JP2022530655A - 大型エンジンの法定試験装置及び方法 - Google Patents

Abstract

車両内のエンジンを試験する方法は、車両のドライブライン構成要素を冷却するように構成されている、車両とは別個の浴槽を配置することと、ドライブライン構成要素の温度を目標温度に調整することと、ドライブライン構成要素が目標温度を達成することに応答して、エンジンをマッピング手順に従って動作させることと、動作中、ドライブライン構成要素の温度を目標温度に維持するように浴槽を制御することとを含む。本方法は、動作中のドライブライン構成要素から浴槽への熱伝導を測定することと、熱伝導に基づいて、動作中のドライブライン構成要素のトルク損失又はエネルギー損失を計算することとを更に含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年４月２９日出願の米国仮特許出願第６２／８４０，２２７号の利益を主張するものであり、その開示内容が全体として本明細書に援用される。

技術分野
本開示は、自動車排気ガス排出量の測定及び分析並びに内燃機関のエネルギー効率の測定の技術分野におけるものである。より具体的には、本発明は、大型エンジン（ＨＤＥ）、すなわち通常トラックに見られる内燃機関（ＩＣＥ）の排気ガス排出量及び正味燃料消費を測定する分野におけるものである。

背景
大型エンジンは、ピックアップトラックから、米国内でトラクタ／トレーラを合わせて車両総重量が最大８５，０００ポンドのクラス８トラクタまでの範囲のサイズのトラックに見られる。エンジンは、米国環境保護局（ＥＰＡ）及びカリフォルニアＥＰＡの排出遵守要件を満たすために、試験施設仕様のエンジン動力計並びにＥＰＡ試験サイクル及び手順を用いて試験されて認証を受ける。

乗用車、ある種の小型トラック及びスポーツユーティリティビークル（ＳＵＶ）の排気試験と異なり、ＨＤＥに対するＥＰＡ試験要件は、シャーシ動力計を使用しない。車両全体をシャーシ動力計に載置して所定の車両速度対時間スケジュールにわたり動作させるのではなく、ＨＤＥは、通常、所定のエンジン速度及びエンジン負荷対時間スケジュールにわたり動作するエンジン動力計を用いて試験される。この理由は、大型シャーシ動力計が小型シャーシ動力計よりもはるかに巨大且つ高価であり、また特定のエンジンモデルが該当する多くの異なる種類、サイズ及び重量のトラックシャーシが存在するためである。従って、エンジンメーカーには、市販される全てのエンジン／車両の組み合わせの遵守状況を示す場合と比べて、標準的なエンジン試験サイクルにわたりエンジン動力計での排出基準の遵守状況を示すことがより便利である。

しかし、連邦政府による基準排出量遵守要件は、販売後にトラックシャーシに搭載されてから市場に投入されて、法定「耐用年数」を越えない旧型エンジンに対して引き続き適用される。このため、ＥＰＡは、大型エンジンの排出遵守を保証するために３段階遵守確認プログラムを用いる。第１に、新型エンジンは、代表的エンジンの、通常、エンジンメーカーによって実行されるが、ときに規制当局によって確認されるエンジン動力計による試験からの試験データに基づいて遵守していることを示す必要がある。第２に、ＥＰＡは、新型エンジンの製造中にエンジン動力計での選択的執行監査（ＳＥＡ）エンジン試験を実行する権限を有する。第３に、ＥＰＡは、法定「耐用年数」を越えていない「走行中」のエンジン、すなわち既にトラックシャーシに搭載して市場に投入され、依然として車齢及び走行距離要件内に含まれるエンジンを試験する権限を有する。

最初の２種類の法定試験は、車両シャーシに搭載されておらず、且つ未走行の新型エンジンに対して実行される。第３の種類の法定試験、すなわち「走行中」の試験は、試験対象のエンジンを車両シャーシから除去する必要があるため、規制当局及びエンジンメーカー又は相手先ブランドメーカー（ＯＥＭ）の両方にとって常に実行が極めて困難であった。また、「走行中」の試験は、通常、センサに関連付けられる車両シャーシからの各種の電子センサ信号をエンジンのコントローラ又はエンジン制御部（ＥＣＵ）が必要とするため、規制当局が実行することが極めて困難であった。規制当局は、通常、たとえ試験結果を現実世界での使用を表すものから変更せずに実行可能であったとしても、このようなシャーシからのセンサ信号を適切にシミュレートするのに必要となる詳細な技術情報にアクセスできない。

車両の点検保守試験（Ｉ／Ｍ試験）は、政府、この場合には州又は地方政府が頻繁に実行する別の種類の排気試験である。Ｉ／Ｍ試験に不合格の場合、必要な修理を施して、車両を受容可能な遵守状態に戻す責任は、通常、車両の所有者にある。小型車両のＩ／Ｍ試験は、長年にわたり比較的一般的であったが、現実世界で運用されているトラックのＩ／Ｍ試験は、試験をエンジン動力計で実行する必要があるために極めて限定的であった。このため、殆どの試験は、スナップアイドリング事象及び他の限定的な試験手順の実行中の過剰な排気管煙を測定するエンジンの試験に限られていた。

「走行中」の大型車両に対する大型車両の現実世界での車載式排出ガス測定システム（ＰＥＭＳ）試験の適用が米国で成功する事例は、採用された試験手順に関する適切な試験ポイントに求められる要件が過度に制約的であることに起因して限定的であった。ＥＰＡ上限（ＮＴＥ）試験プロトコルのエンジン動作ゾーン要件と、ＮＴＥゾーン内で比較的長期間にわたり連続動作する要件とが組み合わされた結果、エンジン動作全体の僅かな部分のみが最終試験結果に表われる。この理由及び「走行中」のＨＤＥを上述のエンジン動力計で試験することに伴う困難により、従来の試験施設仕様の法定試験プロトコルと整合するように、但し試験前に大型車両シャーシからエンジンを取り外す必要なしにＨＤＥを試験するためのＨＤＥの「走行中」の試験装置及び付随するプロトコルに対する必要性が存在する。

