JP4547239B2

JP4547239B2 - エンジン計測装置

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Publication number: JP4547239B2
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Authority: JP
Inventors: 満春杉田; 健一近藤; 陽古川
Original assignee: A&D Co Ltd
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Filing date: 2004-11-16
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Anticipated expiration: 2024-11-16
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Description

本発明は、エンジン計測装置に関する。

従来、開発ないし製造されたエンジンが所定の性能を備えているかを評価するため、試験対象となるエンジンを台上（エンジンベンチ）に取付け、エンジンの出力軸にトルク計及び回転数計を介してダイナモメータを接続し、ダイナモメータを運転させてエンジン単体の性能を測定・評価する台上試験が行なわれている。

台上試験のうち、エンジンの性能評価に最も重要とされるのは、エンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係を測定することである。しかしながら、台上試験でトルク計により測定されるトルク（以下、軸トルクＴ_ｄという）は、純粋なエンジンの性能を表す出力パラメータとしてのエンジントルクＴ_ｅとは異なるものであり、台上試験で測定可能な軸トルクＴ_ｄからエンジン本来の性能評価に必要なエンジントルクＴ_ｅを求める必要がある。

エンジントルクＴ_ｅと軸トルクＴ_ｄの間には、Ｔ_ｅ＝Ｔ_ｄ−Ｉ×ｄＮ／ｄｔ（Ｉ：エンジン、エンジンからダイナモメータへの伝達系、ダイナモメータを含む回転軸の慣性モーメント）の関係が成立する。これより従来のエンジン試験装置は、特許文献１に記載されているように、回転数Ｎを一定にした状態、すなわち、ｄＮ／ｄｔが０に近似されるような状態で、軸トルクＴ_ｄを測定し、これをエンジントルクＴ_ｅとみなしていた。尚、このように回転数Ｎを一定にした状態（定常状態）でトルクを測定する方法の試験は一般に、定常試験と言われている。

しかし、このようなエンジン試験装置には、以下に説明する技術的な課題があった。

特開２０００−３２１１７５号公報

特許文献１に記載されたエンジン試験装置では、上述したように回転数Ｎを一定にした状態でスロットルバルブの開度を変化させて、開度毎にトルクを測定する必要があるが、回転数Ｎに限らずほとんどの物理現象においては、過渡状態（値が一定値に安定せず振幅を繰返す状態）を経て定常状態に移行するのが一般的である。従って、回転数Ｎが定常状態に落ち着くまでには数十秒もの時間がかかり、最終的に、エンジン性能評価に必要な回転数、開度毎のトルクデータを全て得るには、数日の期間を要していた。

しかも、エンジン性能の全体評価に必要な項目はこれに限らず、数百項目に渡る試験であることから、１項目でも早く測定データを取得することが望まれていた。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、エンジン性能評価に必要とされるエンジントルクＴ_ｅを、従来の定常試験方法によらずに、回転数Ｎが過渡状態における期間に短時間で求めるエンジン計測装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、エンジンと前記エンジンに接続されたダイナモメータにより行なわれる台上試験で、エンジン性能を計測するエンジン計測装置において、前記エンジン計測装置は、前記エンジンの回転数に起因するスロットル開度及び、前記ダイナモメータの負荷トルクを制御する中央制御部と、
前記エンジンの出力軸に接続され、前記中央制御部の制御により駆動する前記エンジンの回転数と軸トルクを少なくとも含む測定データを負荷状態で検出する検出器と、前記検出器からの測定データに基づいてエンジントルクを負荷状態で計測する信号処理部とを備え、前記中央制御部は、前記回転数が過渡状態となり、前記軸トルクが前記過渡状態の期間に変化するような制御を行ない、前記信号処理部は、前記検出器で検出された負荷状態の前記回転数及び軸トルクの時系列データに基づいて、前記エンジントルクを負荷状態で算出し、過渡状態データからエンジントルクを計測するようにした。

このように構成されたエンジン計測装置によれば、特に、負荷時様態において、回転数が定常状態に落ち着くのを待つことなく、過渡状態における測定データ（過渡データ）を用いて、エンジントルクを計測するので、従来の定常試験に比較してエンジントルクの算出時間が大幅に短縮される。

前記エンジン計測装置は、前記エンジン、前記エンジンからダイナモメータへの伝達系、前記ダイナモメータを含む回転軸の慣性モーメントに、前記回転数の時間微分値を乗じた補正データを求め、前記軸トルクから当該補正データを減じることにより、前記エンジントルクを算出することができる。

また、中央制御部は、前記負荷トルクを所定値毎に順次上昇ないし下降させながら、前記所定値の段階毎に、前記スロットル開度を最小値から最大値まで少なくとも１周期分振幅させるような制御を行なってもよい。

この構成によれば、例えば、負荷トルクを階段状波形とし、各段においてスロットル開度を最小値から最大値まで振幅させるので、より短時間のうちに、様々な組合せの軸トルク、回転数のデータセットを得ることが出来、エンジントルクの算出時間短縮に貢献する。

