JP7120872B2 - エンジン計測システム - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンの出力トルクを計測する技術に関するものである。
エンジンの出力トルクを計測する技術としては、図7に示すエンジン計測システムを用いてエンジンの出力トルクを計測する技術が知られている(たとえば、特許文献1)。
図7に示したエンジン計測システムは、ダイナモメータ171と、エンジン172の出力軸に一端が連結したシャフト173と、シャフト173の他端とダイナモメータ171の回転軸との間に設けられた、回転検出計やトルクメータ等の検出器174と、計測/制御装置175とを備え、計測/制御装置175において、エンジン172の回転速度やダイナモメータ171が発生する負荷トルクを制御しながら検出器174として備えたトルクセンサでエンジン172の出力トルクを計測するものである。
特開2005-308712号公報
たとえば、騒音対策等に用いられるレシプロエンジンのシミュレータの適正性を検証するためにエンジンの出力トルクを実測する場合等には、より精密な出力トルクの計測が必要となるが、図7に示したエンジン計測システムを用いてエンジンの出力トルクの計測を行うと、次のような問題が生じる。
すなわち、図7に示したエンジン計測システムでは、シャフト173の捻れの影響により、検出器174として備えたトルクセンサのエンジン172の出力トルクの検出に時間的な遅れが生じてしまう。
また、計測/制御装置において、ダイナモメータが発生する負荷トルクの制御をフィードバック制御により行うと、エンジン172の出力トルクを打ち消すようにダイナモメータ171の発生する負荷トルクが制御される干渉が発生し、エンジン172の出力トルクを適正に計測できなくなる。
そこで、本発明は、より精密にエンジンの出力トルクを計測することを課題とする。
前記課題達成のために、本発明は、エンジンの出力トルクを計測するエンジン計測システムに、ダイナモメータと、エンジンの出力軸の端部に連結されるセンサユニットと、前記ダイナモメータの回転軸と前記センサユニットを直接または間接的に連結するシャフトと、計測制御装置とを備えたものである。ここで、前記センサユニットは前記シャフトと前記エンジンの出力軸端との間で作用するトルクを検出するトルクセンサを備えている。また、前記計測制御装置は、前記エンジンの回転速度を所定の回転速度に制御すると共に、前記ダイナモメータを所定の負荷トルクを発生するように定電流制御した状態において、前記トルクセンサが検出したトルクより、前記エンジンの出力トルクを計測する。
このようなエンジン計測システムによれば、トルクセンサを備えたセンサユニットとエンジンの出力軸の端部をシャフトを介さずに直接連結しているので、トルクセンサによって、シャフトの捻れの影響を排して、時間的な遅れなく、エンジンの出力トルクを計測できる。
また、前記ダイナモメータを所定の負荷トルクを発生するように定電流制御した状態において、エンジンの出力トルクを計測するので、ダイナモメータが所定の負荷トルクを発生するようにフィードバック制御する場合のように、エンジンの出力トルクとダイナモメータの発生する負荷トルクとが干渉することなく、エンジンの出力トルクを適正に計測できる。
ここで、このようなエンジン計測システムは、前記エンジンを、前記出力軸として、実働時にフライホイールが連結されるクランクシャフトを備えたレシプロエンジンとし、前記センサユニットを、前記クランクシャフトの端部に連結される、前記フライホイールの慣性モーメントをエンジン計測システムにおいて模擬するための模擬フライホイールを備えたものとし、前記トルクセンサを、当該模擬フライホイールに直接連結されたものとし、前記シャフトを、前記トルクセンサと前記模擬フライホイールを介して、前記クランクシャフトの端部に連結されたものとしてもよい。
この場合において、前記クランクシャフトが、実働時にフライホイールを連結するための連結用構造を端部に備えたものである場合は、前記模擬フライホイールを、前記クランクシャフトの端部に前記連結用構造を用いて連結してもよい。
このような模擬フライホイールを用いることにより、フライホイールを含めたエンジンの特性を維持しつつ、トルクセンサをクランクシャフトの端部に適正に連結することができる。
