JP2008008236A - ４サイクル多気筒ガスエンジンのシミュレーション方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の計算機を用いて、４サイクル多気筒ガスエンジンの性能を実エンジンの運転を模擬してリアルタイムでシミュレーション計算でき、それにより容易に制御機能の最適化ができる４サイクル多気筒ガスエンジンのシミュレーション方法と装置を提供する。
【解決手段】４サイクル多気筒ガスエンジンの各気筒のサイクルを吸気行程Ｓ１、圧縮行程Ｓ２、膨張行程Ｓ３、及び排気行程Ｓ４に区分して、サイクルタイムΔｔ毎の１気筒当りの性能を計算するシリンダモデルを用いる。また、４サイクル多気筒ガスエンジンの全気筒について、各気筒の行程順序に対応させて、シフト関数を用いてサイクルタイム分ずらして同時に各気筒分のエンジン性能を計算し、これを統合して４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン性能を計算し実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、４サイクル多気筒ガスエンジンの性能をリアルタイムで計算するシミュレーション方法と装置に関する。

ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関において、所定の内燃サイクルを完結するのに４行程（２回転）を要するものを４サイクルエンジンと呼ぶ。かかる４サイクルエンジンは長年にわたり詳細に研究されており、近年ではその性能を計算する種々のシミュレーション手段が提案されている（例えば、特許文献１，２）。

特許文献１の手段は、４サイクルエンジンのシミュレーションにおいて、図１０に示すように、吸排気の流れをＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）により模擬する一方、化学反応ＳＩＭにより燃焼等を模擬する。気筒の吸気行程から圧縮行程への移行を模擬するときにはＣＦＤを吸気弁の閉時期ＩＶＣまで行って、燃焼室に充填される吸気の状態（ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）を正確に求める。その吸気の状態に基づいて、圧縮行程下死点ＢＤＣで燃焼室に充填されていると仮定したときの前記吸気の状態を推定し、この推定結果に対応するガス成分のデータを化学反応ＤＢ５２から読み込んで、圧縮行程下死点ＢＤＣから膨張行程下死点まで化学反応ＳＩＭ（化学反応シミュレーション）を行うようにするものである。

特許文献２の手段は、例えば４サイクルエンジンのシミュレーションにおいて、図１１に示すように、吸気及び排気行程では吸排気の流れを１次元及び３次元のＣＦＤ演算により記述する。一方、圧縮及び膨張行程では少なくとも燃焼室の作動ガスを窒素、酸素、炭化水素、炭酸ガス等により模擬して、化学反応式の演算を行う（化学反応ＳＩＭ）。吸気行程でのＣＦＤ演算の結果等に基づいて、化学反応ＤＢ５２から化学反応ＳＩＭに用いる圧縮過程初期の作動ガスの成分を読み込む（結果処理１）。圧縮及び膨張行程での化学反応ＳＩＭの結果に基づいて、ＣＦＤ演算における排気の初期状態を求める（結果処理２）ものである。

特開２００４−２３９１２９号公報、「エンジン性能の予測解析方法、予測解析システム及びその制御プログラム」 特開２００４−２３９１３０号公報、「エンジン性能の予測解析方法、予測解析システム及びその制御プログラム」

上述した特許文献１、２の手段は、液体燃料を燃料とするガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの４サイクルエンジンを主に対象としている。
これに対して、近年、気体燃料を燃料とするガスエンジンの開発が進められている。ガスエンジンは、吸気行程において空気と予混合された燃料をシリンダ（気筒）内に吸引する点ではガソリンエンジンと同じであるが、予混合ガスの均質性が高く、燃焼が容易であり、ＣＦＤや化学反応ＳＩＭのような複雑なシミュレーション計算をせずに膨張行程（爆発行程）におけるエンジン性能を計算できる特徴がある。

また、４サイクルエンジンは、４気筒以上の多気筒であるのが普通であり、特に円滑性が要求される発電用では、６〜１８気筒もの多気筒エンジンが必要となる。
この場合、上述した特許文献１、２の手段では、各気筒毎にＣＦＤや化学反応ＳＩＭのような複雑なシミュレーション計算を必要とするため、大型計算機を必要とし、それにもかかわらず計算時間が長い問題点がある。
そのため、実際の４サイクルエンジンの運転を模擬するようなリアルタイムでのシミュレーションができなかった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、小型の計算機を用いて、４サイクル多気筒ガスエンジンの性能を実エンジンの運転を模擬してリアルタイムでシミュレーション計算でき、それにより容易に制御機能の最適化ができる４サイクル多気筒ガスエンジンのシミュレーション方法と装置を提供することにある。