また、前記エンジン計測装置は、更に、前記エンジントルクと前記回転数Ｎの関係特性を表示する表示部を有していてもよい。

この構成によれば、エンジンの性能を視覚的に一目瞭然に把握することが可能となる。

また、前記エンジン計測装置は、更に、前記試験条件の妥当性評価、及び／又は、前記測定データの信頼性評価、及び／又は、前記測定データに基づいて算出された補正データやエンジントルクの有効性評価を行なう評価部を有していてもよい。

このような評価を行なうことにより、回転数の過渡状態における測定データに基づいて得られるエンジン性能データの信頼性が確保され、従来の定常試験に代わり、短時間で過渡データからエンジントルクを求める本発明のエンジン計測装置が提唱されるようになる。

本発明にかかるエンジン計測装置によれば、回転数Ｎが定常状態に落ち着くのを待つことなく、過渡状態における測定データ（過渡データ）を用いて、エンジントルクを算出するので、従来の定常試験に比較してエンジントルクの算出時間が大幅に短縮される。

更に、エンジントルクと回転数の関係特性を表示するので、エンジンの性能を視覚的に一目瞭然に把握することが出来る。

また更に、試験条件、測定データ、補正データの有効性ないし妥当性の評価を行なうので、本発明のエンジン計測装置によって得られたエンジン性能データの信頼性が高まる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施例のエンジン計測装置１の概略接続構成を示す図であり、エンジン計測装置１は、試験対象たるエンジン１０、エンジン１０に接続されたダイナモメータ１２、エンジン１０及びダイナモメータ１２を固定する架台（エンジンベンチ）１４を備える。このエンジン計測装置１は、エンジン１０以外の実機部分（トランスミッション、タイヤ等）を接続することなくエンジン１０単体での性能測定・評価を行なう台上試験において用いられる。

本実施例では、エンジン１０の出力軸には、ユニバーサルジョイント１６ａ等の連結手段を介してトルク伝達軸１６の一端が接続されており、トルク伝達軸１６の他端には回転数検出器、トルクメータ等の各種検出器２が接続され、検出器２を介してダイナモメータ１２に接続している。

本実施例のダイナモメータ１２は、エンジン１０の低速回転から最大能力での高速回転までの急激な回転数Ｎの変化が発生した場合にも各回転数Ｎに応じて、検出器２から安定な出力を得ることが可能なように、低慣性ダイナモメータとなっている。低慣性ダイナモメータは、後述するように電流・電圧を可変させることで負荷トルクを設定することが可能であり、エンジン１０の回転に伴う純粋なトルクを検出することが出来る。

尚、本実施例では、トルク伝達軸１６とダイナモメータ１２に介在する検出器２においてトルクを検出することとするが、ダイナモメータ１２の出力からトルクを検出することも可能である。また、トルク伝達軸１６には、検出器２の他、クラッチ、変速機、各種の連結手段等が台上試験の目的に応じて挿入されていてもよい。

更に、エンジン計測装置１は、エンジン制御部３、ダイナモメータ制御部４、中央制御部５、信号処理部６、表示部７を備えている。

エンジン制御部３は、エンジン１０に接続され、エンジン１０のスロットル開度Ｓを制御する手段である。エンジン制御部３がエンジン１０に所定のスロットル開度Ｓを与えることによって、エンジン１０は回転し、その回転はトルク伝達軸１６を介してダイナモメータ１２に伝達される。つまり、エンジン１０の回転数Ｎは、スロットル開度Ｓを制御することによって制御されるものである。

尚、厳密には、回転数Ｎは、スロットル開度Ｓ以外にも、燃料注入量、空気注入量、燃料と空気の混合比、更にガソリンエンジンの場合には点火時間、ジーゼルエンジンの場合には燃料噴射制御方法等の様々な要因によって変化するのであるが、本実施例では、スロットル開度Ｓ毎、回転数Ｎ毎のエンジントルクＴ_ｅを求めることを目標としており、上記各種要因のエンジントルクＴ_ｅへの影響は微小であると考え、明細書では詳細な説明を省略する。

ダイナモメータ制御部４は、ダイナモメータ１２に接続され、ダイナモメータ１２に印加する電流・電圧を可変制御する手段である。ダイナモメータ１２の電流・電圧を可変制御することによってダイナモメータ１２に接続されたエンジン１０の負荷トルクが制御される。尚、本実施例で使用するダイナモメータ１２は、低慣性ダイナモメータであり、ダイナモメータ１２で検出される負荷トルクと、検出器２で検出される軸トルクＴ_ｄは実質的に同一であるから、以下において負荷トルクと軸トルクＴ_ｄは同義であるものとする。

中央制御部５は、エンジン制御部３の制御、ダイナモメータ制御部４の制御、後述する信号処理部６、表示部７の制御を行なう手段である。尚、中央制御部５は、例えば、図示しない操作入力部からの指示に基づいて動作するものであってもよい。

本実施例の中央制御部５は、一定値に安定しない過渡状態の回転数Ｎの時系列データと、この過渡状態の期間に変化する軸トルクＴ_ｄの時系列データが検出器２から測定出来るよう、エンジン制御部３及びダイナモメータ制御部４を制御する。

具体的には、中央制御部５は、ダイナモメータ制御部４に対して複数回の電流・電圧可変命令を各回が連続するようにして行ない、これによりダイナモメータ制御部４は、エンジン１０の負荷トルクを可変させる。複数回の電流・電圧可変とは、例えば、負荷トルクが所定値毎に順次上昇ないし下降することであり、負荷トルクが複数の階段状波形となることに相当する。

