JP3632986B2 - 過給機付エンジンにおけるｈｃの排出量算出方法およびバルブタイミング設定方法 - Google Patents
過給機付エンジンにおけるｈｃの排出量算出方法およびバルブタイミング設定方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、過給機付エンジンにおいて吸・排気弁の開弁オーバラップ期間中の新気の吹き抜けに伴って排出されるＨＣの排出量を算出する方法と、それに基づくバルブタイミングの設定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、コンピュータを用いた解析、計算により各種状態量等を求め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（１９８８ ＮＯ６）」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】
このようにコンピュータを利用した解析、演算により各種状態量などを求めるようにすると、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する必要がなく、エンジン等の評価およびそれに応じた諸元の決定等を机上で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、吸気通路に過給機を設けた過給機付エンジンでは、排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とがオーバラップする開弁オーバラップ期間中に、過給機により加圧された新気が燃焼室に送り込まれることで燃焼室内の掃気作用が得られるという利点がある反面、新気の一部が排気ポートに吹き抜けて、その吹き抜け新気に含まれる燃料により、ＨＣ排出量が増加する可能性がある。そして、新気の吹き抜け量には、開弁オーバラップ期間の長さが関係するため、掃気性をもたせつつ新気の吹き抜けによるＨＣ排出量の増大を抑えるように、吸・排気弁のバルブタイミング（開弁オーバラップ期間の長さ）を適正に設定することが要求される。そして、設計段階等でこのような要求を満足すべく検討を行なうためには、新気の吹き抜けによるＨＣ排出量を調べる必要がある。
【０００６】
従来、このような場合にＨＣ排出量を計算で精度良く求める方法が開発されておらず、試作機についてＨＣ排出量を実測しているのが実情である。しかし、設計段階でバルブタイミングや吸気系の諸元等を種々変更してＨＣ排出量を調べようとすると、その都度試作して測定装置により実測を行なう必要があり、その作業が非常に面倒なものとなる。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑み、設計段階などでバルブタイミング等を種々変更して新気の吹き抜けによるＨＣ排出量を調べるような場合に、その都度実測を行なう必要がなく、計算によって簡単に、しかも精度良くＨＣ排出量を求めることができる過給機付エンジンにおけるＨＣの排出量算出方法を提供し、またこの方法を利用してバルブタイミングを机上で容易に設定することができるバルブタイミング設定方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る過給機付エンジンにおけるＨＣの排出量算出方法は、吸気ポート近傍に燃料を噴射するインジェクタを有する過給機付エンジンにおける吸・排気弁の開弁オーバラップ期間中のＨＣ排出量を算出する方法であって、燃焼室形状を含むエンジン諸元およびエンジン回転数を含むエンジン作動条件を設定することにより吸・排気ポートの圧力および温度を求め、この求められた圧力および温度と上記エンジン諸元および上記エンジン作動条件に基づき、上記開弁オーバラップ期間中の排気ポートへ新気の吹き抜け量と燃焼室への吸気の充填量とを計算して、上記充填量に対する上記吹き抜け量の割合である吹き抜け割合を計算し、一方、実機での燃焼室からのＨＣ排出量を上記設定されたエンジン作動条件と同一条件で実測しておき、同一条件下での上記吹き抜け割合の計算値と上記ＨＣ排出量の実測値との対比を上記エンジン作動条件を変更して少なくとも 2 組行うことで上記吹き抜け割合とＨＣ排出量との対応関係を示す相関特性を求め、この相関特性から各種のエンジン作動条件下でのＨＣの排出量を算出するようにしたものである。
【０００９】
この方法において、吸気ポートにおける上記インジェクタより下流の部分の容積を新気量に換算した値と、上記新気吹き吹け量の計算値とを比較し、この新気吹き吹け量が上記インジェクタ下流の容積の換算値よりも大きい場合には、インジェクタ下流の容積の換算値を新気吹き抜け量とすることが好ましい（請求項２）。
【００１０】
また、上記排気ポートへの新気の吹き抜け量を、吸気ポート、燃焼室および排気ポートにわたる新気と既存ガスとの混合状態の推移について三次元解析を行なうことにより求めることが好ましい（請求項３）。
【００１１】
この請求項３の発明において、上記吸・排気ポートの圧力および温度を一次元解析により求めるとともに、排気ポートへの新気の吹き抜け量を求めるための三次元解析を開弁オーバラップ期間中のみ行なうことが好ましい（請求項４）。
【００１２】
さらに、上記三次元解析に基づき、排気ガス中の新気割合と燃焼室内ガス中の新気割合との比を近似式で与え、その後にＨＣ排出量の演算を行なうときには上記近似式を用いて吹き抜け割合を一次元解析による計算で求めることが好ましい（請求項５）。
【００１３】
請求項６に係るバルブタイミング設定方法は、請求項１乃至５のいずれかに記載のＨＣの排出量算出方法により求めたＨＣ排気量と吸・排気弁のバルブタイミングとを対比させて、各種バルブタイミングにおけるＨＣ排出量を調べ、これに基づいてバルブタイミングを設定するようにしたものである。
【００１４】
【作用】
請求項１に係るＨＣの排出量算出方法によると、上記開弁オーバラップ期間中の新気の吹き抜け量と充填量との割合である吹き抜け割合が演算により求められる。そして、この吹き抜け割合だけではＨＣ排出量の絶対値がわからないが、この吹き抜け割合の計算値とＨＣ排出量の実測値との対比に基づいて吹き抜け割合とＨＣ排出量との相関特性が求められ、この相関特性から上記吹き抜け割合の計算値に応じてＨＣ排出量が計算で簡単に、かつ精度良く求められる。上記ＨＣ排出量の実測は、相関関係を求める際に行なわれるだけであって、相関特性が求められた後は実測を必要とせずにＨＣ排出量が計算される。
【００１５】
この方法において、請求項２記載のようにすると、ＨＣ排出量に関与しないインジェクタ上流からの新気が上記吹き抜け量に含まれている場合にその分が上記吹き抜け量の計算値から除外されることとなり、これより、上記相関特性が精度良く求められることとなる。
【００１６】
また、請求項３記載のようにすると、三次元解析により新気の吹き抜け量が精度良く求められ、これに伴い、上記吹き抜け割合および上記相関特性が精度良く求められることとなる。
【００１７】
請求項４記載のようにすると、吸・排気ポートの圧力および温度が一次元解析による計算で簡単に、かつ精度良く求められるとともに、一次元解析と比べると計算が複雑な三次元解析は、上記開弁オーバラップ期間についてだけ行なえばよいこととなる。
【００１８】
請求項５記載のようにすると、上記近似式が与えられた後は、これを用いた一次元解析により上記吹き抜け割合が計算されることにより、計算が簡略化され、計算時間が短縮される。
【００１９】
請求項６に係るバルブタイミング設定方法によると、上記のＨＣの排出量算出方法が利用されて、バルブタイミングの設定が容易に行なわれることとなる。
【００２０】
【実施例】
