JP2021081217A

JP2021081217A - エンジン試験システム

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Publication number: JP2021081217A
Application number: JP2019206546A
Authority: JP
Inventors: 喬木野内; Takashi Kinouchi; 優志宇田; Masashi Uda; 惇平山; Atsushi Hirayama
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2039-11-14
Also published as: JP7240302B2

Abstract

【課題】精度良くエンジンの失火を検出する。【解決手段】ダイナモメータ１に連結したエンジン７のスロットル開度を段階的に小さくしながら、各段階においてエンジン７の状態を計測する計測処理を行う。触媒７２の温度が前回の計測処理終了時の温度からしきい値Tht以上上昇するか、燃焼変動率がしきい値Thv以上となったならばエンジン７の失火を検出し、スロットル開度を増加すると共に、失火検出前に最後に終了した計測処理時のスロットル開度tp_minを下限燃焼開度として記憶する。【選択図】図６

Description

本発明は、エンジンを試験する技術に関するものである。

エンジンを試験する技術としては、内燃機関、レシプロエンジンの出力軸をダイナモメータと連結した試験システムにおいて、ダイナモメータとエンジンのアクセル開度を制御して、エンジンの回転速度とトルクを試験条件の目標値と一致させた後に、各種の運転制御用パラメータ（燃料噴射タイミング、ＥＧＲバルブ開度、噴射圧力等）の変更を開始すると共に、パラメータの変更中はアクセル開度を固定して燃料流量を一定に保ちつつエンジンの回転速度を一定とするダイナモメータの制御を行い、パラメータの変更が完了したら、エンジンのトルクが試験条件のトルクと一致するようにアクセル開度の調整を再開する技術が知られている。

ここで、この技術では、パラメータ変更開始時のエンジントルクを基準トルクとしてパラメータ変更開始後におけるトルクを監視し、エンジントルクがパラメータの変更中に基準トルクから許容幅以上に低下した時にエンジンの失火が発生したと判定している（特許文献１）。

特開２０１６-２１１８６８号公報

上述したエンジンを試験する技術では、失火以外の要因でも生じ得るトルクの変動からエンジンの失火を検出しているため、必ずしも、精度良くエンジンの失火を検出できない。

また、この技術では、アクセル開度を調整してエンジンの回転速度とトルクを試験条件の目標値と一致させた後のトルクを基準トルクとして、基準トルクからのトルクの変動によって失火を検出しているため、アクセル開度が小さい領域で試験条件の目標値と一致するようにアクセル開度を変更した直後に失火が発生した場合には、基準トルクを適正に設定できず、失火を検出できない。

そこで、本発明は、より精度良くエンジンの失火を検出することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、エンジンを試験するエンジン試験システムに、前記エンジンの出力軸にトルクを加えるダイナモメータと、前記エンジンの排ガス浄化を行う触媒の温度を検出する触媒温度センサと、前記エンジンのスロットル開度を段階的に小さくしながら、各段階において、エンジンの状態を計測する計測処理を実行する試験制御手段と、前記触媒温度センサが検出している前記触媒の温度が、前記スロットル開度が直前の段階の開度であったときに前記触媒温度センサが検出した触媒の温度から、所定の温度以上、上昇したときに前記エンジンの失火を検出する失火検出手段とを設けたものである。

このようなエンジン試験システムによれば、各時点におけるスロットル開度は、その直前段階のスロットル開度より小さくなるので、エンジンが正常燃焼していれば、触媒温度はスロットル開度が直前段階の温度よりも低くなる。一方、エンジンで失火が発生すると、未燃ガスが触媒で後燃えする量が増加するため触媒の温度が上昇する。したがって、失火検出手段において、触媒の温度上昇から失火の発生を検出することで、より直接的に精度良く失火の発生を検知できる。

