JP2014102097A - エンジン冷却水温調装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン回転速度が急激に変化しても、エンジン出口での冷却水の温度が急激に変化しないように冷却水の温度を制御して、エンジン冷却水の温度を一定に保つエンジン冷却水温調装置及び方法を提供すること。
【解決手段】エンジン冷却水温調装置１０は、燃料流量をエンジン試験装置８０から受信し、受信した燃料流量と、燃料種類で決まる発熱当量とから燃料発熱量を算出し、排気温度とエンジン回転速度とをエンジン試験装置８０から受信し、受信した排気温度と受信したエンジン回転速度とからエンジンの排気損失を算出し、エンジンの燃料発熱量からエンジンの軸出力及び排気損失を減算して算出した冷却水放熱量と、計測されたエンジン出口冷却水温度とに基づいてエンジン入口冷却水温度の目標温度を算出し、計測されたエンジン入口冷却水温度が、目標温度になるように、エンジン冷却水の温度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン冷却水温調装置及び方法に関する。

従来より、開発されたエンジンの性能を試験するために、エンジン試験装置が用いられている。図４は、従来のエンジン試験装置８０における冷却水温調装置９０によるエンジンの冷却を示すブロック図である。図４が示すように、エンジン６０の出力軸はダイナモメータ７０に接続され、エンジンの性能が測定・評価される。エンジン試験装置８０における冷却水温調装置９０は、試験されるエンジン６０を冷却するために、ヒータ２２と熱交換器２１（冷却媒体用流量計３１と冷却媒体用電動弁３２とにより冷却媒体の流量を制御）とにより冷却水の温度を制御する。冷却水温調装置９０は、温度制御した冷却水を、エンジン６０と冷却水温調装置９０との間でエンジン６０のポンプ（図示せず）により循環させ、エンジンを冷却する。このとき、冷却水温調装置９０とエンジン６０の間が大きく離れているときには、ポンプ２３により冷却水の循環を補助する。

このようなエンジン試験装置において、エンジンを冷却するための冷却水の温度制御技術を開示する特許文献１が知られている。特許文献１に開示された技術において、冷却装置を操作してエンジンの温度を制御する温度制御装置は、エンジンの運転パターンとエンジンモデルとを用いることによってエンジンの発熱量を予測し、予測結果から発熱量に応じた冷却装置の操作量を算出するとともに、冷却装置の操作を発熱量に対応させるための操作時間差を算出し、算出結果に基づいて冷却装置を、エンジン・ダイナモ制御部よりも操作時間差の分だけ先に、算出した操作量で操作する。

特開２０１１−１２７９０４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、運転パターンとエンジンモデルとによりエンジン発熱量が予測可能な場合における性能試験に有効な技術である。
一方、エンジン発熱量が予測可能でない場合、冷却水温調装置はエンジン回転速度の変化に応じて、冷却水の流量を制御するので、例えば、図５において示すように、エンジン回転速度が急激に増加すると、冷却水の流量が増えて、エンジン出口での冷却水の温度が急激に低下する。そして、冷却水温調装置は、エンジン出口での冷却水の温度を目標温度に保つために、エンジン入口での冷却水の温度を上昇させ、その結果、エンジン出口冷却水温度は上昇し、エンジン回転速度が増加する前の温度に戻る。このように、エンジン回転速度が急激に変化すると、エンジン出口の冷却水の温度が急激に変化する。

そこで、エンジン回転速度が急激に変化しても、エンジン出口での冷却水の温度が急激に変化しないように冷却水の温度を制御して、エンジンの温度を一定に保つ装置が求められている。

