JP4428314B2 - 内燃機関の吸気系制御部品試験装置 - Google Patents

Description

本発明は気体の流れを発生させる装置に関し、例えば内燃機関の吸排気管を流れる空気の流れのように、脈動流を伴う流れを机上にて再現させることを目的とし、吸排気管等に設置される制御部品の評価等に適した評価装置を供給することである。

脈動流を伴う代表的な空気の流れとして、自動車の内燃機関の吸排気管を流れる空気の流れがある。これはエンジンに吸排気される空気の流れは吸排気バルブの開閉に伴い生じる空気の流れになるためである。また、この脈動流は、エンジンの排気量，バルブタイミング，吸排気管の形状に等により大きさや脈動波形の形状等が様々に変化することも知られている。

一方、吸排気管に取り付けられる制御部品の代表的例として、エンジンに吸入される空気量を計測する空気流量計，吸入空気温度を計測する吸気温度センサ，エンジンの吸入空気量を制御するスロットルバルブ，スロットルバルブと並列に接続され、アイドル回転時の空気量を制御するアイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣバルブ），排気の酸素濃度を計測する酸素濃度計等が有る。エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）はそれらを使い計測・制御することによりエンジンの動力性能を保ちながら、排気ガスのクリーン化を行い、エンジン制御を最適に保つ役割を果たしている。このように、前記した吸排気部品は計測・制御時の殆どを脈動流下に晒されており、脈動流化における、精度確保及び信頼性の確保を行わなくてはならない。

吸排気管に用いられる制御部品における脈動流を含めた評価設備の従来技術としては、特許文献１に記載の「空気流量計の動的試験装置」がある。本公知技術では、空気流量計の下流に円板やロータを設置し、それらを回転させることにより空気流量計部分に脈動流を発生させるものである。また、脈動振幅の大きさを変える手段として、制御円板や、脈動発生部をバイパスさせる通路を設けており、更に平均流量を変える手段として吸気導入サイレンサ等を使っている。

特開平５−２１５５９３号公報

従来技術はロータ・円板に穴を空けてそれを回転させて発生した脈動を作り出し、平均値や振幅の大きさを変えて評価する設備であり、脈動波形の形についてはロータや円板に空けた穴の形等で決まってしまう。このため、試験を行う者が本当に評価したい脈動波形を任意に再現させるには至っていない。

脈動波形の形を決定するのはロータや円板回転体で作り出した脈動波形の他に、評価に用いている評価管路（実車での吸気ダクトに相当する）の持つ固有振動が影響してくる。評価管路は必ず固有振動数を有しておりこれは管路長さにより決まる値である。この管路固有振動数の周波数とロータ等の回転数での周波数での合成された波形が管路の中を流れる脈動波形となる。例えば、管路固有振動数の周波数と、ロータ等の回転数の周波数が一致すると管路の中で波形が共振し脈動振幅が最も大きくなり波形の形がサイン波に最も近くなる。これに対し、各々の周波数が異なると波形には歪が生じサイン波から遠ざかる波形の形となる。考え方の一例を図５に示す。つまり、従来技術の試験装置では管路が一定であるため、例えばある脈動周波数ではサイン波に近い脈動波形が得られても、周波数を変えてしまうと波形に歪が生じてサイン波を作り出すことが出来なくなってしまう。

本発明の主な目的は試験者が必要とする任意な波形の形を作り出し、吸気系制御部品の定量的な評価を実施することである。

上記目的を達成するために、本発明の内燃機関の吸気系制御部品試験装置は、以下のような構成とする。
主流路を構成するダクト内に気体の流れを発生させる流れ発生手段と、前記ダクト内を流れる気体の流量を変更する流量変更手段と、前記ダクト内の気体の流れを脈動させる脈動発生手段と、前記脈動発生手段の設置された前記主流路の一部をバイパスするバイパス通路と、前記主流路を構成する前記ダクトの長さを変更するダクト長変更手段と、を備える。
このとき、前記バイパス通路の流量を変更するバイパス通路流量変更手段を備えるとよい。また、前記主流路を構成する前記ダクト内の気体の流れ状態を検出する検出手段と、前記検出手段からの信号に基づいて、前記脈動発生手段と前記流量変更手段と前記バイパス通路流量変更手段とのうち少なくとも１つの手段を電気信号により制御する制御手段とを備えるとよい。また、前記脈動発生部の上流であり且つ、試験対象となる制御部品の設置位置との間の主流路に、強制的に空気を送り込む副流路を設けるとよい。また、前記副流路の流れは前記主流路の脈動と逆位相となる脈動流であるとよい。