概要
本開示は、ＨＤＥの「走行中」の排出遵守確認目的での試験施設仕様ＥＰＡ及びカリフォルニア州大気資源局（ＣＡＲＢ）法定試験手順と整合する試験を実行するための試験装置及び方法に関する。本開示は、本質的に従来のエンジン動力計の代わりに車両シャーシ及び外部駆動軸動力計を用いて、ＨＤＥが車両に搭載された状態で標準的法定試験を実行するための装置及び方法を教示する。エンジンと動力計との間の典型的なドライブトレイン損失に起因する動作中の細かい誤差に施される正確な修正も、標準的法定試験方法と相関する正確な結果を得るための方法の一部である。

認証及び遵守確認目的のための規制当局による大型エンジンの従来の試験施設試験では、エンジン動力計でエンジンを、又はパワートレイン動力計でパワートレインを試験する必要がある。これは、エンジンの開発及び認証目的では煩雑でないが、走行中の遵守確認目的では極めて煩雑である。走行中排出量及び燃料消費試験は、既に市場に投入されているエンジンに関するため、試験に必要とされるエンジンは、既に車両内に設置されて顧客が所有している。このようなエンジンを取り外すことは、技術的に困難且つ時間を要するため、規制当局がエンジンを取り外して試験することを認める十分な数の所有者が存在する遵守確認プログラムを実行することは、困難であり、広範且つ有意味な試験プログラムを確定するのに十分な数のエンジンを取り外して試験することは、困難である。複数の実施形態は、排出量及びエネルギー消費測定の代表性及び品質を損なうことなく、大型エンジンのための広範且つ有意味な遵守確認プログラムの実行に伴う上述の困難を克服しようとするものである。

１つの目的は、エンジンの排出量及び燃料消費試験を、エンジンが車両シャーシ内で変更されない状態で実行して、標準的法定試験装置及び手順を用いて得られるであろう試験結果と相関し、且つそれと均等な試験結果を提供する装置及び関連する方法を提供することである。これを実現するために、エンジントルクマップを生成する間及びトルクマップに基づく後続のエンジン試験において、エンジンと動力計との間のエネルギー及びトルク損失を正確に考慮すべきである。また、シャーシ内において、トルク及び速度の全範囲にわたりエンジンを動作させる方法も開示する。

従来必要であったように、試験されるエンジンモデル又は構成のエンジンを提供者の車両から取り外すのではなく、専用に設けられた試験施設に車両を持ち込み、適当な変速機ギアにする。試験施設は、「ｘ－Ｅ」電気動力計装置を備え、ここで、「ｘ」は、対象となり得る可変数の駆動軸を表す。例えば、「２Ｅ」又は「４Ｅ」動力計構成は、それぞれ２つ又は４つのいずれかの別々の電気動力計装置から構成され、それぞれの１つが各駆動軸端に負荷をかけ、駆動軸の数は、トラックシャーシの種類に依存する。専用の試験車輪が各々の被駆動標準車輪の代わりに提供及び設置される。試験中、試験車輪は、取り付けられた動力計を回転させながら、車軸が試験車輪内で「惰行」できるようにする。各駆動軸の終端は、必要に応じて、標準的又は他の動力計負荷スケジュールに従って負荷を掛ける別々の動力計装置に取り付けられる。

最初に、動力計トルク対速度マップは、通常、ＥＰＡ又は法定エンジン試験の前に実行されるように、動力計がプログラムによってエンジン速度を最低エンジン速度、例えばアイドリング速度から最高エンジン速度まで制御する際、スロットル全開（ＷＯＴ）、すなわちアクセルペダルを完全に踏み込んだ状態で動力計トルクを測定することによって作成される。

次いで、動力計トルク対速度マップが修正されてエンジントルク対速度マップを作成する。これは、エンジンと動力計との間の有効ギア比を取得するように動力計トルク及び速度を修正し、且つエンジンと動力計との間、例えば変速機と微分との間に見られるドライブトレイン機械部品の損失に起因してエンジンと動力計との間の生じるトルク損失に対して動力計トルクを修正することにより行われる。トルク損失の結果パワートレイン構成要素内で熱が生じるため、損失の大きさは、総熱量生成の正確な配分をトルク及び速度の関数として導く機械計設計の理解と組み合わせた熱生成の測定によって推定することができる。固定ギア比を用いることで、この処理の適用がより容易になる。後続の試験に対して、エンジントルク対速度試験スケジュールは、次いで、結果的に得られる修正されたエンジンマップに基づいて通常通り判定される。

エンジン試験は、車軸動力計の組を用いて、速度試験スケジュールに基づいてエンジン速度を制御することによって実行される。例えば、アクセルペダルを操作するロボットドライバ又はサーブモータを用いてラック位置を制御することにより、エンジン「スロットル」、すなわちラック位置を同時に制御して、求められる試験スケジュールトルクを達成することにより、で試験スケジュールが守られていることを保証する。ロボットドライバは、アイドリング期間をシミュレートするために、適当な時点でクラッチを押し下げるためにも用いられる。

試験の実行中、排気排出量がサンプリングされ、質量排出量、エンジンの仕事量及び正味の重み付き試験サイクル排出量及び燃料消費が計算されて、遵守確認目的での通常方式のエンジン動力計試験の排出基準と比較するために報告される。

図面の簡単な説明
従来のエンジン動力計及び付随する排気サンプリング設備を示す。 「２Ｅ」動力計装置及び付随する排気サンプリング設備に接続された大型トラックを示す。 車両シャーシ内のエンジンで試験施設仕様のエンジン動力計排気試験を実行する手順を示す。

詳細な説明
本開示の各種の実施形態について以下に記述する。しかし、開示する実施形態は、例示的なものに過ぎず、他の実施形態は、明確に図示又は記述しない各種の代替的な形態を取り得る。図面は、必ずしも縮尺通りに描かれているわけではなく、特定の構成要素の詳細を示すためにいくつかの特徴が誇張又は縮小される場合がある。従って、本明細書に開示する特定の構造及び機能の詳細を限定的と解釈すべきでなく、本発明を様々に用いる方法を当業者に教示する代表的な基本に過ぎないものと解釈すべきである。当業者に理解されるように、図示され、且ついずれかの図に関して記述される各種の特徴は、他の１つ以上の図に示す特徴と組み合わされて、明示的に図示又は記述されない実施形態を生成することができる。図示する特徴の組み合わせは、典型的な用途の典型的な実施形態を提供する。しかし、本開示の教示と整合する特徴の各種の組み合わせ及び変更形態が特定の用途又は実装のために望ましい場合がある。

