JP5658530B2

JP5658530B2 - エンジン試験装置

Info

Publication number: JP5658530B2
Application number: JP2010235441A
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: JP2012088188A

Description

本発明はエンジン試験装置に係り、特に応答性とロバスト性の両立に優れた制御を行うことのできる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。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。

ところで、エンジンベンチでは通常、目標値としてエンジンの回転数やトルクが制御部に設定されており、制御部はこの回転数やトルクに応じたスロットル開度やダイナモメータの電流値などの指令値を出力し、この指令値に応じてエンジンやダイナモメータが制御される。エンジンやダイナモメータ等の実機部には各種センサが取り付けられており、たとえばエンジンの回転数やトルク等が検出される。この検出信号は制御部にフィードバックされ、制御部はこの検出信号に基づいてＰＩＤ制御（またはＰＩ制御）を行っている。

しかし、ＰＩＤ制御だけでは、応答性とロバスト性の両立が難しいという問題がある。そこで特許文献１では、エンジンの回転数毎にトルク−スロットル開度のマップを予め作成し、このマップを用いてスロットル開度を予測し、制御を行っている。さらに特許文献１では、ファジイ推論を用いて補正を行っている。

特許第３０２８４３３号

しかしながら、特許文献１は、エンジン毎にマップを予め作成しなければならず、非常に時間がかかるという問題や、マップで作成したスロットル開度だけしか予測できず、複数のパラメータを同時に予測することはできないという問題があった。さらに特許文献１はファジイ推論を用いているので、精度には限界があり、高い精度で試験を行うことができないという問題があった。

また、特許文献１をはじめとする従来のエンジン試験装置は、エンジン側の制御系統（以下、Ｅｎ制御系という）とダイナモメータ側の制御系統（以下、Ｄｙ制御系という）にそれぞれ、通信手段等を原因とする無駄時間が発生するが、この無駄時間が両方の制御系で異なるため、誤差が生じたり、予測制御が難しくな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、応答性とロバスト性の両立に優れた制御を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、前記エンジンと前記ダイナモメータに制御指令値を出力する制御器と、を備えたエンジン試験装置において、前記エンジンと前記ダイナモメータを含む実機部をモデル化したベンチモデルに前記制御指令値を入力することによってシミュレーションを実行するシミュレーション部を備え、前記制御器は、前記シミュレーションの結果を入力して制御指令値を決定し、該決定した制御指令値を前記シミュレーション部と前記実機部に出力することを特徴とするエンジン試験装置を提供する。

本発明によれば、エンジンとダイナモメータを含む試験装置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い、そのシミュレーション結果を制御器に入力している。これにより、理想的かつ無駄時間なく制御可能となり、安定に制御できる制御指令値を作成することができるので、それを実機部に入力することによって予測制御が可能となり、フィードフォワード制御することができる。その結果、エンジンへの制御指令値と、ダイナモメータへの制御指令値を同時に最適化することができる。すなわち、従来のようにエンジンのモデルのみでシミュレーションを行っていた場合には、エンジン側の制御指令値とダイナモメータ側の制御指令値を同時に最適化することが難しいという問題があったが、本発明では、試験対象であるエンジンベンチだけでなく、ダイナモメータを含めた試験装置全体のモデルを用いてシミュレーションを行い、その結果に基づいて制御を行うので、エンジン側の制御指令値とダイナモメータ側の制御指令値を同時に最適化することができる。

請求項２の発明は請求項１において、前記エンジン及び／又は前記ダイナモメータに出力する前記制御指令値の無駄時間を補正する補正部を備えることを特徴とする。補正機能としては、たとえば、制御装置からダイナモメータへ通信等で発生する無駄時間をΔｔ１とし、制御装置からエンジンへ通信等で発生する無駄時間をΔｔ２とした際、エンジン側の制御指令値に対してΔｔ１の遅れを与えるとともに、ダイナモメータ側の制御指令値に対してΔｔ２の遅れを与える。これにより、エンジン側とダイナモメータ側とで制御されるタイミングが一緒になり、見かけ上、無駄時間のない制御を行うことができる。したがって、ベンチモデルとして無駄時間のない理想モデルを作成し、これに基づいて制御を行うと、実機部でそれが精度良く再現される。従来の場合には、理想的なモデルを作成しても、現実の結果と異なるという問題があったが、本発明の場合には無駄時間を補正する機能があるので、理想的なモデルと同じ状況を作ることができ、測定精度を向上させることができる。

請求項３の発明は請求項１または２において、前記エンジンへの制御指令値はスロットル開度であり、前記ダイナモメータへの制御指令値は電流値であることを特徴とする。

本発明によれば、エンジンとダイナモメータを含む試験装置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っているので、エンジンへの制御指令値だけでなく、ダイナモメータへの制御指令値を同時に最適化することができる。

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無駄時間の説明図従来の制御ブロック図本実施の形態の作用を示す説明図

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、シャフト部材３２等から成る実機部分と、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。なお、本実施の形態では、ダイナモ制御部１６とエンジン制御部１８を制御部分として説明するが、実機部分としてもよい。