また、本発明は、前記課題達成のために、エンジンを試験するエンジン試験システムに、前記エンジンの出力軸にトルクを加えるダイナモメータと、前記エンジンの気筒の筒内圧力を検出する筒内圧力センサと、前記筒内圧力センサが検出した筒内圧力から、前記エンジンの気筒の１サイクル当たりの仕事量の変動率を算出する変動率算出手段と、前記エンジンのスロットル開度を段階的に小さくしながら、各段階で、エンジンの状態を計測する計測処理を実行する試験制御手段と、前記変動率算出手段が算出している変動率が所定のしきい値以上となったときに前記エンジンの失火を検出する失火検出手段とを設けたものである。

このようなエンジン試験システムは、前記変動率算出手段において、前記筒内圧力センサが検出した筒内圧力から求まる図示平均有効圧力の標準偏差を図示平均有効圧力の平均で割った値を、前記エンジンの気筒の１サイクル当たりの仕事量の変動率として算出してよい。

ここで、エンジンでサイクル毎に失火が発生したり発生しなかったりする場合には、エンジンの気筒の１サイクル当たりの仕事量の変動率が大きくなるので、これらのエンジン試験システムのように、失火検出手段で前記エンジンの気筒の仕事量の変動率から失火を検出することで、より直接的に精度良く失火を検知できる。

また、このエンジン試験システムに、前記エンジンの排ガスの浄化を行う触媒温度を検出する触媒温度センサを設け、前記失火検出手段において、前記触媒温度センサが検出した前記触媒温度が、前記スロットル開度が直前の段階の開度であったときに前記触媒温度センサが検出した触媒温度から、所定の温度以上、上昇したときにも前記エンジンの失火を検出してよい。

また、エンジン試験システムに、さらに、前記エンジンと前記ダイナモメータとの間に働くトルクを検出するトルクセンサを設け、前記試験制御手段において、前記エンジンの回転速度が所定の回転速度となるように前記ダイナモメータを制御し、前記失火検出手段において、前記トルクセンサが検出したトルクの方向が、前記エンジンの出力軸を当該エンジンの正回転方向に回転させるように働くトルク、つまり正回転方向とは逆向きとなったことで前記エンジンの失火を検出してもよい。

ここで、以上のエンジン試験システムは、前記試験制御手段において、前記失火検出手段が失火を検出したならば、前記エンジンのスロットル開度を段階的に小さくすることを停止し、各前記エンジンのスロットル開度を増加するように構成してよい。

また、以上のエンジン試験システムには、前記失火検出手段が失火を検出した直前の段階のスロットル開度を、失火が生じないスロットルの最小の開度である燃焼下限スロットル開度として検出する燃焼下限スロットル開度検出手段を設けてよい。

以上のように、本発明によれば、より精度良くエンジンの失火を検出することができる。

本発明の実施形態に係るエンジン試験システムの構成を示す図である。本発明の実施形態に係るエンジン試験システムの制御／測定系の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る測定シーケンス制御処理を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る失火検出部の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る失火検出処理を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る失火検出例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係るエンジン試験システムの構成を示す。
図示するように、エンジン試験システムは、ダイナモメータ１、トルクセンサ２、回転計３、シャフト４、中間軸受５、計測制御装置６とを備えている。
ダイナモメータ１の回転軸はトルクセンサ２を介してシャフト４の一端に連結し、シャフト４の他端はエンジン７の出力軸に連結している。また、トルクセンサ２はシャフト４とダイナモメータ１の回転軸との間に働くトルクを検出し、回転計３は、ダイナモメータ１の回転軸の回転速度を検出する。中間軸受５は、エンジン７の出力軸に非回転方向の荷重が加わらないようにシャフト４を軸支している。

そして、計測制御装置６は、ダイナモメータ１とエンジン７を制御して所定の測定シーケンスを実行して、エンジン７の各種状態の計測を行う。
ここで、本実施形態において計測の対象とするエンジン７は、内燃機関、レシプロエンジン７であり、排気ポートに連結されたエキゾーストマニホールド７１を介して排気される排ガスの浄化を行う触媒７２、エンジン７への吸気の流入量を調整するスロットル７３とを備えている。