図１は、従来のエンジン動力計試験台が、認証及び試験施設仕様の遵守確認試験を行うために、環境保護局（ＥＰＡ）及びカリフォルニア州大気資源局（ＣＡＲＢ）法定試験の目的でどのように用いられるかを示す。エンジン動力計２を用いるエンジン試験台を用いて、求められる正規化されたエンジントルク及び速度試験スケジュールに従い、試験中の大型エンジン１のエンジン速度及び負荷を制御すると同時に、排気ガス排出量をサンプリングしてエンジントルク及び速度を測定及び記録する。試験結果は、通常、選択された速度／負荷に基づく試験スケジュールにわたりエンジンによって行われた仕事量、例えばエンジンによって行われた仕事量の正味馬力時間（すなわちｇ／ｋｗｈ）当たりのサンプリングされた各汚染物質の質量、例えばグラム単位で計算される。行われた仕事量は、記録されたエンジントルク及び速度に基づく。

通常の手順では、試験対象のエンジン１が試験施設内のエンジン動力計試験台（図示せず）に配置される。エンジンの出力軸１６は、電気動力計２の入力軸（図示せず）に接続されたパイロット軸３に接続される。パイロット軸３は、軸３の横方向移動を制約するピローベアリング２０を有する。エンジン油、冷却剤及びインター冷却機のための冷却システム１５は、装備される場合に提供される。燃料供給１７及び吸入空気１８の汚染されていない発生源もエンジン１の燃焼室を充填するために提供される。

エンジン吸入空気４がエンジン１に供給される。排気ガス及び粒子状物質（ＰＭ）を含む未処理エンジン排気５は、定量サンプリング（ＣＶＳ）バッチサンプリング設備１０、ＣＶＳ連続サンプリング設備１２、ＣＶＳ粒子状物質（ＰＭ）サンプリング設備１３又はＰＭフィルタ安定化及び重み付け設備１４に通される前に、未処理サンプリング設備７によってサンプリングされ、部分希釈サンプリング設備８によって部分的に希釈されるか、又は希釈線１１の希釈空気９によって完全に希釈され得る。

ＥＰＡ及び他の法定試験プロトコルは、エンジン１のトルク出力及び速度が、それぞれ「正規化された」基準負荷及び速度に従って制御されることを求める。エンジン１のｆｔ－ｌｂｓ単位での実際の基準トルク及びエンジン１のＲＰＭ及び又はＮ－ｍ単位での実際の基準速度の両方は、実際の試験の実行前に動力計２のスロットル全開（ＷＯＴ）状態で実行される、エンジン１のために確立された「マッピング」手順によって判定される。エンジン１のスロットルは、スロットル制御信号又は機構６を用いて自動制御される。制御機構６は、電子制御燃料噴射システムの場合には電子信号又は機械制御スロットルの場合にはエンジン１のスロットルレバーに接続されたスロットルコントローラ機構（図示せず）に作用するサーボモーター（図示せず）である。

通常のマッピング手順の実行中、エンジンがＷＯＴに維持される間、動力計２は、エンジン１の速度を、アイドリング速度からエンジンの定格速度を通して最大ゼロトルクエンジン速度まで制御する。エンジン１のトルク出力は、エンジン出力軸１６を動力計入力軸３に接続するパイロット軸３に適用された負荷セル（図示せず）によって測定される。エンジン速度は、ギア比が１：１であるため、通常等しい動力計２の速度を測定することによっても判定される。

次いで、「正規化された」試験サイクルは、マッピング手順からのエンジン１のトルク対速度マップに適用され、その結果、後続の過渡又は定常状態試験手順で特定のエンジンを制御する秒単位のカスタムエンジントルク及びエンジン速度基準サイクルに入る。

標準試験サイクルにわたりエンジン１を試験するために、動力計２は、次いで、速度制御モードで制御され、これによりエンジンの動力計、従ってエンジンの速度が試験エンジン１のカスタム基準速度に制御される。エンジン１の出力トルクは、上で計算及び記述したようにカスタム基準トルクに制御される。

試験サイクルにわたり測定されたエンジン１の速度及び測定されたエンジン１の出力トルクは、記録され、その後、試験サイクルが終了するまでエンジンが実行した瞬間的及び積分された実際の仕事量の正味馬力時間又はＮｍ／ｓ単位での計算に用いられる。

エンジンが試験サイクルにわたり動作される間、上述のように排出が連続的にサンプリングされて、注目する各汚染物質の試験サイクル全体にわたる総質量排出量をグラム単位で判定する。排出濃度を連続的に測定する場合、経時的なモーダル質量排出量及びモーダル正味質量排出量並びに燃料消費を計算することができる。排出が「バッグサンプリングされる」のみである場合、サイクル毎の排出結果及び燃料消費値のみが計算される。サイクル毎の値に対して、各汚染物質の総グラムを試験サイクルの総仕事量で除算して、行われた仕事量毎の各汚染物質の量又はＢＨＰ－ＨＲ毎の各汚染物質のグラム数（又は１ｋＷ－ｈｒ当たりのグラム数）を判定する。

図２は、上述の法定試験方式で得られる均等な結果を提供するために、エンジン１が車両シャーシ４３に残った状態でどのように試験できるかを示す。シャーシ４３自体がエンジン試験台（図示せず）、車両変速機３０、駆動軸３１、後部差動ギア４７として機能し、車軸４５、４６がパイロット軸３及びパイロット軸ピローベアリングの代わりに機能する。出力動力計トルク４４をエンジン１と車両変速機３０との間に示す。ホイールピローベアリング５０、５１は、修正された駆動ホイール３２、３３内に載置される。車輪３８、３９も示されている。動力計３４、３５は、移動可能であり、台プレート（図示せず）に載置され、エンジン動力計２と同様に機能する。動力計入力軸３６、３７は、それぞれ動力計３４、３５に接続される。ロボットドライバ４８は、電子制御及び機械制御エンジンの両方に対してスロットル制御機構６として機能する。直接的電子スロットル制御も実装可能であるが、出力制御の機械的操作は、現実世界の動作に類似するため、法定目的に好適である。

