JP3362954B2

JP3362954B2 - 機械式過給機付エンジンにおける過給圧算出方法および吸気系の設計方法

Info

Publication number: JP3362954B2
Application number: JP06411794A
Authority: JP
Inventors: 康英矢野; 正中川
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1994-03-31
Publication date: 2003-01-07
Anticipated expiration: 2018-01-07
Also published as: JPH07269362A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、機械式過給機付エンジ
ンの過給圧をコンピュータシミュレーションにより演算
する方法とそれに基づく吸気系の設計方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】最近、自動車のエンジン等の性能評価、
設計等のため、コンピュータシミュレーションにより状
態量を算出するような方法が提案されている。例えば、
特開平３−９５６８１号公報には、エンジンとスタータ
とをバネ要素と振動要素とからなる振動系に置き換え、
振動系をモデル化して、固有振動数の解析、モーダル質
量等の演算、既に知られている振動系の単体特性の利用
などにより、振動特性を求めるようにしたシミュレーシ
ョン方法が示されている。

【０００３】また、文献「マツダ技報（１９８８ＮＯ
６）」には、シリンダ、サージタンク、エアクリーナお
よびこれらの間の吸気管等からなるエンジンの吸気系に
つき、各部の圧力、温度、流量等をコンピュータシミュ
レーションにより求める方法が示されている。この方法
は、上記吸気系を管モデル、容器モデル、境界モデル等
のサブモデルの組合せとしてモデル化し、その各サブモ
デルについて状態量の演算を行なう。例えば、管モデル
については壁面摩擦係数、曲がり損失、管壁との熱交換
等を考慮した質量、運動量、エネルギーの各保存式を基
にして、管を等分割した各分割点での状態量から微少時
間後の状態量を求め、容器モデルについてはエネルギー
平衡式に基づいて容器内の状態量の変化等を求めるとい
うような演算を行なう。そして、各モデルについての演
算を、相互に演算値を反映させつつ状態量が収束するま
で繰返し行なうようにしている。

【０００４】このようなシミュレーションによると、設
計段階において諸元の設定、変更等を行なう場合に、そ
の都度試作して試験的に状態量を調べるようにしなくと
も、演算によって状態量が求められるため、状態量に基
づく吸気系の評価およびそれに応じた諸元の決定等を簡
単に行なうことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の文献
「マツダ技報（１９８８ＮＯ６）」は、自然吸気エン
ジンの吸気系モデルについてのシミュレーションを示し
ているが、吸気通路に機械式過給機が設けられている機
械式過給機付エンジンにおいては、過給機の吐出圧力
（過給圧）および吐出温度を考慮する必要がある。そこ
で、上記吸気系モデルの管端に過給圧、温度を与えるこ
とで演算を行なうことが可能となるが、上記過給圧を求
めることが従来では難しかった。

【０００６】つまり、リショルム型過給機等の複雑な形
状の機械式過給機では、演算によるだけで過給圧を求め
ることは困難である。また、機械式過給機を吸気系に組
み込んだ試作機について試験を行なえば過給圧が実測で
きるが、吸気系の諸元を変える毎に試作機を作って試験
を行なうというのでは非常に手間がかかるものとなり、
シミュレーションを行なうことの効果が損なわれる。

【０００７】また、過給機単体について試験的に特性を
求めることは比較的容易に可能であるが、吸気系に機械
式過給機を組み込んだ状態における過給圧は、エンジ
ン、吸気系の状態が関係するため、過給機単体の特性だ
けでは決まらない。

【０００８】本発明は、上記の事情に鑑み、機械式過給
機付エンジンにおける過給圧をシミュレーションによっ
て容易に、しかも精度良く求めることができる機械式過
給機付エンジンの過給圧算出方法を提供し、またこの方
法を利用して吸気系の設計を簡単に行なうことができる
設計方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る機械式過
給機付エンジンの過給圧算出方法は、機械式過給機付エ
ンジンのシミュレーションモデルを用いて過給圧を算出
する方法であって、機械式過給機を除く吸気管、燃焼室
等からなる吸気系を管モデル、容器モデル等のサブモデ
ルの組み合わせとしてモデル化し、この吸気系モデルに
ついて各部の圧力、流量、温度等の状態量を求める吸気
系状態量演算処理を行なう一方、機械式過給機を吸入側
と吐出側の２つの容器にモデル化し、この過給機吸入側
および吐出側の各モデルにつき、容器内の圧力を仮定し
て、この各容器と吸気管との接続部分における状態量の
関係式により吸入流量および吐出流量を演算し、この演
算を上記各圧力の仮定値を更新しつつ繰返し行なうこと
により、これらの流量演算値が互いに等しくなり、か
つ、この流量演算値と予め調べられた過給機単体の特性
を示す過給機特性データによる吐出流量とが同一圧力
比、同一過給機回転数の条件下で等しくなる状態を探索
し、この状態となったときの上記各仮定値および過給機
特性データから過給機モデルについての吐出圧力を含む
状態量を求め、この過給機モデルについての状態量を求
める過給機状態量演算処理と上記吸気系状態量演算処理
とを、同一過給機回転数条件下で、相互に演算結果を刻
々と反映させつつ、状態量が収束するに至るまで一定の
想定時間毎に繰り返すことにより、過給圧およびその他
の状態量を求めるようにしたものである。