更に、中央制御部５は、エンジン制御部３に対しては、ダイナモメータ１２の負荷トルクの各段階毎（例えば、負荷トルクが複数の階段状波形である場合には、１ステップ毎）に、スロットル開度Ｓを予め決めた最小値から最大値（例えば、０％から１００％）まで、少なくとも１周期分、上昇変化及び下降変化させるような命令を行ない、これらダイナモメータ１２とエンジン１０の制御によりエンジン１０を回転させる。回転数Ｎは、スロットル開度Ｓの大小に応じて変化することから、スロットル開度Ｓを０％から１００％まで変化させることによって、回転数Ｎも０からエンジン１０の最高速回転数まで変化する。

以上を換言すれば、中央制御部５は、ダイナモメータ１２の負荷トルクを所定値毎に順次上昇ないし下降させながら、当該所定値の各段階毎に、スロットル開度を予め決められた最小値から最大値まで少なくとも１周期分振幅させる。

中央制御部５は、上記のようなエンジン制御及びダイナモメータ制御を行なうことによって、エンジン１０を駆動し、回転数Ｎが最小値から最大値まで振幅して一定値に安定しない過渡状態において、負荷トルクを段階的に変化させる。これにより、検出器２からは、連続する短時間のうちに、様々な組合せの回転数Ｎ、軸トルクＴ_ｄ、スロットル開度Ｓのデータセットが得られることになる。

信号処理部６は、詳細は図２に示すように、測定部６０、メモリ６２、演算部６４、評価部６６を備えており、中央制御部５の指令に基づき動作する。尚、信号処理部６や表示部７を制御する制御部が、エンジン制御部３とダイナモメータ制御部４を制御する中央制御部５と別に用意されていてもよい。

測定部６０は、中央制御部５がエンジン制御部３及びダイナモメータ制御部４の制御を行い、予め決められた試験条件下で試験が行なわれた間に検出器２から得られた測定データ、すなわち、回転数Ｎの過渡データと、当該過渡データの期間に変化する軸トルクＴ_ｄの時系列データ及び、同期間にエンジン制御部３からエンジン１０に与えられたスロットル開度Ｓの時系列データを測定し、入力する手段である。尚、スロットル開度Ｓの時系列データはエンジン制御部３からではなく、中央制御部５から直接入力されてもよいし、エンジン１０に設けられたスロットル開度検出器等から入力されてもよい。

測定部６０は、測定データがアナログ信号である場合には、Ａ／Ｄ変換器を備えており、デジタル信号に変換される。測定データがデジタル信号である場合にはＡ／Ｄ変換器は不要であるが、いずれにせよ、入力される複数の測定データは、演算部６４での処理のため、相互に時間的同期がとれている必要がある。

メモリ６２は、測定部６０に入力された測定データ及び後述する演算部６４で演算されたデータを一時格納する手段である。

演算部６４は、メモリ６２に格納されたデータに基づいて、各種の演算を行なう手段である。演算部６４には、例えば、データのノイズを除去するノイズ除去器（フィルター）、加減乗除器、微分積分器、平均値演算器、標準偏差演算器、データ度数等の計数器（カウンタ）、周波数解析器（ＦＦＴ）等、公知の演算器が含まれる。

本実施例の演算部６４は、測定された回転数Ｎと軸トルクＴ_ｄの過渡状態の時系列データからエンジントルクＴ_ｅを求める手段であり、詳細には、測定された回転数Ｎの時系列データに基づいてエンジントルクＴ_ｅの補正データ（＝Ｉ×ｄＮ／ｄｔ、Ｉ：エンジン１０、エンジン１０からダイナモメータ１２への伝達系、ダイナモメータ１２を含む回転軸の慣性モーメント）を求め、更に、時系列データの同一時間毎に、軸トルクＴ_ｄと当該補正データの減算を行ない、エンジントルクＴ_ｅ（＝Ｔ_ｄ−Ｉ×ｄＮ／ｄｔ）を求める手段でもある。

本来、純粋なエンジン単体の性能を表す出力パラメータとしてのエンジントルクＴ_ｅは、上式からも分かるように、ｄＮ／ｄｔ＝０、つまり、回転数Ｎが一定値に安定している定常状態において、軸トルクＴ_ｄに近似される。従って、従来、エンジントルクＴ_ｅは、ダイナモメータ１２を用いた台上試験の際には、当該定常状態において軸トルクＴ_ｄを測定することによって求められていた。

更に、台上試験か実車試験かによらずエンジン試験では通常、回転数Ｎが０の状態から開始されるため、回転数Ｎが過渡状態を経て定常状態に落ち着くまでに数十秒もの時間がかかっており、エンジントルクＴ_ｅを回転数Ｎ毎、スロットル開度Ｓ毎に求めるまでには、２，３日もの時間を要していた。

しかしながら、本発明のエンジン計測装置１では、回転数Ｎが定常状態に落ち着くのを待つことなく、一定値に安定しない過渡状態における測定データ（過渡データ）を用いて、回転数Ｎの時間微分を演算し、これに慣性モーメントＩを乗算して補正データを得、軸トルクＴ_ｄから当該補正データを同一時間毎に減算してエンジントルクＴ_ｅを算出するため、従来に比較してエンジントルクＴ_ｅの算出時間が大幅に短縮されるのである。

