JP2019045413A

JP2019045413A - 筒内におけるガス温度の計測方法

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Publication number: JP2019045413A
Application number: JP2017171050A
Authority: JP
Inventors: 俊樹森田; Toshiki Morita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2019-03-22

Abstract

【課題】筒内におけるガス温度の計測精度を向上させることができる、筒内におけるガス温度の計測方法を提供する。【解決手段】赤外線吸収法で筒内のガスの吸収スペクトル波形を計測し、吸収スペクトル波形の計測と同期して筒内の圧力を計測する第１ステップと、複数の異なる吸収スペクトル波形に、それぞれ対応するガス温度が紐付けされたデータ群が格納されたデータベースから、当該計測した吸収スペクトル波形と最も一致率の高い吸収スペクトル波形を抽出し、当該抽出された吸収スペクトル波形に対応するガス温度をガス温度推定値とする第２ステップと、補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値を補正係数として算出する第３ステップと、補正したいガス温度推定値と同期する圧力を、前記補正係数で除した値を補正後のガス温度とする第４ステップと、を有する。【選択図】図９

Description

本発明は、内燃機関の筒内におけるガス温度の計測方法に関する。

従来から内燃機関（エンジン）の筒（気筒）内におけるガス温度を測定する技術が開発されている。特許文献１には、内燃機関の筒内において放射される赤外線のエネルギーに基づき、筒内の温度を算出する、筒内におけるガス温度の計測方法が記載されている。

特開２０１６−１３８８３５号公報

ノッキングの原因の解析など、内燃機関の燃焼状態の解析を精度良く行うためには、内燃機関の筒内におけるガス温度を精度良く計測する必要がある。しかしながら、特許文献１などの赤外線吸収法を用いた筒内におけるガス温度の計測方法では、ノッキングなどに起因する筒内の圧力変動や燃焼生成物・水分等の発生等により、赤外線受光素子における受光量が変動するため、ガス温度の計測精度が低下するという問題があった。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、筒内におけるガス温度の計測精度を向上させることができる、筒内におけるガス温度の計測方法を提供することを目的とする。

本発明は、内燃機関の筒内におけるガス温度の計測方法であって、赤外線吸収法により筒内のガスの吸収スペクトル波形を計測するとともに、吸収スペクトル波形の計測と同期して筒内の圧力を計測する第１ステップと、複数の異なる吸収スペクトル波形に、それぞれ対応するガス温度が紐付けされたデータ群が格納されたデータベースから、当該計測した吸収スペクトル波形と最も一致率の高い吸収スペクトル波形を抽出し、当該抽出された吸収スペクトル波形に対応するガス温度をガス温度推定値とする第２ステップと、補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値を補正係数として算出する第３ステップと、補正したいガス温度推定値と同期する圧力を、前記補正係数で除した値を補正後のガス温度とする第４ステップと、を有する、ものである。

本発明では、補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値を補正係数として算出し、補正したいガス温度推定値と同期する圧力を補正係数で除した値を補正後のガス温度とする。ボイル・シャルルの法則より、筒内において、体積が一定で、かつ、エネルギーの授受がない状態では、圧力とガス温度の比が一定になる。このため、微小時間において、圧力とガス温度推定値の比は一定であると考えることができる。よって、上述のようにガス温度推定値を補正すると、散発的に発生するスパイクノイズを除去することができ、かつ、データの欠落部分も補完することができる。これにより、筒内におけるガス温度の計測精度を向上させることができる。