図１は過給機付エンジンを模式的に示し、この図において、エンジンの各シリンダ１には吸気通路２および排気通路３が接続され、各シリンダ１の燃焼室４に吸気通路下流端側の吸気ポート５および排気通路上流端側の排気ポート６が開口している。上記吸気通路２には過給機７が設けられ、図示の例では機械式過給機が設けられている。さらに吸気通路２にはインタークーラ８、サージタンク９等が設けられ、また吸気ポートの近傍に燃料噴射を行なうインジェクタ１０が配設されている。
【００２１】
図２は燃焼室４およびポート部分を模式的に示し、この図において、吸気ポート５および排気ポート６には、各ポートを開閉する吸気弁１１および排気弁１２が設けられている。そして、一般に知られているように、排気行程で排気弁１２が開かれ、これに続く吸気行程で吸気弁１１が開かれるが、両者の開弁期間は一部オーバラップしている。また、この図では新気１５を点描で表わすとともに、上記吸・排気弁１１，１２の開弁オーバラップ期間中の新気１５の流れを矢印で示している。
【００２２】
この図に示すように、過給機付エンジンでは、上記開弁オーバラップ期間中に、過給機７で加圧されて燃焼室４に送り込まれる新気１５の一部が排気ポート６に吹き抜けることがある。この場合、吸気弁１１周辺から燃焼室４に流入した新気が排気ポート６に向かう流れとしては、燃焼室４中央部を通って直線的に排気ポート６側に向かう流れのほかに、燃焼室４外周側や吸気弁１１の下方等をまわって排気ポート６に向かうような流れもあり、三次元的なものとなる。
【００２３】
本発明の方法では、上記のようなオーバラップ期間中の新気１５の移動、分布を数値流体力学（ＣＦＤ）で解析し、とくに上記のように排気ポート６側への新気１５の流れが三次元的なものであることを考慮し、三次元ＣＦＤプログラムによって解析することにより、上記オーバラップ期間中の排気ポート６への新気吹き抜け量と燃焼室４への吸気の充填量とを求めて、上記充填量に対する新気１５の吹き抜け量を計算により求めることとする。なお、上記充填量については、一次元解析で求めることもできる。
【００２４】
上記三次元ＣＦＤによる解析にあたっては、エンジン諸元を設定するとともに吸・排気ポート５，６の圧力、温度を予測し、これらに基づいて解析、演算を行なう。この際、望ましくは、吸・排気系のすべてについて一次元ＣＦＤによる解析を行なうことにより、吸・排気ポート５，６の圧力、温度を計算し、これを境界条件として上記三次元解析を開弁オーバラップ期間において行なう。なお、上記吸・排気ポート５，６の圧力、温度（境界条件）の予測値として一定の値を設定しておき、三次元ＣＦＤによる解析をエンジンの１サイクルにわたって行なうようにしてもよい。ただし、三次元解析は一次元解析と比べると計算が複雑であって、エンジンの１サイクルにわたって三次元解析を行なうと計算量が膨大になり、演算処理時間が増大するため、上記のように一次元解析で求めた値を境界条件として、三次元ＣＦＤを開弁オーバラップ期間だけ行なうことが好ましい。
【００２５】
上記一次元ＣＦＤのプログラムとしては、エンジンおよび吸・排気系の諸元に基づき過給圧の計算が可能なプログラムを用いる。
【００２６】
また、上記三次元ＣＦＤのプログラムとしては、吸・排気バルブおよびピストンの作動を取扱うことができること、吸気と排気の２種類のガスの混合を考慮することができること、バルブを通過する各々のガスの時間的変化がわかることの各条件を満足するプログラムを用いる。このような三次元ＣＦＤプログラムは既に開発されているものである。
【００２７】
このプログラムを用いた開弁オーバラップ期間中の三次元解析の手法の概略を説明すると、解析にあたっては、図３に示すように、吸気ポート５、燃焼室４および排気ポート６にわたって解析のための三次元メッシュを設定する。そして、この三次元メッシュの各部位についてそれぞれ、新気と既存ガス（燃焼室内残留ガスおよび排出ガス）との混合割合の一定微少時間毎の変化を、繰返し計算していく。これにより、開弁オーバラップ期間中の微少時間毎の各時点における新気の分布状態を解析、演算することができる。
【００２８】
図４はこのような三次元解析により調べた開弁オーバラップ期間内の新気１５の分布状態の変化を示しており、開弁オーバラップ期間の途中の時点から時系列的に図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に新気１５の分布状態が変化し、排気ポート６の新気ガス濃度が次第に増加する。そして、排気ポート部分の新気分布状態の変化から一定微少時間毎の新気吹き抜け量を求め、これを時間で積分することにより、開弁オーバラップ期間中の新気の吹き抜け量を計算することができる。
【００２９】
ＨＣ排出量算出方法の全体の手順については、図５および図６に示す。
【００３０】
図５に示す手順を説明すると、先ず、燃焼室形状等のエンジン主要諸元および吸・排気系の諸元を含むエンジン諸元を設定する（ステップＳ１）。次に、バルブタイミングおよびエンジン回転数等のエンジン作動条件を与える（ステップＳ２）。続いて、エンジン諸元等に基づき、上記一次元プログラムによる吸・排気系全体についての解析により、吸・排気ポート５，６の圧力および温度を計算する（ステップＳ３）。
【００３１】
次に、上記三次元プログラムにより、上記一次元解析結果を境界条件として、開弁オーバラップ期間だけ三次元解析を行なう（ステップＳ４）。そして、上記開弁オーバラップ期間中の新気の吹き抜け量および充填量を求め、吹き抜け割合（新気吹き抜け量／充填量）を計算する（ステップＳ５）。
【００３２】
この場合に、吸気ポート５における上記インジェクタ１０より下流の部分の容積を新気量に換算した値と、上記の三次元解析で求めた新気吹き吹け量とを比較し、この新気吹き吹け量が上記インジェクタ下流の容積の換算値よりも大きい場合には、インジェクタ下流の容積の換算値を新気吹き抜け量とする。このようにしているのは、後述の吹き抜け割合とＨＣ排出量との対応関係を確保するためである。すなわち、新気吹き吹け量が上記インジェクタ下流の容積の換算値よりも大きくなった場合は、インジェクタ上流からの新気も吹き抜けていることになるが、開弁オーバラップ期間中にＨＣが排出されるのはインジェクタから噴射されて下流側の新気と混合した燃料が吹き抜けることによるものであることから、インジェクタ上流からの新気はＨＣ排出量には関与せず、これを含めた新気吹き抜け量はＨＣ排出量に対応しなくなる。このため、新気吹き抜け量のうちでインジェクタ上流からの新気分は除くようにしているのである。
【００３３】
上記ステップＳ２〜ステップＳ５の処理は、バルブタイミングおよびエンジン回転数等を変更して複数回繰返し、つまり、複数種のエンジン作動条件においてそれぞれ、上記三次元解析等を行なって吹き抜け割合を計算する。
【００３４】
一方、実機についてＨＣ排出量の実測を行なっておく（ステップＳ６）。この実測もエンジン作動条件を変えて複数回行ない、最低限２回行なう。
【００３５】
そして、上記ステップＳ２〜ステップＳ５の処理を複数回繰返した後には、同一エンジン作動条件下における上記吹き抜け割合の計算値と上記ＨＣ排出量の実測値との対比に基づき、図７に示すような上記吹き抜け量とＨＣ排出量との対応関係を示す相関特性を求める（ステップＳ７）。つまり、上記吹き抜け量とＨＣ排出量とは直線的な対応関係を有するので、同一エンジン作動条件下での吹き抜け割合計算値とＨＣ排出量実測値とを１組として、複数組（少なくとも２組）の吹き抜け割合計算値とＨＣ排出量実測値とを対比すれば、図７に示すような相関特性を求めることができる。そして、この相関特性を、例えば関数式等の形で記憶する。
【００３６】
このように相関関係を求めた後は、ステップＳ７で対比した値以外でも吹き抜け割合の計算値に応じて上記相関特性からＨＣ排出量を求めることができるので、各種のエンジン作動条件下での吹き抜け割合の計算値に応じてＨＣ排出量を求める（ステップＳ８）。
【００３７】