本発明は、エンジン回転速度が急激に変化しても、エンジン出口での冷却水の温度が急激に変化しないように冷却水の温度を制御して、エンジンの温度を一定に保つエンジン冷却水温調装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明では、以下のような解決手段を提供する。
（１） 燃料流量とエンジンの軸出力と排気温度とエンジン回転速度とを計測する手段を有するエンジン試験装置によって試験されるエンジンにおいて、当該エンジンを冷却するためのエンジン冷却水の温度を制御するエンジン冷却水温調装置であって、前記エンジン冷却水の温度であるエンジン入口冷却水温度を計測する入口温度計測部と、前記エンジン冷却水の温度であるエンジン出口冷却水温度を計測する出口温度計測部と、計測された前記燃料流量からエンジンの燃料発熱量を算出する発熱量算出部と、計測された前記排気温度と、計測された前記エンジン回転速度とからエンジンの排気損失を算出する排気損失算出部と、前記発熱量算出部によって算出された前記エンジンの燃料発熱量から、計測された前記エンジンの軸出力及び前記排気損失算出部によって算出された前記排気損失を減算して算出した冷却水放熱量と、前記出口温度計測部によって計測された前記エンジン出口冷却水温度とに基づいて前記エンジン入口冷却水温度の目標温度を算出する目標入口温度算出部と、前記入口温度計測部によって計測されたエンジン入口冷却水温度が、前記目標入口温度算出部によって算出された目標温度になるように、前記エンジン冷却水の温度を制御する温度制御部と、を備えるエンジン冷却水温調装置。

（１）の構成によれば、本発明に係るエンジン冷却水温調装置は、エンジンの燃料発熱量からエンジンの軸出力及び排気損失を減算して算出した冷却水放熱量と、エンジン出口冷却水温度とに基づいてエンジン入口冷却水温度の目標温度を算出し、計測されたエンジン入口冷却水温度が、算出された目標温度になるように、エンジン冷却水の温度を制御する。

すなわち、エンジン冷却水温調装置は、冷却水放熱量ｑを式１により算出する。
冷却水放熱量ｑ＝燃料発熱量−軸出力−排気損失 （式１）
次に、エンジン冷却水温調装置は、目標とする入口冷却水温度Ｔ１’を式２により算出する。
Ｔ１’＝Ｔ２−ｑ／（Ｃ・Ｑ） （式２）
ここで、Ｔ２：エンジン出口冷却水温度、ｑ：冷却水放熱量、
Ｃ：エンジン冷却水の比熱、Ｑ：エンジン冷却水流量
そして、エンジン冷却水温調装置は、計測されたエンジン入口冷却水温度が、算出された目標温度になるように、エンジン冷却水の温度を制御する。

したがって、本発明に係るエンジン冷却水温調装置は、エンジン回転速度が急激に変化しても、エンジン出口での冷却水の温度が急激に変化しないように冷却水の温度を制御して、エンジン冷却水の温度を一定に保つことができる。

（２） （１）に記載のエンジン冷却水温調装置が実行する方法であって、前記入口温度計測部が、前記エンジン冷却水の温度であるエンジン入口冷却水温度を計測する入口温度計測ステップと、前記出口温度計測部が、前記エンジン冷却水の温度であるエンジン出口冷却水温度を計測する出口温度計測ステップと、前記発熱量算出部が、計測された前記燃料流量からエンジンの燃料発熱量を算出する発熱量算出ステップと、前記排気損失算出部が、計測された前記排気温度と、計測された前記エンジン回転速度とからエンジンの排気損失を算出する排気損失算出ステップと、前記目標入口温度算出部が、前記発熱量算出ステップによって算出された前記エンジンの燃料発熱量から、計測された前記エンジンの軸出力及び前記排気損失算出ステップによって算出された前記排気損失を減算して算出した冷却水放熱量と、前記出口温度計測ステップによって計測された前記エンジン出口冷却水温度とに基づいて前記エンジン入口冷却水温度の目標温度を算出する目標入口温度算出ステップと、前記温度制御部が、前記入口温度計測ステップによって計測されたエンジン入口冷却水温度が、前記目標入口温度算出ステップによって算出された目標温度になるように、前記エンジン冷却水の温度を制御する温度制御ステップと、を備える方法。

したがって、（２）に係る方法は、（１）と同様に、エンジン回転速度が急激に変化しても、エンジン出口での冷却水の温度が急激に変化しないように冷却水の温度を制御して、エンジン冷却水の温度を一定に保つことができる。