尚、中央制御部５は、検出器２から検出された軸トルクＴ_ｄ、回転数Ｎをフィードバックして、設定した試験条件下での試験が行なわれるように更にエンジン制御部３とダイナモメータ制御部４を制御する必要があるため、本実施例の演算部６４は、測定部６０から入力された信号に基づいて、エンジン制御部３とダイナモメータ制御部４への制御信号を演算し、中央制御部５に送る機能（フィードバック制御用演算機能）をも有している。但し、当該フィードバック制御用演算は、必ずしも信号処理部６において行なわれる必要はなく、検出器２からの出力が直接中央制御部５に入力され、中央制御部５内でフィードバック制御用演算が行なわれてもよい。

評価部６６は、メモリ６２に格納されたデータに基づいて、もしくは演算部６４で演算されたデータに基づいて、予め決められた試験条件、検出器２から検出された測定データ、演算部６４で演算された補正データ、エンジントルクＴ_ｅが有効ないし妥当なものであるかを評価する手段である。

評価部６６で評価を行なうことにより、回転数Ｎの過渡状態における測定データに基づいて得られるエンジン性能の信頼性が確保され、従来の定常試験に代わり、短時間で過渡データからエンジントルクＴ_ｅを求める本発明のエンジン計測装置１が提唱されるようになる。

表示部７は、測定データや、演算部６４での演算結果や、評価部６６での評価結果を表示する手段である。具体的に、表示部７は、個々の測定データや演算部６４での演算結果のみならず、複数のデータの関係グラフや、軌跡や、度数分布表や、標準偏差グラフ等を表示することが出来る。もちろん、測定データと演算部６４での演算結果とは、同一時間におけるものであれば、組み合わせて同一画面に表示することも可能である。

表示部７において、例えば、スロットル開度Ｓをパラメータとした時のエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係特性をグラフ表示することによって、エンジン１０の基本性能を視覚的に一目瞭然に把握することが可能となる。また、評価部６６での評価結果を表示する場合も同様に、試験条件、測定データ、補正データが有効ないし妥当なものであるか否かを容易に把握することが可能となる。

以下、エンジン計測装置１の全体動作について図３のフロー図を参照して説明する。尚、本実施例のエンジン計測装置１では、試験対象たるエンジン１０の性能を評価する指標のうち最も基本的で重要とされる、スロットル開度Ｓ毎のエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係を求めることを目標としている。

まず、エンジン計測装置１は、試験条件を設定する（Ｓ１１０）。本実施例での試験条件は、ダイナモメータ制御部４からダイナモメータ１２に電流・電圧を印加して、ダイナモメータ１２の負荷トルクが５Ｎｍから７０Ｎｍまで約５Ｎｍ単位の連続した階段状（ステップ）波形となるようにする。１ステップの維持期間は約２０ｓとする。尚、階段状波形は、上りでも下りでもよいが、下りにする場合には、一旦、負荷トルクを最大にしなければならないので、試験時間短縮のためには、上りとするのがよい。

更に、負荷トルクが階段状波形の各ステップで一定値を維持している期間には、エンジン制御部３からエンジン１０にスロットル開度Ｓを与え、スロットル開度Ｓを、最小値１０％から最大値５０％まで連続的に、且つ、少なくとも１周期分は振幅させるようにする。連続的に振幅させる必要があるのは、最小値から最大値まで、漏れなく、あらゆるスロットル開度Ｓ時における検出器２からのデータを取得するためである。また、少なくとも１周期分振幅させる必要があるのは、同じ値の回転数Ｎでも上りと下りによって時間微分値（ｄＮ／ｄｔ）が変わるためである。尚、本実施例では、振幅の周期は、約０．０５Ｈｚ（１周期２０ｓ）であり、各ステップ毎に１周期分、スロットル開度Ｓを振幅させている。

スロットル開度Ｓの振幅波形の例としては正弦波や三角波等があり、中央制御部５の制御方法によってどの振幅波形となるかは異なる。但し、正確な正弦波や三角波である必要はなく、振幅の最小、最大地点において時間的な平坦部を有しているのが望ましい。

以上のように設定され、回転数Ｎの過渡データが取得出来るような試験条件下で試験が行なわれるように、中央制御部５は、ダイナモメータ制御部４及びエンジン制御部３に制御信号を与えて、エンジン１０及びダイナモメータ１２を駆動させ、試験を実行する（Ｓ１２０）。中央制御部５は、検出器２から検出された軸トルクＴ_ｄ、回転数Ｎをフィードバックして、設定した試験条件下での試験が行なわれるように更にダイナモメータ制御部４とエンジン制御部３を制御する。

試験実行開始と同時に、信号処理部６の測定部６０は、検出器２から軸トルクＴ_ｄ、回転数Ｎの時系列データを、エンジン制御部３からスロットル開度Ｓの時系列データを、それぞれ収集し、メモリ６２に格納する。尚、これらの時系列データは後の演算部６４及び評価部６６での処理のため、相互に時間同期がとられる必要がある。尚、測定部６０がＡＤ変換器を有している場合には、ＡＤ変換器の分解能に応じて、同一時間における軸トルクＴ_ｄ、回転数N、スロットル開度Ｓのデータセットが順次メモリ６２に格納される。