また、上記三次元解析に基づく処理としては、上記ステップＳ５，Ｓ７，Ｓ８の処理の他に、三次元解析結果の傾向を一次元プログラムに取り込むようにする処理（ステップＳ９）を行なうことが好ましい。この処理としては、上記三次元解析に基づき、開弁オーバラップ期間中の各種時点における排気ガス中の新気割合と燃焼室内ガス中の新気割合との比を求めて、この比とクランク角との対応関係を近似式で与え、この近似式を定める値をマップとして記憶する。
【００３８】
この処理を具体的に説明する。図８に示すような開弁期間中のクランク角に対応した排気ガス中の新気割合Ｒａおよび燃焼室内の新気割合Ｒｂは、上記三次元解析で求めることができる。ここで、排気ガス中の新気割合Ｒａとは（排気バルブを通過する新気量）／（排気バルブを通過する全ガス量）であり、燃焼室内の新気割合Ｒｂとは（燃焼室内の新気量）／（燃焼室内の全ガス量）である。
【００３９】
上記排気ガス中の新気割合Ｒａと燃焼室内の新気割合Ｒｂとの比（Ｒａ／Ｒｂ）をとると、この比とクランク角との関係は図９に示すごとく線ａｂ、線ｂｃからなるような形に近似させることができ、近似式で表すことができる。この近似特性（点ａ，ｂ，ｃの値）はバルブタイミング、エンジン回転数等によって変化する。そこで、数種類のエンジン作動条件下で行なった三次元解析に基づき、上記比（Ｒａ／Ｒｂ）についての傾向を求め、近似式を定める点ａ，ｂ，ｃ等のデータをマップとして取り込むことにより、エンジン作動条件等に応じてこのマップから近似式が得られるようにする。
【００４０】
このようにすると、その後は三次元解析を行なう必要がなく、図６に示すように一次元プログラムによる解析で近似的に上記吹き抜け割合を計算することが可能となる。
【００４１】
この図６に示す手順を説明すると、先ず、燃焼室形状等のエンジン主要諸元および吸・排気系の諸元を含むエンジン諸元を設定する（ステップＳ１１）。次に、バルブタイミングおよびエンジン回転数等のエンジン作動条件を与える（ステップＳ１２）。
【００４２】
次に、一次元解析により、過給圧の計算等を行なうとともに、上記の図５のステップＳ９の処理で一次元プログラムに取り込まれたデータからエンジン作動条件等に応じて得られる近似式を用い、吹き抜け割合を計算する（ステップＳ１３）。そして、この吹き抜け割合に応じ、上記の図５のステップＳ７の処理で求められた相関特性から、ＨＣ排出量を算出する（ステップＳ１４）。
【００４３】
以上のようなＨＣ排出量算出方法によると、上記吹き抜け割合が演算により求められ、とくに図５に示す手順が実行されるときには、ステップＳ４での三次元解析により新気の吹き抜け量が精度良く求められ、従って吹き抜け割合が精度良く計算される。また、この吹き抜け割合だけでは、ＨＣ排出量の絶対値がわからないが、この吹き抜け割合の計算値とＨＣ排出量の実測値との対比に基づいて吹き抜け割合とＨＣ排出量との相関特性を求めている（ステップＳ７）ので、この相関特性から上記吹き抜け割合の計算値に応じてＨＣ排出量を計算で簡単に、しかも精度良く求めることができる。
【００４４】
この場合、上記相関関係を求めるために上記ＨＣ排出量の実測（ステップＳ６）を行なってはいるが、上記相関特性を求めた後は、この相関特性を用いて計算だけでＨＣ排出量を求めることができ、バルブタイミング等を変えて新たにＨＣ排出量を求めるときに、その都度ＨＣ排出量の実測を行なう必要がない。
【００４５】
さらに、図５に示す手順の中で、ステップＳ９の処理により三次元解析結果の傾向を一次元プログラムに取り込むようにしておけば、その後に新たにＨＣ排出量を求めるときには、一次元解析によるだけでＨＣ排出量を計算することができ、計算時間を短縮することができる。この場合、排気ガス中の新気割合Ｒａと燃焼室内の新気割合Ｒｂとの比についての近似式を用いることにより、精度の良い近似値が得られる。
【００４６】
また、このようなＨＣ排出量算出方法を利用して、適正なバルブタイミングの設定を容易に行なうことができる。このバルブタイミング設定方法を図６中に例示する。
【００４７】
この図６中に示す例では、ＨＣ排出量の計算を各種のエンジン作動条件、とくに各種のバルブタイミングにおいて行ない、それぞれのバルブタイミングとＨＣ排出量とを対比させて、バルブタイミングとＨＣ排出量との関係等を調べる。そしてこれに基づき、例えばＨＣ排出量が要求値を満足するようなバルブタイミングを選択することにより、適正なバルブタイミングを設定する（ステップＳ１５）。
【００４８】
なお、上記の図５および図６に示す方法の中で、一次元解析により吸・排気ポートの圧力、温度等を求める方法のついての内容は本発明で限定するものではないが、過給圧の計算が可能な方法の一例を、図１および図１０〜図１２によって以下に説明する。なお、図では吸気系について示すが、排気系も吸気系に準じて解析等を行なえばよい。
【００４９】
この方法においては、例えば図１に示す吸気系のシミュレーションモデルを次のように設定する。すなわち、エンジンの各シリンダ１を含めた吸気系を過給機７を除く吸気系モデルと過給機モデルとに分ける。そして、吸気系モデル（破線で囲った部分）は、上記吸気通路２の各部の吸気管を表す管モデルと、インタークーラ８、サージタンク９、各シリンダ１等を表す容器モデルと、管と容器との境界部分のモデル等のサブモデルからなるものとする。また、過給機モデルは、図１０に示すように、過給機７を吸入部側と吐出部側の２つの容器７ａ，７ｂにモデル化し、つまり吸入側の容器７ａと上流側の吸気管との接続部分を表す吸入側モデル２１と、吐出側容器７ｂと下流側の吸気管との接続部分を表す吐出側モデル２２とに分ける。
【００５０】
図１１は上記シミュレーションモデルによる演算処理の概略手順を示し、この手順としては、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Ｓ２１）。次に、時間経過を想定するための時間設定（ステップＳ２２）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Ｓ２３）と、上記各容器モデルについての演算処理（ステップＳ２４）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Ｓ２５）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Ｓ２６）を行なう。そして、これらステップＳ２３〜Ｓ２６の各演算処理を行なうと、ステップＳ２２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Ｓ２３〜Ｓ２６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。
【００５１】
上記ステップＳ２３の演算処理では、管モデルにつき、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るというようにして、管内の各部の圧力、温度等の状態量を求める。ステップＳ２４では、容器モデルにつき、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。
【００５２】
また、上記ステップＳ２５では、管端部分、管と容器と境、容器部分の間でのエネルギー、質量の各保存式等を用い、さらに管モデルの状態量との相関関係等を考慮して連立方程式を立てることにより、管端の状態量を求める。
【００５３】
これらの演算処理については、前記の文献「マツダ技報（１９８８ ＮＯ６）」にも示されている。
【００５４】
また、前記のステップＳ２６の過給機状態量演算処理では、図１０に示す過給機モデルを用いるとともに、予め調べられた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１３のような過給機特性データのマップを得る。
【００５５】
これらの関係をマップ化したものである。
【００５６】
そして、上記過給機状態量演算処理を具体的には図１２に示すように行なう。
【００５７】