本発明によれば、４サイクル多気筒ガスエンジンの各気筒のサイクルを吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程に区分して、サイクルタイム毎の１気筒当りの性能を計算するシリンダモデルを用い、
サイクルタイム毎に、４サイクル多気筒ガスエンジンの全気筒について、各気筒の行程順序に対応させて、該当する数のサイクルタイム分ずらして同時に各気筒分のエンジン性能を計算し、これを統合して４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン性能を計算する、ことを特徴とする４サイクル多気筒ガスエンジンのシミュレーション方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記シリンダモデルは、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程の各行程のサイクルタイムをエンジン回転数から演算し、
吸気行程において、吸入する燃料流量として単位時間当たりの燃料流量を燃料噴射信号が入力されている時間の間積分して演算し求め、
膨張行程において、演算された燃料流量を用意された一時遅れモデルにステップ状に印加し応答をもとめ、その応答から予め設定した関係に基づき、前記燃料流量から各気筒分のエンジン性能を計算する。

前記各気筒分のエンジン性能は、エンジン出力、エンジン回転数、エンジントルク、排ガス温度、ノッキング振動の少なくとも１つである。

４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン出力とエンジントルクは、各気筒分のエンジン出力とエンジントルクのそれぞれ総和として求める。

また、４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン回転数と排ガス温度は、各気筒分のエンジン回転数と排ガス温度の高値選択又は平均として求める。

また、実際の４サイクル多気筒ガスエンジンを制御するエンジン制御装置から要求燃料流量に対応した継続時間をもつ燃料噴射信号と算出された要求燃料流量が最適空燃比となるよう決められる要求空気流量に相当する制御信号をリアルタイムに受信し、
実際の４サイクル多気筒ガスエンジンの運転を模擬してエンジン出力、エンジン回転数、エンジントルク、排ガス温度、ノッキング振動の少なくとも１つをリアルタイムで求める、ことが好ましい。

また本発明によれば、要求燃料流量に対応した継続時間をもつ燃料噴射信号と算出された要求燃料流量が最適空燃比となるよう決められる要求空気流量に相当する制御信号を入力する入力装置と、
前記燃料噴射信号ならびに要求空気流量相当制御信号から４サイクル多気筒ガスエンジンの各気筒のサイクルを吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程に区分して、サイクルタイム毎の１気筒当りの性能を計算するシリンダモデルを記憶した演算装置とを備え、
該演算装置において、サイクルタイム毎に、４サイクル多気筒ガスエンジンの全気筒について、各気筒の行程順序に対応させて、該当数のサイクルタイム分ずらして同時に各気筒分のエンジン性能を計算し、これを統合して４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン性能を計算し実現する、ことを特徴とする４サイクル多気筒ガスエンジンのシミュレーション装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記シリンダモデルは、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程の各行程のサイクルタイムをエンジン回転数から演算し、
吸気行程において、吸入する燃料流量として単位時間当たりの燃料流量を燃料噴射信号が入力されている時間の間積分して演算し求め、
膨張行程において、演算された燃料流量を用意された一時遅れモデルにステップ状に印加し応答をもとめ、その応答から予め設定した関係に基づき、各気筒分のエンジン性能を計算する。

また、実際の４サイクル多気筒ガスエンジンを制御するエンジン制御装置から燃料噴射信号と空気流量制御弁駆動信号を受信する信号変換器をさらに備え、
実際の４サイクル多気筒ガスエンジンの運転と並行して、エンジン出力、エンジントルク、排ガス温度、ノッキング振動の少なくとも１つをリアルタイムで求めることが好ましい。

上記本発明の方法及び装置によれば、シリンダモデルで、４サイクル多気筒ガスエンジンの各気筒のサイクルを吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程に区分して、サイクルタイム毎の１気筒当りの性能を計算し、これをサイクルタイム毎に統合して４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン性能を計算するので、ＣＦＤや化学反応ＳＩＭのような複雑なシミュレーション計算を必要とせず、小型の計算機で高速演算が可能であり、リアルタイムで計算ができる。