本発明によれば、エンジン回転速度が急激に変化しても、エンジン出口での冷却水の温度が急激に変化しないように冷却水の温度を制御して、エンジン冷却水の温度を一定に保つことができる。
すなわち、本発明によれば、エンジンの出口での冷却水の温度を目標の温度とするために、エンジンの入口での冷却水の目標温度を算出し、算出した目標入口温度と、計測した入口温度との差に基づいて、入口温度が目標入口温度となるようにエンジン冷却水の温度を制御して、エンジンの出口での冷却水の温度を目標の温度に保持する。

本発明の一実施形態に係るエンジン冷却水温調装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン冷却水温調装置の処理内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るエンジン冷却水温調装置による冷却水の温度制御の経過を示す図である。 従来のエンジン試験装置における冷却水温調装置によるエンジンの冷却を示すブロック図である。 従来の冷却水温調装置による冷却水の温度制御の経過を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン冷却水温調装置１０の構成を示すブロック図である。
エンジン試験装置８０は、燃料流量を計測する燃料計測部８１と、エンジン６０の軸出力を計測する軸出力計測部８２と、排気温度を計測する排気温度計測部８３と、エンジン６０の回転速度（Ｎｅ）を計測するエンジン回転速度計測部８４とを有する。
エンジン冷却水温調装置１０は、入口温度計測部１１と、出口温度計測部１２と、発熱量算出部１３と、排気損失算出部１４と、エンジン冷却水流量算出部１５と、目標入口温度算出部１６と、温度制御部１７とを備える。以下、エンジン冷却水温調装置１０の各部について詳述する。

入口温度計測部１１は、エンジン６０を冷却する直前のエンジン冷却水の温度であるエンジン入口冷却水温度（Ｔ１）を計測する。
具体的には、入口温度計測部１１は、冷却水の流路であってエンジン６０の入口近傍の流路に設けられた入口温度センサ４１によって計測された温度を受信する。

出口温度計測部１２は、エンジン６０を冷却した直後のエンジン冷却水の温度であるエンジン出口冷却水温度（Ｔ２）を計測する。
具体的には、出口温度計測部１２は、冷却水の流路であってエンジン６０の出口近傍の流路に設けられた出口温度センサ４２によって計測された温度を受信する。

発熱量算出部１３は、エンジン試験装置８０の燃料計測部８１によって計測された燃料流量からエンジン６０の燃料発熱量を算出する。
具体的には、発熱量算出部１３は、エンジン試験装置８０の燃料計測部８１によって計測された燃料流量をエンジン試験装置８０から受信し、受信した燃料流量と、燃料種類で決まる発熱当量とから、燃料流量×発熱当量という演算により、燃料発熱量を算出する。

排気損失算出部１４は、エンジン試験装置８０の排気温度計測部８３によって計測された排気温度と、エンジン試験装置８０のエンジン回転速度計測部８４によって計測されたエンジン回転速度とからエンジン６０の排気損失を算出する。
具体的には、排気損失算出部１４は、エンジン試験装置８０の排気温度計測部８３によって計測された排気温度と、エンジン試験装置８０のエンジン回転速度計測部８４によって計測されたエンジン回転速度とをエンジン試験装置８０から受信し、受信した排気温度と、受信したエンジン回転速度とから式３によりエンジン６０の排気損失を算出する。
排気損失は、排気された気体の内部エネルギー（Ｕ）である。
Ｕ＝ｃ・ｎ・Ｒ・Ｔ （式３）
ここで、各記号は次のとおりである。
ｃ：気体分子を構成する原子の数に比例して決まる定数
単原子分子；３／２
２原子分子；５／２
ｎ：エンジン回転速度から算出される排気された気体の物質量（モル数）
Ｒ：気体定数
Ｒ＝Ｎ・ｋ（Ｎ：分子数、ｋ：ボルツマン定数）
なお、排出ガス組成を一定（Ａ／Ｆ一定）と仮定すれば、空気流量から分子数が
求められ、気体定数を近似的に得られる。より正確にするために排出ガス分析計を
用いて排出ガス組成を計測して用いてもよい。
Ｔ：排気温度（熱力学温度（絶対温度））