【００１０】この方法において、上記過給機特性データ
は、各種過給機回転数毎の圧力比と吐出流量との関係お
よびこれらと過給機での温度変化量との関係を示すもの
であり、上記過給機状態量演算処理で求められる過給機
モデルについての状態量には上記過給機特性データに基
づいて求められる吐出温度が含まれているものであるこ
とが好ましい（請求項２）。

【００１１】また、上記吸気系モデルの中にサブモデル
の一つとしてインタークーラの容器モデルを有し、イン
タークーラの放熱量を与えて容器モデルについての演算
によりインタークーラの状態量を求めるものであること
が好ましい（請求項３）。

【００１２】請求項４に係る吸気系の設計方法は、請求
項１乃至３のいずれかに記載の過給圧算出方法によって
過給圧を求める処理を、吸気系の諸元を種々変えてそれ
ぞれ行ない、過給圧が適正となる吸気系の諸元を選び出
すようにしたものである。

【００１３】この方法において、過給圧が最も低くなる
吸気系の諸元を選び出すようにすることが好ましい（請
求項５）。

【００１４】請求項６に係る吸気系の設計方法は、機械
式過給機付エンジンのシミュレーションモデルに、吸気
圧力波伝播経路を変更可能にする可変吸気手段を組み込
み、この可変吸気手段の状態が異なる各場合につき、請
求項１乃至３のいずれかに記載の過給圧算出方法により
種々のエンジン回転数における過給圧を求め、この過給
圧の演算データに基づいて上記可変吸気手段を切換える
べきエンジン回転数を求めるようにしたものである。

【００１５】請求項７に係る吸気系の設計方法は、請求
項３に記載の過給圧算出方法によって求めた状態量に基
づき、インタークーラの諸元を設定するようにしたもの
である。

【００１６】

【作用】上記請求項１に係る過給圧算出方法によると、
試作して試験的に調べておくデータとしては過給機単体
の特性を示す過給機特性データがありさえすれば、上記
過給機モデルを用いた上記過給機状態量演算処理により
過給機吐出圧力（過給圧）を含む過給機の状態量が求め
られ、また、過給機を除く吸気系モデルについては上記
吸気系状態量演算処理により状態量が求められる。そし
て、上記過給機状態量演算処理と上記吸気系状態量演算
処理とが同一過給機回転数条件下で相互に演算結果が反
映されつつ繰り返されることにより、過給圧等が精度良
く求められる。

【００１７】この方法において、請求項２記載のように
すると、過給機吐出温度が加味されて高精度に過給圧等
が求められる。また、請求項３記載のようにすると、イ
ンタークーラについての状態量も精度良く求められる。

【００１８】上記請求項４に係る設計方法によると、上
記過給圧算出方法が利用されて、適正な過給圧が得られ
るような吸気系の設計が容易に行なわれる。とくに請求
項５記載のようにすると、過給の効率を最も高めること
ができる吸気系の諸元が得られる。

【００１９】上記請求項６に係る設計方法によると、可
変吸気手段を組み込んだ機械式過給機付エンジンにおい
て上記可変吸気手段を切換えるべきエンジン回転数が適
正に求められる。

【００２０】上記請求項７に係る設計方法によると、イ
ンタークーラの設計が適切に行なわれる。

【００２１】

【実施例】先ず、機械式過給機付エンジンの過給圧算出
方法の実施例を、図１〜図８を参照しつつ説明する。

【００２２】図１は機械式過給機付エンジンのシミュレ
ーションモデルの一例を示している。このシミュレーシ
ョンモデルは、機械式過給機１、インタークーラ２、サ
ージタンク３、エンジンの各シリンダ４、機械式過給機
１より上流側の吸気管５、機械式過給機１とインターク
ーラ２との間の吸気管６、インタークーラ２とサージタ
ンク３との間の吸気管７、およびサージタンク３と各シ
リンダ４との間の吸気管８からなる吸気系をモデル化し
たものである。

【００２３】このシミュレーションモデルおいて、機械
式過給機１を除く部分の吸気系モデル９は、管モデル、
容器モデル等サブモデルの組み合わせとしてモデル化さ
れている。つまり、この吸気系モデル９は、上記各吸気
管５，６，７，８を表す管モデルと、上記インタークー
ラ２、サージタンク３、各シリンダ４等を表す容器モデ
ルと、管と容器（インタクーラ、サージタンク、シリン
ダ）との境界部分のモデルとを含んでいる。そして、こ
の吸気系モデルを用いて後述のような吸気系状態量演算
処理を行う。