また、実際の４サイクル多気筒ガスエンジンを制御するエンジン制御装置から燃料噴射信号と空気流量制御弁駆動信号をリアルタイムに受信することにより、４サイクル多気筒ガスエンジンの性能を実エンジンの運転を模擬してリアルタイムで計算でき、その結果により制御機能最適化と検証ができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明によるシリンダモデルのフロー図である。
このシリンダモデルでは、４サイクル多気筒ガスエンジンの各気筒のサイクルを吸気行程Ｓ１、圧縮行程Ｓ２、膨張行程Ｓ３、及び排気行程Ｓ４に区分して、サイクルタイム毎の１気筒当りの性能を計算する。

このシリンダモデルでは、燃料噴射信号を外部から入力する。同様に、空気流量制御弁駆動信号を外部から入力し、それを演算装置の他の部分で空気流量Ｗａを計算しシリンダモデルに入力するのがよい。

次に、各行程のサイクルタイムΔｔをエンジン回転数Ｎから演算する。サイクルタイムΔｔは、各行程の継続時間であり、式（１）で求めることができる。
Δｔ［ｓ］＝３０／Ｎ［ｒｐｍ］・・・（１）
なお、エンジンの始動時、停止時には、回転数（回転速度）が非常に小さく、サイクルタイムが長くなりすぎるので、Ｎの最小値を制限する（例えば２４０ｒｐｍ）のがよい。

吸気行程Ｓ１において、吸入する燃料流量として要求燃料流量に対応した継続時間をもつ燃料噴射信号がオンされている時間の間単位時間当たりの燃料流量ΔＷｆを積分して演算する。この演算により吸気行程のシリンダ（気筒）に供給される燃料流量Ｗｆが確定する。また、空気流量Ｗａは、燃料流量Ｗｆから最適空燃費となるように求められる。

圧縮行程Ｓ２では、吸気行程で確定した燃料流量Ｗｆを単に保持する。同様に、空気流量Ｗａも保持する。従ってこの行程では、サイクルタイムΔｔの時間経過（ｔ＝ｔ＋Δｔ）だけをカウントする。

膨張行程Ｓ３において、Ｓ１で確定した燃料流量Ｗｆと空気流量Ｗａをそれぞれ一次遅れモデルにステップ状に印加し、この応答Ｗｆｒならびに空気流量Ｗａｒから、予め設定した関係に基づき、各気筒分のエンジン性能を計算する。この計算は、圧縮行程で保持された燃料流量ＷｆならびにＷａを、ステップ状に与え、これからエンジン回転数Ｎ、エンジン出力Ｐ、エンジントルクＴ、排ガス温度Ｔ４、ノッキング振動Ｖｎを予め設定した関係に基づき計算する。なお、ここでのあらかじめ設定した関係は簡易計算のため燃料流量から定常状態の性能を計算するものであるが、一時遅れのダイナミック特性を入れることにより、実際のエンジンの動きに近くする。

排気行程Ｓ４では、燃料流量Ｗｆと空気流量Ｗａを０にリセットし、サイクルタイムΔｔの時間経過だけをカウントする。
以後、Ｓ１〜Ｓ４の各行程を基準時間ｔの経過に対応させて継続して計算する。

上述した各行程における計算は、サイクルタイム毎に、４サイクル多気筒ガスエンジンの全気筒について、各気筒の行程順序に対応させて、サイクルタイム分ずらして同時に行い、各気筒分のエンジン性能を基準時間ｔの経過に対応させて計算する。
さらにサイクルタイム毎に、計算された各気筒分のエンジン性能を統合して、基準時間ｔの経過に対応させて４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン性能を計算する。基準時間ｔは、特定のシリンダ（基準シリンダ）の吸気開始として設定する。

図２は、本発明による膨張行程における計算方法の説明図である。この図において、ｊは４サイクル多気筒ガスエンジンの各シリンダの番号であり、０は基準となる気筒、１は基準シリンダから１サイクルタイム分遅れるシリンダ、２，３，４・・・は、基準シリンダから２，３，４サイクルタイム分遅れるシリンダである。