エンジン及び補助システムの冷却は、通常方式の熱ラジエーター及び送風機並びに油冷却機４１を含む車両冷却システム４０によって提供される。試験中、車両シャーシ４３は、静止したままであるため、冷却は、外部送風機４２によって強化される。これは、小型の車両試験が典型的に実行される方法と同様である。

全ての試験は、変速機３０から且つ供給ホース７３及び戻りホース７４をそれぞれ介して恒温槽７０と熱交換する外部熱交換器７１を介して変速機油を循環させることにより、変速機油の混合平均温度を一定に維持しながら実行される。２つの異なる温度槽を２つの異なる流体に用い得る。変速機油温センサを備えた車両の場合、センサは、車両シャーシの通常の位置から取り外されて変速機油冷却ループに配置されるか、又は同一のセンサが油冷却ループに配置されて、元のセンサの代わりに通常の配線ハーネス入力に接続される。

車両が変速機油冷却機を備える場合、冷却機が取り外されて、一定の温度を維持できる外部冷却機に供給及び戻り線が配管される。維持される設定点温度は、変速機油の通常動作温度である。さもなければ、変速機油は、外部ポンプ８０を用いて外部冷却機に循環される。いずれの場合にも、流量計８１は、体積流量を測定する供給又は戻り線のいずれかに設置され、差動熱電対８２は、供給及び戻り油温間の温度差を測定するように供給及び戻り線にわたって設置される。

全ての試験はまた、同一の恒温槽７０又は所望の温度に維持された別の恒温槽（図示せず）のいずれかと熱交換する外部熱交換器７２を介して筐体４７からギア油を循環させることにより、後端差動筐体４７内のギア油の一定の混合平均温度を維持しながら実行される。ギア油は、外部ギア油ポンプ８３、供給線７５及び戻り線７６の各々を用いて熱交換器に外部的に循環される。流量計８４は、体積流量を測定するために供給又は戻り線のいずれかに設置され、差動熱電対８５は、供給及び戻りギア油温間の温度差を測定するように供給及び戻り線にわたって設置される。

変速機３０及び後部差動ギア４７内で一定の流体温度を維持することは、好ましくは、試験処理の開始前に流体が暖まって、粘性抵抗並びに変速機３０及び後部差動ギア４７内に生じるエネルギー損失を減らすことにつながる。また、それは、好ましくは、高速及び高トルク動作中に流体が冷却されることをもらすため、内部構成要素の損傷を防止すると共に、流体の粘性が動作履歴の影響を受けることを防止する、すなわち流体の一定の粘性を維持することで、変速機３０及び差動ギア４７内のエネルギー損失が動作履歴及び時間から独立している。

試験施設でのエンジン試験に関して先に述べたのと同様に、排気排出量は、車両４３のテールパイプからサンプリングされる。

動力計の位置の他に、図２に示すシャーシ内エンジン試験装置及び図１に示す標準的エンジン試験装置の主な違いは、車両変速機２、後部差動ギア４７及び追加的な動力計軸並びにピローベアリングの包含である。従って、これらの部材に付随するトルク損失を、修正された試験手順によって可能な限り正確に測定又は推定してこれらの損失に対処し、図１に示す装置によって通常の方法で行われる試験と比較して、図２に示す装置で実行される排出量及びエネルギー効率試験との均等性及び相関を求める必要がある。

以下では、図２に示す装置によって試験を実行する方法を、図３に概説する手順に関して記述する。

排気試験を実行する大型車両は、図２に示す装置を備えた試験施設に持ち込まれる。ロボットドライバが車両内に設置されて、試験サイクルの要求に応じて、アイドリングエンジン動作中、エンジントルクを制御して、エンジンをドライブラインから一時的に切り離するようにアクセルペダル及びクラッチペダルをそれぞれ操作する。実行する法定手順毎に、求められるトルク及び速度点を達成する能力に基づいて試験に最適なギアが選択される。一般に、最適な変速機ギアは、エンジンが定格速度で動作された際、回転速度が動力計３４、３５の設計限度を上回ることを防止しながら、所望のエンジン速度を時間の関数として問題なく達成するために使用できる最も高いギア（最大車軸４５、４６の回転速度）、すなわち十分な過渡エンジン速度応答を有する最も高いギアである。全ての後続するマッピング及び試験は、この選択された変速機２のギアを用いて行われる。

図２及び３を参照すると、車輪３２、３３に特殊ピローベアリングハブ５０、５１が設置され、動力計３４、３５が各駆動軸の終端に取り付けられる。いくつかの試験では、２つ以上の駆動軸を互いに接続して直列に動作させることにより、必要とされる電子ダイノ動力計の総数を減らすことが望ましい場合がある。特殊車輪３２、３３により、車両４３が試験施設内で移動可能になると共に、試験中に車両が移動するたびに車両４３を持ち上げるか又は車輪を取り外す必要なしに動力計３４、３５に容易に接続することができる。

変速機油及び後端ギア油の循環が試験前に開始されて、油温を所望の定常設定点に調整する。車両が動作しなかった場合、これは、恐らく、流体温度を通常動作温度と思われる温度まで上昇させることを含むであろう。設定点温度に達したら、後続する試験動作の終了まで熱交換器７１、７２によって設定点温度を維持しながら、エンジン１の動作を開始できる。

ドライブラインエネルギー損失モデルが選択されるか、又は「コーストダウン」手順を用いて、従来の試験施設エンジン試験中に通常存在しないドライブライン構成要素に起因するエンジン１と動力計３４、３５との間で生じるドライブライン損失を推定する。ドライブラインエネルギーモデルは、エネルギー損失が最大値を有し、且つエンジン速度のみの関数である単純なモデル、エネルギー損失が最大値を有し、且つエンジン速度及び負荷の両方の関数であるより洗練されたモデル又は測定されたトルク若しくは動力計３４、３５で測定された出力の一定のパーセンテージであり得る。

利用できる代替的なドライブラインエネルギー損失モデルは、車両からの道路負荷損失の判定に用いられるコーストダウン手順と同様の「コーストダウン」手順を用いる実際の動力計測定に基づき、通常、平坦なトラックに対して弱い風で実行される。現在の方法は、エネルギー損失モデルの使用を一切指定しないが、用途に適すると思われ任意のエネルギー損失モデルの使用を考慮する。