本発明によれば、筒内におけるガス温度の計測精度を向上させることができる。

実施の形態１にかかるガス温度計測システムの概略構成を示す模式図である。実施の形態１にかかるガス温度計測システムにおいて、内燃機関の筒内において計測した吸収スペクトル波形とデータベース部に格納されたデータ群とに基づいて筒内のガス温度を推定する方法について説明する模式図である。高温恒圧容器における実施の形態１にかかるガス温度計測システムの配置について示す模式図である。実施の形態１にかかるガス温度計測システムにより、高温恒圧容器でガス温度を計測した吸収スペクトル波形より推定した結果について示すグラフである。図４に示す計測データに対して、上述したように、補正したい計測値の前後の計測値における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値である補正係数に基づいて、補正したい計測値の補正を行ったグラフである。実施の形態１にかかる筒内ガス温度計測システムにより、筒内のガス温度を、計測した吸収スペクトル波形より推定した結果について示すグラフである。実施の形態１にかかる筒内ガス温度計測システムにより、内燃機関の筒内で圧力を計測した結果について示すグラフである。図６に示す計測データに対して、上述したように、補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値である補正係数に基づいて、補正したいガス温度推定値の補正を行ったグラフである。実施の形態１にかかる筒内ガス温度計測システムにおいて、ガス温度を計測する処理の流れを示すフローチャートである。実施の形態２にかかる筒内ガス温度計測システムの概略構成を示す模式図である。実施の形態２にかかる筒内ガス温度計測システムにおいて、ガス温度を計測する処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。実施の形態１にかかる筒内ガス温度計測システム１は、内燃機関の筒内におけるガス温度の計測方法に用いる。
まず、図１を参照して本実施の形態にかかる筒内ガス温度計測システム１の構成について説明する。図１は、筒内ガス温度計測システム１の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、筒内ガス温度計測システム１は、赤外吸収スペクトル計測部２と、圧力計測部３と、解析部４と、データベース部５と、を備えている。

赤外吸収スペクトル計測部２は、赤外線吸収法により筒内１０のガスの吸収スペクトル波形を計測するためのものであり、赤外レーザ光照射部２ａと受光素子２ｂとを備えている。ここで、赤外線吸収法とは、ガスに対して赤外レーザ光を照射し、ガス中を透過した光を分光することで当該ガスの吸収スペクトル波形を得る方法である。圧力計測部３は、内燃機関の筒内１０における圧力を計測するためのもので、圧力センサ３ａを有する。

データベース部５は、複数の異なる吸収スペクトル波形と、それぞれの吸収スペクトル波形に対応するガス温度、圧力およびガスの分子量と、が紐付けされたデータ群が予め格納されているデータベースである。解析部４は、赤外吸収スペクトル計測部２で計測した吸収スペクトル波形およびデータベース部５に格納されたデータ群に基づいて筒内１０のガス温度を推定し、さらに、推定したガス温度（ガス温度推定値）に対して後述する補正を行って筒内１０のガス温度（補正後のガス温度）を算出する。

次に、解析部４において筒内１０のガス温度を算出する方法の詳細について説明する。なお、以下の説明では、筒内ガス温度計測システム１の構成について図１を適宜参照する。

図２は、筒内１０において計測した吸収スペクトル波形とデータベース部５に格納されたデータ群とに基づいて筒内１０のガス温度を推定する方法について説明する模式図である。図２に示すように、データベース部５に格納されたデータ群の中から、筒内１０において計測した吸収スペクトル波形と最も一致率の高い吸収スペクトル波形をマッチングした吸収スペクトル波形として抽出する。ここで、「筒内１０において計測した吸収スペクトル波形と最も一致率の高い吸収スペクトル波形」とは、データベース部５に格納された吸収スペクトルのうち、筒内１０において計測した吸収スペクトル波形と波形の特徴点の一致する割合が最も高い吸収スペクトル波形を意味する。

上述したように、データベース部５に格納されたデータ群において、複数の異なる吸収スペクトル波形には、それぞれ、対応するガス温度、圧力、ガスの分子量が紐付けされている。すなわち、データベース部５に格納された吸収スペクトル波形は、予め、ガス温度、圧力、ガスの分子量が分かっている状態で計測されたものである（ただし、データベース部５に格納された吸収スペクトル波形には、一部、仮想の波形も含まれている）。