図２において、伝達関数Ｓ２１で空気供給の一次遅れτ_Ｗａ（例えば０．３ｓ）を設定し、空気流量Ｗａを実際のエンジンに近づけている。同様に、伝達関数Ｓ２２で燃料供給の一次遅れτ_Ｗｆ（例えば０．９ｓ）を設定し、燃料流量Ｗｆを実際のエンジンに近づけている。
変換関数Ｓ２３では、予め設定した燃料流量Ｗｆとエンジン出力Ｐの関係Ｐ＝ｆ_１（Ｗｆ）に基づき、エンジン出力Ｐを求める。変換関数Ｓ２４では、予め設定したエンジン出力Ｐとエンジン回転数Ｎの関係Ｎ＝ｆ_２（Ｐ）に基づき、エンジン回転数Ｎを求める。さらに、演算関数Ｓ２５において、エンジン出力Ｐとエンジン回転数ＮからエンジントルクＴｒｑを求める（Ｔｒｑ＝ｆ_４（Ｐ、Ｎ））。
なおエンジントルクＴｒｑを演算する前に、膨張行程以外の行程におけるロス分をエンジン出力Ｐから減算することが好ましい。
さらに、変換関数Ｓ２６では、予め設定したエンジン出力Ｐと排ガス温度Ｔ４の関係Ｔ４＝ｆ_３（Ｐ）に基づき、排ガス温度Ｔ４を求める。

また図２の演算関数Ｓ２７において、空気流量Ｗａと燃料流量Ｗｆから空燃比Ａ／Ｆ（＝Ｗａ／Ｗｆ）を求め、変換関数Ｓ２８では、予め設定した空燃比Ａ／Ｆとノッキング指数λの関係λ＝ｆ_５（Ａ／Ｆ）に基づき、ノッキング指数λを求める。さらに、演算関数Ｓ２９において、ノッキング指数λとノッキング振動Ｖｎの関係Ｖｎ＝ｆ_６（λ）に基づきノッキング振動Ｖｎを求めることができる。

なお、上述した各関係は、予め経験又は実測により求めてもよく、任意に入力してもよい。また各関係は、実エンジンとの比較により随時修正し最適化するのがよい。

図３は、本発明による全気筒とエンジン全体の計算方法の説明図であり、図４は別の計算方法の説明図である。

図３及び図４において、本発明では、シフト関数ＳＨＩＦＴ（Ｉ）（Ｉ＝０，１，２，３，…）を定義する。以下、シリンダ数が６（６気筒）の場合を説明する。
上述したように、ｊを４サイクル多気筒ガスエンジンの各気筒の行程順序番号とすると、ｊ＝０は基準となるシリンダ、ｊ＝１は基準シリンダから１サイクルタイム分遅れるシリンダ、ｊ＝２，３，４，５は、基準シリンダから２，３，４，５サイクルタイム分遅れるシリンダである。
これに対応して、ＳＨＩＦＴ（０）は、基準時間ｔからサイクルタイムΔｔの経過毎に図１に示した吸気行程Ｓ１、圧縮行程Ｓ２、膨張行程Ｓ３、及び排気行程Ｓ４の順でサイクルが進行することを意味する。
また、ＳＨＩＦＴ（１）、ＳＨＩＦＴ（２）、ＳＨＩＦＴ（３）は、ＳＨＩＦＴ（０）から１，２，３倍のサイクルタイム分の遅れで各行程が進行することを意味する。
なお、ＳＨＩＦＴ（４）は、ＳＨＩＦＴ（０）から４サイクルタイム分の遅れであり、ＳＨＩＦＴ（０）と一致する。

図３において、６気筒のシリンダ（＃１〜＃６）は、各気筒の行程順序から、ＳＨＩＦＴ（０）、ＳＨＩＦＴ（３）、ＳＨＩＦＴ（２）、ＳＨＩＦＴ（１）、ＳＨＩＦＴ（０） ＳＨＩＦＴ（３）にそれぞれ相当する。
本発明では、サイクルタイム毎に、４サイクル多気筒ガスエンジンの全気筒について、各気筒の行程順序に対応させて、サイクルタイム分ずらして同時に各気筒分のエンジン性能を計算し、これを統合して４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン性能を計算する。

演算関数Ｓ３１において、４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン出力ＰとエンジントルクＴは、各気筒分のエンジン出力とエンジントルクのそれぞれ総和として求める。