【００２４】また、上記機械式過給機１は、図２に示す
ように、吸入部側と吐出部側の２つの容器１ａ，１ｂに
モデル化する。つまりこの過給機モデルは、吸入側の容
器１ａと上流側の吸気管５との接続部分を表す吸入側モ
デル１１と、吐出側容器１ｂと下流側の吸気管６との接
続部分を表す吐出側モデル１２とに分けられている。そ
して、この過給機モデルを用いて後述のような過給機状
態量演算処理を行う。

【００２５】図３は演算処理の概略手順を示す説明図で
ある。この図に示すように、演算処理にあたっては、先
ず吸気系モデルおよび過給機モデルにおける各部の圧
力、温度等の状態量の初期値を設定する（ステップＳ
１）。この初期値としては任意の値を設定すれば良く、
例えば吸気管の圧力は大気圧とし、シリンダ内の圧力は
シリンダ毎に吸気行程、圧縮行程等を想定した適当な値
とすればよい。このように初期値を任意に設定しておい
ても、後述のように演算処理が繰り返されるときによ
り、各状態量は定常運転に相当する状態の値に収束す
る。

【００２６】次に、時間経過を想定するための時間設定
（ステップＳ２）を行なった上で、吸気系状態量演算処
理として、上記各管モデルについての演算処理（ステッ
プＳ３）と、上記各容器モデルについての演算処理（ス
テップＳ４）と、管と容器との境界部分のモデルについ
ての演算処理（ステップＳ５）とを行なう一方、過給機
モデルについての過給機状態量演算処理（ステップＳ
６）を行なう。そして、これらステップＳ３〜Ｓ６の各
演算処理を行なうと、ステップＳ２に戻って時間設定に
より一定微小時間だけ経過した時点を想定した上で、再
びステップＳ３〜Ｓ６の各演算処理を行なう。このよう
にして、各状態量が収束するに至るまで、一定の微少な
想定時間間隔で上記各演算処理を繰り返し行なう。

【００２７】上記ステップＳ３の演算処理では、次のよ
うにして管内の各部の状態量を求める。

【００２８】すなわち、管モデルには、壁面摩擦係数、
曲がり損失、管壁との熱交換を考慮して、次のような質
量、運動量、エネルギーの各保存式を適用する。

【００２９】

【数１】

【００３０】上記（１）〜（３）式を変形することによ
り、次のような状態量変化を表す特性方程式を得る。

【００３１】

【数２】

【００３２】上記（４）式は圧力伝播の軌跡、（５）式
は（４）式に沿っての変化、（６）式は粒子の移動軌
跡、（７）式は（６）式に沿っての変化である。

【００３３】そして、管を等分割し、ある時刻における
各分割点での状態量（Ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）が既知であると
すれば、上記（４）〜（７）を差分近似した後、連立さ
せて解くことにより、微少時間後の各状態量を求めるこ
とができる。

【００３４】上記ステップＳ４の演算処理では、次のよ
うにして容器の状態量の変化を求める。

【００３５】すなわち、容器内では、次のエネルギー平
衡式が成り立つ。

【００３６】

【数３】

【００３７】この式において、Σ（ＣｐＴｄＧ／ｄｔ）
は容器に流入するガスのエネルギー、ｄＱ／ｄｔは壁面
からの伝達熱量や燃焼による発熱量等、ｄ（ＣｖＧＴ）
／ｄｔは内部エネルギーの変化、ＡＰｄＶ／ｄｔは外部
から受ける仕事量である。

【００３８】この式を解くことにより、容器内の状態量
の変化を求めることができる。

【００３９】なお、とくにインタークーラのモデルにつ
いては、体積変化はないので、

【００４０】

【数４】

【００４１】を解くことにより、インタークーラ内の状
態量の変化を求めることができる。

【００４２】また、上記ステップＳ５の境界モデルにつ
いての演算処理では、容器から管に空気が流れる部分に
ついては後記の過給機吐出側モデルについての演算と同
様の演算を行ない、管から容器に空気が流れる部分につ
いては後記の過給機吸入側モデルについての演算と同様
の演算を行なうことにより、管端における圧力、流量、
温度等の状態量を求める。もっとも、後述のように過給
機吐出側モデル、過給機吸入側モデルの各演算では容器
内の圧力を仮定する必要があるが、ステップＳ５の演算
において容器内の圧力が上記容器モデルの演算等によっ
て与えられるので、管端の状態量を直接的に求めること
ができる。

【００４３】また、前記のステップＳ６の過給機状態量
演算処理では、図２に示す過給機モデルを用いるととも
に、予め調べられた図５のような上記過給機単体の特性
のデータを利用する。この過給機単体の特性のデータ
は、予め使用する機械式過給機を定常流試験することに
よって得られる。つまり、機械式過給機を試作してその
吸入側および吐出側に可変絞りを取付け、過給機を種々
の回転数で作動させ、かつ絞りを種々変えた場合につい
てそれぞれ、圧力比（吐出圧力と吸入圧力との比）、吐
出流量、温度変化量（吐出側温度と吸入側温度との差）
等を計測に基づいて求め、これらの関係を調べる。これ
により、種々の過給機回転速度における圧力比と吐出流
量との関係、およびこれらと上記温度変化量との関係を
表す図５のような過給機特性データのマップを得る。