吸収スペクトル波形は、ガス温度のみならず、圧力やガスの分子量の影響も受ける。つまり、ガス温度、圧力およびガスの分子量が実質的に等しい状態にて計測された吸収スペクトル波形は、いずれも同様の波形となる。このため、筒内１０において、圧力およびガスの分子量が一定であるとすると、吸収スペクトル波形からガス温度を推定することができる。つまり、筒内１０において計測した吸収スペクトル波形と最も一致率の高い吸収スペクトル波形に紐付けされたガス温度がＴｋ［℃］であるとすると、筒内１０のガス温度はＴｋ［℃］であると推定することができる。

ところで、筒内１０のガス温度の計測では、吸収スペクトル波形を多数（数千から数万）計測し、これらの計測した吸収スペクトル波形に対して、それぞれ、データベース部５に格納されたデータ群の中から最も一致率の高い吸収スペクトル波形を検索する必要がある。データベースの検索に要する時間を削減するため、データベース部５に格納されたデータ群において検索対象とする圧力およびガスの分子量の範囲を、筒内１０において予期される圧力およびガスの分子量に絞っている。

しかしながら、ノッキングなどにより、筒内１０の圧力が急変動したり、筒内１０において燃焼生成物・水分等の予期しない発生して分子量が急変動したりする場合がある。上述のように、検索時間の短縮のためデータベース部５に格納されたデータ群において検索対象とする圧力およびガスの分子量の範囲を、筒内１０において予期される圧力およびガスの分子量に絞っている。このため、ノッキングなどにより圧力およびガスの分子量がスパイク状に急変動すると、ガス温度推定値と実施のガス温度（真値）との差が大きくなる可能性がある。

また、データベース部５に格納された吸収スペクトル波形には、ガス温度、圧力、ガスの分子量の全ての組み合わせが網羅されておらず、一部、仮想の波形も含まれている。このため、データベース部５に格納された吸収スペクトル波形の中に、筒内１０において計測した吸収スペクトル波形と、波形の特徴の近いものが存在しない場合もありうる。このような場合、データベース部５の検索によって抽出された吸収スペクトル波形から推定されたガス温度（ガス温度推定値）と、実際のガス温度（真値）と、の差は大きくなる。このようなことから、ガス温度推定値を補正する必要がある。

本実施の形態にかかる筒内ガス温度計測システム１では、吸収スペクトル波形の計測と同期して筒内１０における圧力の計測を行い、補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値に基づいて補正したいガス温度推定値の補正を行う。ここで、同期する、とは、各計測値において採取した時が一致していることを意味する。

補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値である補正係数αａｖｅは以下の式（１）で表される。なお、式（１）中における、圧力Ｐと温度Ｔに付された下付文字は、ｎが補正する測定値の番号、ｉが平均に用いる測定値の数である。

補正したいガス温度推定値と同期する圧力Ｐ_ｎを、補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値である補正係数αａｖｅで除した値を補正後のガス温度とする。すなわち、補正後のガス温度Ｔ_ｎｃｏｒは、Ｔ_ｎｃｏｒ＝Ｐ_ｎ／αａｖｅにより算出される。

ボイル・シャルルの法則より、筒内１０において、体積が一定で、かつ、エネルギーの授受がない状態では、圧力とガス温度の比が一定になる。このため、微小時間において、圧力とガス温度推定値の比は一定であると考えることができる。よって、補正したいガス温度推定値と同期する圧力Ｐ_ｎを、補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値である補正係数αａｖｅで除した値を補正後のガス温度とすることで、散発的に発生するスパイクノイズを除去することができ、かつ、データの欠落部分も補完することができる。

ここで、本実施の形態にかかる筒内ガス温度計測システム１によりガス温度を計測した事例について説明する。
まず、筒内ガス温度計測システム１により、高温恒圧容器５０でガス温度を計測した事例について説明する。図３は、高温恒圧容器５０における筒内ガス温度計測システム１の配置について示す模式図である。図３に示すように、図１に示す内燃機関の筒内１０の代わりに、高温恒圧容器５０の内部に圧力センサ３ａおよび受光素子２ｂを配置する。高温恒圧容器５０において、容器内の圧力は０．２ＭＰａ、ガス温度は１９２℃で一定に維持されている。