すなわち、先ず上記過給機モデルのうちの吐出側モデル２２につき、容器７ｂ内の圧力Ｐｖｏを仮定し（ステップＳ３１）、吐出側の流量Ｍｏ を求める（ステップＳ３２）。次いで、上記吸入側モデル２１につき、容器７ａ内の圧力Ｐｖｉを仮定し（ステップＳ３３）、吸入側の流量Ｍｉ を求める（ステップＳ３４）。上記ステップＳ３２，Ｓ３４に示す各演算処理としては、容器内の圧力Ｐｖｏ，Ｐｖｉ、同温度Ｔｖｏ，Ｔｖｉ、絞り（容器の管との間）の圧力Ｐｔｏ，Ｐｔｉ、同温度Ｔｔｏ，Ｔｔｉ、同流速ｕｔｏ，ｕｔｉ、同断面積Ａｔｏ，Ａｔｉ、管端部分の圧力Ｐｐｏ，Ｐｐｉ、同温度Ｔｐｏ，Ｔｐｉ、同流速ｕｐｏ，ｕｐｉ、同断面積Ａｐｏ，Ａｐｉ等の関係につき、境界モデルの演算（ステップＳ２５）と同様の演算を行なう。ただし、上記のように容器内の圧力Ｐｖｏ，Ｐｖｉは仮定値である。
【００５８】
次に、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Ｓ３２とステップＳ３４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Ｓ３５）、等しくなければ、上記吸入側モデル２１における容器７ａの圧力Ｐｖｉの仮定値を変更した上で、改めて吸入側モデル２１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Ｓ３３，Ｓ３４を繰り返すことにより、上記流量Ｍｏ ，Ｍｉ が等しくなる状態を探索する。
【００５９】
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Ｓ３６）。そして、図１３に示す過給機特性データのマップから、上記ステップＳ３６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Ｓ３７）、上記ステップＳ３２で求めた吐出流量Ｍｏ と上記過給機特性データのマップから求めた吐出流量Ｍｍａｐ とを比較する（ステップＳ３８）。つまり、上記吐出流量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Ｓ３１〜Ｓ３８の処理を行ない、Ｍｏ ＝Ｍｍａｐ となるまで、ステップＳ３１〜Ｓ３８の処理を繰り返す。
【００６０】
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１３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Ｓ３９）。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Ｓ３２およびステップＳ３４）による最終的な演算値をもって決定する（ステップＳ４０）。
【００６１】
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１１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。
【００６２】
このようにして、図１１中のステップＳ２３〜Ｓ２５の各処理からなる吸入系状態量演算処理と図１２のステップＳ３１〜Ｓ４０を内容とするステップＳ２６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。
【００６３】
このような方法により、過給圧（吐出圧力）をおよびその他の状態量を求めることができ、前述の図５の示す手順の中で三次元解析のための境界条件を与えることができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明のＨＣの排出量算出方法は、吸気ポート近傍に燃料を噴射するインジェクタを有する過給機付エンジンにおけるエンジン諸元およびエンジン作動条件を設定することにより吸・排気ポートの圧力および温度を求め、この求められた圧力および温度と上記エンジン諸元および上記エンジン作動条件に基づき、開弁オーバラップ期間中の新気の吹き抜け量および充填量を求めて吹き抜け割合を計算し、同一条件下での上記吹き抜け割合の計算値とＨＣ排出量の実測値とを比較して相関特性を求め、この相関特性から各種条件下でのＨＣ排出量を算出するようにしているため、ＨＣ排出量の実測を上記相関関係を求めるために行なっておきさえすれば、その後は計算で簡単にかつ精度良く、吸気の吹き抜けによるＨＣ排出量を求めることができる。
【００６５】
とくに、上記排気ポートへの新気の吹き抜け量を三次元解析により求めるようにすれば、精度を高めることができる。
【００６６】
また、上記三次元解析に基づき、排気ガス中の新気割合と燃焼室内ガス中の新気割合との比を近似式で与え、その後にＨＣ排出量の演算を行なうときには上記近似式を用いて吹き抜け割合を一次元解析による計算で求めるようにすれば、充分に精度を確保しつつ計算を簡略化することができる。
【００６７】
また、上記ＨＣの排出量算出方法を利用するバルブタイミング設定方法は、各種バルブタイミングにおけるＨＣ排出量を上記算出方法で求め、これに基づいてバルブタイミングを設定するようにしているため、効果的なバルブタイミングの設定を簡単に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を適用する過給機付エンジンの一例を示す概略図である。
【図２】燃焼室およびポート部分を模式的に示す図である。
【図３】三次元解析のための三次元メッシュを示す説明図である。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）開弁オーバラップ期間内における燃焼室およびポート部分の新気の分散状態の推移を示す説明図である。
【図５】本発明のＨＣの排出量算出方法の手順の一例を示す説明図である。
【図６】ＨＣの排出量算出方法の手順の一部およびバルブタイミング設定方法を示す説明図である。
【図７】吹き抜け割合とＨＣ排出量との相関特性を示す図である。
【図８】開弁オーバラップ期間中の燃焼室内の新気割合および排出ガス中の新気割合の変化を示す図である。
【図９】開弁オーバラップ期間中の燃焼室内の新気割合と排出ガス中の新気割合との比を近似的に示す図である。
【図１０】過給機モデルを示す図である。
【図１１】吸気系状態量の計算方法の一例についての全体手順を示す図である。
【図１２】吸気系状態量の計算方法の一例についての一部を示す図である。
【図１３】過給機特性データのマップを示す図である。
【符号の説明】
１ シリンダ
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
７ 過給機
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１５ 新気
【産業上の利用分野】
本発明は、過給機付エンジンにおいて吸・排気弁の開弁オーバラップ期間中の新気の吹き抜けに伴って排出されるＨＣの排出量を算出する方法と、それに基づくバルブタイミングの設定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、コンピュータを用いた解析、計算により各種状態量等を求め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（１９８８ ＮＯ６）」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】