また、前記エンジンをクランクシャフトを備えたレシプロエンジンとした場合には、このようなエンジン計測システムに、前記エンジンを拘持する拘持装置を備えてもよい。ただし、当該拘持装置は、前記エンジンのシリンダブロックの前記クランクシャフトの端部が表れる面に連結される連結部と、前記シャフトが非接触で貫通する孔を有する、床に固定された支持台と、前記支持台と前記連結部とを連結する、前記支持台から前記連結部に延びるアームとを備えたものである。
このような拘持装置を設けることにより、トルクの減衰を招くシャフトの軸受を設けることなくエンジンの位置や姿勢を安定的に保持することができる。
また、以上のエンジン計測システムに、エンジンの出力軸の回転速度を検出する回転検出センサを備え、前記計測制御装置において、前記回転検出センサが検出した回転速度を用いたフィードバック制御により、前記エンジンの回転速度を所定の回転速度に安定させ、前記トルクセンサが検出したトルクを用いたフィードバック制御により、前記ダイナモメータの発生トルクを前記所定の負荷トルクに安定させる準備動作を行った後に、前記ダイナモメータが、前記所定の負荷トルクを発生する定電流制御を開始して、前記エンジンの出力トルクの計測を行うようにしてもよい。
以上のように、本発明によれば、より精密にエンジンの出力トルクを計測することができる。
本発明の実施形態に係るエンジン計測システムの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るセンサユニットを示す図である。 本発明の実施形態に係るエンジン拘持装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る計測制御装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る測定シーケンス制御処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る計測例を示す図である。 従来のエンジン計測システムの構成を示す図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。
図1に、本実施形態に係るエンジン計測システムの構成を示す。
図示するように、エンジン計測システムは、ダイナモメータ1、ダイナモメータ1の回転軸に第1端が連結された第1カップリング2、第1カップリング2の第2端に第1端が連結された剛性の大きいカーボンファイバー製のシャフト3、シャフト3の第2端に第1端が連結された第2カップリング4、第2カップリング4の第2端とエンジン100のクランクシャフト101の間に配置されたセンサユニット5、スタンド6、計測制御装置7、エンジン制御装置8とを備えている。
なお、本実施形態において計測対象とするエンジン100は、実働時に、所定のフライホイールが連結されるクランクシャフト101を備えたレシプロエンジンである。
ここで、回転軸を面内に含む鉛直な面による断面を図2に示す。センサユニット5は、ステータ51と、回転検出器52と、模擬フライホイール53と、トルクセンサ54と、アダプタフランジ55と、回転検出用歯車56とを有する。
模擬フライホイール53は、エンジン100のクランクシャフト101の端部のフランジに設けられているフライホイール取り付け用のボルト孔を用いて、エンジン100のクランクシャフト101にボルトで同軸状に連結されている。
ここで、模擬フライホイール53の慣性モーメントや質量などの特性は、実働時にクランクシャフト101に連結されるフライホイールの慣性モーメントや質量などの特性を、模擬フライホイール53とトルクセンサ54とアダプタフランジ55と回転検出用歯車56とで模擬するように設定している。
トルクセンサ54は、第1円盤部541と、第2円盤部542と、第1円盤部541と第2円盤部542を連結する、歪みゲージを有する起歪部543とより構成される。
トルクセンサ54の第1円盤部541は、模擬フライホイール53に同軸状に連結され、トルクセンサ第2円盤部はアダプタフランジ55を介して第2カップリング4の第2端に同軸状に連結されている。
また、回転検出用歯車56は、トルクセンサ54の第2円盤部542の外周に固定されている。