図４は、筒内ガス温度計測システム１により、高温恒圧容器５０でガス温度を、計測した吸収スペクトル波形より推定した結果について示すグラフである。ここで、横軸は時間［ｍｓ］、縦軸はガス温度（ガス温度推定値）［℃］を表す。図４に示すように、赤外線吸収法によるガス温度の推定では、推定されたガス温度のデータに誤った値が含まれる場合がある（破線の領域Ａ）。また、計測期間において、計測値が欠落している期間が生じる場合もある（破線の領域Ｂ）。このように、吸収スペクトル波形を時系列で計測した場合、計測した吸収スペクトル波形から推定したガス温度のデータにおいて、領域Ａに示すようなスパイクノイズや領域Ｂに示すような計測値の欠落が散発的に発生する場合がある。

図５は、図４に示す計測データに対して、上述したように、補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値である補正係数αａｖｅに基づいて、補正したいガス温度推定値の補正を行ったグラフである。図５において、補正後のガス温度を破線で示す。図５に示すように、補正係数αａｖｅに基づいてガス温度推定値の補正を行うことにより、スパイクノイズが除去され、かつ、データの欠落部分も補完される。これにより、ガス温度の計測精度を向上させることができることを確認した。このようにガス温度推定値の補正を行うことで、ガス温度の計測値の標準偏差が０．６℃から０．２℃に改善されることを確認した。

次に、筒内ガス温度計測システム１により、内燃機関の筒内１０でガス温度を計測した事例について説明する。図６は、筒内ガス温度計測システム１により、筒内１０のガス温度を、計測した吸収スペクトル波形より推定した結果について示すグラフである。ここで、横軸はクランク角度（ＣｒａｎｋＡｎｇｌｅ）［ｄｅｇ］、縦軸はガス温度（ガス温度推定値）［℃］を表す。クランク角度とは、筒内１０におけるピストンのクランクの回転角度（位相）である。図６に示すように、赤外線吸収法によるガス温度の推定では、スパイクノイズ（破線の領域ＣやＤ）や計測データの欠落（破線の領域Ｅ）が生じている。

図７は、筒内ガス温度計測システム１により、内燃機関の筒内１０で圧力を計測した結果について示すグラフである。ここで、横軸はクランク角度（ＣｒａｎｋＡｎｇｌｅ）［ｄｅｇ］、縦軸は圧力［ｂａｒ］を表す。図７に示すように、圧力の計測値は、図６に示すガス温度（ガス温度推定値）と同期している。

図８は、図６に示す計測データに対して、上述したように、補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値である補正係数αａｖｅに基づいて、補正したいガス温度推定値の補正を行ったグラフである。図８において、補正後のガス温度を破線で示す。図８に示すように、補正係数αａｖｅに基づいてガス温度推定値の補正を行うことにより、スパイクノイズが除去され、かつ、データの欠落部分も補完される。これにより、ガス温度の計測精度を向上させることができることを確認した。

上述した、筒内ガス温度計測システム１によりガス温度を計測した２つの事例では、補正係数αａｖｅを算出するために、補正したい計測値とその前後の計測値２つずつ（式（１）におけるｉ＝２）の計５つを用いた。しかしながら、補正係数αａｖｅの算出に用いる計測値の数は、５つに限るものではなく、例えば補正したい計測値とその前後の計測値１つずつ（式（１）におけるｉ＝１）の計３つであってもよく、５つより多い計測値を用いてもよい。

