JP2004233223A - 原動機の試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原動機に動力計を連結して負荷トルクを印加し、擬似的に原動機を車両に搭載した状態を実現して原動機の試験を行う試験装置において、トルクセンサの異常発生を抑制して高精度の試験を行う。
【解決手段】エンジン１０にシャフト３０を介してダイナモメータ２０を連結する。ダイナモメータ２０の出力軸にトルクセンサ４０を設ける。トルクセンサ４０をダイナモメータ２０側に設けることでエンジン１０の熱や振動からトルクセンサ４０を保護する。制御装置７０は、車両の動特性モデルに基づき目標負荷トルクを算出し、トルクセンサ４０で検出された負荷トルクと目標負荷トルクとに基づいてダイナモメータ２０を制御する際に、制御系を３マス慣性系としてモデル化し、エンジン１０に印加される負荷トルクが目標負荷トルクとなるように制御する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の駆動源として用いられるエンジンや電動モータ等の原動機に対して負荷トルクを印加することにより、原動機を車両に搭載された状態に等価的に（あるいは擬似的に）おくことで試験を行う原動機の試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用原動機の出力特性や燃費特性、あるいは排出ガス特性についての各種試験は、原動機を実際に車両に搭載した状態で行うのが一般的である。しかしながら、このようにして得られる試験結果は、あくまでその原動機と原動機が搭載された車両との組み合わせにのみ対応するものであり、例えば車両の重量や駆動系の仕様が変更された場合には、変更後の車両に原動機を再度搭載して試験を行う必要がある。また、こうした試験方法では、車両のためのスペースを確保する必要もある。
【０００３】
そこで、原動機を実際に車両に搭載するのではなく、原動機に動力計を連結し、動力計から原動機に対して負荷トルクを印加することにより、原動機があたかも実際に車両に搭載されているかのような状態を擬似的に作り出し、この状態で原動機を試験する試験装置が提案されている。
【０００４】
図５には、従来の試験装置の構成が示されている。この試験装置は、エンジン１０に対してダイナモメータ２０が発生するトルクをシャフト３０を介して伝達することにより、エンジン１０を擬似的に車両に搭載した負荷状態にして各種試験を行うものである。
【０００５】
エンジン１０及びダイナモメータ２０は、クランクシャフト１１と入力軸２１とが同軸上に位置するように隣接してベンチ上に固定される。クランクシャフト１１及び入力軸２１の端部はそれぞれカップリング３１、３２を介してそれぞれシャフト３０の端部に連結される。
【０００６】
試験装置は、エンジン１０の出力を制御するためのエンジン制御部５０と、ダイナモメータ２０に発生させるトルクを制御するためのダイナモメータ制御部６０とを有した制御装置７０を有している。
【０００７】
エンジン制御部５０は、ダイナモメータ制御部６０において算出される車両の仮想的な速度が予め定められた所定の車速パターンに従って変化するようにエンジン１０の出力を調節する。出力の調節は、エンジン１０の吸気通路１２に設けられたスロットルバルブ１４の開度をスロットルモータ１５により調節することにより行われる。
【０００８】
ダイナモメータ制御部６０にはエンジン１０の運転状態を検出する各種センサからの検出信号が入力される。クランクシャフト１１にはダイナモメータ２０からエンジン１０に伝達されるトルクを検出するトルクセンサ４０が設けられる。また、クランクシャフト１１の近傍にはクランクシャフト１１の回転速度、すなわちエンジン１０の回転速度を検出する回転速度センサ４２が設けられる。また、スロットルバルブ１４の近傍にはスロットル開度を検出するためのスロットルセンサ４４が設けられる。
【０００９】
ダイナモメータ制御部６０は、これらセンサから入力される検出信号と、エンジン１０が搭載される車両の動特性モデルとに基づいてダイナモメータ２０に発生させる負荷トルク（目標負荷トルク）を算出する。そして、ダイナモメータ制御部６０は、算出された目標負荷トルクとトルクセンサ４０に検出された実際のトルクとが一致するようにダイナモメータ２０をフィードバック制御する。
【００１０】
