JP2008038782A - エンジン駆動式ヒートポンプのエンスト防止制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン駆動式ヒートポンプの運転開始時において、エンストを防止する。
【解決手段】燃料ガス流量を調整する燃料調量弁６５と、エンジン燃焼室５１ａへ供給される空気と燃料ガスとの混合気流量を調整するスロットル弁６６と、前記エンジン８と圧縮機１０との断接を行なうクラッチ９とを有するエンジン駆動式ヒートポンプ１において、前記クラッチ９による前記エンジン１８と前記圧縮機１０との接続信号が出力されるのと同期して前記スロットル弁６６に所定開度増加信号を出力する。
【選択図】図５

Description

本発明は、エンジン駆動式ヒートポンプのエンスト防止装置の構成及び制御技術に関する。

従来、空気調和機の一つであり、圧縮機をエンジンで駆動する構成とされたエンジン駆動式ヒートポンプは公知である。圧縮機は、エンジンとクラッチを介して接続されている。圧縮機は、クラッチのＯＮ／ＯＦＦによって、エンジンの動力を断・接される構成とされている。
エンジン駆動式ヒートポンプにおいて、例えば起動時にクラッチをＯＮとしたときに、エンジントルクが不十分であるとエンスト（エンジン・ストール）が発生する。ここで、エンジントルクが不十分である原因として、圧縮機との接続による回転慣性マス増加が挙げられる。
例えば、特許文献１は、エンジン駆動式ヒートポンプのエンスト防止する制御構成を開示している。特許文献１の制御構成は、圧縮機接続時に冷媒圧力に基づいてエンジンへの混合ガス量を増加させてエンジン回転数を高くすることでエンストの防止を図っている。
特開２００３−３１４３２３号公報

しかし、特許文献１の制御構成は、圧縮機を２台搭載したエンジン駆動式ヒートポンプにおいて２台目の圧縮機を駆動する際のみを想定している。つまり、エンジン駆動式ヒートポンプにおいて、冷媒圧力が立ち上がっていない運転開始時には適用出来ない。
そこで、解決しようとする課題は、エンジン駆動式ヒートポンプの運転開始時において、エンストを防止することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、燃料ガス流量を調整する燃料調量弁と、エンジン燃焼室へ供給される空気と燃料ガスとの混合気流量を調整するスロットル弁と、前記エンジンと圧縮機との断接を行なうクラッチ機構とを有するエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、前記クラッチ機構による前記エンジンと前記圧縮機との接続信号が出力されるのと同期して前記スロットルに所定開度増加信号を出力するものである。

請求項２においては、請求項１記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、前記所定開度増加信号は前記圧縮機と前記エンジンの接続による前記エンジンの回転数低下を復帰するために必要なスロットル開度の増加分の実測結果に基づき予め決定されているものである。

請求項３においては、請求項１記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、前記所定開度増加信号は前記圧縮機の接続による前記エンジンの回転数低下予測と前記エンジンの燃焼特性による回転数変動特性に基づき算定されるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、クラッチ接続に同期して所定のスロットル開度増加分だけ燃焼室への混合ガス量を増量してエンジン回転数を強制的に高める。このようにして、クラッチ接続のときの圧縮機回転慣性マス増加等によるエンジン回転数の落ち込みを吸収できる。つまり、フィードバック制御である従来のエンジン回転数制御では追従できないエンジン回転数の過渡の低下を低減して、エンジン・ストールを防止できる。

請求項２においては、予めスロットル開度増加分を実験により決定する。このようにして、請求項１の効果に加え、スロットル開度増加分による混合ガス増量の過不足を最小限に抑えることができる。

請求項３においては、予めスロットル開度増加量分をエンジンの燃焼特性（使用燃料又は空燃比）に応じて決定する。このようにして、請求項１の効果に加え、混合気増量分の過不足を最小限に抑えることができる。また、実測工数を省略することができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施例に係るエンジン駆動式ヒートポンプの全体的な構成を示した冷媒回路図、図２は同じくエンジンの吸排気系統の構成を示した模式図、図３はクラッチＯＮ時のエンジン回転数Ｎを示したグラフ図である。
図４はエンスト防止装置を示したブロック図、図５はエンスト防止制御によるクラッチＯＮ時のエンジン回転数Ｎを示したグラフ図、図６は機種毎によるスロットル開度増加量ΔＰを示したテーブル図である。
図７は使用燃料毎によるスロットル開度増加量ΔＰを示したテーブル図、図８は使用燃料及び空燃比によるスロットル開度増加量ΔＰを示したテーブル図である。