ここで、試験実行により検出器２及びエンジン制御部３から得られ測定部６０に入力された時系列データをグラフに表したのが図４から図７であり、図４（ａ）は上記試験条件下での測定を３００秒間行なった際の軸トルクＴ_ｄの時系列データ、図４（ｃ）は、図４（ａ）と同時間に測定された回転数Ｎの時系列データ、図４（ｄ）は、図４（ａ）と同時間に測定されたスロットル開度Ｓの時系列データ、図５（ａ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）は図４（ａ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）のグラフの９０ｓ〜１３０ｓの期間の拡大グラフである。

更に、図４（ｂ）は図４（ａ）における軸トルクＴ_ｄの１００ｍｓの移動平均グラフであり、図５（ｂ）は、図４（ｂ）のグラフの９０ｓ〜１３０ｓの期間の拡大グラフである。本実施例の軸トルクＴ_ｄの生データ（図４（ａ）、図５（ａ））には、演算部６４において周波数解析を行なうと分かるように２５Ｈｚ程度の信号成分を含んでいる。この信号成分はエンジン１０の駆動に伴って出力されるトルクとは無関係であり、測定器等に起因するノイズとみなされるため、演算部６４で移動平均処理を行ない、求められた平均軸トルクＴ_ｄａｖｇを以降、軸トルクＴ_ｄとみなして処理に用いるものとする。

そして図４（ｂ）〜（ｄ）を一画面にグラフ表示させたのが図６であり、更に図６のグラフの９０ｓ〜１３０ｓの期間を拡大表示させたのが図７である。

図６、図７の試験測定結果からは、２８０ｓの期間において、軸トルクＴ_ｄ（平均軸トルクＴ_ｄａｖｇ）が連続した上り階段状波形をしていること、そしてこの階段状波形のステップ毎にスロットル開度Ｓは、最小値から最大値まで振幅した少なくとも１周期分の略三角波形をしており、かつ、スロットル開度Ｓの最小及び最大振幅時には時間的な平坦部（本実施例では、約２ｓ）を有していることが分かる。更に、回転数Ｎは、スロットル開度Ｓの波形に対応して、一定値に安定した定常データではなく、略正弦波形の過渡データとなっていることが分かる。

つまり、本実施例では、予め決められた試験条件の通りに試験が行なわれ、回転数Ｎが過渡状態の時の測定データが得られたことが分かる。

次に、中央制御部５は、演算部６４に補正データとエンジントルクＴ_ｅの算出を命令する（Ｓ１３０）。ここで、エンジントルクＴ_ｅと軸トルクＴ_ｄの間には、Ｔ_ｅ＝Ｔ_ｄ−Ｉ×ｄＮ／ｄｔの関係が成立したことは上述した通りであり、回転数Ｎが一定値に安定していない過渡状態においては、エンジントルクＴ_ｅと軸トルクＴ_ｄは一致しないことが知られている。

そこで、演算部６４は、測定部６０に入力された測定データのうち、回転数Ｎの時系列データの時間微分（ｄＮ／ｄｔ）を実行し、当該時間微分ｄＮ／ｄｔと慣性モーメントＩ（本実施例では、０．１４ｋｇｍ^２）の乗算を行なう。こうして得られた補正データの時系列データを図８に示す。尚、図８において、当該補正データは「慣性トルク」と称されている。

更に、演算部６４では、上記関係式Ｔ_ｅ＝Ｔ_ｄ−Ｉ×ｄＮ／ｄｔに基づき、図４（ｂ）に示した平均軸トルクＴ_ｄａｖｇの時系列データから、先に算出された図８の補正データの時系列データを同一時間毎に減算して、エンジントルクＴ_ｅの時系列データを得る。エンジントルクＴ_ｅは、回転数Ｎの変化に伴うトルクへの影響が補正された状態のエンジン１０の純粋なトルクを示すものである。算出されたエンジントルクＴ_ｅの時系列データのグラフを図９に示す。

こうして得られたエンジントルクＴ_ｅの時系列データと回転数Ｎの時系列データとスロットル開度Ｓの時系列データを同一時間毎に重ね合わせ同時に表示したのが図６のグラフである。尚、図７は、図６のグラフの９０ｓ〜１３０ｓの期間の拡大グラフである。

ここでエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係特性を求めるために、表示部７は、図６のグラフに示す演算結果に基づき、スロットル開度Ｓをパラメータとして、各スロットル開度ＳにおけるエンジントルクＴ_ｅと、当該エンジントルクＴ_ｅと同一時間に測定された回転数Ｎのデータを読取ってグラフ上にプロットする。その結果を図１０に示す。

尚、パラメータとしてのスロットル開度Ｓの値は、図４（ｄ）、図５（ｄ）、図６からも分かるように、また予め決められた試験条件からも分かるように、０〜５０％まで連続的に変化しているため、グラフへのプロット数、すなわち分解能を限りなく増やす程、グラフはグラデーション状になり、実際に、図１０も濃淡を有するグラフとなっている。図１０中、太実線で示されているのは、スロットル開度Ｓが１０％、２０％、３０％、４０％の時のエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係を示している。