図６には、車両の動特性モデルの概念図が示されている。車両は、トルクコンバータ及びトランスミッションからなる第１構成体Ｍ１、トランスミッション及びディファレンシャルギヤからなる第２構成体Ｍ２、ホイール、タイヤからなる第３構成体Ｍ３及びボディからなる第４構成体Ｍ４に区分してモデル化する。
【００１１】
図において、「Ｊｅ」はエンジン１０の等価慣性、「Ｊ１」〜「Ｊ３」は各構成体Ｍ１〜Ｍ３の等価慣性、「Ｋ１」、「Ｋ２」は構成体Ｍ１、Ｍ２の等価バネ定数、「Ｃ１」、「Ｃ２」は構成体Ｍ１、Ｍ２の等価ダンピング定数であり、これらは実験や設計値等に基づき同定されるモデル定数である。
【００１２】
また、「ｔ」はトルクコンバータのトルク比、「ｎｔ」はトランスミッションの減速比であり、「ｎｄ」はディファレンシャルギヤの減速比であって予め設定された一定値である。これら各パラメータは動特性上において順に、エンジン１０から第１構成体Ｍ１へ伝達される伝達トルク、第１構成体Ｍ１から第２構成体Ｍ２に伝達される伝達トルク、第２構成体Ｍ２から第３構成体Ｍ３に伝達される伝達トルクをそれぞれ設定するためのモデル定数である。
【００１３】
さらに、「ｋ」は動特性上において第１構成体Ｍ１から第２構成体Ｍ２へ伝達される伝達トルクの比であって、実際の車両においてはトランスミッションの入出力トルクの比に対応するもので、トランスミッションの変速時期における過渡的なトルク伝達特性を評価するためのモデル定数である。
【００１４】
ダイナモメータ制御部６０は、このような動特性モデルに基づく連立方程式にエンジン１０の回転速度を入力し、各運動方程式を所定の演算周期で解くことで目標負荷トルクを算出する。動特性モデルに基づく運動方程式の構築及び演算処理は、制御シミュレーションソフトを用いて実行することができる。
【００１５】
なお、トルクセンサ４０をエンジン１０のクランクシャフト１１に設けるのではなく、動力計であるダイナモメータ２０の作動軸に直結した構成も提案されている。
【００１６】
【特許文献１】
特開２０００−１０５１７２号公報
【特許文献２】
特開平７−３３３１０８号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
試験装置の制御対象、すなわち負荷トルクを印加する対象はエンジン１０の駆動軸であるため、エンジン１０のクランクシャフト１１にトルクセンサ４０を設けることで実際の負荷トルクを高精度に検出することが可能であるが、トルクセンサ４０をクランクシャフト１１に設けると、エンジン１０のクーラントがトルクセンサ４０に付着してトルクセンサ４０に異常が生じる、あるいはエンジン１０の試験装置への取付や取り外しの際に誤ってトルクセンサ４０を落下させる、あるいはエンジン１０からの発熱や振動によりトルクセンサ４０の許容限界を超えるような物理的ダメージを受けてトルクセンサ４０に異常が生じる等の問題が生じ得る。
【００１８】
一方、トルクセンサ４０をダイナモメータ２０側に設けることで、このような問題を回避することが可能であるが、この場合のトルクセンサ４０は、正確には制御対象であるエンジン１０のクランクシャフト１１での負荷トルクを検出するものではないので、高精度な制御ができない問題が生じる。
【００１９】
本発明の目的は、トルクセンサをエンジン近傍に設けることにより生じる種々の問題を解消しつつ、高精度な制御を行って原動機を試験することができる原動機の試験装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、車両用原動機の駆動軸に連結された結合シャフトを介して前記車両用原動機の駆動軸に負荷トルクを印加する負荷トルク印加手段と、前記負荷トルク印加手段により印加される前記負荷トルクの大きさを検出する負荷トルク検出手段と、前記原動機に接続される変速機を含む駆動系の等価慣性や等価ダンピング定数及び等価バネ定数等のモデル定数を用いた動特性モデルに基づき印加されるべき所望の負荷トルクを演算し、前記負荷トルク検出手段により検出された実際の負荷トルクとの相違に基づき前記負荷トルク印加手段を制御する制御手段とを有する原動機の試験装置であって、前記負荷トルク検出手段は、前記結合シャフトと前記負荷トルク印加手段との間に設けられ、前記制御手段は、前記負荷トルク検出手段の位置に応じて前記原動機の駆動軸に前記所望の負荷トルクが印加されるように前記負荷トルク印加手段を制御する。