「コーストダウン」手順の使用が選択されると、動力計３４、３５とエンジン１との間に位置するパワートレイン構成要素及び試験装置によって発揮される無負荷トルクを判定するために回転構成要素の質量が既知でなければならない。ロボットドライバ４８を用いて車両クラッチが押下されて、エンジン１を変速機２から切り離す。動力計３４、３５の制御が「速度モード」に設定され、動力計３４、３５の速度は、実際の排気試験中に必要とされる最高速度を上回る速度に段階的に上昇する。最高速度より高い速度に達したら、動力計３４、３５は、「無負荷」トルク状態に設定される一方、変速機２及び他の回転ドライブライン構成要素は、ドライブラインの摩擦及び他の損失に起因して停止する間、自由回転できる。動力計３４、３５の回転速度（同じでない場合がある － 速度を均衡させるために、１つのダイノを使用して、計算において均衡維持を考慮に入れる必要があり得る？）を、トラック上の車両道路負荷コーストダウン手順及び水ブレーキシャーシ動力計に付随する損失の判定に用いられるコーストダウン手順の両方と同様の方法で処理が終了するまで、時間の関数として測定する。

次いで、ドライブラインコーストダウン回転速度対時間データを用いて、エンジン後方のドライブライン構成要素に付随するトルク損失を動力計回転速度の関数として計算する。

利用できる更に別のドライブライン損失モデルは、クラッチペダルが押下されてエンジンを切り離される間に動力計を用いるドライブライン損失の直接測定に基づく。

ロボットドライバ４８は、速度モードであるエンジン動力計により、エンジン速度が以前のアイドリング速度に維持されている状態で車両クラッチペダルを解除するよう命令される。ロボットドライバ４８は、次いで、ＷＯＴを達成するよう命令され、その後、動力計３４、３５の速度は、ＷＯＴで動力計３４、３５に適用されたトルクを測定しながら、通常の方式でエンジン１の速度を法定手順毎に最低、すなわちアイドリング速度から最高速度まで上昇させるように制御される。

ドライブライン損失モデルを実装する最も簡単且つ最も正確な方法は、時間経過に伴うそれぞれ変速機３０及び後部差動ギア４７流体からの排熱の連続的測定に基づく、試験サイクル全体にわたる変速機３０及び後部差動ギア４７損失の推定に基づく。例えば、供給及び戻り温度及び熱交換器７１、７２に循環された流体の流量が全て測定され、且つ流体の熱特性が予め既知であるか又は測定される場合、変速機３０及び後部差動ギア４７からの排熱率を容易に表すことができる。

変速機３０、後部差動ギア４７及び外部冷却システム７０の搬送遅延及び熱容量に起因して、予備試験エンジン１のマッピング手順中に実行可能な損失の事前測定なしに、リアルタイムでのトルクの修正に使用できる程度に十分な時間領域解像度で熱損失を計算することは、困難であろう。従って、サイクルにわたる総熱損失を正確に合算して、後に熱損失の要因であるエンジン１の適切な動作条件に紐付けることができる。これが可能である理由は、両方の構成要素における損失が、印加されたトルク及び回転速度の両方に比例するからである。修正されたエンジンマップ、動力計３４、３５のトルク及び速度目標設定点並びに修正された試験結果を後処理によって上述のように判定することができる。

この最後のドライブラインエネルギー損失モデルは、正確な結果を取得して試験を容易にするのに好適である。これをエンジンマップ及び試験結果の修正に用いることについて、以下により詳細に説明する。エンジン１のトルク対速度エンジンマップを生成するためのエンジン動力計試験の準備に際して、変速機３０及び後部差動ギア４７の流体は、ポンプ８０、８３により、流量計８１、８４を用いて測定された流量で循環されて、外部熱交換器７１、７２を通る流体の循環を用いて、選択された又は所望の安定化された温度に調整される。変速機３０の油冷却機を備えた車両の場合、車両４３の冷却ループは、冷却される油が変速機３０自体の油ポンプ（図示せず）又は外部載置された油ポンプ８０のいずれかを用いて、供給及び戻り線を通して搬送されるよう経路変更される。差動ギア４７の油の一定の戻り温度を維持するために、別々のポンプ８３及び冷却線７５、７６の組が追加される。

各冷却ループは、供給及び戻り線間の温度差を測定するためのその差動熱電対８２、８５を有する。安定した温度条件に達したことは、各々の冷却ループで僅かな受容可能な熱流量を達成することによって判断できる。

外部変速機３０の流体冷却ループに関連付けられた瞬間排熱率を以下の式で表すことができる。

ここで、ρ_ｔ（Ｔ）は、温度の関数としての変速機３０の流体の密度であり、

は、変速機流体流量計８２によって測定された体積流量であり、並びにｃ_ｐｔ（Ｔ）は、変速機３０の流体の温度Ｔにおける定圧での比熱容量であり、及びΔＴ_ｔは、変速機流体差動熱電対８２で測定された、変速機流体熱交換器７１に流入及び流出する変速機流体の供給及び戻り温度間の温度差である。

従って、延長された持続時間Ｔ＋、すなわち状況に応じて試験スケジュール又はマッピング手順持続時間Ｔを意図的に上回る持続時間にわたる外部変速機流体熱交換器７１への総排熱量は、以下の式で表すことができる。

ρ_ｔ（Ｔ）及びｃ_ｐｔ（Ｔ）は、変速機流体のメーカーによって提供される流体特性又は代わりにそれぞれ容易に購入できる機器である専用の流体密度測定機器及び熱量計を用いて容易に測定される特性のいずれかである。

は、変速機排熱流体ループ内での変速機流体の瞬間体積流量であり、超音波流体流量計８１によって容易に測定され、ΔＴｔは、差動熱電対８５によって直接簡単に測定される。

同様に、外部差動ギア４７潤滑油冷却ループに関連付けられた瞬間排熱率を以下の式で表すことができる。

ここで、ρ_ｄ（Ｔ）は、密度であり、

は、差動ギア流体流量計８４によって測定された体積流量であり、ｃ_ｐｄ（Ｔ）は、差動ギア潤滑油の温度の関数としての定圧比熱容量であり、ΔＴｄは、差動ギア流体流差動熱電対８５を用いて測定された差動ギア潤滑油熱交換器７２を出入りする差動ギア流体及び差動ギア流体流量計８４によって測定された流れの供給及び戻り温度間の温度差である。