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引管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をフィードフォワード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、補正部４４、補助制御器４６を備えている。

制御器４０は、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、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）されるとともに、後述のシミュレーション部４２からシミュレーション結果が入力されるようになっている。制御器４０は、シミュレーション結果がスロットル開度目標値、トルク目標値となるような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）とを決定し、これをシミュレーション部４２と（補正部４４を介して）実機部にそれぞれ出力する。これにより、同じ制御指令値によって、シミュレーション部４２ではフィードバック制御が行われ、実機部ではフィードフォワード制御が行われる。なお、本実施の形態では、目標値や制御指令値として、エンジン１２のスロットル開度、ダイナモメータ１４のトルクを用いたが、これに限定されるものではなく、エンジン１２の回転数など、他の値を用いるようにしてもよい。

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行うようになっている。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、エンジンとダイナモを接続するシャフトをモデル化したものであり、エンジンとダイナモ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、物理演算で演算可能なモデルであり、無駄時間、がた、ノイズ等を考慮せず、理想状態をモデル化したものである。このように作成したベンチモデルは、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。シミュレーション結果はシミュレーション部４２から制御器４０に出力され、制御器４０はこの出力を受けて、シミュレーション結果がスロットル開度目標値とトルク目標値になるような最適なＴｈ指令値とＤｙ指令値とを決定し、これを補正部４４に出力する。

補正部４４は、制御器４０からエンジン制御部１８に出力されるＴｈ指令値や、制御器４０からダイナモ制御部１６に出力されるＤｙ指令値に対して、その出力のタイミングを補正し、Ｅｎ制御系とＤｙ制御系とで無駄時間の差がなくなるような補正処理を行っている。具体的には、Ｄｙ制御系における無駄時間Δｔ１と、Ｅｎ制御系における無駄時間Δｔ２を計測等によって予め求め、補正部４４に入力しておく。ここで、無駄時間Δｔ１とは、Ｄｙ制御系において通信手段などを主な原因として発生する遅れ時間であり、たとえば図４（ａ）に示すように、Ｔｈ指令値をステップ状に変化させ、その際にトルク計測値が実際に立ち上がり始めるまでの時間を計測することによって求められる。同様に、無駄時間Δｔ２とは、Ｅｎ制御系において通信手段などを主な原因として発生する遅れ時間であり、たとえば図４（ｂ）に示すように、Ｔｈ指令値をステップ状に変化させ、その際にトルク計測値が立ち上がり始めるまでの時間を計測することによって求められる。これらの無駄時間Δｔ１、Δｔ２は通信手段などを原因として個々に発生するので、それぞれが独立した値となり、非線形要素となる。

そこで、補正部４４は、無駄時間Δｔ１とΔｔ２との差が見かけ上なくなるような補正処理を行う。たとえば、Ｅｎ制御系であるＴｈ指令値を、Ｄｙ制御系の無駄時間Δｔ１だけ遅らせるとともに、Ｄｙ制御系であるＤｙ指令値をＥｎ制御系の無駄時間Δｔ２だけ遅らせる。これにより、両方の制御系において、Δｔ１＋Δｔ２の時間遅れが発生するので、両方の制御系統において制御が同時に行われる。すなわち、無駄時間のない理想的な状況を実機部において再現することができる。これは上述のベンチモデルと同じ状態なので、実機部の挙動とベンチモデルのシミュレーション結果が精度良く一致することになる。

なお、補正部４４での補正方法は上記のものに限定されるものではなく、Ｅｎ制御系とＤｙ制御系とで無駄時間Δｔ１、Δｔ２の差がなくなるような補正処理であれば良い。たとえば、Δｔ１とΔｔ２のうち大きい方を基準とし、もう一方の制御系にΔｔ１とΔｔ２との差の分だけ遅らせる補正処理を行ってもよい。具体的には、Δｔ１＞Δｔ２の場合、Ｄｙ制御系であるＤｙ指令値は補正処理を行わず、Ｅｎ制御系であるＴｈ指令値に（Δｔ１−Δｔ２）だけ遅らせる補正処理を行う。これにより両方の制御系でΔｔ１の遅れが生じるので、無駄時間のずれを見かけ上無くすことができる。

補正部４４から出力されたＴｈ指令値とＤｙ指令値にはそれぞれ、補助制御器４６からの制御指令値が加算される。補助制御器４６には、上述したＴｈ目標値とＤｙ目標値が入力されるとともに、実機部からのフィードバック信号（トルク計測値と回転数計測値）が入力される。この補助制御器４６は、Ｅｎ制御系用のＩ（積分）制御器とＤｙ制御系のＩ（積分）制御器を備えており、Ｉ制御を行うようになっている。これにより、実機部の計測値が目標値から大きくずれることを防止できる。すなわち、本実施の形態では、制御器４０がシミュレーション部４２のシミュレーション結果に基づいてフィードフォワード制御を行い、実機部の計測値を用いることなく制御が行われるので、大きな誤差が生じるおそれがあるが、補助制御器４６を設けて補正を行うことによって、これを防止することができる。なお、Ｉ制御が利き過ぎるとかえって不安定になるので、一定値によって制御量を制限するとよい。また、シミュレーションの精度が向上すれば、補助制御器４６のない態様も可能である。