また、図２にエンジン試験システムの制御／測定系の構成を示す。エンジン７は、エンジン７の吸気管を流れる流量を検出する吸入空気量センサ７０１、吸気管内の圧力を検出する吸気管圧力センサ７０２、触媒７２の温度を検出する触媒温度センサ７０３、エンジン７の気筒（シリンダ）内の圧力を検出する筒内圧力センサ７０４、エンジン７のクランクシャフトの回転角と回転速度を検出するクランク角センサ７０５、スロットル７３の開度を検出するスロットル開度センサ７０６、エンジン７のスロットル７３を駆動するスロットルアクチュエータ７０７、エンジン７の吸気バルブと排気バルブのバルブタイミングを調整する可変バルブ機構７０８を備えている。

また、図２に示すように、計測制御装置６は、計測処理部６１、失火検出部６２、定速度運転制御部６３、測定シーケンス制御部６４を備えている。
計測制御装置６の測定シーケンス制御部６４は、エンジン７の吸気バルブの相互に異なるＡ個のバルブタイミングのいずれか一つと、排気バルブの相互に異なるＢ個のバルブタイミングのいずれか一つと、上限回転速度からアイドリング回転速度までのエンジン７の相互に異なるＣ個の回転速度のいずれか一つとの相互に異なる組み合わせとして得られるｎ（ｎ＝Ａ×Ｂ×Ｃ）個の組み合わせの各々を基礎計測条件として、各基礎条件について、エンジン７の状態を当該基礎条件に合致する状態としつつ、スロットル開度を最大開度から最小開度まで変化させながら、計測処理部６１に、吸入空気量センサ７０１で検出された吸気管の流量や、吸気管圧力センサ７０２で検出された吸気管内の圧力等を計測させる測定シーケンスの実行を制御する。

図３に、測定シーケンス制御部６４が行う測定シーケンス制御処理の手順を示す。
図示するように測定シーケンス制御処理では、まず、iを１に初期化する（ステップ３０２）。
そして、バルブ可変機構を制御して、エンジン７の吸気バルブのバルブタイミングをｉ番目の基礎計測条件の吸気バルブのバルブタイミングに設定し、エンジン７の排気バルブのバルブタイミングをｉ番目の基礎計測条件の排気バルブのバルブタイミングに設定し、定速度運転制御部６３にｉ番目の基礎計測条件の回転速度を目標回転速度として設定し、設定した目標回転速度でのダイナモメータ１の定速度運転の制御を開始させる（ステップ３０４）。

ここで、定速度運転制御部６３は、定速度運転の制御を開始すると、回転計３が検出するダイナモメータ１の回転軸の回転速度、もしくは、クランク角センサ７０５がクランクシャフトの回転速度として検出するエンジン７の回転速度を参照して、エンジン７が設定された目標回転速度で回転するようにダイナモメータ１の発生トルクを制御する。

そして、目標スロットル開度tpを最大開度に設定し（ステップ３０６）、失火検出部６２の失火検出処理を開始する（ステップ３０８）。ここで、失火検出部６２が行う失火検出処理はエンジン７の失火を検出する処理であり、その詳細については後述する。

そして、スロットルアクチュエータ７０７にエンジン７のスロットル開度の目標スロットル開度tpへの遷移を開始させると共に（ステップ３１０）、計測処理部６１に計測処理を開始させる（ステップ３１２）。

計測処理を開始した計測処理部６１は、スロットル開度センサ７０６が検出しているエンジン７のスロットル開度が目標スロットル開度tpに安定し、ダイナモメータ１の回転速度が目標回転速度に安定したならば、吸入空気量センサ７０１で検出された吸気管の流量や、吸気管圧力センサ７０２で検出された吸気管内の圧力や、トルクセンサ２が検出しているトルクや、その他のセンサで検出している検出値を計測し、その時点の基礎計測条件や目標スロットル開度tp等と関連付けて記憶する処理を行い、計測が完了したならば計測処理を終了する。

次に、測定シーケンス制御処理は、計測処理部６１に計測処理を開始させたならば（ステップ３１２）、失火検出部６２による失火の検出の発生と（ステップ３１４）、計測処理部６１による計測処理の終了の発生（ステップ３１６）とを監視する。