負荷トルク検出手段を原動機近傍ではなく原動機から離間した位置、すなわち結合シャフトと負荷トルク印加手段との間、例えば負荷トルクの出力軸に設けることで、原動機近傍に設けた場合の問題を解消できる。但し、負荷トルク検出手段を結合シャフトと負荷トルク印加手段との間に設けることで、負荷トルク検出手段で検出される負荷トルクは、本来の制御対象である原動機に印加される負荷トルクと相違することになる。そこで、負荷トルク検出手段で検出される負荷トルクは原動機に印加される負荷トルクとは異なることを考慮にいれ、原動機に印加される負荷トルクが所望の負荷トルクとなるように負荷トルク印加手段を制御することで、負荷トルク検出手段の異常発生を抑制し、かつ、原動機の高精度な試験が可能となる。
【００２１】
本発明において、前記制御手段は、前記負荷トルク検出手段及び前記結合シャフトのモデル特性を用いて前記原動機の駆動軸に前記所望の負荷トルクが印加されるように前記負荷トルク印加手段を制御することが好適である。負荷トルク検出手段で検出される負荷トルクと、実際に原動機に印加される負荷トルクとの相違は、負荷トルク検出手段及び結合シャフトのモデル特性に基づき規定され、これらを用いて負荷トルク印加手段から発生させる負荷トルクの補正量が決定される。
【００２２】
また、前記制御手段は、制御系を前記原動機、前記負荷トルク検出手段及び前記負荷トルク印加手段からなり前記原動機と前記負荷トルク検出手段は前記結合シャフトで弾性結合された３マス慣性系とモデル化して前記原動機の駆動軸に前記所望の負荷トルクが印加されるように前記負荷トルク印加手段を制御することが好適である。負荷トルク検出手段を原動機側に設けた場合、制御手段は、制御系を原動機と負荷トルク印加手段が結合シャフトで連結された２マス慣性系としてモデル化することができるが、負荷トルク検出手段を結合シャフトと付加トルク印加手段との間に設けた場合、２マス慣性系ではなく３マス慣性系としてモデル化することで、負荷トルク検出手段で検出される負荷トルクと原動機の負荷トルクとの相違を考慮して負荷トルク印加手段を制御できる。３マス慣性系のモデルにおいて、負荷トルク検出手段で検出される負荷トルクは、原動機の負荷トルクよりも高めに検出され、すなわち負荷トルクで検出される負荷トルクを所望の負荷トルクとなるように制御すると、原動機の負荷トルクは所望の負荷トルクよりも不足する。そこで、この不足分を解消するように負荷トルク印加手段を制御して負荷トルク印加手段から発生される負荷トルクを上方補正することで、原動機の負荷トルクを所望の負荷トルクに一致させる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、原動機としてエンジンを例にとり説明する。
【００２４】
図１には、本実施形態に係る試験装置の構成図が示されている。基本的な構成は図５に示された試験装置と同様である。すなわち、エンジン１０及びダイナモメータ２０は、クランクシャフト１１と入力軸２１とが同軸上に位置するように隣接してベンチ１上に固定される。クランクシャフト１１及び入力軸２１の端部はそれぞれカップリング３１、３２を介してそれぞれシャフト３０の端部に連結される。シャフト３０は高剛性かつ低慣性であり、例えばカーボン材料で構成される。
【００２５】
また、試験装置は、エンジン１０の出力を制御するためのエンジン制御部と、ダイナモメータ２０に発生させるトルクを制御するためのダイナモメータ制御部とを有する制御装置７０を備える。
【００２６】
エンジン制御部は、ダイナモメータ制御部において算出される車両の仮想的な速度が予め定められた所定の車速パターンに従って変化するようにエンジン１０の出力を調節する。すなわち、図５に示された構成と同様に、エンジン１０の吸気通路に設けられたスロットルバルブの開度をスロットルモータにより調節することで出力を調節する。
【００２７】
一方、ダイナモメータ制御部にはエンジン１０の運転状態を検出する各種センサからの検出信号が入力される。ダイナモメータ制御部は、これらセンサから入力される検出信号と、エンジン１０が搭載される車両の動特性モデル（図６参照）とに基づいてダイナモメータ２０に発生させる負荷トルク（目標負荷トルク）を算出する。すなわち、図６に示された車両の動特性モデルにおける各モデル定数（ＪｅやＪ１〜Ｊ３、Ｍ１〜Ｍ３等）及び回転速度センサから入力されるエンジン１０の回転数を、エンジン１０及び各構成体Ｍ１〜Ｍ３についての運動方程式に代入するとともに、これら各運動方程式を所定の演算周期で解くことにより、モデル化された車両の走行状態に応じた目標負荷トルクを算出する。そして、制御装置７０のダイナモメータ制御部は、算出された目標負荷トルクとトルクセンサ４０で検出されたトルクとに基づいてダイナモメータ２０をフィードバック制御する。