【００４４】そして、上記過給機状態量演算処理を具体
的には図４に示すように行なう。

【００４５】すなわち、先ず上記過給機モデルのうちの
吐出側モデル１２につき、容器１ｂ内の圧力Ｐvoを仮定
し(ステップＳ１１)、後述の演算処理により吐出側の流
量Ｍo を求める(ステップＳ１２)。次いで、上記吸入側
モデル１１につき、容器１ａ内の圧力Ｐviを仮定し(ス
テップＳ１３)、後述の演算処理により吸入側の流量Ｍi
を求める（ステップＳ１４）。

【００４６】そして、過給機の吸入流量と吐出流量とは
等しいはずであるから、上記ステップＳ１２とステップ
Ｓ１４とでそれぞれ求めた上記流量Ｍo ，Ｍi が等しい
か否かを調べ（ステップＳ１５）、等しくなければ、上
記吸入側モデル１１における容器１ａの圧力Ｐviの仮定
値を変更した上で、改めて吸入側モデル１１についての
演算処理により吸入側の流量Ｍiを求める。このように
して、上記圧力Ｐviの仮定値を変更しつつ、ステップＳ
１３，Ｓ１４を繰り返すことにより、上記流量Ｍo ，Ｍ
i が等しくなる状態を探索する。

【００４７】上記流量Ｍo ，Ｍi が等しい状態が得られ
ると、演算処理で求められる吐出圧力（吐出側の管端圧
力）Ｐpoと吸入圧力（吸入側の管端圧力）Ｐpiとから、
圧力比Ｐr を求める（ステップＳ１６）。そして、図５
に示す過給機特性データのマップから、上記ステップＳ
１６で求めた圧力比と設定した過給機回転速度とに応じ
た吐出流量Ｍmap を求め（ステップＳ１７）、上記ステ
ップＳ１２で求めた吐出流量Ｍo と上記特性マップから
求めた吐出流量Ｍmap とを比較する（ステップＳ１
８）。

【００４８】この場合、同一回転数における圧力比と吐
出流量との関係としては、図２に示す過給機モデルを用
いた後述の演算処理によると、図６に線１５で示すよう
に圧力比が高くなるにつれて吐出流量が増加するが、実
際には圧力比が高くなると吐出側から吸入側へのリーク
量が増えるので、上記特性マップによると、図６に線１
６で示すように圧力比が高くなるにつれて吐出流量が減
少する。そして、上記両線１５，１６は一点において交
差し、その交点では、上記過給機モデルを用いた演算に
よる圧力比、吐出流量が特性マップによるものと合致す
ることとなる。

【００４９】そこで上記交点を探索すべく、過給機モデ
ルを用いた演算による吐出流量Ｍoと特性マップによる
吐出流量Ｍmap とが同一過給機回転速度、同一圧力比の
条件下で等しいか否かを調べ、等しくなければ、上記吐
出側モデルにおける容器の圧力Ｐvoの仮定値を変更した
上で、改めてステップＳ１１〜Ｓ１８の処理を行ない、
Ｍo ＝Ｍmap となるまで、ステップＳ１１〜Ｓ１８の処
理を繰り返す。

【００５０】Ｍo ＝Ｍmap となった場合には、演算処理
により求められる吸入側温度（過給機吸入側の管端の温
度）Ｔpiと、過給機回転速度、圧力比および吐出流量に
応じて図５の特性マップから求められる温度差とに基づ
き、吐出側温度（過給機吐出側の管端の温度）Ｔpoを求
める（ステップＳ１９）。また、これ以外の管端の状態
量である吐出圧力Ｐpo等については、演算処理（ステッ
プＳ１２およびステップＳ１４）による最終的な演算値
をもって決定する（ステップＳ２０）。

【００５１】この過給機状態量演算処理において、過給
機吐出側モデルについての演算処理および過給機吸入側
モデルについての演算処理は、次のように行なわれる。
なお、吐出側モデルにおいては、容器内の圧力をＰvo、
同温度をＴvo、絞り（容器の管との間）の圧力をＰto、
同温度をＴto、同流速をｕto、同断面積をＡto、過給機
直下流の管端の圧力をＰpo、同温度をＴpo、同流速をｕ
po、同断面積をＡpoとする。また、吸入側モデルにおい
ては、容器内の圧力をＰvi、同温度をＴvi、絞り（容器
の管との間）の圧力をＰti、同温度をＴti、同流速をｕ
ti、同断面積をＡti、過給機直上流の管端の圧力をＰp
i、同温度をＴpi、同流速をｕpi、同断面積をＡpiとす
る。