まず、図１を用いて、本発明の実施例であるエンジン駆動式ヒートポンプ１の冷媒回路構成について詳細に説明する。
図１に示すように、エンジン駆動式ヒートポンプ１は、室外機２と室内機３からなる空気調和機である。エンジン駆動式ヒートポンプ１は、エンジン８によって圧縮機１０を駆動する。圧縮機１０への動力の断接、すなわち圧縮機１０の運転・停止の切り換えは、クラッチ９のОＮ／ОＦＦにより行われる。
エンジン駆動式ヒートポンプ１は、駆動源としてのエンジン８から動力を得て冷媒を圧縮する圧縮機１０と、この圧縮機１０の吐出側に接続され冷房時及び暖房時で冷媒の流れを切り換える四方弁１８と、冷房時に圧縮機１０から四方弁１８を介して吐出冷媒が供給される室外熱交換器５と、この室外熱交換器５を室外空気と熱交換させる室外ファン１１と、暖房時に圧縮機１０から四方弁１８を介して吐出冷媒が供給される室内熱交換器６と、この室内熱交換器６を室内空気と熱交換させる室内ファン１２と、室外熱交換器５と室内熱交換器６との間に配設される室外熱交換器用膨張弁１５とから構成されている。

圧縮機１０は、吸入側からガス冷媒を吸引・圧縮し、高温・高圧のガス冷媒を吐出する。圧縮機１０の吐出側には、吐出経路３１を介して四方弁１８が接続されており、この吐出経路３１にはガス冷媒中に含まれる冷凍機油を分離して圧縮機１０の吸入側に戻すためのオイルセパレータ２１が設けられている。すなわち、圧縮機１０から吐出されるガス冷媒は、オイルセパレータ２１を介して四方弁１８へと流入し、この四方弁１８にて所定の方向に導かれる。また、圧縮機１０に吸引されるガス冷媒も四方弁１８にて導かれるため、圧縮機１０の冷媒吸入側と四方弁１８とは吸入経路３０により接続されている。

四方弁１８は、室外熱交換器５の一端側に接続されており、この室外熱交換器５の他端側には、レシーバ２０が接続されている。一方、室内熱交換器６は、一端が液経路３２を介してレシーバ２０に接続されており、他端は四方弁１８に接続されている。
廃熱回収器７は、前記室外熱交換器用膨張弁１５とレシーバ２０の間から分岐し、吸入経路３０に接続される廃熱回収経路３３に設けられている。廃熱回収経路３３には、吸入経路３０に向かって廃熱回収器膨張弁１７、過冷却熱交換器４、廃熱回収器７順にて、これらが直列に接続されている。

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｏｒｏｌ Ｕｎｉｔ（以下ＥＣＵ４０とする）は、各圧力センサー及び温度センサーに基づいて、エンジン８、クラッチ９、各膨張弁及び各電磁弁を制御してエンジン駆動式ヒートポンプ１の冷房又は暖房運転を行なう。本実施例では、室外機２の吸込みに設けられる外気温度センサー２９と、室内機３の吸込みに設けられる室内温度センサー２８とがＥＣＵ４０に接続されていることを特記しておく。

次に、図２を用いて、エンジン駆動式ヒートポンプ１の駆動源であるエンジン８について詳細に説明する。
図２に示すように、エンジン８は、天然ガス等の気体状の燃料を用いるいわゆるガスエンジンであり、シリンダブロック５１、点火プラグ５２、吸気バルブ５３、排気バルブ５４、ピストン５５、クランク軸５６、回転ピックアップ（回転数検知手段）５７を備えている。
シリンダブロック５１は、エンジン８の構造体を成す部材である。燃焼室５１ａは混合ガスを燃焼させるための空間であり、シリンダブロック５１上部のシリンダヘッド５０とピストン５５の頂部で形成され、吸気配管４１および排気配管４３と連通可能である。
吸気配管４１は、外部から空気を取り込み、該空気と燃料とを後述するミキサ６０により混合して生成した混合ガスをエンジン８に供給するための配管である。吸気配管４１の一端には吸気配管４１内に導入される空気中に含まれる塵挨等を除去するためのエアクリーナ４２が設けられ、吸気配管４１の他端はエンジン８のシリンダブロック５１上部の吸気マニホールドに接続される。
排気配管４３は、燃焼室５１ａで混合ガスが燃焼することにより生成する排気ガスをエンジン８の外部に排出するための配管である。排気配管４３の一端はエンジン８のシリンダブロック５１上部の排気マニホールドに接続され、他端はマフラー（図示略）に接続される。

