JP5658529B2

JP5658529B2 - エンジン試験装置

Info

Publication number: JP5658529B2
Application number: JP2010235440A
Authority: JP
Inventors: 幸久伊藤; 篤志小川; 祐太江頭
Original assignee: A&D Co Ltd
Current assignee: A&D Co Ltd
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-10-20
Also published as: JP2012088187A

Description

本発明はエンジン試験装置に係り、特に安全性の高いエンジン試験装置に関する。

エンジンの性能を試験する装置として、エンジンベンチが知られている（特許文献１参照）。エンジンベンチは、開発・製造された供試エンジンが所定の性能を備えているかを評価する試験装置であり、試験対象であるエンジンは、台上試験機（エンジンベンチ）に取り付けられる。エンジンの出力軸はトルク計や回転数計を介してダイナモメータに接続され、このダイナモメータによってエンジンの出力軸の回転力が吸収される。これにより、台上試験が行われ、エンジンの性能が測定・評価される。

特許第３０２８４３３号

ところで、エンジン試験装置を新規に作成した場合や、新型のエンジンを新たに試験する場合には、エンジンやダイナモメータに不測の事態が発生するおそれがあり、たとえば想定以上の高負荷がかかったり高回転になったりして装置が破損するおそれがあった。このため、従来は、予備試験を繰り返し行うことによって安全性を確保したり、エンジンの重量等の計測値から適切な制御パラメータ（すなわち制御器の特性を変える値、たとえばＰＩ制御器の比例ゲインや積分ゲイン）を算出したりしていた。このため、従来は、試験前の準備作業に時間がかかるという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたものであり、安全性を確保でき、且つ、試験前の準備作業を容易に行うことのできるエンジン試験装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は前記目的を達成するために、試験対象であるエンジンに負荷を与えるダイナモメータと、前記エンジン及び前記ダイナモメータを制御する制御装置とを備えたエンジン試験装置において、前記制御装置は、制御指令値を出力する制御器と、前記エンジン及び前記ダイナモメータを含む実機部がモデル化され、少なくともエンジンモデルとダイナモモデルを含むベンチモデルを有し、該ベンチモデルに前記制御指令値を入力してシミュレーションを実行するシミュレーション部と、を備え、前記制御装置は、前記シミュレーションの結果に基づいて前記実機部を運転する際の制御パラメータを決定し、該決定した制御パラメータに基づいて前記実機部の運転を制御することを特徴とするエンジン試験装置を提供する。

本発明の発明者は、試験対象であるエンジンをモデル化するだけでなく、エンジンを含めた試験装置の実機部そのものをモデル化したベンチモデルを用いてシミュレーションを行えば、試験装置全体のリスクを予め把握することができ、安全性を高めることができるという着想に至った。本発明はこのような着想に基づいて成されたものであり、ベンチモデルを用いてシミュレーションを実行することによって制御パラメータを決定し、その制御パラメータに基づいて実機部を運転するようにしたので、実機部の稼動を開始した際のリスクを低減することができる。また、本発明によれば、シミュレーションによって適切な制御パラメータを求めるだけなので、準備作業を大幅に低減することができる。

請求項２の発明は請求項１において、前記シミュレーション部は、前記シミュレーションの結果が予め設定された仕様の範囲内に収まるまで、前記制御パラメータを変更して前記シミュレーションを繰り返し実行することを特徴とする。これにより、適切な制御パラメータが決定され、その制御パラメータに基づいて実機部が制御されるので、実機部を仕様どおりに運転することができ、安全性を高めることができる。

請求項３の発明は請求項１または２において、前記制御装置は、前記制御器から出力された制御指令値の出力先を、前記シミュレーション部と前記実機部とで切り替える切替手段を備え、前記切替手段は、前記制御パラメータを決定した際に、前記制御指令値の出力先を前記シミュレーション部から前記実機部に切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、ベンチモデルを用いてシミュレーションを実行することによって制御パラメータを決定し、その制御パラメータに基づいて実機部の運転を制御するようにしたので、実機部の運転を開始した際のリスクを低減することができる。また、本発明によれば、シミュレーションを実行するだけなので、準備作業を大幅に低減することができる。

