍サイクルで生成した冷熱で車室内を空調し且つその冷熱の一部を蓄冷器に蓄え、前記コンプレッサの停止中に前記蓄冷器から放出される冷熱で車室内を空調する車両用空調制御装置において、
   前記冷凍サイクルの冷熱生成効率として、前記冷凍サイクルで単位冷熱量を生成するのに必要な前記エンジンの燃料消費量（以下これを「吸熱費」と定義する）をエンジントルクとエンジン回転速度から算出される前記コンプレッサの作動に要する燃料消費量に基づき演算する冷熱生成効率判定手段と、
   前記蓄冷器の蓄冷熱量を判定する蓄冷熱量判定手段と、
   前記蓄冷熱量判定手段で判定した前記蓄冷器の蓄冷熱量が多くなるほど判定しきい値が小さくなるように設定すると共に前記冷熱生成効率判定手段で演算した吸熱費を前記判定しきい値と比較し、前記冷熱生成効率判定手段で演算した吸熱費が前記判定しきい値以下のときに前記エンジンの動力で前記コンプレッサを作動させ、前記コンプレッサの作動中に前記冷熱生成効率判定手段で演算した吸熱費が前記判定しきい値を越えたときに前記コンプレッサを停止させるように制御する制御手段と
   を備えていることを特徴とする車両用空調装置。

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