このようにコンピュータを利用した解析、演算により各種状態量などを求めるようにすると、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する必要がなく、エンジン等の評価およびそれに応じた諸元の決定等を机上で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、吸気通路に過給機を設けた過給機付エンジンでは、排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とがオーバラップする開弁オーバラップ期間中に、過給機により加圧された新気が燃焼室に送り込まれることで燃焼室内の掃気作用が得られるという利点がある反面、新気の一部が排気ポートに吹き抜けて、その吹き抜け新気に含まれる燃料により、ＨＣ排出量が増加する可能性がある。そして、新気の吹き抜け量には、開弁オーバラップ期間の長さが関係するため、掃気性をもたせつつ新気の吹き抜けによるＨＣ排出量の増大を抑えるように、吸・排気弁のバルブタイミング（開弁オーバラップ期間の長さ）を適正に設定することが要求される。そして、設計段階等でこのような要求を満足すべく検討を行なうためには、新気の吹き抜けによるＨＣ排出量を調べる必要がある。
【０００６】
従来、このような場合にＨＣ排出量を計算で精度良く求める方法が開発されておらず、試作機についてＨＣ排出量を実測しているのが実情である。しかし、設計段階でバルブタイミングや吸気系の諸元等を種々変更してＨＣ排出量を調べようとすると、その都度試作して測定装置により実測を行なう必要があり、その作業が非常に面倒なものとなる。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑み、設計段階などでバルブタイミング等を種々変更して新気の吹き抜けによるＨＣ排出量を調べるような場合に、その都度実測を行なう必要がなく、計算によって簡単に、しかも精度良くＨＣ排出量を求めることができる過給機付エンジンにおけるＨＣの排出量算出方法を提供し、またこの方法を利用してバルブタイミングを机上で容易に設定することができるバルブタイミング設定方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る過給機付エンジンにおけるＨＣの排出量算出方法は、吸気ポート近傍に燃料を噴射するインジェクタを有する過給機付エンジンにおける吸・排気弁の開弁オーバラップ期間中のＨＣ排出量を算出する方法であって、燃焼室形状を含むエンジン諸元およびエンジン回転数を含むエンジン作動条件を設定することにより吸・排気ポートの圧力および温度を求め、この求められた圧力および温度と上記エンジン諸元および上記エンジン作動条件に基づき、上記開弁オーバラップ期間中の排気ポートへ新気の吹き抜け量と燃焼室への吸気の充填量とを計算して、上記充填量に対する上記吹き抜け量の割合である吹き抜け割合を計算し、一方、実機での燃焼室からのＨＣ排出量を上記設定されたエンジン作動条件と同一条件で実測しておき、同一条件下での上記吹き抜け割合の計算値と上記ＨＣ排出量の実測値との対比を上記エンジン作動条件を変更して少なくとも 2 組行うことで上記吹き抜け割合とＨＣ排出量との対応関係を示す相関特性を求め、この相関特性から各種のエンジン作動条件下でのＨＣの排出量を算出するようにしたものである。
【０００９】
この方法において、吸気ポートにおける上記インジェクタより下流の部分の容積を新気量に換算した値と、上記新気吹き吹け量の計算値とを比較し、この新気吹き吹け量が上記インジェクタ下流の容積の換算値よりも大きい場合には、インジェクタ下流の容積の換算値を新気吹き抜け量とすることが好ましい（請求項２）。
【００１０】
また、上記排気ポートへの新気の吹き抜け量を、吸気ポート、燃焼室および排気ポートにわたる新気と既存ガスとの混合状態の推移について三次元解析を行なうことにより求めることが好ましい（請求項３）。
【００１１】
この請求項３の発明において、上記吸・排気ポートの圧力および温度を一次元解析により求めるとともに、排気ポートへの新気の吹き抜け量を求めるための三次元解析を開弁オーバラップ期間中のみ行なうことが好ましい（請求項４）。
【００１２】
さらに、上記三次元解析に基づき、排気ガス中の新気割合と燃焼室内ガス中の新気割合との比を近似式で与え、その後にＨＣ排出量の演算を行なうときには上記近似式を用いて吹き抜け割合を一次元解析による計算で求めることが好ましい（請求項５）。
【００１３】
請求項６に係るバルブタイミング設定方法は、請求項１乃至５のいずれかに記載のＨＣの排出量算出方法により求めたＨＣ排気量と吸・排気弁のバルブタイミングとを対比させて、各種バルブタイミングにおけるＨＣ排出量を調べ、これに基づいてバルブタイミングを設定するようにしたものである。
【００１４】
【作用】
請求項１に係るＨＣの排出量算出方法によると、上記開弁オーバラップ期間中の新気の吹き抜け量と充填量との割合である吹き抜け割合が演算により求められる。そして、この吹き抜け割合だけではＨＣ排出量の絶対値がわからないが、この吹き抜け割合の計算値とＨＣ排出量の実測値との対比に基づいて吹き抜け割合とＨＣ排出量との相関特性が求められ、この相関特性から上記吹き抜け割合の計算値に応じてＨＣ排出量が計算で簡単に、かつ精度良く求められる。上記ＨＣ排出量の実測は、相関関係を求める際に行なわれるだけであって、相関特性が求められた後は実測を必要とせずにＨＣ排出量が計算される。
【００１５】
この方法において、請求項２記載のようにすると、ＨＣ排出量に関与しないインジェクタ上流からの新気が上記吹き抜け量に含まれている場合にその分が上記吹き抜け量の計算値から除外されることとなり、これより、上記相関特性が精度良く求められることとなる。
【００１６】
また、請求項３記載のようにすると、三次元解析により新気の吹き抜け量が精度良く求められ、これに伴い、上記吹き抜け割合および上記相関特性が精度良く求められることとなる。
【００１７】
請求項４記載のようにすると、吸・排気ポートの圧力および温度が一次元解析による計算で簡単に、かつ精度良く求められるとともに、一次元解析と比べると計算が複雑な三次元解析は、上記開弁オーバラップ期間についてだけ行なえばよいこととなる。
【００１８】
請求項５記載のようにすると、上記近似式が与えられた後は、これを用いた一次元解析により上記吹き抜け割合が計算されることにより、計算が簡略化され、計算時間が短縮される。
【００１９】
請求項６に係るバルブタイミング設定方法によると、上記のＨＣの排出量算出方法が利用されて、バルブタイミングの設定が容易に行なわれることとなる。
【００２０】
【実施例】
図１は過給機付エンジンを模式的に示し、この図において、エンジンの各シリンダ１には吸気通路２および排気通路３が接続され、各シリンダ１の燃焼室４に吸気通路下流端側の吸気ポート５および排気通路上流端側の排気ポート６が開口している。上記吸気通路２には過給機７が設けられ、図示の例では機械式過給機が設けられている。さらに吸気通路２にはインタークーラ８、サージタンク９等が設けられ、また吸気ポートの近傍に燃料噴射を行なうインジェクタ１０が配設されている。
【００２１】
図２は燃焼室４およびポート部分を模式的に示し、この図において、吸気ポート５および排気ポート６には、各ポートを開閉する吸気弁１１および排気弁１２が設けられている。そして、一般に知られているように、排気行程で排気弁１２が開かれ、これに続く吸気行程で吸気弁１１が開かれるが、両者の開弁期間は一部オーバラップしている。また、この図では新気１５を点描で表わすとともに、上記吸・排気弁１１，１２の開弁オーバラップ期間中の新気１５の流れを矢印で示している。
【００２２】
この図に示すように、過給機付エンジンでは、上記開弁オーバラップ期間中に、過給機７で加圧されて燃焼室４に送り込まれる新気１５の一部が排気ポート６に吹き抜けることがある。この場合、吸気弁１１周辺から燃焼室４に流入した新気が排気ポート６に向かう流れとしては、燃焼室４中央部を通って直線的に排気ポート６側に向かう流れのほかに、燃焼室４外周側や吸気弁１１の下方等をまわって排気ポート６に向かうような流れもあり、三次元的なものとなる。
【００２３】