従って、延長された持続時間Ｔ＋、すなわち状況に応じて試験スケジュール又はマッピング手順持続時間Ｔを意図的に上回る持続時間にわたる外部差動ギア潤滑油熱交換器７２への総排熱量は、以下の式で表すことができる。

ρ_ｔ（Ｔ）及びｃ_ｐｔ（Ｔ）は、変速機流体のメーカーによって提供される流体特性又は代わりにそれぞれ容易に購入できる機器である専用の流体密度測定機器及び熱量計を用いて容易に測定される特性のいずれかである。

は、変速機排熱流体ループ内での変速機流体の瞬間体積流量であり、超音波流体流量計によって容易に測定され、ΔＴｔは、差動熱電対によって直接簡単に測定される。

機械設計の当業者は、ギア式回転機械のエネルギー損失の大部分が、印加された力及び移動速度にほぼ比例する噛み合い構成要素間の摩擦力並びに回転速度にほぼ比例するベアリング摩擦の各々に起因することを理解する。従って、固定された変速機ギア動作の場合、動作が単一ギアに制約される変速機内での損失及び差動ギア内の損失の良好な近似を以下の式で表すことができる。

ここで、Ｋ_ｔは、単一ギア比での動作に制約された変速機のための未知定数であり、Ｔ_ｔは、エンジン１から変速機３０に印加されたトルクであり、ｎ_ｔは、毎分回転数で表す変速機３０の回転速度である。しかし、単一変速機ギア比の制約のため、

である。

ここで、Ｋ_ｔ’も定数である。従って、

であり、これは、動力計３４、３５で行われた単位仕事量当たりの変速機３０のエネルギー損失である。従って、変速機３０非効率性における瞬間熱生成率又はこれに起因する出力損失は、以下の式のように記述することができる。

同様の理由で、差分に適用された結果、以下の式が得られる。

従って、エンジン１の瞬間出力は、動力計３４、３５によって吸収された出力に関して以下の式のように表すことができる。

但し、

であり、ここで、ｑは、エンジン１及びと動力計３４、３５の有効ギア比であり、直接容易に測定されるか、又は変速機３０及び差動ギア４７のギア比に関する知識から計算され、従って、

である。動力計３４、３５は、同じ速度であるように制御されることに留意されたい。

エンジントルク対速度マッピング手順
所定のシャーシ内エンジン試験スケジュール、例えばＥＰＡＨＤ過渡現象サイクルに従ってエンジン１を動作させる前に、法定試験手続きのため、エンジンＷＯＴトルク対エンジン速度が通常の方法で「マッピングされる」。エンジン１は、関連試験手続き又は規制に従い、マッピング手順前に始動及び暖機されて通常の動作温度を達成する。上述のエンジンのマッピングに続いてエンジンが停止される。

持続時間Ｔのエンジンマッピング手順全体を通して、延長された全期間Ｔ＋（但しＴ＋＞Ｔ）にわたり継続して、エンジン１が停止された後に受容可能な程度に低い排熱率に達するまで、

が連続的に計算されて積分される。時間Ｔ＋にわたり合算又積分された熱流量は、試験サイクル全体、この場合にはマッピング手順にわたり、変速機３０及び後部差動ギア４７の非効率性に起因する総エネルギー損失の良好な近似を表す。

エンジンマッピング手順は、法定又は他の手順毎に、動力計３４、３５を用いてエンジン１を最低速度、例えばアイドリング速度から最高速度まで制御することによってＷＯＴで実行される。エンジンの修正トルク対速度曲線、すなわちマッピング手順ＷＯＴから動力計３４、３５で測定されたトルク及び速度に基づく「トルク曲線」は、次いで、式１４及び式１２に従って計算される。

上述の手順に従うことで、エンジン１トルクマップが標準法定手順を用いて得られるエンジントルクマップに近い近似であることが保証される。次いで、「修正エンジントルク」マップ対エンジン速度を用いて、試験施設仕様の法定試験の通常の方法で試験サイクル基準トルク及び基準速度が得られる。

後続の試験サイクルにわたる動作のために、エンジン１の速度が通常の方法で非正規化基準速度を用いて動力計３４、３５によって制御される。サイクルでアイドリング期間に入るたびに、ロボットドライバ４８を用いてクラッチペダル（図示せず）を押下するか、又は代わりに動力計３４、３５を用いて、ロボットドライバ４８が課した閉スロットル状態と組み合わされたアイドリング速度を維持する。

各目標エンジントルク設定点及び対応するエンジン速度設定点に対して、対応する目標動力計トルク及び対応する動力計速度設定点が存在し、それぞれ式１５及び式１３によって与えられる。これらは、動力計３４、３５制御の目標設定点である。一方、法定試験では、動力計３４、３５は、通常の方法で制御される。トルクは、所望の動力計設定点なトルク値を連続的に達成するようにロボットドライバ４８に命令することによって動的に制御されるのに対して、速度は、所望の動力計設定点速度値を連続的に達成するように動力計３４、３５に命令することによって動的に制御される。

所与のトルク対速度試験サイクルに続くエンジン試験又は所定のエンジントルク及び速度サイクル、例えばＥＰＡ大型過渡試験サイクルを用いるエンジン試験の実行中、試験施設仕様の法定試験のために通常の方法で排出がサンプリングされる。エンジン１の仕事量及び質量排出量も同様に通常の方法で計算される。変速機３０及び差動ギア４７のエネルギー損失を示す上記の式を参照して、試験サイクル全体にわたるエンジンの総仕事量が以下のように計算される。

ここで、Ｗ_ｄｙｎｏは、動力計上でエンジン１によって行われた仕事量であり、動力計３４、３５測定したトルク及び速度の測定値から計算された。これは、以下の式と均等である。