ステータ51と回転検出器52はスタンド6によって支持されている。また、ステータ51は、中央孔を有する円環状の部材であり、中央孔内に第1円盤部541が位置するように、当該第1円盤部541と同軸状に、当該第1円盤部541と非接触な形態で配置されている。
トルクセンサ54の第1円盤部541には、起歪部543に貼られた歪みゲージで検出した第1円盤部541と第2円盤部542の間に作用するトルクの大きさを表す検出信号を無線送信する送信部が内蔵されている。また、ステータ51には、第1円盤部541から無線送信される検出信号を受信するアンテナが内蔵されている。
そして、ステータ51は、受信した検出信号が表すトルクを計測トルクTqとして計測制御装置7に出力する。
また、回転検出器52は、回転検出用歯車56と対向する位置に回転検出用歯車56と非接触な形態で配置され、回転検出用歯車56の歯の通過に伴う磁気的もしくは光学的な変化からロータの回転角を算定し、計測回転角θとして計測制御装置7に出力する。
以上のように、本実施形態に係るエンジン計測システムでは、ダイナモメータ1とエンジン100のクランクシャフト101の間で作用するトルクを検出するセンサユニット5を、シャフト3を介さずに直接クランクシャフト101に連結しているので、シャフト3の捻れの影響を排して、時間的な遅れなく、エンジン100の出力トルクを計測することができる。
また、模擬フライホイール53を介してトルクセンサ54をクランクシャフト101の端部に連結するようにしたので、模擬フライホイール53によってフライホイールを含めたエンジン100の特性を再現しつつ、トルクセンサ54をクランクシャフト101の端部に適正に連結することができる。
また、模擬フライホイール53の慣性モーメントや質量などによって、実働時にクランクシャフト101に連結されるフライホイールの慣性モーメントや質量などの特性を、模擬フライホイール53とトルクセンサ54とアダプタフランジ55と回転検出用歯車56とで模擬するようにしたので、エンジン100のクランクシャフト101の回転速度の不安定化や、クランクシャフトのメタル(軸受)の焼きつきの発生を抑止することができる。
また、本実施形態に係るエンジン計測システムでは、ダイナモメータ1の回転軸とエンジン100のクランクシャフト101を軸受を用いることなく連結しているので、軸受による減衰なく、エンジン100の出力トルクを計測することができる。
本実施形態に係るエンジン計測システムは、軸受を設けていないので、エンジン100寄りに軸受を設け、軸受を介してエンジン100の位置や姿勢を安定的に維持する構造を採用することができない。
そこで、エンジン位置や姿勢を安定的に維持するために、本実施形態に係るエンジン計測システムは、さらに、図3に示すエンジン拘持装置9を備えるようにしてもよい。
図3aは水平方向から見たエンジン拘持装置9を表し、図3bは上から見たエンジン拘持装置9を表している。
エンジン拘持装置9は、ボルト等によって床に固定された支持台91と、支持台91から延びる二本のアーム92と、二本のアーム92の先端に連結された、二本のアーム92を介して支持台91によって支持された連結板93とを備えている。
図3cに点線によって各部の関係を模式的に示す。連結板93は、ボルトによってエンジン100のシリンダブロックのクランクシャフト101の端部が表れる面に固定され、エンジン100は、連結板93と二本のアーム92を介して支持台91によって安定的に拘持される。
また、支持台91には、シャフト3を通す孔が設けられており、シャフト3と支持台91とは接触していない。また、連結板93は、中央孔を有する環状の部材であり、クランクシャフト101やセンサユニット5を中央孔内に収めた形態で配置され、連結板93は、クランクシャフト101やセンサユニット5と接触していない。
図4に計測制御装置7の構成を示す。
図示するように、計測制御装置7は、エンジン制御装置8を介してエンジン100のスロットル開度を一定の開度とする定開度制御を行う定開度制御部71、ダイナモメータ1の回転速度を一定回転速度とする制御を行う定速度制御部72、ダイナモメータ1に流れる電流を定電流とする定電流制御を行う定電流制御部73、ダイナモメータ1の制御を定速度制御部72が行う定速度制御と定電流制御部73が行う定電流制御との間で切り替える切替部74、エンジン100の出力トルク計測のシーケンスを制御する測定シーケンス制御部75、センサユニット5から出力される計測トルクTqと計測回転角θから、エンジン100の出力トルク等を計測する計測処理部76とを有する。