点火プラグ５２は、シリンダヘッド５０に設けられ、その先端部が燃焼室５１ａの内部に配置される。点火プラグ５２は、火花を発生することにより、燃焼室５１ａに供給された混合ガスを燃焼させる。
吸気バルブ５３は、シリンダヘッド５０において吸気配管４１と燃焼室５１ａの中途部に設けられ、開閉動作を行なうことにより吸気配管４１と燃焼室５１ａとを連通または閉塞する弁である。
排気バルブ５４は、シリンダヘッド５０において排気配管４３と燃焼室５１ａの中途部に設けられ、開閉動作を行なうことにより排気配管４３と燃焼室５１ａとを連通または閉塞する弁である。
ピストン５５は、燃焼室５１ａの内周面に気密的に摺動することにより往復運動する部材である。ピストン５５は、燃焼室５１ａに供給された混合ガスが燃焼し、膨張することにより下方（燃焼室５１ａの体積が大きくなる方）に摺動する。
クランク軸５６はコンロッドを介してピストン５５に回動可能に枢着された軸であり、ピストン５５の往復運動を回転運動に変換する。
回転ピックアップ５７は、クランク軸５６の回転数すなわちエンジン８の回転数を検出する回転数検出手段である。

次に、同じく図２を用いてエンジン８の燃料混合手段であるミキサ６０について、詳細に説明する。
ミキサ６０は、所望の空燃比の混合ガスを生成してエンジン８に供給する混合手段である。ミキサ６０は、主にベンチュリ６３、燃料供給配管４４、燃料調量弁６５、スロットル弁６６を備えている。
ベンチュリ６３は、吸気配管４１の内面、かつ、吸気配管４１と燃料供給配管４４との接続部分に設けられる。ベンチュリ６３は該ベンチュリ６３が設けられている部分を通過する空気の圧力を低下させることにより、燃料供給配管４４内の燃料との間に差圧を生じさせ、該燃料を燃料供給配管４４から吸気配管４１に供給する。その結果、混合ガスが生成される。
燃料調量弁６５は、燃料供給配管４４の中途部に設けられ、その開度を０％から１００％の間で任意に変化させることにより燃料供給配管４４を通過する燃料の量、ひいては混合ガスに含まれる燃料の量を調整する弁である。
スロットル弁６６は、吸気配管４１の中途部において、ベンチュリ６３が設けられている部分よりも下流側に設けられ、その開度を０％から１００％の間で任意に変化させることによりエンジン８への混合ガスの供給量を調整する弁である。
なお、本明細書における「弁の開度」は、弁を閉じているときに０％とし、弁が完全に開いているとき、すなわち、弁を通過する気体や液体等の流体の流量が最大となるときに１００％とする。
ＥＣＵ４０は、回転ピックアップ５７により検出されたエンジン回転数Ｎが目標回転数に近づくように、スロットル弁６６及び燃料調量弁６５を制御して、燃焼室５１ａへ供給する混合ガスを調整する。

次に、図３を用いて、クラッチ９接続前後のエンジン回転数Ｎの変化について説明する。
図３は、エンジン８の起動時におけるクラッチ９のОＮ／ОＦＦ、スロットル開度Ｐ及びエンジン回転数Ｎの時系列変化をそれぞれ示している。ここで、図３は、横軸を時間軸、縦軸をエンジン回転数Ｎ、スロットル弁６６の開度Ｐ及びクラッチ９のОＮ／ОＦＦにて示している。
まず、ｔ０において、セルモータ（図示略）によりエンジン８が始動する。次に、ｔ１において、スロットル弁６６が開いて混合ガスが燃焼室５１ａに送られ、点火プラグ５２を所定のタイミングでスパークさせて、エンジン８の自立回転が始まる。そして、ｔ２において、クラッチ９の接続による抵抗、圧縮機１０において圧縮仕事が開始されることによる抵抗、又は圧縮機１０との接続による回転慣性マス増加が原因となり、エンジン回転数Ｎが一時的に低下する（図３中に示すＡ）。
このクラッチ９接続後のエンジン回転数Ｎの低下は、エンスト（エンジン・ストール）の発生原因となる。このとき、スロットル弁６６は、フィードバック制御によってエンジン回転数Ｎの低下に追従するが、過渡的な低下に対しては追従できない。