本発明を適用したエンジン試験装置の概略構成を示す図本実施の形態のエンジン試験装置の制御ブロック図ベンチモデルの一例を示す図本実施の形態のエンジン試験装置を運転する際のフローを示す図本実施の形態のエンジン試験装置の作用を示す図本実施の形態のエンジン試験装置の作用を示す図

以下、添付図面に従って、本発明に係るエンジン試験装置の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明が適用されたエンジン試験装置１０の主に実機部分の概略構成を示している。

同図に示すエンジン試験装置１０は、試験対象であるエンジン１２の性能を測定・評価する装置であり、主としてエンジン１２、ダイナモメータ１４等からなる実機部分と、ダイナモ制御部１６、エンジン制御部１８、制御装置２０等から成る制御部分とで構成される。

エンジン１２は、架台２２に固定されており、その内部には燃焼室（不図示）が設けられる。燃焼室には空気吸引用の吸気管２４が接続されており、その吸気管２４には流入量調節用のスロットル２６が設けられる。また、燃焼室には排気管２８が接続されており、この排気管２８には排ガス浄化用の触媒装着部３０が設けられる。

エンジン１２は、その出力軸がシャフト部材３２を介してダイナモメータ１４に接続されている。シャフト部材３２は、メインシャフトなどの複数の軸部材が連結されることによって構成されており、その連結部分にはユニバーサルジョイント３４が介在される。また、シャフト部材３２にはトルクメータ３６が取り付けられ、このトルクメータ３６によってトルクが計測される。なお、本実施の形態は、トルクメータ３６によってトルクを計測するようにしたが、これに限定するものではなく、たとえばダイナモメータ１４の出力値からトルクを検出してもよい。また、トルクメータ３６の他に、クラッチ、変速機、各種の連結手段等を目的に応じて挿入してもよい。さらに、トルク以外のエンジン１２の状態（たとえば排ガスの温度など）を計測する手段を挿入してもよい。

ダイナモメータ１４は、エンジン１２に所定の負荷トルクを与える装置であり、電流・電圧を可変させることで負荷トルクを設定できるようになっている。ダイナモメータ１４としては、低慣性ダイナモメータを用いることが好ましく、低慣性ダイナモメータを用いることによって、低速回転から高速回転までの急激な回転数の変化に応じた安定した出力が得られる。

ダイナモメータ１４にはダイナモ制御部１６が接続されている。ダイナモ制御部１６は、ダイナモメータ１４に印加する電流・電圧を可変制御する手段であり、このダイナモ制御部１６で電流・電圧を可変制御することによって、ダイナモメータ１４に接続されたエンジン１２の負荷トルクが制御される。

一方、エンジン１２は、エンジン制御部１８に接続される。エンジン制御部１８は、スロットル開度や点火進角等の制御信号をエンジン１２に与えることによって、エンジン１２を駆動制御する手段であり、通常はＥＣＵ、もしくはＥＣＵにバイパス回路を付加したエンジン制御回路で実現される。ＥＣＵの代わりに仮想ＥＣＵと称されるＤＳＰ（Digital Signal Processor）で実現してもよい。このエンジン制御部１８によってエンジン１２に制御信号（たとえば所定のスロットル開度）が与えられる。これにより、エンジン１２が回転し、その回転がシャフト３２を介してダイナモメータ１４に伝達される。なお、エンジン制御部１８から与えられる制御信号としては、回転数、スロットル開度の他、燃料注入量、空気注入量、燃料と空気の混合比、点火時間（ガソリンエンジンの場合）、燃料噴射制御方法（ジーゼルエンジンの場合）など様々な制御信号がある。

上述したダイナモメータ１４、ダイナモ制御部１６、エンジン制御部１８、トルクメータ３６は、制御装置２０に接続されている。制御装置２０は、ダイナモ制御部１６とエンジン制御部１８を介してダイナモメータ１４とエンジン１２をフィードバック制御する機能を備えており、図２に示すように制御器４０、シミュレーション部４２、切替手段４４を備えている。

制御器４０は、制御パラメータに基づいてＰＩＤ制御を行う部分であり、Ｅｎ制御系用のＰＩＤ制御器とＤｙ制御系用のＰＩＤ制御器を備えている。なお、Ｄｙ制御系においてトルク制御する場合は、さらにＦＦ制御器を備えるようにしてもよい。この制御器４０には、目標値（たとえばエンジン１２のスロットル開度目標値とダイナモメータ１４のトルク目標値）が設定（入力）されており、この目標値になるようにフィードバック制御が行われる。また、制御器４０は、制御指令値として、スロットル開度制御指令値（以下、Ｔｈ指令値）とダイナモメータ１４へのトルク制御指令値（以下、Ｄｙ指令値）を出力するようになっている。