ここで、測定シーケンス制御部75は、図5に示す測定シーケンス制御処理を実行し、予め目標回転速度77として設定された定回転速度(r/min)のエンジン100に、予め目標負荷78として設定された定負荷を加えながら、エンジン100の出力トルクを計測する出力トルク計測シーケンスを制御する。
図示するように、測定シーケンス制御処理において、測定シーケンス制御部75は、まず、切替部74にダイナモメータ1の制御を定速度制御部72が行う定速度制御に切り替えさせた上で、定速度制御部72に、計測回転角θをフィードバック信号とするフィードバック制御によって、計測回転角θから求まるダイナモメータ1の回転速度を目標回転速度77に安定させる定速度制御を開始させる(ステップ502)。
そして、計測回転角θから求まるダイナモメータ1の回転速度が目標回転速度77に安定するのを待ち(ステップ504)、安定したならば、定開度制御部71に、計測トルクTqをフィードバック信号とするフィードバック制御によって、エンジン100のスロットル開度を、計測トルクTqが目標負荷78となるスロットル開度に安定させる定開度制御を開始させる(ステップ506)。
そして、計測トルクTqが目標負荷78に安定するのを待ち(ステップ508)、安定したならば、定開度制御部71に、エンジン100のスロットル開度を現時点のスロットル開度に固定させる(ステップ510)。
また、切替部74でダイナモメータ1の制御を定電流制御部73が行う定電流制御に切り替えた上で、定電流制御部73に、ダイナモメータ1に流れる電流を、ダイナモメータ1の特性より定まる目標回転速度77においてダイナモメータ1の発生トルクが目標負荷78となる定電流制御を開始させる(ステップ512)。なお、ダイナモメータ1は、ベクトル制御の機能を備えたインバータを備えており、定電流制御中においても、ダイナモメータ1のベクトル制御は行われる。
そして、計測回転角θから求まるダイナモメータ1の回転速度と計測トルクTqが安定するのを待ち(ステップ514)、安定したら計測処理部76にエンジン100の出力トルクの計測を開始させ(ステップ516)、計測終了を待って(ステップ518)、測定シーケンス制御処理を終了する。
計測処理部76は、計測を開始すると、センサユニット5から出力される計測回転角θをエンジン100の回転角とし、計測トルクTqをエンジン100の出力トルクとして、エンジン100の出力トルクに関する種々の計測や解析を行う。
計測処理部76は、エンジン100の出力トルクの計測や解析として、図6aに示すエンジン100のクランクシャフト101の回転角とエンジン100の出力トルクの関係の算出や、エンジン100の1サイクルあたり、または、所定の単位期間あたりのエンジン100の平均出力トルクの算出や、爆発周期の算出などを行う。
爆発周期の算出は、図6bに示すエンジン100の出力トルクの時間推移において、出力トルクのピーク間の時間Pを、爆発周期として算出する。
このような計測は、測定シーケンス制御処理によって、エンジン100の回転速度を目標回転速度77とし、発生する負荷トルクが目標負荷78となるようにダイナモメータ1を定電流制御した状態において行われるので、ダイナモメータ1が所定の負荷トルクを発生するようにフィードバック制御する場合のように、エンジン100の出力トルクとダイナモメータ1の発生する負荷トルクとが干渉することなく、エンジン100の出力トルクを適正に計測できる。
1…ダイナモメータ、2…第1カップリング、3…シャフト、4…第2カップリング、5…センサユニット、6…スタンド、7…計測制御装置、8…エンジン制御装置、9…エンジン拘持装置、51…ステータ、52…回転検出器、53…模擬フライホイール、54…トルクセンサ、55…アダプタフランジ、56…回転検出用歯車、71…定開度制御部、72…定速度制御部、73…定電流制御部、74…切替部、75…測定シーケンス制御部、76…計測処理部、77…目標回転速度、78…目標負荷、91…支持台、92…アーム、93…連結板、100…エンジン、101…クランクシャフト、171…ダイナモメータ、172…エンジン、173…シャフト、174…検出器、175…計測/制御装置、541…第1円盤部、542…第2円盤部、543…起歪部(歪みゲージ含む)。