本発明の方法では、上記のようなオーバラップ期間中の新気１５の移動、分布を数値流体力学（ＣＦＤ）で解析し、とくに上記のように排気ポート６側への新気１５の流れが三次元的なものであることを考慮し、三次元ＣＦＤプログラムによって解析することにより、上記オーバラップ期間中の排気ポート６への新気吹き抜け量と燃焼室４への吸気の充填量とを求めて、上記充填量に対する新気１５の吹き抜け量を計算により求めることとする。なお、上記充填量については、一次元解析で求めることもできる。
【００２４】
上記三次元ＣＦＤによる解析にあたっては、エンジン諸元を設定するとともに吸・排気ポート５，６の圧力、温度を予測し、これらに基づいて解析、演算を行なう。この際、望ましくは、吸・排気系のすべてについて一次元ＣＦＤによる解析を行なうことにより、吸・排気ポート５，６の圧力、温度を計算し、これを境界条件として上記三次元解析を開弁オーバラップ期間において行なう。なお、上記吸・排気ポート５，６の圧力、温度（境界条件）の予測値として一定の値を設定しておき、三次元ＣＦＤによる解析をエンジンの１サイクルにわたって行なうようにしてもよい。ただし、三次元解析は一次元解析と比べると計算が複雑であって、エンジンの１サイクルにわたって三次元解析を行なうと計算量が膨大になり、演算処理時間が増大するため、上記のように一次元解析で求めた値を境界条件として、三次元ＣＦＤを開弁オーバラップ期間だけ行なうことが好ましい。
【００２５】
上記一次元ＣＦＤのプログラムとしては、エンジンおよび吸・排気系の諸元に基づき過給圧の計算が可能なプログラムを用いる。
【００２６】
また、上記三次元ＣＦＤのプログラムとしては、吸・排気バルブおよびピストンの作動を取扱うことができること、吸気と排気の２種類のガスの混合を考慮することができること、バルブを通過する各々のガスの時間的変化がわかることの各条件を満足するプログラムを用いる。このような三次元ＣＦＤプログラムは既に開発されているものである。
【００２７】
このプログラムを用いた開弁オーバラップ期間中の三次元解析の手法の概略を説明すると、解析にあたっては、図３に示すように、吸気ポート５、燃焼室４および排気ポート６にわたって解析のための三次元メッシュを設定する。そして、この三次元メッシュの各部位についてそれぞれ、新気と既存ガス（燃焼室内残留ガスおよび排出ガス）との混合割合の一定微少時間毎の変化を、繰返し計算していく。これにより、開弁オーバラップ期間中の微少時間毎の各時点における新気の分布状態を解析、演算することができる。
【００２８】
図４はこのような三次元解析により調べた開弁オーバラップ期間内の新気１５の分布状態の変化を示しており、開弁オーバラップ期間の途中の時点から時系列的に図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に新気１５の分布状態が変化し、排気ポート６の新気ガス濃度が次第に増加する。そして、排気ポート部分の新気分布状態の変化から一定微少時間毎の新気吹き抜け量を求め、これを時間で積分することにより、開弁オーバラップ期間中の新気の吹き抜け量を計算することができる。
【００２９】
ＨＣ排出量算出方法の全体の手順については、図５および図６に示す。
【００３０】
図５に示す手順を説明すると、先ず、燃焼室形状等のエンジン主要諸元および吸・排気系の諸元を含むエンジン諸元を設定する（ステップＳ１）。次に、バルブタイミングおよびエンジン回転数等のエンジン作動条件を与える（ステップＳ２）。続いて、エンジン諸元等に基づき、上記一次元プログラムによる吸・排気系全体についての解析により、吸・排気ポート５，６の圧力および温度を計算する（ステップＳ３）。
【００３１】
次に、上記三次元プログラムにより、上記一次元解析結果を境界条件として、開弁オーバラップ期間だけ三次元解析を行なう（ステップＳ４）。そして、上記開弁オーバラップ期間中の新気の吹き抜け量および充填量を求め、吹き抜け割合（新気吹き抜け量／充填量）を計算する（ステップＳ５）。
【００３２】
この場合に、吸気ポート５における上記インジェクタ１０より下流の部分の容積を新気量に換算した値と、上記の三次元解析で求めた新気吹き吹け量とを比較し、この新気吹き吹け量が上記インジェクタ下流の容積の換算値よりも大きい場合には、インジェクタ下流の容積の換算値を新気吹き抜け量とする。このようにしているのは、後述の吹き抜け割合とＨＣ排出量との対応関係を確保するためである。すなわち、新気吹き吹け量が上記インジェクタ下流の容積の換算値よりも大きくなった場合は、インジェクタ上流からの新気も吹き抜けていることになるが、開弁オーバラップ期間中にＨＣが排出されるのはインジェクタから噴射されて下流側の新気と混合した燃料が吹き抜けることによるものであることから、インジェクタ上流からの新気はＨＣ排出量には関与せず、これを含めた新気吹き抜け量はＨＣ排出量に対応しなくなる。このため、新気吹き抜け量のうちでインジェクタ上流からの新気分は除くようにしているのである。
【００３３】
上記ステップＳ２〜ステップＳ５の処理は、バルブタイミングおよびエンジン回転数等を変更して複数回繰返し、つまり、複数種のエンジン作動条件においてそれぞれ、上記三次元解析等を行なって吹き抜け割合を計算する。
【００３４】
一方、実機についてＨＣ排出量の実測を行なっておく（ステップＳ６）。この実測もエンジン作動条件を変えて複数回行ない、最低限２回行なう。
【００３５】
そして、上記ステップＳ２〜ステップＳ５の処理を複数回繰返した後には、同一エンジン作動条件下における上記吹き抜け割合の計算値と上記ＨＣ排出量の実測値との対比に基づき、図７に示すような上記吹き抜け量とＨＣ排出量との対応関係を示す相関特性を求める（ステップＳ７）。つまり、上記吹き抜け量とＨＣ排出量とは直線的な対応関係を有するので、同一エンジン作動条件下での吹き抜け割合計算値とＨＣ排出量実測値とを１組として、複数組（少なくとも２組）の吹き抜け割合計算値とＨＣ排出量実測値とを対比すれば、図７に示すような相関特性を求めることができる。そして、この相関特性を、例えば関数式等の形で記憶する。
【００３６】
このように相関関係を求めた後は、ステップＳ７で対比した値以外でも吹き抜け割合の計算値に応じて上記相関特性からＨＣ排出量を求めることができるので、各種のエンジン作動条件下での吹き抜け割合の計算値に応じてＨＣ排出量を求める（ステップＳ８）。
【００３７】
また、上記三次元解析に基づく処理としては、上記ステップＳ５，Ｓ７，Ｓ８の処理の他に、三次元解析結果の傾向を一次元プログラムに取り込むようにする処理（ステップＳ９）を行なうことが好ましい。この処理としては、上記三次元解析に基づき、開弁オーバラップ期間中の各種時点における排気ガス中の新気割合と燃焼室内ガス中の新気割合との比を求めて、この比とクランク角との対応関係を近似式で与え、この近似式を定める値をマップとして記憶する。
【００３８】
この処理を具体的に説明する。図８に示すような開弁期間中のクランク角に対応した排気ガス中の新気割合Ｒａおよび燃焼室内の新気割合Ｒｂは、上記三次元解析で求めることができる。ここで、排気ガス中の新気割合Ｒａとは（排気バルブを通過する新気量）／（排気バルブを通過する全ガス量）であり、燃焼室内の新気割合Ｒｂとは（燃焼室内の新気量）／（燃焼室内の全ガス量）である。
【００３９】
上記排気ガス中の新気割合Ｒａと燃焼室内の新気割合Ｒｂとの比（Ｒａ／Ｒｂ）をとると、この比とクランク角との関係は図９に示すごとく線ａｂ、線ｂｃからなるような形に近似させることができ、近似式で表すことができる。この近似特性（点ａ，ｂ，ｃの値）はバルブタイミング、エンジン回転数等によって変化する。そこで、数種類のエンジン作動条件下で行なった三次元解析に基づき、上記比（Ｒａ／Ｒｂ）についての傾向を求め、近似式を定める点ａ，ｂ，ｃ等のデータをマップとして取り込むことにより、エンジン作動条件等に応じてこのマップから近似式が得られるようにする。
【００４０】
このようにすると、その後は三次元解析を行なう必要がなく、図６に示すように一次元プログラムによる解析で近似的に上記吹き抜け割合を計算することが可能となる。