一方、本発明のエンジン計測装置１によらず、従来のエンジン計測装置によって求められたエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係特性を示すグラフが図１１である。従来の計測装置では、スロットル開度Ｓを所定値（例えば、１０％）に維持した状態、かつ、回転数Ｎが一定値に安定した定常状態、すなわち回転数Ｎの時間変化ｄＮ／ｄｔが限りなく０に近くなった状態において、当該回転数Ｎとその時の軸トルクＴ_ｄとを測定し、当該回転数Ｎと軸トルクＴ_ｄの値を、スロットル開度Ｓ毎に都度、プロットすることによって、エンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係特性を得ている。尚、回転数Ｎが一定値に安定するのには数十秒かかるものであるから、図１１のグラフに必要なデータを取得するのにかかった試験時間は、数日に及ぶものである。

図１０の実線部分と図１１の実線部分とを比較すると、スロットル開度Ｓ毎に、同じようなエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係特性が示されていることが分かる。つまり、本発明のエンジン計測装置１によれば、従来のように回転数Ｎが一定値に安定している状態ではなく、回転数Ｎが変化している過渡状態で試験を行なうことによって、短時間（本実施例では約３００ｓ）でかつ一度にエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係を求めることが可能となる。しかも、本実施例では、パラメータであるスロットル開度Ｓの値を連続的に変化させているため、従来のように離散的なスロットル開度Ｓの値における特性のみならず、様々なスロットル開度Ｓにおける特性をも知ることが可能となる。従来の定常試験において、より連続的なスロットル開度Ｓ毎のエンジントルク特性を測定しようとすれば、更なる時間がかかるのである。

更に、本実施例では、求められたエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係特性がエンジン１０の性能を評価するのに有効な信頼性の高いデータであるか否かを確認する。

まず、評価部６６は、試験条件が妥当であったか否かを評価する（Ｓ１４０）。試験条件の妥当性を評価するためには、測定部６０で測定されたデータ及び演算部６４で算出されたデータが、試験条件から得られると予想される特性範囲に存在し、また適切に偏りなく分布しているかを評価する。図１２は、測定データのうち、平均軸トルクＴ_ｄａｖｇと、これと同一時間における回転数Ｎのデータセットの軌跡を表すグラフであり、図１３は、演算部６４で算出されたエンジントルクＴ_ｅと、これと同一時間における回転数Ｎのデータセットの軌跡を表すグラフである。尚、以降、評価部６６で評価に用いられるグラフは、もちろん表示部７に表示することが出来る。

図１２からは、平均軸トルクＴ_ｄａｖｇが０〜７０Ｎｍの各々に対して、回転数Ｎのデータが０〜６０００ｒｐｍまで偏りなく連続的に（隙間なく）分布していることが分かり、更にその分布傾向は、平均軸トルクＴ_ｄａｖｇがエンジントルクＴ_ｅに変わっても変わらないということが図１３から分かる。つまり、これらのことから、試験条件として、スロットル開度Ｓ、軸トルクＴ_ｄの設定が妥当であり、過渡状態の回転数Ｎと、当該過渡状態において変化する軸トルクＴ_ｄを測定することが出来たと言える。尚、試験条件の設定が妥当でなかった場合（Ｓ１５０）には、試験条件を見直す等して（Ｓ１１０）、再度試験を実行する（Ｓ１２０）。

尚、試験条件の妥当性をより精密に評価するために、エンジントルクＴ_ｅと、これと同一時間における回転数Ｎのデータセットの度数分布表を作成し、度数に極端な偏りがないか否かの判断に基づいて試験条件の妥当性を評価してもよい。例えば、度数に極端な偏りがある場合には、求められたエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係特性の信頼性が高いとは言えないため、軸トルクＴ_ｄの可変幅（振幅）、振幅周期や、スロットル開度Ｓの振幅周期、平坦部の時間等を見直す必要がある。

試験条件が妥当であると評価された場合（Ｓ１５０）、評価部６６は、測定部６０で測定された測定データの信頼性を評価する（Ｓ１６０）。測定データの信頼性を評価するためには、演算部６４で算出されたエンジントルクＴ_ｅと、これと同一時間における回転数Ｎのデータセットの度数分布表を作成し、度数に極端な偏りがないか否かの判断に基づいて行なう。

更に、この度数分布表において、演算部６４は、各データセットから、当該データセットと同日時間におけるスロットル開度Ｓのデータを抽出し、先の度数分布表における分布地点毎にスロットル開度Ｓの平均値及び標準偏差（ばらつき）を求める。つまりここでは、任意のエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎのデータセットにおけるスロットル開度Ｓの平均値と標準偏差が求められる。

これより、エンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの全データセットにおいて、スロットル開度Ｓの値のばらつきが２，３％以内に収まっていれば、測定データの信頼性が高いと言える。しかし、スロットル開度Ｓのばらつきが２，３％以上のデータセット数が多い場合には、測定データとしては信頼性が低く、試験環境の見直し等、測定データのばらつきの要因を除去した上で再度試験が行なう必要がある（Ｓ１２０）。