エンジン冷却水流量算出部１５は、エンジン６０を冷却するエンジン冷却水の流量（Ｑ）を計測する。
具体的には、エンジン冷却水流量算出部１５は、冷却水の流路であってエンジン６０の入口近傍の流路に設けられた冷却水用流量計５１によって計測された流量を受信する。

目標入口温度算出部１６は、発熱量算出部１３によって算出されたエンジン６０の燃料発熱量から、エンジン試験装置８０の軸出力計測部８２によって計測されたエンジン６０の軸出力及び排気損失算出部１４によって算出された排気損失を減算して算出した冷却水放熱量と、出口温度計測部１２によって計測されたエンジン出口冷却水温度とに基づいてエンジン入口冷却水温度の目標温度を算出する。
具体的には、目標入口温度算出部１６は、式４によって冷却水放熱量（ｑ）を算出する。
ｑ＝燃料発熱量−エンジンの軸出力−排気損失（Ｕ） （式４）
次に、目標入口温度算出部１６は、式５によってエンジン入口冷却水温度の目標温度（Ｔ１’）を算出する。
Ｔ１’＝Ｔ２−ｑ／（Ｃ・Ｑ） （式５）
ここで、各記号は次のとおりである。
Ｔ２：エンジン出口冷却水温度、ｑ：冷却水放熱量、Ｃ：エンジン冷却水の比熱、
Ｑ：エンジン冷却水流量
エンジン冷却水流量（Ｑ）は、エンジン冷却水流量算出部１５により計測された値を使用するが、冷却水用流量計５１を使用せず、エンジン試験装置８０において、エンジン回転速度とエンジン冷却水流量（Ｑ）との対応付け（例えば、エンジン回転速度とエンジン冷却水流量（Ｑ）とを対応付けるデータテーブル）に基づいて、エンジン試験装置８０において計測されたエンジン回転速度から算出されたエンジン冷却水流量（Ｑ）を使用するとしてもよい。

温度制御部１７は、入口温度計測部１１によって計測されたエンジン入口冷却水温度が、目標入口温度算出部１６によって算出された目標温度（Ｔ１’）になるように、エンジン冷却水の温度を制御する。
具体的には、温度制御部１７は、エンジン冷却水の温度を上げるヒータ２２と、エンジン冷却水の温度を下げる熱交換器２１の冷却媒体の流量を調節する冷却媒体用電動弁３２とのＰＩＤ制御を行う。例えば、温度制御部１７は、計測されたエンジン入口冷却水温度と、目標温度（Ｔ１’）との差を算出し、計測されたエンジン入口冷却水温度が目標温度（Ｔ１’）より低い場合、エンジン冷却水の温度を上げるヒータ２２のＰＩＤ制御を行い、計測されたエンジン入口冷却水温度が目標温度（Ｔ１’）より高い場合、エンジン冷却水の温度を下げる熱交換器２１の冷却媒体の流量を調節する冷却媒体用電動弁３２のＰＩＤ制御を行う。

図２は、本発明の一実施形態に係るエンジン冷却水温調装置１０の処理内容を示すフローチャートである。エンジン冷却水温調装置１０は、コンピュータ及びその周辺装置が備えるハードウェア並びに該ハードウェアを制御するソフトウェアによって構成され、以下の処理は、エンジン冷却水温調装置１０の制御部（例えば、ＣＰＵ）が所定のソフトウェアに従い実行する処理である。

ステップＳ１０１において、エンジン冷却水温調装置１０（入口温度計測部１１）は、エンジン入口冷却水温度を計測する。より具体的には、エンジン冷却水温調装置１０は、入口温度センサ４１によって計測された温度を受信する。その後、エンジン冷却水温調装置１０は、処理をステップＳ１０２に移す。