【００５２】吐出側モデルについては、容器内の圧力Ｐ
voを仮定しておく。

【００５３】この吐出側モデルにおいては、次のエネル
ギー、質量の各保存式が成り立つ。

【００５４】

【数５】

【００５５】容器から絞りへは断熱変化を仮定すると、
次式が成り立つ。

【００５６】

【数６】

【００５７】管端が亜音速の場合は前記（５）式を適用
し、音速の場合は次式を適用する。

【００５８】

【数７】

【００５９】また、絞りにおいて亜音速の場合は次の
（１２）式、音速の場合は（１３）式が成り立つ。

【００６０】

【数８】

【００６１】上記（８）〜（１３）式と（４）〜（７）
式を連立して解くことにより、管端における状態量（Ｐ
po，Ｔpo，ｕpo）を求めることができる。

【００６２】一方、吸入側モデルについては、容器内の
圧力Ｐpiを仮定しておく。

【００６３】この吸気側モデルの演算も吐出側モデルと
ほぼ同様であり、次のエネルギー、質量の各保存式が成
り立つ。

【００６４】

【数９】

【００６５】管から絞りへは断熱変化を仮定すると、次
式が成り立つ。

【００６６】

【数１０】

【００６７】また、絞りにおいて亜音速の場合は次の
（１７）式、音速の場合は（１８）式が成り立つ。

【００６８】

【数１１】

【００６９】上記（１４）〜（１８）式と（４）〜
（７）式を連立して解くことにより、管端における状態
量（Ｐpi，Ｔpi，ｕpi）を求めることができる。

【００７０】このような過給機状態量演算処理における
吐出側モデルおよび吸入側モデルの演算では、吸気系状
態量演算処理における菅モデルの演算が反映されてい
る。また、過給機状態量演算処理により求められた菅端
の状態量は、図３に示した各演算処理の繰り返しの中
で、次回の菅モデルの演算等に反映される。

【００７１】このようにして、図３中のステップＳの各
処理からなる吸入系状態量演算処理と図４のステップＳ
１１〜Ｓ２０を内容とするステップＳ６とを、相互に演
算結果を刻々と反映させつつ、各状態量が収束する状態
に至るまで、繰り返し行うことにより、過給圧（吐出圧
力）をおよびその他の状態量を求める。

【００７２】以上のような方法によると、試験により調
べておくデータとしては図５に示すような過給機単体の
特性試験によるデータさえあれば、機械式過給機１およ
びエンジンの諸元から、コンピュータシミュレーション
により過給圧等の状態量が簡単に、しかも精度良く求め
られる。

【００７３】つまり、機械式過給機１を除く吸気系につ
いては、従来技術の中でも説明したように、管モデル、
容器モデル等の組合せとしてモデル化し、シミュレーシ
ョンにより状態量を演算する手法を既に提案している
が、吸気系に機械式過給機を組み込んだ機械式過給機付
エンジンにおいては、過給機内部での圧力変化、温度変
化があるために、上記手法によるだけでは過給機の状態
量を求めることができない。一方、過給機単体について
の各種過給機回転速度における圧力比と吐出流量との関
係やこれらと温度との関係等の特性は、予め試験によっ
て調べておくことができるが、吸気系に組み込んだ状態
における過給圧等の状態量は、過給機の特性だけでは決
まらない。

【００７４】そこで、当実施例の方法では、過給機１を
図２のようにモデル化し、その吸気側モデル１１および
吐出側モデル１２につき、容器内圧力を仮定して状態量
を演算し、その仮定値を変更して演算を繰り返しつつ、
吸入流量と吐出流量とが等しくなる状態を探索し、さら
に上記過給機単体特性の試験によるデータとの比較に基
づき、同一過給機回転速度の条件下で演算による吐出量
および圧力比が試験によるデータ（図５の特性マップ）
による値と合致する状態を探索するようにしている。し
かも、この過給機状態量演算処理と吸気系状態量演算処
理とを相互に反映させつつ繰り返している。従って、過
給機の特性と吸気系の諸条件とに応じた過給圧等の状態
量が精度良く求められることとなる。

【００７５】そして、予めエンジン回転速度を想定して
図３，図４に示す演算処理を状態量が収束するまで繰り
返すことによりそのエンジン回転速度での過給圧等の状
態量が求められ、各種エンジン回転速度についてこのよ
うなシミュレーションを行なうことによりエンジン回転
速度と過給圧等との対応関係が求められる。図７は充填
量、過給機吐出圧力（過給圧）および過給機吐出温度に
つき、種々のエンジン回転速度での上記シミュレーショ
ンによる計算値と試作機についての実測値とを示し、こ
の図のように、上記計算値は実測値に充分に近似する。

【００７６】また、前記の図３，図４の演算処理で状態
量が収束するまでの過程における状態量は、過渡時にお
ける状態量に相当するので、例えば図８に示すようなシ
ミュレーションデータを調べることにより、機械式過給
機付エンジンの過渡性能も知ることができる。すなわ
ち、図８は、機械式過給機下流の吸気通路容積等の諸元
が異なる種々の吸気系につき、上記シミュレーションに
より求められる過給圧の変化を示しており、過給圧が収
束に至るまでのエンジンサイクル数および過給圧の収束
値が吸気系の諸元によって変化することがわかり、この
図に示すようなシミュレーションデータにより、過給効
率、過渡性能等を調べることができる。