次に上記の如く構成されたエンジン試験装置１０の作用について説明する。図５は従来のエンジン試験装置の構成を示すブロック図である。同図に示す従来のエンジン試験装置は、本実施の形態のエンジン試験装置１０と同様に、フィードバック制御を行う制御器４０を備えている。制御器４０には、Ｅｎ制御系用のＰＩＤ制御器とＤｙ制御系用のＰＩＤ制御器とが設けられており、必要に応じてＦＦ制御器が設けられている。ただし、従来のエンジン試験装置の場合には、実機部で計測したトルク計測値と回転計測値がフィードバック信号として入力されるようになっている。すなわち、従来のエンジン試験装置は、実機部での計測値に基づいてフィードバック制御が行われる。

このように構成された従来のエンジン試験装置では、Ｅｎ制御系の無駄時間Δｔ２とＤｙ制御系の無駄時間Δｔ１との間に差が生じると、二つの制御系の無駄時間の違いで制御タイミングがずれるという問題が生じる。これは非線形要素となるため、従来のエンジン試験装置では予測制御が困難であり、理想的な制御ができず、応答性を向上させることができないという問題を生じる。また、応答性とロバスト性の間にはトレードオフの関係があるため、従来装置の場合は、応答性を無理に向上させると、ロバスト性が低下するという問題が発生する。

これに対して本実施の形態のエンジン試験装置１０は、実機部の理想状態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い、その結果を制御器４０に入力し、制御器４０が最適な制御指令値を決定し、シミュレーション部４２と（補正部４４を介して）実機部に出力している。したがって、シミュレーション部４２では制御指令値を用いたフィードバック制御が行われ、実機部では同じ制御指令値を用いたフィードフォワード制御が行われる。これにより、非線形要素のない物理演算によって制御が行われるので、予測制御を行うことができ、応答性とロバスト性を高めることができる。

また、本実施の形態によれば、補正部４４によって無駄時間Δｔ１、Δｔ２のずれを補正しているので、２つの制御系における制御タイミングのずれを無くすことができ、ベンチモデルと同じ理想状態、すなわち無駄時間Δｔ１、Δｔ２の差の影響がない理想状態を実機部で再現することができる。したがって、理想状態をモデル化したベンチモデルによるシミュレーション結果と、補正処理後の実機部の挙動とが等しくなり、理想状態の制御を行うことができる。これにより、Ｅｎ制御系とＤｙ制御系の両方の応答性を同時にあげることができ、ロバスト性に優れた性能を発揮することができる。

図６は本実施例と従来例との対比試験の結果を示している。この試験では、両者のトルク応答性を同等にし、スロットル開度目標値を一定、トルク目標値をステップ状に変化させており、その際のトルクの経時変化を図６（ａ）、回転数の経時変化を図６（ｂ）に示している。

これらの図に示すように、従来例はトルクが上昇すると回転数が下がってしまい、ロバスト性が悪くなっている。これは無駄時間により制御性が悪化しているためと考えられる。これに対して、本実施例はトルクが上昇しても回転数は下がらず、ロバスト性が優れている。

なお、上述した実施の形態は、２つの制御系（Ｅｎ制御系とＤｙ制御系）を有するエンジン試験装置に本発明を適用した例で説明したが、３つ以上の制御系の場合にも適用することができる。たとえば、３つの制御系の場合において、それぞれの無駄時間がΔｔ１、Δｔ２、Δｔ３であった場合、補正部４４において、他の２つの制御系の無駄時間を加算した分だけ遅らせて制御指令値を出力する。すなわち、Δｔ１側の制御系統ではΔｔ２＋Δｔ３の時間遅れを与え、Δｔ２側の制御系統ではΔｔ１＋Δｔ３の時間遅れを与え、Δｔ３側の制御系統ではΔｔ１＋Δｔ２の時間遅れを与える。これにより、３つの制御系統でΔｔ１＋Δｔ２＋Δｔ３の時間遅れとなり、３つの制御系統で時間のずれのない理想状態を再現することができる。なお、この場合にも、最も大きい無駄時間に合わせて制御を行ってもよい。

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…補正部、４６…補助制御器

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、前記エンジンと前記ダイナモメータに制御指令値を出力する制御器と、を備えたエンジン試験装置において、
前記エンジンと前記ダイナモメータを含む実機部をモデル化したベンチモデルに前記制御指令値を入力することによってシミュレーションを実行するシミュレーション部を備え、
前記制御器は、前記シミュレーションの結果を入力して制御指令値を決定し、該決定した制御指令値を前記シミュレーション部と前記実機部に出力することを特徴とするエンジン試験装置。
前記エンジン及び／又は前記ダイナモメータに出力する前記制御指令値の無駄時間を補正する補正部を備え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。
前記エンジンへの制御指令値はスロットル開度であり、前記ダイナモメータへの制御指令値は電流値であ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。