次いで、エンジンの単位仕事量当たりの排出量が計算され、試験された特定のエンジン１に適用可能な法定基準と比較される。

動作１００において、大型車両を試験施設に持ち込む。動作１０２において、ロボットドライバを設置して最適な変速機ギアを選択する。動作１０４において、変速機及び後端流体を所望の温度まで予熱して、試験中、一定の温度に維持する。シャーシ内エンジンの動力計トルク対動力計速度マップを動作１０６において作成する。動作１０８において、ドライブラインエネルギー損失モデルを用いて、エンジントルク及び速度を動力計トルク及び速度の関数として判定する。動作１１０において、ドライブラインエネルギー損失モデルを適用することにより、エンジントルク対動力計速度マップを作成する。動作１１２において、修正されたエンジンマップ及びエンジントルク並びに速度設定点に基づいて過渡又は定常状態排気試験をシャーシ内で実行する。エンジンの正味出力を動作１１４において計算する。動作１１６において、エンジンの正味質量排出量及び正味燃料消費を計算する。動作１１８において、計算された排出量と法定基準とを比較する。

構成要素が等温（「一定の混合平均温度」）状態に維持される間、付随する潤滑流体からの熱伝導の測定に基づく過渡条件下で動作する車両ドライブライン構成要素からのトルク又はエネルギー損失を推定する方法が提供される。熱伝導は、（設置された流量計からの）流体流量の測定値、構成要素からの供給と構成要素への戻りとの間の温度差及び流体の熱容量に基づいて計算される。

構成要素の測定された経時的な動作状態に基づいて、過渡条件下で動作する車両ドライブライン構成要素からの測定されたトルク又はエネルギーの全損失を配分する方法が提供される。

試験中の車両のドライブライン構成要素からのエネルギー又はトルク損失を判定する装置は、前記構成要素から等温状態に維持された熱交換器に付随する潤滑流体を循環させ、流体を構成要素に戻し、流体の流量及び熱交換器の両端での温度差を測定して、密度及び流体の比熱に基づいて損失を計算することを含む。

車両内のエンジンの「スロットル全開」（ＷＯＴ）マップを取得する方法は、車両内のエンジンの近似ＷＯＴマップを取得して、エンジン出力軸と車両駆動ホイールとの間に位置するドライブライン構成要素からの測定された損失に基づいて近似ＷＯＴマップを修正することを含む。

車両シャーシを試験台として用いて、定常状態又は過渡試験サイクルにわたりエンジン試験台における正味燃料消費及び排気ガス排出遵守レベルを取得する方法が提供される。

車両内に設置されたエンジンのＷＯＴトルク対速度マップを生成する方法は、以下のステップ：スロットル又はペダル位置をＷＯＴ又は全トルク位置に設定するステップと、車両の駆動軸に接続された１つ以上の動力計の回転速度を可変に制御して、エンジンの速度をアイドリング速度から最高速度まで上昇させるステップと、経時的な車軸動力計トルク、動力計速度及び変速機ギア比又は測定されたエンジン速度に基づいてエンジントルク及びエンジン速度を計算するステップと、測定された動力計トルク値に対応する経時的なエンジントルク値を試験中に計算するステップとを含む。本方法は、経時的な駆動軸動力計トルク、経時的な動力計又はエンジン速度及び車両動作中におけるドライブライン構成要素からの等温（「一定の混合平均温度」）熱伝導に基づいて、動力計と車両内のエンジン出力軸との間に位置するドライブライン構成要素の経時的なトルク又はエネルギー損失を推定することを更に含み得る。エンジントルク値は、動力計トルク値に対応して且つエンジン速度並びに対応するドライブライントルク損失に基づいて計算され得る。エンジンと動力計との間に位置するドライブライン構成要素は、エンジンの速度を上げる前に既知の熱状態に置かれ得る。

エンジントルク対速度試験スケジュールを計算する方法は、以下のステップ：先行する段落で記述した方法に従ってエンジンのＷＯＴトルク対速度をマッピングするステップと、正規化されたトルク対速度スケジュール及びエンジンのＷＯＴ又は全トルク対速度マップに基づいてエンジントルク対速度スケジュールを計算するステップとを含む。

車両内に設置されたエンジンを制御して所定の出力エンジントルクを達成する方法は、以下のステップ：動力計によって車両の駆動軸トルクを測定するステップと、エンジン速度又は動力計速度を測定するステップと、駆動軸トルク及びエンジン速度又は動力計速度に基づいて動力計と車両内のエンジンとの間のトルク損失を推定するステップと、トルク損失及びエンジン速度に基づいて、所定の出力エンジントルク値に対応する目標動力計トルクを計算するステップと、目標動力計トルク値に基づいて車両のペダル位置又はトルク制御を制御するステップとを含む。

車両内に設置されたエンジンを所定のエンジントルク対エンジン速度スケジュールに従わせる方法は、以下のステップ：所定のエンジン速度スケジュールに基づいて動力計又はエンジン速度を制御するステップと、先行する段落で記述した方法及び所定のトルクス（登録商標）ケジュールに従って（且つ動力計又はエンジン速度スケジュールと協調して）エンジントルクを制御するステップとを含む。所定のエンジントルク対エンジン速度スケジュールは、正規化されたエンジントルク対エンジン速度スケジュール及びＷＯＴトルク対速度エンジンマップに基づき得る。

車両内に設置されたエンジンによって行われた仕事量を判定する試験方法は、以下の一連のステップを含む。車軸動力計上でエンジンによって行われた仕事量を計算するステップ、エンジンと動力計との間に位置するドライブトレイン構成要素の損失を推定するステップ、及び車軸動力計上でエンジンによって行われた仕事量及びエンジンと動力計との間に位置するドライブトレイン構成要素の推定された損失に基づいて、エンジンによって行われた総仕事量を計算するステップ。

車両内に設置されたエンジンの正味排気排出量又は燃料消費を判定する試験方法は、以下のステップ：所望の試験サイクルにわたりエンジンを制御するステップと、排気質量排出量又は消費された燃料を測定するステップと、エンジンによって行われた仕事量を計算し、排出量又は消費された燃料をエンジンによって行われた仕事量で除算することにより、正味排出量又は正味燃料消費を計算するステップとを含む。