【００７７】次に、上記のような過給圧算出方法を利用
した吸気系の設定方法を説明する。

【００７８】図９は吸気系設定手順の一例を示す。この
手順を説明すると、先ずエンジン排気量、シリンダ径、
ピストンストローク、圧縮比等のエンジン主要諸元を設
定し（ステップＳ２１）、また吸気系については吸気管
長、断面積、バルブタイミング等の諸元を設定する（ス
テップＳ２２）。一方、機械式過給機１については容
量、耐熱限界等の諸元を設定する（ステップＳ２３）。
そして、この過給機１を試作し、これについて前記のよ
うな定常流試験を行ない、その特性についての前記図５
のような過給機特性データのマップを作成する（ステッ
プＳ２４）。

【００７９】上記各諸元の設定の次には、過給機のプー
リ比を設定する（ステップＳ２５）。

【００８０】このような各諸元、プーリ比の設定の後、
前述のようなシミュレーションにより過給圧等の状態量
を演算する（ステップＳ２６）。そして、上記演算に基
づいて求められた過給機吐出温度がエンジンおよび過給
機の信頼性の面で適正範囲内にあるか否かを調べ、適正
範囲内にある場合（ＯＫ）は後記ステップＳ３０に移
る。上記吐出温度がエンジンにとって過度に高くなる場
合（ＮＧ）は、インタークーラ放熱量が吐出温度に対し
て適当（充分に温度を引き下げる程度）か否かを調べ
（ステップＳ２７）、ここで適当と判定した場合もステ
ップＳ３０に移る。

【００８１】吐出温度に対してインタークーラ放熱量が
不充分であれば、ステップＳ２２に戻って吸気系諸元を
変更した上で、改めてステップＳ２５以下の処理を行な
う。なお、インタークーラ放熱量が不充分な場合に、イ
ンタークーラ諸元の変更（ステップＳ２９）を行うよう
にしてもよい。また、上記吐出温度が過給機の信頼性の
面からみて高すぎる場合には、必要に応じて過給機の諸
元を変更する。

【００８２】ステップＳ３０では、過渡特性が要求に適
合する程度か否かを調べ、適合すればステップＳ３１に
移る。要求に適合しない場合は、ステップＳ２２に戻っ
て吸気系諸元を変更した上で改めてステップＳ２５以下
の処理を行ない、また必要に応じて過給機諸元を変更す
る。

【００８３】ステップＳ３１では、吐出圧力がエンジン
性能等にとって適正か否かを調べ、適正でなければ、ス
テップＳ２２に戻って吸気系諸元を変更した上で改めて
ステップＳ２５以下の処理を行ない、また必要に応じて
過給機諸元を変更する。

【００８４】吐出圧力が適正になれば、そのときの吸気
系等の諸元を採択して、これをもって最終的な諸元を決
定する（ステップＳ３２）。

【００８５】このような設計手順において、ステップＳ
３１，Ｓ３２での吐出圧力の判別に基づく諸元決定にお
いては、吸気系諸元を種々変化させた各場合のシミュレ
ーションの演算結果を調べ、そのうちで吐出圧力の最も
低い場合を適正とし、この場合の吸気諸元を選択するよ
うにすることが望ましい。その理由を図１０に示す。

【００８６】図１０は圧力比をパラメータとして体積効
率と過給機回転速度との関係を示している。この図のよ
うに、高速域では圧力比が変わっても体積効率はほぼ同
じであるが、低速域では、圧力比が低くなるにつれて体
積効率が高くなる。つまり、同一過給条件下における圧
力比は吸気系によって変わるが、この圧力比をできるだ
け小さくする（吐出圧力をできるだけ低くする）ように
吸気系を設定することにより、過給の効率が高められ、
充填量が向上されることとなる。

【００８７】また、吸気の動的効果が得られるエンジン
回転数域を変更可能とすべく圧力波伝播経路を変更可能
とする可変吸気手段が機械式過給機付エンジンに吸気系
に具備されている場合には、上記可変吸気手段の切換え
を行なうエンジン回転数の設定も前記のシミュレーショ
ンによる算出方法を利用して効果的に行なうことができ
る。これを図１１〜図１３によって説明する。

【００８８】図１１は可変吸気手段を備えた吸気系のモ
デルの一例を示している。この図に例示したモデルで
は、Ｖ型エンジンの一方のバンクの各シリンダ２１Ａに
通じる独立吸気通路２２Ａが第１集合吸気通路２３Ａ
に、また他方のバンクの各シリンダ２１Ｂに通じる独立
吸気通路２２Ｂが第２集合吸気通路２３Ｂにそれぞれ接
続され、両集合吸気通路２３Ａ，２３Ｂが上流側で接続
されるとともに、両集合吸気通路２３Ａ，２３Ｂを連通
する連通路２４とこの連通路２４を開閉するバルブ２５
とが設けられている。