ステップＳ１０２において、エンジン冷却水温調装置１０（出口温度計測部１２）は、エンジン出口冷却水温度を計測する。より具体的には、エンジン冷却水温調装置１０は、出口温度センサ４２によって計測された温度を受信する。その後、エンジン冷却水温調装置１０は、処理をステップＳ１０３に移す。

ステップＳ１０３において、エンジン冷却水温調装置１０（発熱量算出部１３）は、燃料発熱量を算出する。より具体的には、エンジン冷却水温調装置１０は、エンジン試験装置８０の燃料計測部８１によって計測された燃料流量をエンジン試験装置８０から受信し、受信した燃料流量と、燃料種類で決まる発熱当量とから演算し、燃料発熱量を算出する。その後、エンジン冷却水温調装置１０は、処理をステップＳ１０４に移す。

ステップＳ１０４において、エンジン冷却水温調装置１０（排気損失算出部１４）は、排気損失を算出する。より具体的には、エンジン冷却水温調装置１０は、排気温度と、エンジン回転速度とをエンジン試験装置８０から受信し、受信した排気温度と、受信したエンジン回転速度とから式３によりエンジン６０の排気損失を算出する。その後、エンジン冷却水温調装置１０は、処理をステップＳ１０５に移す。

ステップＳ１０５において、エンジン冷却水温調装置１０（エンジン冷却水流量算出部１５）はエンジン６０に供給される冷却水の流量を算出する。より具体的には、エンジン冷却水温調装置１０は、冷却水用流量計５１によって計測された値、またはエンジン試験装置８０において計測されたエンジン回転速度からエンジン６０に供給される冷却水の流量を算出する。その後、エンジン冷却水温調装置１０は、処理をステップＳ１０６に移す。

ステップＳ１０６において、エンジン冷却水温調装置１０（目標入口温度算出部１６）は、エンジン入口冷却水温度の目標温度を算出する。より具体的には、エンジン冷却水温調装置１０は、ステップＳ１０３において算出された燃料発熱量と、エンジン試験装置８０から受信したエンジン６０の軸出力と、ステップＳ１０４において算出された排気損失とに基づいて、式４によって冷却水放熱量（ｑ）を算出する。次に、エンジン冷却水温調装置１０は、算出された冷却水放熱量（ｑ）と、ステップＳ１０５において算出されたエンジン冷却水流量（Ｑ）と、ステップＳ１０２において計測されたエンジン出口冷却水温度（Ｔ２）とに基づいて、式５によってエンジン入口冷却水温度の目標温度（Ｔ１’）を算出する。その後、エンジン冷却水温調装置１０は、処理をステップＳ１０７に移す。

ステップＳ１０７において、エンジン冷却水温調装置１０（温度制御部１７）は、冷却水温度を制御する。より具体的には、エンジン冷却水温調装置１０は、ステップＳ１０１で計測されたエンジン入口冷却水温度がステップＳ１０６で算出された目標温度（Ｔ１’）になるように、エンジン冷却水の温度を上げるヒータ２２と、エンジン冷却水の温度を下げる熱交換器２１の冷却媒体の流量を調節する冷却媒体用電動弁３２とのＰＩＤ制御を行う。その後、エンジン冷却水温調装置１０は、処理をステップＳ１０１に移す。

図３は、本発明の一実施形態に係るエンジン冷却水温調装置１０による冷却水の温度制御の経過を示す図である。図３において示すように、エンジン回転速度が急激に増加し、冷却水の流量が増えても、エンジン出口での冷却水の温度の変化は、±１℃以内の変化であり、一定の温度に収束する時間も３分から約２分に改善されている。