そして、失火検出部６２による失火の検出が発生することなく（ステップ３１４）、計測処理の終了が発生したならば（ステップ３１６）、目標スロットル開度tpが最小開度かどうかを調べ（ステップ３１８）、最小開度でなければ、目標スロットル開度tpを所定の単位開度Δtp減少し（ステップ３２４）、ステップ３１０からの処理に戻る。

一方、目標スロットル開度tpが最小開度であれば（ステップ３１８）、失火検出部６２の失火検出処理を終了する（ステップ３２０）
そして、iが、基礎計測条件の総数であるｎに達したかどうかを調べ（ステップ３２２）、ｎに達していれば、測定シーケンス制御処理を終了し、ｎに達していなければ、ｉを１増加した上で（ステップ３２６）、ステップ３０４からの処理に戻る。

一方、計測処理部６１に計測処理を開始させた後に（ステップ３１２）、計測処理部６１による計測処理の終了の発生（ステップ３１６）前に、失火検出部６２による失火の検出が発生した場合には（ステップ３１４）、目標スロットル開度tp+Δtpを下限燃焼開度としてｉ番目の基礎計測条件と共に記憶し（ステップ３２８）、スロットルアクチュエータ７０７にエンジン７のスロットル開度を前記単位開度Δtp以上の所定量増加させる（ステップ３３０）。たとえば、ステップ３３０では、スロットルアクチュエータ７０７にエンジン７のスロットル開度の最大開度への遷移を開始させる。

ここで、ステップ３３０でスロットル開度を増加するのは、失火状態を解消しエンジン７等の損傷の発生を回避するためである。
次に、失火検出部６２の失火検出処理を終了し（ステップ３２０）、iがｎに達したかどうかを調べ（ステップ３２２）、ｎに達していれば、測定シーケンス制御処理を終了し、ｎに達していなければ、ｉを１増加した上で（ステップ３２６）、ステップ３０４からの処理に戻る。

以上、測定シーケンス制御部６４が行う測定シーケンス制御処理について説明した。
ここで、測定シーケンス制御処理によって記憶された各基礎計測条件についての下限燃焼開度は、以降に行うエンジン７の他の計測や、同型のエンジン７を搭載した自動車などにおいて、その時点のエンジン回転速度やバルブタイミングに一致する基礎計測条件に対応する下限燃焼開度に、スロットル開度の下限を制限する用途などに用いることができる。

次に、失火検出部６２が行う失火検出の詳細について説明する。
図４に、失火検出部６２の構成を示す。
図示するように失火検出部６２は、燃焼解析部６２１と失火検出処理部６２２とを備えている。
燃焼解析部６２１は、図示平均有効圧力（IMEP）の標準偏差を図示平均有効圧力の平均で割った値である燃焼変動率を算出する。図示平均有効圧力は、筒内圧力センサ７０４が検出したエンジン７の気筒内の圧力と、クランク角センサ７０５が検出するクランクシャフトの回転角より求まる、１サイクルの気筒内の圧力変化を記録した指圧線図(PV線図)の、曲線内の面積を気筒の行程容積で割った値として求まる。

燃焼変動率は、筒内圧力センサ７０４をエンジン７の気筒毎に設けて、気筒毎に算出することが好ましいが、簡易的に、エンジン７の一つの気筒にのみ筒内圧力センサ７０４を設けて、その気筒についてのみ燃焼変動率を算出してもよい。

また、図示平均有効圧力は１サイクル毎に算出し、図示平均有効圧力の平均、標準偏差、燃焼変動率は、過去所定数のサイクルについて求めた図示平均有効圧力から算出する。
このようにして算出される燃焼変動率は、エンジン７の気筒の１サイクル当たりの仕事量の変動率を表すものとなる。
ただし、燃焼解析部６２１は、図示平均有効圧力に代えて図示仕事を用い、燃焼変動率として、図示仕事の標準偏差を図示仕事の平均で割った値を算出するようにしてもよい。図示仕事は、１サイクルの筒内の圧力変化を記録した指圧線図(PV線図)の、曲線内の面積として求まる。