【００４１】
この図６に示す手順を説明すると、先ず、燃焼室形状等のエンジン主要諸元および吸・排気系の諸元を含むエンジン諸元を設定する（ステップＳ１１）。次に、バルブタイミングおよびエンジン回転数等のエンジン作動条件を与える（ステップＳ１２）。
【００４２】
次に、一次元解析により、過給圧の計算等を行なうとともに、上記の図５のステップＳ９の処理で一次元プログラムに取り込まれたデータからエンジン作動条件等に応じて得られる近似式を用い、吹き抜け割合を計算する（ステップＳ１３）。そして、この吹き抜け割合に応じ、上記の図５のステップＳ７の処理で求められた相関特性から、ＨＣ排出量を算出する（ステップＳ１４）。
【００４３】
以上のようなＨＣ排出量算出方法によると、上記吹き抜け割合が演算により求められ、とくに図５に示す手順が実行されるときには、ステップＳ４での三次元解析により新気の吹き抜け量が精度良く求められ、従って吹き抜け割合が精度良く計算される。また、この吹き抜け割合だけでは、ＨＣ排出量の絶対値がわからないが、この吹き抜け割合の計算値とＨＣ排出量の実測値との対比に基づいて吹き抜け割合とＨＣ排出量との相関特性を求めている（ステップＳ７）ので、この相関特性から上記吹き抜け割合の計算値に応じてＨＣ排出量を計算で簡単に、しかも精度良く求めることができる。
【００４４】
この場合、上記相関関係を求めるために上記ＨＣ排出量の実測（ステップＳ６）を行なってはいるが、上記相関特性を求めた後は、この相関特性を用いて計算だけでＨＣ排出量を求めることができ、バルブタイミング等を変えて新たにＨＣ排出量を求めるときに、その都度ＨＣ排出量の実測を行なう必要がない。
【００４５】
さらに、図５に示す手順の中で、ステップＳ９の処理により三次元解析結果の傾向を一次元プログラムに取り込むようにしておけば、その後に新たにＨＣ排出量を求めるときには、一次元解析によるだけでＨＣ排出量を計算することができ、計算時間を短縮することができる。この場合、排気ガス中の新気割合Ｒａと燃焼室内の新気割合Ｒｂとの比についての近似式を用いることにより、精度の良い近似値が得られる。
【００４６】
また、このようなＨＣ排出量算出方法を利用して、適正なバルブタイミングの設定を容易に行なうことができる。このバルブタイミング設定方法を図６中に例示する。
【００４７】
この図６中に示す例では、ＨＣ排出量の計算を各種のエンジン作動条件、とくに各種のバルブタイミングにおいて行ない、それぞれのバルブタイミングとＨＣ排出量とを対比させて、バルブタイミングとＨＣ排出量との関係等を調べる。そしてこれに基づき、例えばＨＣ排出量が要求値を満足するようなバルブタイミングを選択することにより、適正なバルブタイミングを設定する（ステップＳ１５）。
【００４８】
なお、上記の図５および図６に示す方法の中で、一次元解析により吸・排気ポートの圧力、温度等を求める方法のついての内容は本発明で限定するものではないが、過給圧の計算が可能な方法の一例を、図１および図１０〜図１２によって以下に説明する。なお、図では吸気系について示すが、排気系も吸気系に準じて解析等を行なえばよい。
【００４９】
この方法においては、例えば図１に示す吸気系のシミュレーションモデルを次のように設定する。すなわち、エンジンの各シリンダ１を含めた吸気系を過給機７を除く吸気系モデルと過給機モデルとに分ける。そして、吸気系モデル（破線で囲った部分）は、上記吸気通路２の各部の吸気管を表す管モデルと、インタークーラ８、サージタンク９、各シリンダ１等を表す容器モデルと、管と容器との境界部分のモデル等のサブモデルからなるものとする。また、過給機モデルは、図１０に示すように、過給機７を吸入部側と吐出部側の２つの容器７ａ，７ｂにモデル化し、つまり吸入側の容器７ａと上流側の吸気管との接続部分を表す吸入側モデル２１と、吐出側容器７ｂと下流側の吸気管との接続部分を表す吐出側モデル２２とに分ける。
【００５０】
図１１は上記シミュレーションモデルによる演算処理の概略手順を示し、この手順としては、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Ｓ２１）。次に、時間経過を想定するための時間設定（ステップＳ２２）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Ｓ２３）と、上記各容器モデルについての演算処理（ステップＳ２４）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Ｓ２５）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Ｓ２６）を行なう。そして、これらステップＳ２３〜Ｓ２６の各演算処理を行なうと、ステップＳ２２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Ｓ２３〜Ｓ２６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。
【００５１】
上記ステップＳ２３の演算処理では、管モデルにつき、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るというようにして、管内の各部の圧力、温度等の状態量を求める。ステップＳ２４では、容器モデルにつき、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。
【００５２】
また、上記ステップＳ２５では、管端部分、管と容器と境、容器部分の間でのエネルギー、質量の各保存式等を用い、さらに管モデルの状態量との相関関係等を考慮して連立方程式を立てることにより、管端の状態量を求める。
【００５３】
これらの演算処理については、前記の文献「マツダ技報（１９８８ ＮＯ６）」にも示されている。
【００５４】
また、前記のステップＳ２６の過給機状態量演算処理では、図１０に示す過給機モデルを用いるとともに、予め調べられた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１３のような過給機特性データのマップを得る。
【００５５】
これらの関係をマップ化したものである。
【００５６】
そして、上記過給機状態量演算処理を具体的には図１２に示すように行なう。
【００５７】
すなわち、先ず上記過給機モデルのうちの吐出側モデル２２につき、容器７ｂ内の圧力Ｐｖｏを仮定し（ステップＳ３１）、吐出側の流量Ｍｏ を求める（ステップＳ３２）。次いで、上記吸入側モデル２１につき、容器７ａ内の圧力Ｐｖｉを仮定し（ステップＳ３３）、吸入側の流量Ｍｉ を求める（ステップＳ３４）。上記ステップＳ３２，Ｓ３４に示す各演算処理としては、容器内の圧力Ｐｖｏ，Ｐｖｉ、同温度Ｔｖｏ，Ｔｖｉ、絞り（容器の管との間）の圧力Ｐｔｏ，Ｐｔｉ、同温度Ｔｔｏ，Ｔｔｉ、同流速ｕｔｏ，ｕｔｉ、同断面積Ａｔｏ，Ａｔｉ、管端部分の圧力Ｐｐｏ，Ｐｐｉ、同温度Ｔｐｏ，Ｔｐｉ、同流速ｕｐｏ，ｕｐｉ、同断面積Ａｐｏ，Ａｐｉ等の関係につき、境界モデルの演算（ステップＳ２５）と同様の演算を行なう。ただし、上記のように容器内の圧力Ｐｖｏ，Ｐｖｉは仮定値である。
【００５８】
次に、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Ｓ３２とステップＳ３４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Ｓ３５）、等しくなければ、上記吸入側モデル２１における容器７ａの圧力Ｐｖｉの仮定値を変更した上で、改めて吸入側モデル２１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Ｓ３３，Ｓ３４を繰り返すことにより、上記流量Ｍｏ ，Ｍｉ が等しくなる状態を探索する。
【００５９】