ここで、図４を用いて、本発明であるエンスト防止装置７０について詳細に説明する。
図４に示すように、エンスト防止装置７０は、従来技術であるエンジン回転数制御装置７１に付加するように構成されている。
エンジン回転数制御装置７１は、出力信号経路にスロットル開度算出手段７６、スロットル弁６６及びエンジン８を配置し、フィードバック経路に回転ピックアップ５７を配置し、入力経路に目標回転数設定手段７７を配置する構成とされている。
エンスト防止装置７０は、スロットル開度増加量設定手段７５の出力がエンジン回転数制御装置７１の出力信号経路にあるスロットル開度算出手段７６とスロットル弁６６との間に介入するように配置する構成とされている。スロットル開度増加量設定手段７５は、クラッチＯＮ信号が入力されると作動する。
このような構成とすることで、回転ピックアップ５７によってエンジン回転数Ｎが検出され、エンジン回転数Ｎとエンジン目標回転数設定手段７７によって設定された目標回転数Ｎｍとの偏差が小さくなるようにスロットル開度算出手段７６によってスロットル開度Ｐが算出され、このスロットル開度Ｐにスロットル開度増加量設定手段７５によって予め設定されたスロットル開度増加量ΔＰが加算され、スロットル弁６６によって調整された混合ガスが燃料室５１ａに送られ、エンジン８を駆動する。
つまり、スロットル開度増加量ΔＰは、フィードフォワード制御としてスロットル開度Ｐに加算される。

次に、図５を用いて、エンスト防止装置７０によるエンスト防止制御について詳細に説明する。
図５は、エンスト防止装置７０を用いたエンジン８の起動時におけるクラッチ９のОＮ／ОＦＦ、スロットル開度Ｐ及びエンジン回転数Ｎの時系列変化をそれぞれ示している。なお、図５は、横軸及び縦軸を図３同様としているため説明は省略する。
ここで、ｔ０、ｔ１までの経過は図３と同様である。
次に、ｔ２において、このクラッチ９の接続信号の出力に同期して、スロットル開度Ｐにスロットル開度増加量ΔＰ分の増加信号が出力される。この結果として、混合ガスがΔＰの開度分多く燃料室５１ａに送られるので、エンジン回転数Ｎの低下が低減される。
このようにして、スロットル開度増加量ΔＰをクラッチ９の接続と同期して加えることで、クラッチ９の接続時に発生する過渡的なエンジン回転数Ｎの低下を低減できる。つまり、エンジン・ストールの発生を防止できる。つまり、フィードバック制御である従来のエンジン回転数制御装置７１では追従できないエンジン回転数Ｎの過渡の低下を、フィードフォワード制御によって事前に制御して低減することで、エンジン・ストールを防止できる。

ここで、スロットル開度増加量設定手段７５について説明する。
スロットル開度増加量設定手段７５は、ＥＣＵ４０に備えられるスロットル開度増加量ΔＰを設定する設定手段である。このスロットル開度増加量ΔＰは、実験によって予め求められる値である。スロットル開度増加量設定手段７５は、少なくとも一つの最適値をスロットル開度増加量設定手段７５に記憶している。エンスト防止制御において、混合ガス増加量と相関する要素を踏まえて記憶させておくことで、最適な混合ガス増加量を得ることができる。
以下に、スロットル開度増加量設定手段７５の３つの実施例について説明する

まず、図６を用いて、実施例１としてスロットル開度増加量設定手段７５ａについて説明する。
エンジン駆動式ヒートポンプ１は、機種毎に定格出力が異なる。定格出力とは、圧縮機１０の出力すなわちエンジン８の出力である。そのため、エンスト防止制御において、増加すべき混合ガス量は機種と相関している。
図６に示すように、スロットル開度増加量設定手段７５ａは、エンジン駆動式ヒートポンプ１の機種毎すなわち定格出力毎に、それぞれのスロットル開度増加量ΔＰを有している。スロットル開度増加量設定手段７５ａは、ＥＣＵ４０より機種を取得し、それに応じたスロットル開度増加量ΔＰを算出する。なお、機種は、エンジン駆動式ヒートポンプ１の製造時に設定スイッチなどで設定されている。
このようにして、スロットル開度増加量ΔＰを定格出力毎に定め、混合ガス増加量の過不足を最小限に抑えることができる。