このように図示仕事を用いて算出した燃焼変動率も、エンジン７の気筒の１サイクル当たりの仕事量の変動率を表すものとなる。
次に、上述した失火検出部６２の失火検出処理は失火検出処理部６２２が行う。
図５に、この失火検出処理の手順を示す。
図示するように、失火検出処理では、計測処理部６１が前回行った計測処理終了時に触媒温度センサ７０３が検出した触媒７２の温度を基準温度として、触媒温度センサ７０３が検出している触媒７２の温度が、基準温度からしきい値Tht（Thtはたとえば２℃）以上、上昇したならば（ステップ５０２）、失火を検出し測定シーケンス制御部６４に失火の発生を通知する（ステップ５０８）。

ただし、基礎計測条件が変化した後の最初の計測処理が終了するまでは、ステップ５０２では、触媒７２の温度の基準温度からのしきい値Tht以上の上昇は検出しない。
また、ステップ５０２では、計測処理部６１が前回行った計測処理実行中の、スロットル開度が、その時点の目標スロットル開度tpに安定している期間中に検出した触媒７２の温度を基準温度として用いてもよい。

ここで、このステップ５０２、５０８と上述した測定シーケンス制御処理によれば、各基礎計測条件について、図６ａに示すように、スロットル開度を段階的に小さくしながら、各段階において計測処理部６１による計測処理が行われる過程において、触媒７２の温度が、前回の計測処理時の目標スロットル開度tpにエンジン７のスロットル開度が設定されていたときの温度からしきい値Tht以上、上昇すると失火が検出され、失火検出前に最後に終了した計測処理時のスロットル開度tp_minが、下限燃焼開度として、そのときの基礎計測条件と共に記憶される。

ここで、各時点におけるスロットル開度は、前回の計測処理時の目標スロットル開度tpより小さくなるので、エンジン７が正常燃焼していれば、触媒温度は基準温度検出時よりも低くなる。一方、エンジン７で失火が発生すると、未燃ガスが触媒７２で後燃えする量が増加するため、触媒７２の温度が上昇する。したがって、触媒７２の温度上昇から失火の発生を検出することにより、より直接的に精度良く失火の発生を検知できる。

また、失火検出処理では、燃焼解析部６２１が算出した燃焼変動率がしきい値Thv（Thvは、たとえば５％）以上となったならば（ステップ５０４）、失火を検出し測定シーケンス制御部６４に失火の発生を通知する（ステップ５０８）。

なお、上述のようにエンジン７の気筒毎に燃焼変動率を算出する場合には、ステップ５０４、５０８では、少なくともいずれか一つの気筒の燃焼変動率がしきい値Thv以上となったならば、失火を検出し測定シーケンス制御部６４に失火の発生を通知する。

ここで、このステップ５０４、５０８と上述した測定シーケンス制御処理によれば、各基礎計測条件について、図６ｂに示すように、スロットル開度を段階的に小さくしながら、各段階において計測処理部６１による計測処理が行われる過程において、燃焼変動率がしきい値Thv以上となると失火が検出され、失火検出前に最後に終了した計測処理時のスロットル開度tp_minが、下限燃焼開度として、そのときの基礎計測条件と共に記憶される。

ここで、エンジン７でサイクル毎に失火が発生したり発生しなかったりする場合には、燃焼変動率が大きくなるので、このように燃焼変動率から失火を検出することにより、より直接的に精度良く失火を検知することができる。

また、失火検出処理では、トルクセンサ２が検出しているトルクが負となったならば（ステップ５０６）、失火を検出し測定シーケンス制御部６４に失火の発生を通知する（ステップ５０８）。

ここで、トルクセンサ２が検出しているトルクは、トルクの方向が、ダイナモメータ１がエンジン７にエンジン７の正回転方向の回転を妨げる力を加える方向であるときに正であり、ダイナモメータ１がエンジン７にエンジン７を正回転方向に回転させる力を加える方向であるときに負とする。

また、定速度運転制御部６３のエンジン７の回転速度を一定とするダイナモメータ１のトルク制御により、トルクセンサ２が検出しているトルクが負となるのは、エンジン７の全気筒で失火してトルクを発生しておらず、エンジン７がダイナモメータ１の負荷となっている場合である。したがって、このように負のトルクを検出することによってエンジン７の失火を検出できる。