次に、筒内ガス温度計測システム１において、ガス温度を計測する処理の流れについて説明する。
図９は、筒内ガス温度計測システム１において、ガス温度を計測する処理の流れを示すフローチャートである。図９に示すように、まず、赤外線吸収法により筒内１０におけるガスの吸収スペクトル波形を計測するとともに、吸収スペクトル波形の計測と同期して筒内１０における圧力を計測する（ステップＳ１）。次に、複数の異なる吸収スペクトル波形に、それぞれ対応するガス温度が紐付けされたデータ群が格納されたデータベースから、当該計測した吸収スペクトル波形と最も一致率の高い吸収スペクトル波形を抽出し、当該抽出された吸収スペクトル波形に対応するガス温度をガス温度推定値とする（ステップＳ２）。

続いて、補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値を補正係数として算出する（ステップＳ３）。続いて、補正したいガス温度推定値と同期する圧力を、補正係数で除した値を補正後のガス温度とする（ステップＳ４）。

本実施の形態にかかる筒内ガス温度計測システム１を用いた内燃機関の筒内におけるガス温度の計測方法では、赤外線吸収法により計測した筒内１０のガスの吸収スペクトル波形と最も一致率の高い吸収スペクトル波形をデータベース部５より抽出し、抽出した吸収スペクトル波形に対応するガス温度をガス温度推定値とする。そして、補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値を補正係数として算出し、補正したいガス温度推定値と同期の圧力の計測値を補正係数で除した値を補正後のガス温度とする。このようにすることで、散発的に発生するスパイクノイズを除去することができ、かつ、データの欠落部分も補完することができる。これにより、筒内におけるガス温度の計測精度を向上させることができる。

筒内１０におけるガス温度は、内燃機関の燃費や性能に大きな影響を与える。特に、上死点（ＴＤＣ：ＴｏｐＤｅａｄＣｅｎｔｅｒ）及び点火付近のガス温度が重要である。このため、内燃機関の燃費や性能の向上させるための開発において、ガス温度の計測精度の向上は不可欠である。本実施の形態にかかる内燃機関の筒内におけるガス温度の計測方法によれば、ノッキング現象の主要因と考えられるガス温度をより精度良く計測できるようになるので、内燃機関の制御や設計の良否の判断に大きく貢献できる。

実施の形態２
以下、図面を参照して本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２かかる筒内ガス温度計測システム１０１は、内燃機関の筒内におけるガス温度の計測方法に用いるものである。
図１０は、本実施の形態にかかる筒内ガス温度計測システム１０１の概略構成を示す模式図である。なお、筒内ガス温度計測システム１０１の構成は、図１を用いて説明した実施の形態１にかかる筒内ガス温度計測システム１の構成と基本的に同じである。

図１０に示すように、本実施の形態にかかる筒内ガス温度計測システム１０１は、実施の形態１にかかる筒内ガス温度計測システム１の構成に加えて、筒内体積計測部６をさらに備えている。筒内体積計測部６は、内燃機関におけるピストンのクランクの回転角度を計測するロータリエンコーダ６ａを有する。筒内１０の体積は、筒内１０におけるピストンの高さ位置の関数となる。よって、筒内体積計測部６は、ロータリエンコーダ６ａから送信されてきたピストンのクランクの回転角度信号より筒内１０の体積を算出することができる。

次に、解析部４において筒内１０のガス温度を算出する方法の詳細について説明する。なお、以下の説明では、筒内ガス温度計測システム１０１の構成について図１０を適宜参照する。

本実施の形態にかかる筒内ガス温度計測システム１０１では、吸収スペクトル波形の計測と同期して筒内１０における圧力及び体積の計測を行い、補正したいガス温度推定値の前後における、圧力と体積の積と、ガス温度推定値と、の比（比を求めるための圧力、体積、ガス温度推定値はそれぞれ同期する）の平均値に基づいて補正したいガス温度推定値の補正を行う。

補正したいガス温度推定値の前後における、圧力と体積の積と、ガス温度推定値と、の比の平均値である補正係数αａｖｅは以下の式（２）で表される。式（２）中における、ガス温度推定値Ｔ、圧力Ｐおよび体積Ｖに付された下付文字は、ｎが補正する測定値の番号、ｉが平均に用いる測定値の数である。また、下付文字が同じ、ガス温度推定値、圧力、体積は、同期する計測値であることを意味している。