また、図３の演算関数Ｓ３２、Ｓ３３において、４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン回転数Ｎと排ガス温度Ｔ４は、各気筒分のエンジン回転数と排ガス温度の高値選択により求めている。

なお、図４は、図３の演算関数Ｓ３２を別の演算関数Ｓ３４に置き換えたものであり、４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン回転数Ｎを、各気筒分のエンジン回転数を平均して求めている。その他の構成は同一である。また図３と図４の相違による効果については後述する。

図５は、実エンジンを模擬したリアルタイム計算の説明図である。
この図において、本発明のシミュレーション装置１０は、入力装置１２と演算装置１４を備える。
入力装置１２は、燃料噴射信号、要求空気流量制御弁駆動信号を演算装置１４に入力する機能を有する。入力装置１２は、この例では演算装置１４のインターフェースであるが、その他の入力装置（例えば、キーボード、入力端子）でもよい。

演算装置１４は、この例では、ＰＣ（コンピュータ）であり、燃料噴射信号のオン状態を認識し、この信号オンの間、単位時間当たりの燃料流量ΔＷｆの積分をおこない４サイクル多気筒ガスエンジンの各シリンダのサイクルを吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程に区分して、サイクルタイム毎の１気筒当りの性能を計算するシリンダモデルを記憶する。演算装置１４はまた制御装置２０から与えられる空気流量制御弁駆動信号からシリンダモデルに与えられる空気流量を計算する空気制御弁のモデルを記憶する。
このシリンダモデルは、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程の各行程のサイクルタイムΔｔをエンジン回転数Ｎから演算し、
吸気行程Ｓ１において、吸入する燃料流量として燃料噴射信号がオンの間単位時間当たりの燃料流量ΔＷｆを積分して演算し、
膨張行程Ｓ３において、演算された燃料流量を用意された一時遅れモデルにステップ状に印加し応答をもとめ、その応答から予め設定した関係に基づき、各シリンダ分のエンジン性能を計算する。
また、演算装置１４において、サイクルタイム毎に、４サイクル多気筒ガスエンジンの全シリンダについて、各シリンダの行程順序に対応させて、該当するサイクルタイム分ずらして同時に各気筒分のエンジン性能を計算し、これを統合して４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン性能を計算する。

図５において、本発明のシミュレーション装置１０は、さらに信号変換器１６を備える。信号変換器１６は、実際の４サイクル多気筒ガスエンジンを制御するエンジン制御装置２０から燃料噴射信号と空気流量制御弁駆動信号を受信する。

エンジン制御装置２０は、以下の機能を有する。
（１）実際の４サイクル多気筒ガスエンジン（図示せず、以下「実エンジン」と呼ぶ）のエンジン回転数、エンジンに流入する空気流量、及び排ガス温度等を計測する。空気流量は代替センサなどで推定してもよい。
（２）実エンジンの要求出力に相当する燃料流量を噴射する。
燃料噴射は回転数信号とサイクルの開始を判定する位置信号により各シリンダの吸気時期を判定し、要求燃料流量に相当する時間だけ噴射する。噴射時間により燃料が決まる。
（３）噴射燃料流量が最適空燃比となるように空気流量を制御する。
（４）ノッキング状態をセンサにより検出し、ノッキングと判定されるときは燃料を絞る。
（５）その他の制御（スタータ、イグナイタ等）を行う。

信号変換器１６は、以下の機能を有する。
（１）本発明のシミュレーション装置１０から出力されるエンジン回転数、排ガス温度等の模擬信号を、エンジン制御装置２０のインターフェースに合致した信号に変換し、エンジン制御装置２０に入力する。
（２）エンジン制御装置２０から出力される、燃料噴射信号（ディスクリート信号）、空気流量制御弁駆動信号等を、シミュレーション装置１０のインターフェースに合致した信号に変換し、シミュレーション装置１０に入力する。

シミュレーション装置１０は、以下の機能を有する。
（燃料噴射弁モデル）
（１）エンジン制御装置２０から信号変換器１６を経て与えられるディスクリート信号によって与えられる噴射時間だけ単位燃料を積分し、エンジンモデルに与えられる燃料流量を計算する。
（空気制御弁モデル）
（２）エンジン制御装置２０から信号変換器１６を経て与えられる空気制御弁駆動信号により、エンジンモデルに与えられる空気流量を計算する。
（エンジンモデル）
（３）エンジンの動きをシミュレーションする。
（センサモデル）
（４）エンジンの計算値をシミュレーション装置１０より出力する。