測定データの信頼性が高いと評価された場合（Ｓ１７０）、評価部６６は補正データの有効性を評価する（Ｓ１８０）。補正データの有効性を評価するためには、元の測定データである平均軸トルクＴ_ｄａｖｇと回転数Ｎの関係が、平均軸トルクＴ_ｄａｖｇに補正データが加味されることでどのように変化するかを確認すればよい。

ここで、図１４は、スロットル開度Ｓが２０％の時の、平均軸トルクＴ_ｄａｖｇと回転数Ｎの関係を示すグラフであり、図１５は、図１４同様スロットル開度Ｓが２０％の時の、平均軸トルクＴ_ｄａｖｇに補正データを加味したエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係を示すグラフである。また、図示しないが、各図の関係において、スロットル開度Ｓの標準偏差グラフも作成するのが望ましい。

図１４のグラフからは、補正データが加味される前の平均軸トルクＴ_ｄａｖｇは、１の回転数Ｎに対して２つの値を有する「２値性」を示していることが分かる。これは、同じ回転数Ｎでも回転数を上げる時と下げる時では、エンジン１０の動作が異なり、それによってトルク等の値も異なるからである。この「２値性」の現象は、任意の平均軸トルクＴ_ｄａｖｇと回転数Ｎにおけるスロットル開度Ｓの標準偏差（図示せず）を求めた際に、いずれのポイントにおいても２．５〜５％と、大きなばらつきを有していることからも分かる。

しかし、図１５においては、エンジントルクＴ_ｅは「２値性」を有しておらず、エンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎとの関係が一義的に決まり、これらは相関関係を有している。つまり、演算部６６で算出された補正データは有効であることが言える。このことは、任意のエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎにおけるスロットル開度Ｓの標準偏差（図示せず）を求めた際に、いずれのポイントにおいてもばらつきが２，３％以内に収まっていることからも言える。

尚、図１５のグラフは、図１１における従来の計測装置によって求められたグラフのうち、スロットル開度２０％の曲線に近似していることからも、演算部６６で算出された補正データが有効であり、回転数Ｎが過渡状態にある時に測定されたデータによっても、定常状態において求められたグラフに相当する結果が得られるものであることが分かる。

補正データが有効でないと評価された場合には（Ｓ１９０）、演算部６４での演算内容や、慣性モーメントＩの定義値を見直す等して、再度、補正データ及びエンジントルクＴ_ｅを算出する（Ｓ１３０）。

尚、Ｓ１４０における試験条件の妥当性評価、Ｓ１６０における測定データの信頼性評価、Ｓ１８０における補正データの有効性評価の順序は本実施例で行なわれた順序に限るものではなく、また、これらの評価が一体的総合的に行なわれてもよい。

また、Ｓ１３０でエンジントルクＴ_ｅと補正データを算出するに先立って、測定データ（平均軸トルクＴ_ｄａｖｇと回転数Ｎとスロットル開度Ｓ）のみから、表示部７に各種データ間の関係を示すグラフや、度数分布表、平均値グラフ、標準偏差グラフ等を表示させ、試験条件の妥当性、測定データの信頼性を評価しておいてもよい。

また、これら３種類の評価は、必ずしも全てが行なわれる必要はなく、測定環境や、エンジン計測装置の性能・測定精度等に応じて、いずれかが省略されてもよい。

補正データが有効であると評価された場合には（Ｓ１９０）、中央制御部５は、表示部７に表示するデータを選択して、表示させる（Ｓ２００）。例えば、図１０に示されたような、スロットル開度Ｓをパラメータとした、エンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係特性は、エンジン１０の性能を端的に表すグラフとして最も重要である。尚、開発ないし製造されたエンジン１０の性能評価を行なうエンジンベンチに、本発明のエンジン計測装置１が含まれる場合には、表示部７に表示されたグラフに基づいて、エンジン１０が設計目標ないし所定の規格を満足しているか否かを確認し、目標外ないし規格外であると判断された場合には、エンジン１０の見直しを行なう。

尚、表示部７には、測定データ及び演算部６４で算出されたデータに基づいて、任意の関係グラフや、標準偏差グラフや、度数分布表を表示することが可能である。もちろん、表示部７は、これまでの評価部６６における評価に用いた全てのグラフを表示することが可能である。

以上、エンジン計測装置の実施例につき説明したが、本発明のエンジン計測装置は、上記実施例で説明した構成要件の全てを備えたエンジン計測装置に限定されるものではなく、各種の変更及び修正が可能である。また、かかる変更及び修正についても本発明の特許請求の範囲に属することは言うまでもない。

実施例では、エンジン１０をダイナモメータ１２に接続した台上試験において、短時間に、エンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係特性を求めるための一例を示したが、本発明のエンジン計測装置は、エンジン１０に空気や燃料を供給して、燃料を燃焼させながら、回転数や負荷トルクを変化させて、エンジン性能の測定・評価を行なう場合にも用いることが出来る。

このような試験においては、パラメータとして、エンジン入力側は空気注入量、燃料注入量、燃料と空気の混合比、点火タイミングを、エンジン出力側はエンジントルクＴ_ｅ、回転数Ｎに加え、排気ガス成分、排気ガス量を得ることが出来るから、エンジン計測装置によって求められたエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係特性を、これらパラメータ毎に求め、トランスミッション制御に役立てることも可能となる。