本実施形態によれば、エンジン冷却水温調装置１０は、燃料流量をエンジン試験装置８０から受信し、受信した燃料流量と、燃料種類で決まる発熱当量とから燃料発熱量を算出し、排気温度とエンジン回転速度とをエンジン試験装置８０から受信し、受信した排気温度と受信したエンジン回転速度とからエンジン６０の排気損失を算出し、エンジン６０の燃料発熱量からエンジン６０の軸出力及び排気損失を減算して算出した冷却水放熱量と、計測されたエンジン出口冷却水温度とに基づいてエンジン入口冷却水温度の目標温度を算出し、計測されたエンジン入口冷却水温度が、目標温度になるように、エンジン冷却水の温度を制御する。したがって、エンジン冷却水温調装置１０は、エンジン回転速度が急激に変化しても、エンジン出口での冷却水の温度が急激に変化しないように冷却水の温度を制御して、エンジン６０の冷却水の温度を一定に保つことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限るものではない。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

１０ エンジン冷却水温調装置
１１ 入口温度計測部
１２ 出口温度計測部
１３ 発熱量算出部
１４ 排気損失算出部
１５ エンジン冷却水流量算出部
１６ 目標入口温度算出部
１７ 温度制御部
２１ 熱交換器
２２ ヒータ
２３ ポンプ
２４ 冷却水タンク
３１ 冷却媒体用流量計
３２ 冷却媒体用電動弁
４１ 入口温度センサ
４２ 出口温度センサ
５１ 冷却水用流量計
６０ エンジン
７０ ダイナモメータ
８０ エンジン試験装置
８１ 燃料計測部
８２ 軸出力計測部
８３ 排気温度計測部
８４ エンジン回転速度計測部

Claims (2)

1. 燃料流量とエンジンの軸出力と排気温度とエンジン回転速度とを計測する手段を有するエンジン試験装置によって試験されるエンジンにおいて、当該エンジンを冷却するためのエンジン冷却水の温度を制御するエンジン冷却水温調装置であって、
   前記エンジン冷却水の温度であるエンジン入口冷却水温度を計測する入口温度計測部と、
   前記エンジン冷却水の温度であるエンジン出口冷却水温度を計測する出口温度計測部と、
   計測された前記燃料流量からエンジンの燃料発熱量を算出する発熱量算出部と、
   計測された前記排気温度と、計測された前記エンジン回転速度とからエンジンの排気損失を算出する排気損失算出部と、
   前記発熱量算出部によって算出された前記エンジンの燃料発熱量から、計測された前記エンジンの軸出力及び前記排気損失算出部によって算出された前記排気損失を減算して算出した冷却水放熱量と、前記出口温度計測部によって計測された前記エンジン出口冷却水温度とに基づいて前記エンジン入口冷却水温度の目標温度を算出する目標入口温度算出部と、
   前記入口温度計測部によって計測されたエンジン入口冷却水温度が、前記目標入口温度算出部によって算出された目標温度になるように、前記エンジン冷却水の温度を制御する温度制御部と、
   を備えるエンジン冷却水温調装置。
2. 請求項１に記載のエンジン冷却水温調装置が実行する方法であって、
   前記入口温度計測部が、前記エンジン冷却水の温度であるエンジン入口冷却水温度を計測する入口温度計測ステップと、
   前記出口温度計測部が、前記エンジン冷却水の温度であるエンジン出口冷却水温度を計測する出口温度計測ステップと、
   前記発熱量算出部が、計測された前記燃料流量からエンジンの燃料発熱量を算出する発熱量算出ステップと、
   前記排気損失算出部が、計測された前記排気温度と、計測された前記エンジン回転速度とからエンジンの排気損失を算出する排気損失算出ステップと、
   前記目標入口温度算出部が、前記発熱量算出ステップによって算出された前記エンジンの燃料発熱量から、計測された前記エンジンの軸出力及び前記排気損失算出ステップによって算出された前記排気損失を減算して算出した冷却水放熱量と、前記出口温度計測ステップによって計測された前記エンジン出口冷却水温度とに基づいて前記エンジン入口冷却水温度の目標温度を算出する目標入口温度算出ステップと、
   前記温度制御部が、前記入口温度計測ステップによって計測されたエンジン入口冷却水温度が、前記目標入口温度算出ステップによって算出された目標温度になるように、前記エンジン冷却水の温度を制御する温度制御ステップと、
   を備える方法。

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