【００２８】
ここで、図５に示された試験装置では、ダイナモメータ２０からエンジン１０に伝達されるトルクを検出するためのトルクセンサ４０はクランクシャフト１１に設けられているが、本実施形態ではトルクセンサ４０はダイナモメータ２０の出力軸に設けられている。このように、トルクセンサ４０をエンジン１０側ではなくダイナモメータ２０側に設けることで、エンジンクーラントの付着やエンジン１０の取付／取り外し時の落下、あるいはエンジン１０の熱や振動の影響による異常発生を回避できる。
【００２９】
一方、トルクセンサ４０をダイナモメータ２０側に設けて負荷トルクを検出する場合、検出された負荷トルクは本来の制御対象であるエンジン１０のクランクシャフトにおける負荷トルクではなく、あくまでダイナモメータ２０の出力軸の負荷トルクであり、両者は厳密には一致しない。したがって、従来のようにトルクセンサ４０で検出された負荷トルク値と車両の動特性モデルに基づき算出された目標負荷トルクとの相違に基づき、検出された負荷トルクが目標負荷トルクに一致するようにフィードバック制御する構成では正確な制御を行うことができない。このようなフィードバック制御では、トルクセンサ４０の設置位置における負荷トルクは目標負荷トルクに一致するものの、本来的に制御の対象であるエンジン１０のクランクシャフト（クランクシャフト端面）位置では目標負荷トルクとならないからである。
【００３０】
そこで、本実施形態では、トルクセンサ４０で検出された負荷トルクは、制御対象であるエンジン１０のクランクシャフトに印加された負荷トルクとは異なることを前提とし、この相違を補正するようにダイナモメータ２０を制御する。
【００３１】
図２には、本実施形態の制御系が示されている。図２（Ａ）は図１の試験装置からエンジン１０、シャフト３０、トルクセンサ４０及びダイナモメータ２０を抜き出した図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のモデル図である。図５に示された試験装置では、トルクセンサ４０はエンジン１０のクランクシャフトに設けられているため、エンジン１０とダイナモメータ２０がシャフト３０で連結された２マス慣性系としてモデル化されるが、本実施形態ではトルクセンサ４０がダイナモメータ２０側に設けられているため、図２（Ｂ）に示されるようにマスとしてエンジン１０、トルクセンサ４０及びダイナモメータ２０が存在する３マス慣性系としてモデル化される。図２（Ｂ）において、本来の制御対象位置と実際に負荷トルクが検出される計測位置が黒丸で示されている。制御装置７０は、３マス慣性系のモデルを用いて両位置の相違を補正し、ダイナモメータ２０から発生される負荷トルクが本来の制御対象位置において目標負荷トルクとなるようにダイナモメータ２０を制御する。具体的には、３マス慣性系モデルにおいて、エンジン１０の等価慣性をＪｅｇ、トルクセンサ４０の等価慣性をＪｔｍ、ダイナモメータ２０の等価慣性をＪｄｙとすると、エンジン１０のゲインはＪｅｇ／（Ｊｅｇ＋Ｊｔｍ＋Ｊｄｙ）、トルクセンサ４０のゲインは（Ｊｅｇ＋Ｊｔｍ）／（Ｊｅｇ＋Ｊｔｍ＋Ｊｄｙ）であり、ボード線図上では計測位置と制御対象位置とでは２０ｌｏｇ｛（Ｊｅｇ＋Ｊｔｍ）／Ｊｅｇ｝のずれとなる。制御装置７０は、この振幅ずれを解消するようにダイナモメータ２０の発生する負荷トルクを上方補正する。制御装置７０は、上記ずれを解消するために所定のオフセット分を付加してダイナモメータ２０を制御すると云うこともできる。
【００３２】
図３には、３マス慣性系モデルにおいてダイナモメータ２０側から加振したときの機械特性が示されている。また、比較のため、図４には、２マス慣性系モデルを用いた場合の機械特性が示されている。両図において、（Ａ）は振幅の周波数特性であり、（Ｂ）は位相の周波数特性である。「ＤＹｓｉｄｅ」はダイナモメータ２０側の機械特性で、「ＥＧｓｉｄｅ」はエンジン１０側の機械特性である。振幅＝０ｄＢがダイナモメータ２０側から伝えたいトルクがエンジン１０に１００％伝達されていることを示す。
【００３３】