例えば、燃費（燃料流量とエンジントルクＴ_ｅの比）をパラメータとして、エンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係を求めれば、この関係に基づいて、効率的なトランスミッション制御方法を確立することが可能となる。また、排気ガス量をパラメータとして、エンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係を求めれば、近年の排気ガス規制に対応したトランスミッション制御方法を確立することが可能となる。

尚、本実施例でのダイナモメータによる台上試験でエンジン性能を計測するエンジン計測装置に代えて、台上試験でもダイナモメータの代わりにミッション、サスペンション、車輪を接続した実車試験や、台上試験ではない実走行試験に用いられるエンジン計測装置であっても、信号処理部６によりエンジントルクＴ_ｅを求めることも出来る。これらの場合には、評価部６６において試験条件の妥当性評価、及び／又は、測定データの信頼性評価、及び／又は、算出された補正データやエンジントルクＴ_ｅの有効性評価を実施し、小さいトルクから最大トルクまでエンジンの全ての状態が平均的に分布したデータを得るようにすることによって、演算部６４により算出されたエンジントルクＴ_ｅの信頼性を確保することが出来る。

エンジン計測装置の概略接続構成を示す図である。信号処理部の詳細を示す構成図である。エンジン計測装置の全体動作を示すフロー図である。定められた試験条件下での測定を３００秒間行なった際の軸トルクＴ_ｄ、平均軸トルクＴ_ｄａｖｇ、回転数Ｎ、スロットル開度Ｓの時系列データを示すグラフである。図４のグラフの９０ｓ〜１３０ｓの期間の拡大グラフである。図４の平均軸トルクＴ_ｄａｖｇ、回転数Ｎ、スロットル開度Ｓの時系列データ及び、算出されたエンジントルクＴ_ｅを一画面に表示させたグラフである。図６のグラフの９０ｓ〜１３０ｓの期間の拡大グラフである。補正データの時系列データを示すグラフである。エンジントルクＴ_ｅの時系列データを示すグラフである。スロットル開度Ｓをパラメータとして、各スロットル開度ＳにおけるエンジントルクＴ_ｅと、当該エンジントルクＴ_ｅと同一時間に測定された回転数Ｎのデータを読取ってプロットしたグラフである。従来のエンジン計測装置によって求められたエンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係を示すグラフである。平均軸トルクＴ_ｄａｖｇと、これと同一時間における回転数Ｎのデータセットの軌跡を表すグラフである。エンジントルクＴ_ｅと、これと同一時間における回転数Ｎのデータセットの軌跡を表すグラフである。スロットル開度Ｓが２０％の時の、平均軸トルクＴ_ｄａｖｇと回転数Ｎの関係を示すグラフである。スロットル開度Ｓが２０％の時の、エンジントルクＴ_ｅと回転数Ｎの関係を示すグラフである。

符号の説明

１：エンジン計測装置
１０：エンジン
１２：ダイナモメータ
１４：架台
１６：トルク伝達軸
１６ａ：ユニバーサルジョイント
２：検出器
３：エンジン制御部
４：ダイナモメータ制御部
５：中央制御部
６：信号処理部
６０：測定部
６２：メモリ
６４：演算部
６６：評価部
７：表示部

Claims

エンジンと前記エンジンに接続されたダイナモメータにより行なわれる台上試験で、エンジン性能を計測するエンジン計測装置において、
前記エンジン計測装置は、前記エンジンの回転数に起因するスロットル開度及び、前記ダイナモメータの負荷トルクを制御する中央制御部と、
前記エンジンの出力軸に接続され、前記中央制御部の制御により駆動する前記エンジンの回転数と軸トルクを少なくとも含む測定データを負荷状態で検出する検出器と、
前記検出器からの測定データに基づいてエンジントルクを負荷状態で計測する信号処理部とを備え、
前記中央制御部は、前記回転数が過渡状態となり、前記軸トルクが前記過渡状態の期間に変化するような制御を行ない、
前記信号処理部は、前記検出器で検出された負荷状態の前記回転数及び軸トルクの時系列データに基づいて、前記エンジントルクを負荷状態で算出し、過渡状態データからエンジントルクを計測することを特徴とするエンジン計測装置。
前記エンジン計測装置は、前記エンジン、前記エンジンからダイナモメータへの伝達系、前記ダイナモメータを含む回転軸の慣性モーメントに、前記回転数の時間微分値を乗じた補正データを求め、前記軸トルクから当該補正データを減じることにより、前記エンジントルクを算出することを特徴とする請求項１に記載のエンジン計測装置。
前記中央制御部は、前記負荷トルクを所定値毎に順次上昇ないし下降させながら、前記所定値の段階毎に、前記スロットル開度を最小値から最大値まで少なくとも１周期分振幅させるような制御を行なうことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジン計測装置。
前記エンジン計測装置は、更に、前記エンジントルクと前記回転数の関係特性を表示する表示部を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のエンジン計測装置。
前記エンジン計測装置は、更に、前記試験条件の妥当性評価、及び／又は、前記測定データの信頼性評価、及び／又は、前記測定データに基づいて算出された補正データやエンジントルクの有効性評価を行なう評価部を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のエンジン計測装置。