補正したいガス温度推定値と同期する圧力Ｐ_ｎと体積Ｖ_ｎとの積を、補正したいガス温度推定値の前後における、圧力と体積の積と、ガス温度推定値と、の比の平均値である補正係数αａｖｅで除した値を補正後のガス温度とする。すなわち、補正後のガス温度Ｔ_ｎｃｏｒは、Ｔ_ｎｃｏｒ＝Ｐ_ｎ・Ｖ_ｎ／αａｖｅにより算出される。

ボイル・シャルルの法則より、筒内１０において、エネルギーの授受がない状態では、圧力と体積の積と、ガス温度と、の比が一定になる。このため、微小時間において、圧力と体積の積と、ガス温度推定値と、の比は一定であると考えることができる。よって、補正したいガス温度推定値と同期する圧力Ｐ_ｎと体積Ｖ_ｎの積を、補正したいガス温度推定値の前後における、圧力と体積の積と、ガス温度推定値と、の比の平均値である補正係数αａｖｅで除した値を補正後のガス温度とすることで、散発的に発生するスパイクノイズを除去することができ、かつ、データの欠落部分も補完することができる。

次に、筒内ガス温度計測システム１０１において、ガス温度を計測する処理の流れについて説明する。
図１１は、筒内ガス温度計測システム１０１において、ガス温度を計測する処理の流れを示すフローチャートである。図１１に示すように、まず、赤外線吸収法により筒内１０におけるガスの吸収スペクトル波形を計測するとともに、吸収スペクトル波形の計測と同期して、筒内１０における、圧力および体積を計測する（ステップＳ１０１）。次に、複数の異なる吸収スペクトル波形に、それぞれ対応するガス温度が紐付けされたデータ群が格納されたデータベースから、当該計測した吸収スペクトル波形と最も一致率の高い吸収スペクトル波形を抽出し、当該抽出された吸収スペクトル波形に対応するガス温度をガス温度推定値とする（ステップＳ１０２）。

続いて、補正したいガス温度推定値の前後における、圧力と体積の積と、ガス温度推定値と、の比の平均値を補正係数として算出する（ステップＳ１０３）。続いて、補正したいガス温度推定値と同期する圧力と体積の積を、補正係数で除した値を補正後のガス温度とする（ステップＳ１０４）。

以上より、本実施の形態にかかる筒内ガス温度計測システム１０１を用いて内燃機関の筒内におけるガス温度の計測を行えば、筒内におけるガス温度の計測精度を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１、１０１筒内ガス温度計測システム
２赤外吸収スペクトル計測部
２ａ赤外レーザ光照射部
２ｂ受光素子
３圧力計測部
３ａ圧力センサ
４解析部
５データベース部
６筒内体積計測部
６ａロータリエンコーダ
１０筒内
５０高温恒圧容器

Claims

内燃機関の筒内におけるガス温度の計測方法であって、
赤外線吸収法により筒内のガスの吸収スペクトル波形を計測するとともに、吸収スペクトル波形の計測と同期して筒内の圧力を計測する第１ステップと、
複数の異なる吸収スペクトル波形に、それぞれ対応するガス温度が紐付けされたデータ群が格納されたデータベースから、当該計測した吸収スペクトル波形と最も一致率の高い吸収スペクトル波形を抽出し、当該抽出された吸収スペクトル波形に対応するガス温度をガス温度推定値とする第２ステップと、
補正したいガス温度推定値の前後における、互いに同期する圧力とガス温度推定値の比の平均値を補正係数として算出する第３ステップと、
補正したいガス温度推定値と同期する圧力を、前記補正係数で除した値を補正後のガス温度とする第４ステップと、を有する、筒内におけるガス温度の計測方法。