図４（Ａ）に示されるように、トルクセンサ４０がダイナモメータ２０側に設けられているにもかかわらず２マス慣性系モデルを用いると、ダイナモメータ２０側で０ｄＢとなり、エンジン１０側では０ｄＢより低めの振幅となってしまう。すなわち、エンジン側１０では本来の目標負荷トルクよりも低い負荷トルクしか印加されないことを意味する。これは、トルクセンサ４０で検出された負荷トルクはエンジン１０側の負荷トルクではなくダイナモメータ２０側の負荷トルクだからである。一方、図３（Ａ）に示されるように３マス慣性系モデルを用いると、３マス慣性系でのゲインを考慮して、トルクセンサ４０で検出された負荷トルクに対して、目標負荷トルクを上方補正（多めに補正）するため、エンジン１０側において０ｄＢの振幅を得ることができる。
【００３４】
このように、本実施形態では、トルクセンサ４０をダイナモメータ２０側に設けることでエンジン１０側に設けたことに起因して生じる種々の問題を解決するとともに、トルクセンサ４０で検出された負荷トルクが本来の制御の対象であるエンジン１０のクランクシャフトにおける負荷トルクと異なることを考慮し、エンジン１０とトルクセンサ４０とが高剛性かつ低慣性のシャフト３０により接続されるマス系も考慮した３マス慣性系を用いてダイナモメータ２０からエンジン１０に付加する付加トルクを上方補正することで、エンジン１０のクランクシャフトにおいて目標負荷トルクを確実に印加し、エンジン１０を試験することができる。
【００３５】
なお、本実施形態における制御装置７０は、シミュレーションプログラムを実行するＤＳＰの他、ＶＭＥやＰＣでも構成することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、エンジン１０とダイナモメータ２０とを連結するシャフト３０としてカーボンシャフトを用いているが、高剛性かつ低慣性であれば任意の材料を用いることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば負荷トルク検出手段の異常発生を抑制できるとともに、原動機に対して所望の負荷トルクを高精度に印加して原動機を試験することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態における試験装置の構成図である。
【図２】３マス慣性系のモデル説明図である。
【図３】実施形態における３マス慣性系の機械特性グラフ図である。
【図４】２マス慣性系の機械特性グラフ図である。
【図５】従来の試験装置の構成図である。
【図６】車両動特性モデルの概念図である。
【符号の説明】
１０ エンジン、２０ ダイナモメータ、３０ シャフト、４０ トルクセンサ、７０ 制御装置。

Claims (3)

1. 車両用原動機の駆動軸に連結された結合シャフトを介して前記車両用原動機の駆動軸に負荷トルクを印加する負荷トルク印加手段と、
   前記負荷トルク印加手段により印加される前記負荷トルクの大きさを検出する負荷トルク検出手段と、
   前記原動機に接続される変速機を含む駆動系の等価慣性や等価ダンピング定数及び等価バネ定数等のモデル定数を用いた動特性モデルに基づき印加されるべき所望の負荷トルクを演算し、前記負荷トルク検出手段により検出された実際の負荷トルクとの相違に基づき前記負荷トルク印加手段を制御する制御手段と、
   を有する原動機の試験装置であって、
   前記負荷トルク検出手段は、前記結合シャフトと前記負荷トルク印加手段との間に設けられ、
   前記制御手段は、前記負荷トルク検出手段の位置に応じて前記原動機の駆動軸に前記所望の負荷トルクが印加されるように前記負荷トルク印加手段を制御することを特徴とする原動機の試験装置。
2. 請求項１記載の装置において、
   前記制御手段は、前記負荷トルク検出手段及び前記結合シャフトのモデル特性を用いて前記原動機の駆動軸に前記所望の負荷トルクが印加されるように前記負荷トルク印加手段を制御することを特徴とする原動機の試験装置。
3. 請求項１記載の装置において、
   前記制御手段は、制御系を前記原動機、前記負荷トルク検出手段及び前記負荷トルク印加手段からなり前記原動機と前記負荷トルク検出手段は前記結合シャフトで弾性結合された３マス慣性系とモデル化して前記原動機の駆動軸に前記所望の負荷トルクが印加されるように前記負荷トルク印加手段を制御することを特徴とする原動機の試験装置。

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