切替手段４４は、制御器４０から出力された制御指令値の出力先を切り替える回路である。この切替手段４４は、後述のシミュレーション結果が仕様範囲内に収まった際に、その出力先をシミュレーション部４２から実機部に切り替えるようになっている。

シミュレーション部４２は、上述の実機部をモデル化したベンチモデルを備えており、このベンチモデルを用いてシミュレーションを実行する。ベンチモデルは、たとえばエンジン１２とダイナモメータ１４を接続した理想的な２マス系モデルとして図３の如く作成される。

図３はベンチモデルの一例を示すブロック図である。同図において、Ｊ_Ｅはエンジン１２の慣性値であり、Ｊ_Ｄはダイナモメータ１４の慣性値であり、Ｋは軸ねじりバネ定数であり、Ｃは軸ダンパ係数である。また、Ｎ_Ｅはエンジン１２の回転数であり、Ｎ_Ｄはダイナモメータ１４の回転数であり、Ｔ_Ｅはエンジン１２のトルクであり、Ｔ_Ｄはダイナモメータ１４のトルクであり、Ｔはシャフト５０のトルクである。

図３に示すように、エンジンモデルはエンジンマップを有しており、このエンジンマップはＴｈ指令値とエンジン回転数Ｎ_Ｅを入力値として、駆動トルクＴ_Ｅを出力するようになっている。そして、出力した駆動トルクＴ_Ｅとシャフトモデルからの負荷トルクＴとの差を積分し、エンジン１２の慣性値Ｊ_Ｅで割ることで、回転数Ｎ_Ｅが求まる。

ダイナモモデルはダイナモマップを有しており、このダイナモマップはＤｙ指令値（トルク指定値）とダイナモ回転数Ｎ_Ｄを入力として、駆動トルクＴ_Ｄを出力するようになっている。そして、出力した駆動トルクＴ_Ｄとシャフトモデルからの負荷トルクＴとの差を積分し、ダイナモメータ１４の慣性値Ｊ_Ｄで割ることで、回転数Ｎ_Ｄが求まる。

シャフトモデルは、エンジン１２とダイナモメータ１４を接続するシャフト部材３２をモデル化したものであり、エンジン１２とダイナモメータ１４の回転数の差によってねじれて、バネ・ダンパの役割をする。バネ・ダンパによる力は負荷トルクＴとしてエンジンモデルとダイナモモデルに出力される。

上記の如く構成されたベンチモデルは、実機部と同様に、Ｄｙ指令値とＴｈ指令値を入力することによって、回転数とトルク値をシミュレーション結果として出力する。そして、そのシミュレーション結果が予め設定された仕様範囲内かどうかを判断し、仕様範囲内に収まった場合に前述の切替手段４４が制御指令値の出力先を実機部に切り替える。これにより、制御器４０からの制御指令値が実機部（実際にはダイナモ制御部１６とエンジン制御部１８）に出力され、実機部の運転が開始される。実機部の出力値は、制御器４０に入力され、これによってフィードバック制御が行われる。

次に上記の如く構成されたエンジン試験装置１０を運転する際のフローについて図４に基づいて説明する。同図に示すように、本実施の形態では、実機運転（ステップＳ７）を行う前に、シミュレーションの実行（ステップＳ３）を伴う処理を行い、制御パラメータを決定している。具体的には、まず、計測仕様を予め決定しておく（ステップＳ１）。ここで、仕様とは特定の制御条件における許容範囲を意味しており、たとえばダイナモメータ１４の回転数によって制御を行う場合、目標値変動を１０００ｒｐｍから１２００ｒｐｍに変動する際のオーバーシュートを８０ｒｐｍ以内、時定数を０．３ｓ以内に設定する。別の例として、シャフト３２のトルクによって制御を行う場合、目標値変動を５００Ｎｍから４５０Ｎｍに変動する際の時定数を０．３ｓ以内、トルクを±２０Ｎｍ以内に設定する。