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Ｓ３６）。そして、図１３に示す過給機特性データのマップから、上記ステップＳ３６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Ｓ３７）、上記ステップＳ３２で求めた吐出流量Ｍｏ と上記過給機特性データのマップから求めた吐出流量Ｍｍａｐ とを比較する（ステップＳ３８）。つまり、上記吐出流量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Ｓ３１〜Ｓ３８の処理を行ない、Ｍｏ ＝Ｍｍａｐ となるまで、ステップＳ３１〜Ｓ３８の処理を繰り返す。
【００６０】
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１３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Ｓ３９）。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Ｓ３２およびステップＳ３４）による最終的な演算値をもって決定する（ステップＳ４０）。
【００６１】
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１１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。
【００６２】
このようにして、図１１中のステップＳ２３〜Ｓ２５の各処理からなる吸入系状態量演算処理と図１２のステップＳ３１〜Ｓ４０を内容とするステップＳ２６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。
【００６３】
このような方法により、過給圧（吐出圧力）をおよびその他の状態量を求めることができ、前述の図５の示す手順の中で三次元解析のための境界条件を与えることができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明のＨＣの排出量算出方法は、吸気ポート近傍に燃料を噴射するインジェクタを有する過給機付エンジンにおけるエンジン諸元およびエンジン作動条件を設定することにより吸・排気ポートの圧力および温度を求め、この求められた圧力および温度と上記エンジン諸元および上記エンジン作動条件に基づき、開弁オーバラップ期間中の新気の吹き抜け量および充填量を求めて吹き抜け割合を計算し、同一条件下での上記吹き抜け割合の計算値とＨＣ排出量の実測値とを比較して相関特性を求め、この相関特性から各種条件下でのＨＣ排出量を算出するようにしているため、ＨＣ排出量の実測を上記相関関係を求めるために行なっておきさえすれば、その後は計算で簡単にかつ精度良く、吸気の吹き抜けによるＨＣ排出量を求めることができる。
【００６５】
とくに、上記排気ポートへの新気の吹き抜け量を三次元解析により求めるようにすれば、精度を高めることができる。
【００６６】
また、上記三次元解析に基づき、排気ガス中の新気割合と燃焼室内ガス中の新気割合との比を近似式で与え、その後にＨＣ排出量の演算を行なうときには上記近似式を用いて吹き抜け割合を一次元解析による計算で求めるようにすれば、充分に精度を確保しつつ計算を簡略化することができる。
【００６７】
また、上記ＨＣの排出量算出方法を利用するバルブタイミング設定方法は、各種バルブタイミングにおけるＨＣ排出量を上記算出方法で求め、これに基づいてバルブタイミングを設定するようにしているため、効果的なバルブタイミングの設定を簡単に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を適用する過給機付エンジンの一例を示す概略図である。
【図２】燃焼室およびポート部分を模式的に示す図である。
【図３】三次元解析のための三次元メッシュを示す説明図である。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）開弁オーバラップ期間内における燃焼室およびポート部分の新気の分散状態の推移を示す説明図である。
【図５】本発明のＨＣの排出量算出方法の手順の一例を示す説明図である。
【図６】ＨＣの排出量算出方法の手順の一部およびバルブタイミング設定方法を示す説明図である。
【図７】吹き抜け割合とＨＣ排出量との相関特性を示す図である。
【図８】開弁オーバラップ期間中の燃焼室内の新気割合および排出ガス中の新気割合の変化を示す図である。
【図９】開弁オーバラップ期間中の燃焼室内の新気割合と排出ガス中の新気割合との比を近似的に示す図である。
【図１０】過給機モデルを示す図である。
【図１１】吸気系状態量の計算方法の一例についての全体手順を示す図である。
【図１２】吸気系状態量の計算方法の一例についての一部を示す図である。
【図１３】過給機特性データのマップを示す図である。
【符号の説明】
１ シリンダ
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
７ 過給機
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１５ 新気
Claims (6)
- 吸気ポート近傍に燃料を噴射するインジェクタを有する過給機付エンジンにおける吸・排気弁の開弁オーバラップ期間中のＨＣ排出量を算出する方法であって、燃焼室形状を含むエンジン諸元およびエンジン回転数を含むエンジン作動条件を設定することにより吸・排気ポートの圧力および温度を求め、この求められた圧力および温度と上記エンジン諸元および上記エンジン作動条件に基づき、上記開弁オーバラップ期間中の排気ポートへ新気の吹き抜け量と燃焼室への吸気の充填量とを計算して、上記充填量に対する上記吹き抜け量の割合である吹き抜け割合を計算し、一方、実機での燃焼室からのＨＣ排出量を上記設定されたエンジン作動条件と同一条件で実測しておき、同一条件下での上記吹き抜け割合の計算値と上記ＨＣ排出量の実測値との対比を上記エンジン作動条件を変更して少なくとも 2 組行うことで上記吹き抜け割合とＨＣ排出量との対応関係を示す相関特性を求め、この相関特性から各種のエンジン作動条件下でのＨＣの排出量を算出することを特徴とする過給機付エンジンにおけるＨＣの排出量算出方法。
- 吸気ポートにおける上記インジェクタより下流の部分の容積を新気量に換算した値と、上記新気吹き吹け量の計算値とを比較し、この新気吹き吹け量が上記インジェクタ下流の容積の換算値よりも大きい場合には、インジェクタ下流の容積の換算値を新気吹き抜け量とすることを特徴とする請求項１記載の過給機付エンジンにおけるＨＣの排出量算出方法。
- 上記排気ポートへの新気の吹き抜け量を、吸気ポート、燃焼室および排気ポートにわたる新気と既存ガスとの混合状態の推移について三次元解析を行なうことにより求めることを特徴とする請求項１または２記載の過給機付エンジンにおけるＨＣの排出量算出方法。
- 上記吸・排気ポートの圧力および温度を一次元解析により求めるとともに、排気ポートへの新気の吹き抜け量を求めるための三次元解析を開弁オーバラップ期間中のみ行なうことを特徴とする請求項３記載の過給機付エンジンにおけるＨＣの排出量算出方法。
- 上記三次元解析に基づき、排気ガス中の新気割合と燃焼室内ガス中の新気割合との比を近似式で与え、その後にＨＣ排出量の演算を行なうときには上記近似式を用いて吹き抜け割合を一次元解析による計算で求めることを特徴とする請求項３または４記載の過給機付エンジンにおけるＨＣの排出量算出方法。
- 請求項１乃至５のいずれかに記載のＨＣの排出量算出方法により求めたＨＣ排気量と吸・排気弁のバルブタイミングとを対比させて、各種バルブタイミングにおけるＨＣ排出量を調べ、これに基づいてバルブタイミングを設定することを特徴とするバルブタイミング設定方法。
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