本明細書に開示する処理、方法又はアルゴリズムは、任意の既存のプログラム可能な電子制御部又は専用の電子制御部を含み得る処理装置、コントローラ又はコンピュータに配信可能である／それらによって実装可能である。同様に、これらの処理、方法又はアルゴリズムは、読出専用メモリ（ＲＯＭ）装置等の書き込み不可能な記憶媒体に永久的に保存された情報を含むが、これに限定されない、多くの形式でデータ及びコントローラ又はコンピュータによって実行可能な命令として、且つフロッピーディスク、磁気テープ、コンパクトディスク（ＣＤ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）装置及び他の磁気並びに光媒体等の書込可能な記憶媒体に変更可能に保存された情報として保存することができる。これらの処理、方法又はアルゴリズムは、ソフトウェア実行可能オブジェクトに実装することもできる。代わりに、これらの処理、方法又はアルゴリズムは、全体的又は部分的に、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラム可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、状態機械、コントローラ若しくは他のハードウェア構成要素若しくは装置又はハードウェア、ソフトウェア及びファームウェア構成要素の組み合わせ等、適当なハードウェア構成要素を用いて実装することができる。

本明細書で用いる用語は、限定ではなく、説明目的の用語であり、本開示及び請求項の趣旨及び範囲から逸脱することなく各種の変更形態がなされ得ることを理解されたい。

先に述べたように、各種の実施形態の特徴を組み合わせて、明示的に記述又は図示されない場合がある更なる実施形態を形成することができる。各種の実施形態は、利点を提供するものとして又は１つ以上の所望の特徴に関して他の実施形態若しくは従来技術の実装方式よりも好適であるものとして記述される場合があるが、特定の用途及び実装に依存する所望のシステム全体の属性を達成するために、１つ以上の特性又は特徴を犠牲にする場合があることが当業者に認識されるであろう。これらの属性は、コスト、強度、耐久性、ライフサイクルコスト、市場性、外観、包装、サイズ、サービス可能性、重量、製造可能性、組み立ての容易さ等を含むが、これらに限定されない。このように、１つ以上の特徴に関して他の実施形態又は従来技術の実装方式よりも望ましくないと記述された実施形態は、本開示の範囲外でなく、特定の用途に望ましい場合がある。

Claims (17)

1. 車両内のエンジンを試験する方法であって
   前記車両のドライブライン構成要素を冷却するように構成されている、車両とは別個の浴槽を配置することと、
   前記ドライブライン構成要素の温度を目標温度に調整することと、
   前記ドライブライン構成要素が前記目標温度を達成することに応答して、
   前記エンジンをマッピング手順に従って動作させることと、
   前記動作中、前記ドライブライン構成要素の前記温度を前記目標温度に維持するように前記浴槽を制御することと、
   前記動作中の前記ドライブライン構成要素から前記浴槽への熱伝導を測定することと、
   前記熱伝導に基づいて、前記動作中の前記ドライブライン構成要素のトルク損失又はエネルギー損失を計算することと
   を含む方法。
2. 前記測定することは、前記動作後に前記熱伝導を測定することを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 所定の条件が満たされることに応答して、前記測定することを停止することを更に含む、請求項１に記載の方法。
4. （ｉ）前記マッピング手順、及び（ｉｉ）前記トルク損失又はエネルギー損失に基づいて、試験スケジュールを画定するために設定点を判定することを更に含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記試験スケジュールに従って前記エンジンを動作させる間、前記車両と協働するように配置された動力計のトルク及び速度を記録することを更に含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記試験スケジュールに従って前記エンジンを動作させる間、前記ドライブライン構成要素から前記浴槽への熱伝導を測定することを更に含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記試験スケジュールに従って前記エンジンを動作させる間、（ｉ）前記トルク及び速度、並びに（ｉｉ）前記ドライブライン構成要素から前記浴槽への前記熱伝導に基づいて、前記エンジンによって行われた総仕事量を判定することを更に含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記総仕事量に基づいて、前記エンジンからの総正味排出量を計算することを更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記総仕事量の部分を、前記設定点に対応する動作点に関連付けることを更に含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記部分に基づいて、経時的な正味排出量を計算することを更に含む、請求項９に記載の方法。
11. 車両内のエンジンを試験する方法であって、
    前記車両のドライブライン構成要素を冷却するように構成されている、前記車両とは別個の浴槽を配置することと、
    前記ドライブライン構成要素の温度を目標温度に調整することと、
    前記ドライブライン構成要素が前記目標温度を達成することに応答して、
    前記エンジンを試験スケジュールに従って動作させることと、
    前記動作中、前記ドライブライン構成要素の前記温度を前記目標温度に維持するように前記浴槽を制御することと、
    前記動作中、前記ドライブライン構成要素から前記浴槽への熱伝導並びに前記車両と協働するように配置された動力計のトルク及び速度を測定することと、
    前記熱伝導に基づいて、前記動作中の前記ドライブライン構成要素のトルク損失又はエネルギー損失を計算することと、
    前記トルク及び速度並びに前記ドライブライン構成要素から前記浴槽への前記熱伝導に基づいて、前記エンジンによって行われた総仕事量を判定することと、
    前記総仕事量に基づいて、前記エンジンからの総正味排出量を計算することと
    を含む方法。
12. 前記測定することは、前記動作後に前記熱伝導を測定することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 所定の条件が満たされることに応答して、前記測定することを停止することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記総仕事量の部分を、前記試験スケジュールの設定点に対応する動作点に関連付けることを更に含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記部分に基づいて、経時的な正味排出量を計算することを更に含む、請求項１４に記載の方法。
16. 車両の流体で満たされたサンプドライブライン構成要素からのトルク損失又はエネルギー損失を判定するための装置であって、
    外部ヒートシンク、ポンプ、流量計及び温度測定装置を含み、
    前記外部ヒートシンク、ポンプ及び流量計は、前記流体で満たされたサンプドライブライン構成要素と直列に接続されて、前記流体で満たされたサンプドライブライン構成要素から出て、且つ前記流体で満たされたサンプドライブライン構成要素に戻る周期的流体経路を形成し、
    前記ポンプは、前記周期的流体経路に沿って流体を循環させ、
    前記流量計は、流体流量を測定し、
    前記熱交換器は、前記流体に熱を加えるか又はそれから熱を除去し、及び
    前記温度測定装置は、熱伝導から生じた温度変化を測定する、装置。
17. 前記流体で満たされたサンプドライブライン構成要素の温度を目標温度に維持するように前記外部ヒートシンク、ポンプ及び流量計を動作させるように構成されたコントローラを更に含む、請求項１６に記載の装置。

Images