【００８９】この例によると、上記バルブ２５が開かれ
たときには、各シリンダ２１Ａ，２１ｂと集合吸気通路
２３Ａ，２３Ｂとの間の独立吸気通路２２Ａ，２２Ｂに
おける圧力伝播により高速域で慣性効果が得られ、上記
バルブ２５が閉じられたときには、両集合吸気通路２３
Ａ，２３Ｂの上流側集合部までにわたる部分の圧力振動
により低速域で共鳴効果が得られる。

【００９０】図１２には、図１１に示す構造で過給機を
有しない吸気系のモデルにおいて、エンジン回転数に応
じた充填効率の変化を、上記バルブ２５を開いた場合
（図１１（ａ））と閉じた場合（図１１（ｂ））とにつ
いてそれぞれ、実線と破線とで示している。この図のよ
うに、低速域ではバルブ２５を閉じることにより共鳴効
果で充填効率が高められ、高速域ではバルブを開くこと
により慣性効果で充填効率が高められることとなり、図
中のＮ１がバルブ２６の開閉を切換えるべきエンジン回
転数となる。

【００９１】また、図１３は、図１１のような構造の吸
気系の上流に機械式過給機１を設けたものにおいて、エ
ンジン回転数に応じた充填効率、吐出圧力、吐出温度お
よび過給機駆動損失平均有効圧力を、上記バルブ２５を
開いた場合と閉じた場合とについてそれぞれ、実線と破
線とで示している。

【００９２】この図に示すように、低速域では、バルブ
を閉じる方が充填効率を高め得るとともに吐出圧力、吐
出温度および過給機駆動損失平均有効圧力を低く抑える
ことができる。一方、高速域では、バルブの開、閉いず
れの状態でも過給で充填されるために充填量はほぼ同じ
になるが、バルブを開く方が吐出圧力、吐出温度および
過給機駆動損失平均有効圧力を低く抑えることができ
る。

【００９３】従って、機械式過給機付エンジンでも可変
吸気手段のバルブ２５を低速域で閉じ、高速域で開くよ
うにすればよいが、過給機を有しない吸気系による場合
（図１２）と比べ、吸気温度が高くなることから慣性、
共鳴の同調回転数がずれ、バルブ２５の開閉を切換える
べきエンジン回転数Ｎ２が変わってくる。このため、過
給機を有しない吸気系モデルに基づいて求めたバルブ切
換回転数Ｎ１を過給機付エンジンに適用することは妥当
でない。

【００９４】そこで、バルブ切換回転数Ｎ２の設定にあ
たっても、前記のシミュレーションによる過給圧等の演
算結果を利用することが有効となる。つまり、図１１に
示す構造の吸気系の上流に機械式過給機を備えたモデル
において、上記バルブ２５を開いた状態とバルブ２５を
閉じた状態とについてそれぞれ、前記の図３，図４に示
すような方法により各種状態量を求めて、図１３のよう
なエンジン回転数と各種状態量との関係を調べ、これに
基づいてバルブ切換回転数Ｎ２を求める。これにより、
可変吸気手段の切換点を精度良く設定することができ
る。

【００９５】

【発明の効果】以上のように、本発明の過給圧算出方法
は、機械式過給機を除く吸気系については管モデル、容
器モデル等の組み合わせとして状態量を求める一方、機
械式過給機については、吸入側と吐出側とに分けてモデ
ル化し、それぞれ容器の圧力を仮定して吸入流量及び吐
出流量を演算し、この演算を上記各圧力の仮定値を更新
しつつ繰返し行なうことにより、これらの流量演算値が
互いに等しくなり、かつ、この流量演算値と予め調べら
れた過給機単体の特性を示す過給機特性データによる吐
出流量とが同一圧力比、同一過給機回転数の条件下で等
しくなる状態を探索し、この状態となったときの上記各
仮定値および過給機特性データから過給機モデルについ
ての吐出側圧力を含む状態量を求め、この過給機状態量
演算処理と上記吸気系状態量演算処理とを相互に反映さ
せつつ繰り返すことにより、過給圧およびその他の状態
量を求めるようにしている。このため、過給機単体につ
いての特性のデータがありさえすれば、設計段階におい
てコンピュータシミュレーションモデルににより簡単
に、しかも精度良く過給圧およびその他の状態量を求め
ることができる。

【００９６】また、このような過給圧算出方法によって
過給圧を求める処理を、吸気系の諸元を種々変えてそれ
ぞれ行なって、過給圧が適正となる吸気系の諸元を選び
出し、例えば過給圧が最も低くなる吸気系の諸元を選び
出すことにより、高い過給効率が得られるような吸気系
の設計を簡単に行うことができる。

【００９７】また、機械式過給機付エンジンのシミュレ
ーションモデルに可変吸気手段を組み込み、この可変吸
気手段の状態が異なる各場合につき、上記過給圧算出方
法により種々のエンジン回転数における過給圧を求め、
これに基づいて上記可変吸気手段を切換えるべきエンジ
ン回転数を求めるようにすると、上記可変吸気手段の設
定を適正に行うことができる。