Claims (6)

  1. エンジンの出力トルクを計測するエンジン計測システムであって、
    ダイナモメータと、
    前記エンジンの出力軸の端部に連結されるセンサユニットと、
    前記ダイナモメータの回転軸と前記センサユニットを連結するシャフトと、
    計測制御装置とを有し、
    前記センサユニットは前記シャフトと前記エンジンの出力軸端との間で作用するトルクを検出するトルクセンサを備え、
    前記計測制御装置は、前記エンジンの回転速度を所定の回転速度に制御すると共に、前記ダイナモメータに流れる電流を、前記所定の回転速度において前記ダイナモメータの発生トルクが所定の負荷トルクとなる電流である目標電流に定電流制御した状態において、前記トルクセンサが検出したトルクより、前記エンジンの出力トルクを計測し、
    前記計測制御装置が前記ダイナモメータに流れる電流を前記目標電流に定電流制御した状態において、前記エンジンの出力トルクを計測している期間中、前記目標電流は、前記トルクセンサで検出されたトルクによらず一定に保たれることを特徴とするエンジン計測システム。
  2. 請求項1記載のエンジン計測システムであって、
    前記エンジンは、前記出力軸として、実働時にフライホイールが連結されるクランクシャフトを備えたレシプロエンジンであり、
    前記センサユニットは、前記クランクシャフトの端部に連結される、前記フライホイールの慣性モーメントをエンジン計測システムにおいて模擬するための模擬フライホイールを備え、
    前記トルクセンサは、当該模擬フライホイールに直接連結されており、
    前記シャフトは、前記トルクセンサと前記模擬フライホイールを介して、前記クランクシャフトの端部に連結されていることを特徴とするエンジン計測システム。
  3. 請求項2記載のエンジン計測システムであって、
    前記クランクシャフトは、実働時にフライホイールを連結するための連結用構造を端部に備え、
    前記模擬フライホイールは、前記クランクシャフトの端部に前記連結用構造を用いて連結されることを特徴とするエンジン計測システム。
  4. 請求項1記載のエンジン計測システムであって、
    前記エンジンは、前記出力軸としてクランクシャフトを備えたレシプロエンジンであり、
    当該エンジン計測システムは、前記エンジンを拘持する拘持装置を備え、
    当該拘持装置は、前記エンジンのシリンダブロックの前記クランクシャフトの端部が表れる面に連結される連結部と、前記シャフトが非接触で貫通する孔を有する、床に固定された支持台と、前記支持台と前記連結部とを連結する、前記支持台から前記連結部に延びるアームとを有することを特徴とするエンジン計測システム。
  5. 請求項2または3記載のエンジン計測システムであって、
    前記エンジンを拘持する拘持装置を備え、
    当該拘持装置は、前記エンジンのシリンダブロックの前記クランクシャフトの端部が表れる面に連結される連結部と、前記シャフトが非接触で貫通する孔を有する、床に固定された支持台と、前記支持台と前記連結部とを連結する、前記支持台から前記連結部に延びるアームとを有することを特徴とするエンジン計測システム。
  6. 請求項1、2、3、4または5記載のエンジン計測システムであって、
    エンジンの出力軸の回転速度を検出する回転検出センサを備え、
    前記計測制御装置は、前記回転検出センサが検出した回転速度を用いたフィードバック制御により、前記エンジンの回転速度を所定の回転速度に安定させ、前記トルクセンサが検出したトルクを用いたフィードバック制御により、前記ダイナモメータの発生トルクを前記所定の負荷トルクに安定させる準備動作を行った後に、前記ダイナモメータに流れる電流を前記目標電流に定電流制御する動作を開始して、前記エンジンの出力トルクの計測を行うことを特徴とするエンジン計測システム。
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