次に、制御器４０に制御パラメータを入力する（ステップＳ２）。制御器４０は制御パラメータに基づいて制御指令値を出力する。その際、制御器４０の出力先は切替手段４４によってシミュレーション部４２に切り替えておく。これにより、制御指令値がシミュレーション部４２に入力し、ベンチモデルに基づいてシミュレーションが実行される（ステップＳ３）。

次に、シミュレーションの結果が前述の仕様を満たすか否かを判定し（ステップＳ４）、満たさない場合には制御パラメータを変更する（ステップＳ５）。その後、ステップＳ２に戻ってシミュレーションを実行し、これを繰り返す。

一方、シミュレーションの結果が仕様を満たした場合には、制御器４０からの制御指令値の出力先を切替手段４４によって実機部に切り替える（ステップＳ６）。これにより、適切な制御パラメータで出力した制御指令値が実機部に出力され、実機部の運転が開始される（ステップＳ７）。このようにベンチモデルを用いてシミュレーションを実行して制御パラメータを決定し、その制御パラメータに基づいて実機部を運転するようにしたので、実機部に不測の事態が発生することを防止できる。

なお、実機部を本格稼動する前にテストモードを行うようにしてもよい。テストモードでは、実機部の運転結果とシミュレーションの結果とを比較し、両者の差が所定の範囲内であると判定した際に実機部の本格稼動を開始する。

次に上記の如く構成されたエンジン試験装置１０の作用について図５、図６に基づいて説明する。図５は、ダイナモメータ１４の回転数を目標値として制御した際の試験結果であり、図６は、トルクを目標値として制御した際の試験結果である。具体的に説明すると、図５は、ダイナモメータ１４の回転数を１０００ｒｐｍから１２００ｒｐｍに変化させた場合のダイナモメータ１４の回転数（図５上側）とトルク（図５下側）を示している。一方、図６は、トルクを５００Ｎｍから４５０Ｎｍに変化させた場合のダイナモメータの回転数（図６上側）とトルク（図６下側）を示している。なお、図５、図６において、（ａ）はシミュレーション結果を示しており、（ｂ）は実機部を稼動した結果を示している。

これらの図に示すように、実機部の稼動結果はシミュレーションの結果に非常に近い値になっている。シミュレーションの結果は仕様の範囲内になるように決定しているので、実機部の運転結果も略同等の結果になり、不測の事態が発生することを防止することができる。

このように本実施の形態によれば、ベンチモデルを用いてシミュレーションを行い、制御パラメータを決定し、その制御パラメータで実機部を稼動しているので、実機部を稼動した際に不測の事態が発生することを防止することができる。

１０…エンジン試験装置、１２…エンジン、１４…ダイナモメータ、１６…ダイナモ制御部、１８…エンジン制御部、２０…制御装置、２２…架台、２４…吸引管、２６…スロット、２８…排気管、３０…触媒装着部、３２…シャフト部材、３４…ユニバーサルジョイント、３６…トルクメータ、４０…制御器、４２…シミュレーション部、４４…切替手段

Claims

試験対象であるエンジンに負荷を与えるダイナモメータと、前記エンジン及び前記ダイナモメータを制御する制御装置とを備えたエンジン試験装置において、
前記制御装置は、
制御指令値を出力する制御器と、
前記エンジン及び前記ダイナモメータを含む実機部がモデル化され、少なくともエンジンモデルとダイナモモデルを含むベンチモデルを有し、該ベンチモデルに前記制御指令値を入力してシミュレーションを実行するシミュレーション部と、を備え、
前記制御装置は、前記シミュレーションの結果に基づいて前記実機部を運転する際の制御パラメータを決定し、該決定した制御パラメータに基づいて前記実機部の運転を制御することを特徴とするエンジン試験装置。
前記シミュレーション部は、前記シミュレーションの結果が予め設定された仕様の範囲内に収まるまで、前記制御パラメータを変更して前記シミュレーションを繰り返し実行することを特徴とする請求項１に記載のエンジン試験装置。
前記制御装置は、前記制御器から出力された制御指令値の出力先を、前記シミュレーション部と前記実機部とで切り替える切替手段を備え、
前記切替手段は、前記制御パラメータを決定した際に、前記制御指令値の出力先を前記シミュレーション部から前記実機部に切り替えることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジン試験装置。