【００９８】上記過給圧算出方法によってインタークー
ラを含む吸気系の状態量を求め、これに基づき、インタ
ークーラの諸元を設定するようにすれば、インタークー
ラの設計も簡単に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】機械式過給機付エンジンのシミュレーションモ
デルを示す図である。

【図２】過給機モデルを示す図である。

【図３】過給圧算出方法の全体の手順を概略的に示す図
である。

【図４】過給機状態量演算処理の手順を示す図である。

【図５】過給機特性データのマップを示す図である。

【図６】圧力比および吐出流量の演算値と過給機特性デ
ータによる値との関係を示す図である。

【図７】充填効率、吐出圧力、吐出温度についての計算
値および実測値を示すグラフである。

【図８】過給圧の計算値の変化を示すグラフである。

【図９】設計方法の手順を示す図である。

【図１０】過給機回転速度と体積効率との関係を示すグ
ラフである。

【図１１】可変吸気手段を含む吸気系を示し、（ａ）は
バルブを開いた状態、（ｂ）はバルブを閉じた状態をそ
れぞれ示す図である。

【図１２】自然吸気エンジンにおいて可変吸気手段のバ
ルブを開いた場合と閉じた場合とにつき、種々のエンジ
ン回転速度での充填効率を示すグラフである。

【図１３】機械式過給機付エンジンにおいて可変吸気手
段のバルブを開いた場合と閉じた場合とにつき、種々の
エンジン回転速度での充填効率、吐出圧力、吐出温度、
過給機駆動損失平均有効圧力を示すグラフである。

【符号の説明】

１機械式過給機２インタークーラ３サージタンク４シリンダ５，６，７，８吸気管

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】機械式過給機付エンジンのシミュレーシ
ョンモデルを用いて過給圧を算出する方法であって、機
械式過給機を除く吸気管、燃焼室等からなる吸気系を管
モデル、容器モデル等のサブモデルの組み合わせとして
モデル化し、この吸気系モデルについて各部の圧力、流
量、温度等の状態量を求める吸気系状態量演算処理を行
なう一方、機械式過給機を吸入側と吐出側の２つの容器
にモデル化し、この過給機吸入側および吐出側の各モデ
ルにつき、容器内の圧力を仮定して、この各容器と吸気
管との接続部分における状態量の関係式により吸入流量
および吐出流量を演算し、この演算を上記各圧力の仮定
値を更新しつつ繰返し行なうことにより、これらの流量
演算値が互いに等しくなり、かつ、この流量演算値と予
め調べられた過給機単体の特性を示す過給機特性データ
による吐出流量とが同一圧力比、同一過給機回転数の条
件下で等しくなる状態を探索し、この状態となったとき
の上記各仮定値および過給機特性データから過給機モデ
ルについての吐出圧力を含む状態量を求め、この過給機
モデルについての状態量を求める過給機状態量演算処理
と上記吸気系状態量演算処理とを、同一過給機回転数条
件下で、相互に演算結果を刻々と反映させつつ、状態量
が収束するに至るまで一定の想定時間毎に繰り返すこと
により、過給圧およびその他の状態量を求めることを特
徴とする機械式過給機付エンジンにおける過給圧算出方
法。
【請求項２】上記過給機特性データは、各種過給機回
転数毎の圧力比と吐出流量との関係およびこれらと過給
機での温度変化量との関係を示すものであり、上記過給
機状態量演算処理で求められる過給機モデルについての
状態量には上記過給機特性データに基づいて求められる
吐出温度が含まれていることを特徴とする請求項１記載
の機械式過給機付エンジンにおける過給圧算出方法。
【請求項３】上記吸気系モデルの中にサブモデルの一
つとしてインタークーラの容器モデルを有し、インター
クーラの放熱量を与えて容器モデルについての演算によ
りインタークーラの状態量を求めることを特徴とする請
求項１または２記載の機械式過給機付エンジンにおける
過給圧算出方法。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の過給
圧算出方法によって過給圧を求める処理を、吸気系の諸
元を種々変えてそれぞれ行ない、過給圧が適正となる吸
気系の諸元を選び出すことを特徴とする吸気系の設計方
法。
【請求項５】過給圧が最も低くなる吸気系の諸元を選
び出すことを特徴とする請求項４記載の吸気系の設計方
法。
【請求項６】機械式過給機付エンジンのシミュレーシ
ョンモデルに、吸気圧力波伝播経路を変更可能にする可
変吸気手段を組み込み、この可変吸気手段の状態が異な
る各場合につき、請求項１乃至３のいずれかに記載の過
給圧算出方法により種々のエンジン回転数における過給
圧を求め、この過給圧の演算データに基づいて上記可変
吸気手段を切換えるべきエンジン回転数を求めることを
特徴とする吸気系の設計方法。
【請求項７】請求項３に記載の過給圧算出方法によっ
て求めた状態量に基づき、インタークーラの諸元を設定
することを特徴とする吸気系の設計方法。