本発明では、任意な波形の脈動流を再現することにより、制御部品毎に適した脈動流を再現することができ、制御部品の脈動影響を定量的に評価することができる。これにより例えば内燃機関の吸排気管に設置される制御部品の脈動影響による精度向上を図ることが可能となり、車両としての空燃比精度の向上等により、排ガスのクリーンな車両を市場に送り出すことが可能となる。

（実施例）
本発明の実施例を以下の図面に従い詳細に説明する。まず、最初に図６を使い電子燃料噴射方式の内燃機関の概要を説明する。

エアクリーナ５４から吸入された吸入空気６７は、空気流量計（発熱抵抗式空気流量測定装置）のボディ（ダクト）５３，吸入ダクト５５，スロットルボディ５８及び燃料が供給されるインジェクタ６０を備えたインテークマニホールド５９を経て、エンジンシリンダ６２に吸入される。一方、エンジンシリンダで発生したガス６３は排気マニホールド
６４を経て排出される。発熱抵抗式空気流量測定装置の回路モジュール５２から出力される空気流量信号，温度センサからの吸入空気温度信号，スロットル角度センサ５７から出力されるスロットルバルブ角度信号，排気マニホールド６４に設けられた酸素濃度計６５から出力される酸素濃度信号及び、エンジン回転速度計６１から出力されるエンジン回転速度信号等、これらを入力するコントロールユニット６６はこれらの信号を逐次演算して最適な燃料噴射量とアイドルエアコントロールバルブ開度を求め、その値を使って前記インジェクタ６０及びアイドルコントロールバルブ６６を制御し、エンジンの動力性能を保ちながら、排気ガスのクリーン化を行い、エンジン制御を最適に保っている。

本発明の脈動流発生装置の構成を図１に示す。また、図１で発生させる脈動波形と実際に波形を造る際の設定個所を図２に示す。具体的な設備構成としては以下の構成とする。
（１）空気の流れるダクト
（２）空気の内部に流れを発生させるポンプ等の流れ発生源
（３）ダクト内主流の空気の流れる量を任意に規定する流量設定部
（４）ダクトの一部に設置され回転体等により空気の流れを連続的にＯＮ／ＯＦＦさせる
脈動発生部
（５）脈動の周期を任意に規定する脈動周期設定部
（６）脈動発生部と並列に接続されダクト内主流をパスするように設置されたバイパス流
路部
（７）バイパス流路部に設置されバイパス流路に流れる空気の量を任意に規定するバイパ
ス流量設定部
（８）主流路を構成するダクトの長さを任意に可変させるダクト長可変部
（９）ダクトの一部に評価対象部品を設置する評価部品設置部
（１）は実際の吸入空気が流れる吸気ダクトに相当し、（２）の流れ発生源はエンジンに相当する。また、（３）の流量設定部はエンジン回転数やスロットルバルブ開度による吸入空気量の平均値を可変させる個所に相当する。（４）はエンジンの吸気バルブに相当する個所であり、空気の流れをＯＮ／ＯＦＦさせて実際の吸気脈動を発生させる個所となる。（５）は脈動の周期を可変させる個所であり、エンジンの回転数に相当する。（６）（７）は吸気脈動の振幅の大きさを可変させる個所であり、スロットルバルブの開度等に相当する。具体的には、このバイパスに流れる空気量を少なくすれば、吸気脈動の振幅は大きくなり、逆に多くすれば、脈動の大きさが小さくなる。（８）は吸気管路長を可変させる個所であり、実際の車両のエンジンレイアウト等により決められる吸気管長さである。（９）は実際の評価対象部品を設置する個所となる。

尚、空気の流れのＯＮ／ＯＦＦを連続的に行う脈動発生部の内部通路の開口面積は、回転するに応じて徐々に拡大縮小し、サイン波に近い開口面積変化となることが望ましい。これは脈動波形をサイン波に近づけることを目的としたためである。また、試験の精度を向上させるために試験部品の近傍に、まわりの流れに影響を及ぼし難い小型な高速応答な流速計（又は流量計）を配置し、その波形を観察しながら脈動波形の形・振幅・平均値等を調整することにした。この小型な流速計は順方向と逆方向を区別して測定するタイプが望ましい。これは脈動の条件によっては逆流を伴う脈動条件での評価も必要であるためである。更に、流量設定部の下流において真の空気流量を測定するための流量計を設置している。これは流量設定部の下流側では脈動が発生せず、真の空気流量を計りやすいためであり、脈動流下で測定するよりも空気流量の計測精度向上が可能であるためである。