以上、本発明の実施形態について説明した。

１…ダイナモメータ、２…トルクセンサ、３…回転計、４…シャフト、５…中間軸受、６…計測制御装置、７…エンジン、６１…計測処理部、６２…失火検出部、６３…定速度運転制御部、６４…測定シーケンス制御部、７１…エキゾーストマニホールド、７２…触媒、７３…スロットル、６２１…燃焼解析部、６２２…失火検出処理部、７０１…吸入空気量センサ、７０２…吸気管圧力センサ、７０３…触媒温度センサ、７０４…筒内圧力センサ、７０５…クランク角センサ、７０６…スロットル開度センサ、７０７…スロットルアクチュエータ、７０８…可変バルブ機構。

Claims

エンジンを試験するエンジン試験システムであって、
前記エンジンの出力軸にトルクを加えるダイナモメータと、
前記エンジンの排ガスの浄化を行う触媒の温度を検出する触媒温度センサと、
前記エンジンのスロットル開度を段階的に小さくしながら、各段階において、エンジンの状態を計測する計測処理を実行する試験制御手段と、
前記触媒温度センサが検出している前記触媒の温度が、前記スロットル開度が直前の段階の開度であったときに前記触媒温度センサが検出した触媒の温度から、所定の温度以上、上昇したときに前記エンジンの失火を検出する失火検出手段とを有することを特徴とするエンジン試験システム。
エンジンを試験するエンジン試験システムであって、
前記エンジンの出力軸にトルクを加えるダイナモメータと、
前記エンジンの気筒の筒内圧力を検出する筒内圧力センサと、
前記筒内圧力センサが検出した筒内圧力から、前記エンジンの気筒の１サイクル当たりの仕事量の変動率を算出する変動率算出手段と、
前記エンジンのスロットル開度を段階的に小さくしながら、各段階において、エンジンの状態を計測する計測処理を実行する試験制御手段と、
前記変動率算出手段が算出している変動率が所定のしきい値以上となったときに前記エンジンの失火を検出する失火検出手段とを有することを特徴とするエンジン試験システム。
請求項２記載のエンジン試験システムであって、
前記変動率算出手段は、前記筒内圧力センサが検出した筒内圧力から求まる図示平均有効圧力の標準偏差を図示平均有効圧力の平均で割った値を、前記エンジンの気筒の１サイクル当たりの仕事量の変動率として算出することを特徴とするエンジン試験システム。
請求項２または３記載のエンジン試験システムであって、
前記エンジンの排ガスの浄化を行う触媒の温度を検出する触媒温度センサを有し、
前記失火検出手段は、前記触媒温度センサが検出している前記触媒の温度が、前記スロットル開度が直前の段階の開度であったときに前記触媒温度センサが検出した触媒の温度から、所定の温度以上、上昇したときにも前記エンジンの失火を検出することを特徴とするエンジン試験システム。
請求項１、２、３または４記載のエンジン試験システムであって、
前記エンジンと前記ダイナモメータとの間に働くトルクを検出するトルクセンサを備え、
前記試験制御手段は、前記エンジンの回転速度が所定の回転速度となるように前記ダイナモメータを制御し、
前記失火検出手段は、前記トルクセンサが検出したトルクの方向が、前記エンジンの出力軸を当該エンジンの正回転方向に回転させるように働くトルクとなったときにも前記エンジンの失火を検出することを特徴とするエンジン試験システム。
請求項１、２、３、４または５記載のエンジン試験システムであって、
前記試験制御手段は、前記失火検出手段が失火を検出したならば、前記エンジンのスロットル開度を段階的に小さくすることを停止し、各前記エンジンのスロットル開度を増加することを特徴とするエンジン試験システム。
請求項１、２、３、４、５または６記載のエンジン試験システムであって、
前記失火検出手段が失火を検出した直前の段階のスロットル開度を、失火が生じないスロットルの最小の開度である燃焼下限スロットル開度として検出する燃焼下限スロットル開度検出手段を有することを特徴とするエンジン試験システム。