次に、図７を用いて、実施例２としてスロットル開度増加量設定手段７５ｂについて説明する。
通常、使用される燃料は、エンジン駆動式ヒートポンプ１が据え付けられる環境に応じて異なる。また、使用燃料は、種類に応じて発熱量が異なる。例えば、図８で示した燃料について発熱量を比較すると、発熱量の小さい順に天然ガス＜都市ガス（１３Ａ）＜プロパン＜ブタンとなる。そのため、エンスト防止制御において、増加すべき混合ガス量は、使用燃料と相関している。
図７に示すように、スロットル開度増加量設定手段７５ｂは、エンジン駆動式ヒートポンプ１に使用される燃料毎に、それぞれのスロットル開度増加量ΔＰを有している。スロットル開度増加量設定手段７５ｂは、ＥＣＵ４０より使用燃料を取得し、それに応じたスロットル開度増加量ΔＰを算出する。なお、使用燃料は、エンジン駆動式ヒートポンプ１の据え付け時に設定スイッチなどで設定されている。
このようにして、スロットル開度増加分ΔＰを使用燃料毎に定め、混合ガス増加量の過不足を最小限に抑えることができる。

次に、図８を用いて、実施例３としてスロットル開度増加量設定手段７５ｃについて説明する。
スロットル開度増加量設定手段７５ｃは、スロットル開度増加量設定手段７５ｂをさらに空燃比における燃料比毎にて設定した設定手段である。
エンジン８において、燃料調量弁６５は、混合ガス中の空気と燃料の比率（空燃比）を決定する開度弁である（図２参照）。そのため、エンスト防止制御において、増加すべき混合ガス量は、燃料調量弁６５と相関している。
また、使用燃料はそれぞれに燃焼範囲（空気中において、空気質量を１００％としたときの燃焼する燃料質量）が異なる。例えば、ＬＰガスは燃焼範囲が約１．８％〜約９．５％であり、都市ガス（１３Ａ）は燃焼範囲が約５．０％〜約１５．０％である。そのため、エンスト防止制御において、増加すべき混合ガス量は、使用燃料と燃料調量弁６５の開度と相関していることになる。
図８に示すように、スロットル開度増加量設定手段７５ｃは、列としてエンジン駆動式ヒートポンプ１の燃料毎を示し、行として燃料調量弁６５の開度毎を示し、それぞれのスロットル開度増加量ΔＰを有している。スロットル開度増加量設定手段７５ｃは、ＥＣＵ４０より燃料調量弁６５の開度を取得し、それに応じたスロットル開度増加量ΔＰを算出する。
このようにして、スロットル開度増加分ΔＰを使用燃料と空燃比毎に定め、混合ガス増加量の過不足を最小限に抑えることができる。

本発明の実施例に係るエンジン駆動式ヒートポンプの全体的な構成を示した冷媒回路図。 同じくエンジンの吸排気系統の構成を示した模式図。 クラッチＯＮ時のエンジン回転数Ｎを示したグラフ図。 エンスト防止装置を示したブロック図。 エンスト防止制御によるクラッチＯＮ時のエンジン回転数Ｎを示したグラフ図。 機種毎によるスロットル開度増加量ΔＰを示したテーブル図。 使用燃料毎によるスロットル開度増加量ΔＰを示したテーブル図。 使用燃料及び空燃比によるスロットル開度増加量ΔＰを示したテーブル図。

符号の説明

１ エンジン駆動式ヒートポンプ
８ エンジン
９ クラッチ
１０ 圧縮機
６５ 燃料調量弁
６６ スロットル弁
７５ スロットル開度増加量設定手段

Claims (3)

1. 燃料ガス流量を調整する燃料調量弁と、
   エンジン燃焼室へ供給される空気と燃料ガスとの混合気流量を調整するスロットル弁と、
   前記エンジンと圧縮機との断接を行なうクラッチ機構と
   を有するエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、
   前記クラッチ機構による前記エンジンと前記圧縮機との接続信号が出力されるのと同期して前記スロットルに所定開度増加信号を出力する
   ことを特徴とするエンジン駆動式ヒートポンプ。
2. 請求項１記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、
   前記所定開度増加信号は前記圧縮機と前記エンジンの接続による前記エンジンの回転数低下を復帰するために必要なスロットル開度の増加分の実測結果に基づき予め決定されている
   ことを特徴とするエンジン駆動式ヒートポンプ。
3. 請求項１記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、
   前記所定開度増加信号は前記圧縮機の接続による前記エンジンの回転数低下予測と前記エンジンの燃焼特性による回転数変動特性に基づき算定される
   ことを特徴とするエンジン駆動式ヒートポンプ。