以下、本発明の実施例を説明する。

図６は、実施例１の全体ブロック図である。この図において、ＳＰＨＡＳＥ＿ｊ＝０は吸気行程、ＳＰＨＡＳＥ＿ｊ＝１は圧縮行程、ＳＰＨＡＳＥ＿ｊ＝２は膨張行程、ＳＰＨＡＳＥ＿ｊ＝３は排気行程を意味する。
この例において、シリンダｊに対して噴射信号ＦＵＥＬＯＮ＿ｊがＯＮ（＝１）になると単位噴射量ΔＷｆが積分される。この積分値Ｗｆ＿ｊが膨張行程での燃料入力となるので保持され、膨張行程（ＳＰＨＡＳＥ＿ｊ＝２）でシリンダモデル（シミュレーション装置１０）にステップ入力される。このＷｆ＿ｊは、排気行程でリセットされる。
シリンダｊに入力される空気流量Ｗａは、この例では、全空気流量を気筒数Ｍで割った値とする。膨張行程（ＳＰＨＡＳＥ＿ｊ＝２）でシリンダモデル（シミュレーション装置１０）で使用されるので、ＳＰＨＡＳＥ＿ｊ＝２のとき入力され、それ以外の行程でリセットされる。
シミュレーション装置１０で計算した回転数Ｎは慣性を持っていると考えられるので、各シリンダモデルで計算される値の最大値となる。その他は加算する。
出力Ｐには損出項を加え、膨張行程以外では損失のみとする。

図７は、実施例１によるシミュレーション結果である。この図において、横軸は起動開始からの経過時間、縦軸はエンジン回転数である。
この例は、４気筒エンジンの場合であり、特別な制御は行わず一定の燃料を供給しつづけた場合の応答を示している。
図７において、加速曲線に山が４つづつでいるがこれは同じ条件で４つのシリンダが計算され出力されているためである。

図８は、実施例２の全体ブロック図である。
この例では、シミュレーション装置１０で計算した回転数Ｎを平均してエンジン回転数Ｎを求めている。その他は、図６と同一である。

図９は、実施例２によるシミュレーション結果である。この図は、４気筒エンジンの場合であり、特別な制御は行わず一定の燃料を供給しつづけた場合の応答を示しており、条件は図７と同一である。
図９では、図７のような加速曲線の４つの山が現れず、滑らかな曲線が得られている。

上述したように、本発明は、システム全体のサイクルタイムΔｔ（クランク軸の半回転に相当する）を決め、メカニカルな構造より各シリンダ（気筒）の行程をシフト関数によりずらすものである。
各シリンダはシリンダモデルによる各行程を内部状態としてもち、各シリンダ毎の性能計算を行う。
各シリンダはシリンダモデルにより吸気、圧縮、膨張、排気の各行程を順番に経る。どのシリンダがどの行程にあるかは、機械的なリンクにより決まり、これをシフト関数で表現するものである。

上述した本発明の方法及び装置によれば、吸気行程Ｓ１において、吸入する燃料流量として、単位時間当たりの燃料流量を燃料噴射信号が入力されている時間の間、単位時間当たりの燃料流量ΔＷｆを積分して演算し、膨張行程Ｓ３において、演算された燃料流量を用意された一時遅れモデルにステップ状に印加し応答をもとめ、その応答から予め設定した関係に基づき、燃料流量ΔＷｆから各気筒分のエンジン性能を計算し、これをサイクルタイム毎に統合して４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン性能を計算するので、ＣＦＤや化学反応ＳＩＭのような複雑なシミュレーション計算を必要とせず、ＰＣのような小型計算機を用いて高速演算が可能であり、リアルタイムで計算できる。

また、実際の４サイクル多気筒ガスエンジンを制御するエンジン制御装置２０から燃料噴射信号と空気流量制御弁駆動信号をリアルタイムに受信することにより、４サイクル多気筒ガスエンジンの性能を実エンジンを模擬してリアルタイムで計算でき、その確認により制御機能の妥当性確認と最適化ができる。

なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明によるシリンダモデルのフロー図である。 本発明による膨張行程における計算方法の説明図である。 本発明による全気筒とエンジン全体の計算方法の説明図である。 本発明による全気筒とエンジン全体の別の計算方法の説明図である。 実エンジンとの並行使用によるリアルタイム計算の説明図である。 実施例１の全体ブロック図である。 実施例１の試験結果である。 実施例２の全体ブロック図である。 実施例２の試験結果である。 特許文献１の手段の模式図である。 特許文献１の手段の模式図である。

符号の説明

１０ シミュレーション装置、
１２ 入力装置、１４ 演算装置（ＰＣ）、
１６ 信号変換器、２０ エンジン制御装置

Claims (8)

1. ４サイクル多気筒ガスエンジンの各気筒のサイクルを吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程に区分して、一つの行程に要する時間であるサイクルタイム毎の１気筒当りの性能を計算するシリンダモデルを用い、
   サイクルタイム毎に、４サイクル多気筒ガスエンジンの全気筒について、各気筒の行程順序に対応させて、該当サイクルタイム分ずらして同時に各気筒分のエンジン性能を計算し、これを統合して４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン性能を計算し実現する、ことを特徴とする４サイクル多気筒ガスエンジンのシミュレーション方法。
2. 前記シリンダモデルは、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程の各行程のサイクルタイムをエンジン回転数から演算し、
   吸気行程において、吸入する燃料流量として単位時間当たりの燃料流量を燃料噴射信号が入力されている時間の間積分して演算し求め、
   膨張行程において、演算された燃料流量を用意された一時遅れモデルにステップ状に印加し応答をもとめ、その応答から予め設定した関係に基づき、前記燃料流量から各気筒分のエンジン性能を計算する、ことを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション方法。
3. 前記各気筒分のエンジン性能は、エンジン回転数、エンジン出力、エンジントルク、排ガス温度、ノッキング振動の少なくとも１つである、ことを特徴とする請求項１記載のシミュレーション方法。
4. ４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン回転数と排ガス温度は、各気筒分のエンジン回転数と排ガス温度の高値選択又は平均として求める、ことを特徴とする請求項１記載のシミュレーション方法。
5. 実際の４サイクル多気筒ガスエンジンを制御するエンジン制御装置から要求燃料流量に対応した継続時間をもつ燃料噴射信号と算出された要求燃料流量が最適空燃比となるよう決められる要求空気流量に相当する制御信号をリアルタイムに受信し、
   実際の４サイクル多気筒ガスエンジンの運転と並行して、エンジン出力、エンジン回転数、エンジントルク、排ガス温度、ノッキング振動の少なくとも１つをリアルタイムで求める、ことを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション方法。
6. 要求燃料流量に対応した継続時間をもつ燃料噴射信号と空気流量制御信号を入力する入力装置と、
   前記エンジン回転数、単位時間当たりの燃料流量から４サイクル多気筒ガスエンジンの各気筒のサイクルを吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程に区分して、サイクルタイム毎の１気筒当りの性能を計算するシリンダモデルを記憶した演算装置とを備え、
   該演算装置において、サイクルタイム毎に、４サイクル多気筒ガスエンジンの全気筒について、各気筒の行程順序に対応させて、該当サイクルタイム分ずらして同時に各気筒分のエンジン性能を計算し、これを統合して４サイクル多気筒ガスエンジンのエンジン性能を計算する、ことを特徴とする４サイクル多気筒ガスエンジンのシミュレーション装置。
7. 前記シリンダモデルは、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程の各行程に要するサイクルタイムをエンジン回転数から演算し、
   吸気行程において、単位時間当たりの燃料流量を燃料噴射時間の間積分して演算し、
   膨張行程において、演算された燃料流量を用意された一時遅れモデルに印加し、その応答を予め設定した関係に基づき、前記燃料流量から各気筒分のエンジン性能を計算する、ことを特徴とする請求項６に記載のシミュレーション装置。
8. 実際の４サイクル多気筒ガスエンジンを制御するエンジン制御装置から要求燃料流量に対応した継続時間を持つ燃料噴射信号と空気流量制御信号を受信する信号変換器をさらに備え、
   実際の４サイクル多気筒ガスエンジンの運転を模擬して、エンジン出力、エンジン回転数、エンジントルク、排ガス温度、ノッキング振動の少なくとも１つをリアルタイムで求める、ことを特徴とする請求項６に記載のシミュレーション装置。
   

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