上記装置の発展形の装置を図３及び図４を使い説明する。まず図３が装置の概略図である。図１との違いは脈動発生部と評価品設置位置の間に別系統から空気の流れを強制的に主流路送り込む副流路があることである。脈動発生部上流に強制的に空気の流れを送り込むことで、主流路がＯＮになった際に副流路からの空気は合流して脈動発生部へ流れる。これに対して主流路がＯＦＦになった際には副流路からの流れは主流路を逆方向に流れ、いわゆる吸気管内の逆流状態になる。この副流路へ流す空気の量を調整することにより主流路内の逆流量を自由に変えることが可能となる。また、この副流路の強制的な空気の流れは定常流でも脈動流でも問題は無いが、脈動流の場合には、主流路の脈動と逆位相となる脈動とする必要がある。尚、この副流路には流量計の記載はしていないが、評価品設置位置の真の流量を得るためには、この副流路を流れる流量を計測し、主流路に配置した流量計から得られた値から差し引く必要がある。

上記のような試験装置によれば、エンジンの回転数，エンジンの排気量の違いによる平均空気流量，エンジン回転数，スロットルバルブの開度，吸気管長さ等をそれぞれ任意に設定できるため、いかなるエンジンの条件を再現させることが可能となる。これにより従来は実際のエンジンでの評価に頼り、固定された条件下での評価方法を机上にて任意に設定及び評価することが可能となる。

尚、本実施例では脈動波形の形としてサイン波にすることを主目的に記載しているが、エンジンの条件を再現させるためには必ずしもサイン波で有る必要は無く、場合によっては歪のある波形を作り出したいケースも考えられる。本発明によれば例えば管路の長さを変えることにより波形に歪が与えられ必要な波形の形を再現させることも可能である。

内燃機関の制御に用いられる部品の評価設備であり、空気流量計，電子制御スロットルボディ，アイドルスピードコントロール（ＩＳＣ）バルブ等の評価に適した装置である。

本発明の一実施例を示す装置概略図。 装置が発生させる吸気脈動波形を示す図。 本発明の他の実施例を示す装置概略図。 他の実施例における装置が発生させる吸気脈動波形を示す図。 吸気管の固有振動数とエンジン脈動周期の重なりを表す脈動波形の説明図。 内燃機関のシステム図。

符号の説明

１…ハウジング構成部材、２…回路基板、３…発熱抵抗体、４…感温抵抗体、５…導電性支持体、６…シール材、７…ネジ部材、１０…副空気通路構成部材、１４…副空気通路、２０…主空気通路構成部材、２２…主空気通路、２５…副空気通路挿入穴、５１…吸気温度センサ、５２…モジュール、５３…ボディ、５４…エアクリーナ、５５…ダクト、
５６…アイドルエアコントロールバルブ、５７…スロットル角度センサ、５８…スロットルボディ、６０…インジェクタ、６１…回転速度計、６２…エンジンシリンダ、６３…ガス、６４…排気マニホールド、６５…酸素濃度計、６６…コントロールユニット、６７…吸入空気、１０２…吸気温度センサ。

Claims (5)

1. 主流路を構成するダクト内に気体の流れを発生させる流れ発生手段と、
   前記ダクト内を流れる気体の流量を変更する流量変更手段と、
   前記ダクト内の気体の流れを脈動させる脈動発生手段と、
   前記脈動発生手段の設置された前記主流路の一部をバイパスするバイパス通路と、
   前記主流路を構成する前記ダクトの長さを変更するダクト長変更手段と、
   を備え、内燃機関の吸気系の制御に用いられる部品を試験する内燃機関の吸気系制御部品試験装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の吸気系制御部品試験装置において、
   前記バイパス通路の流量を変更するバイパス通路流量変更手段を備えたことを特徴とする内燃機関の吸気系制御部品試験装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の吸気系制御部品試験装置において、
   前記主流路を構成する前記ダクト内の気体の流れ状態を検出する検出手段と、
   前記検出手段からの信号に基づいて、前記脈動発生手段と前記流量変更手段と前記バイパス通路流量変更手段とのうち少なくとも１つの手段を電気信号により制御する制御手段とを備えた内燃機関の吸気系制御部品試験装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の吸気系制御部品試験装置において、
   前記脈動発生部の上流であり且つ、試験対象となる制御部品の設置位置との間の主流路に、強制的に空気を送り込む副流路を設けたことを特徴とする内燃機関の吸気系制御部品試験装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の吸気系制御部品試験において、
   前記副流路の流れは前記主流路の脈動と逆位相となる脈動流であることを特徴とする内燃機関の吸気系制御部品試験装置。

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