JPH02302639A - 内燃機関の発生トルク測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、内燃機関の発生トルク測定装置に係り、詳し
くは、往復動型内燃機関の発生トルクを測定するもので
、例えば自動車に載置して内燃機関のトルクを簡単に測
定できる装置に関する。

（従来の技術） 一般に、機関（例えば、自動車用内燃機関）の緒特性を
試験・解析するために用いられる種々の計測項目の１つ
に動力特性があり、これは主に発生トルクを測定して解
析等が行われる。往復動式機関が発生する瞬時のトルク
は、ピストン頂部に働（ガス圧によるトルクと往復質量
による慣性トルクとが合成されたもので、周期的に変動
する性質を持っている。また、指圧線図と往復質量から
計算で図示トルクを求めることができるが、このトルク
特性は、シリンダ数、回転数、サイクル数、ガス圧力な
どによって大きく異なる。そして、エンジンの出力軸に
発生するトルクは、上記図示トルクからピストンやベア
リングのエンジン内部の摩擦損失分を差し引いたトルク
で、正味トルクと呼ばれる。往復動式機関の性能試験で
は、主としてこの変動する正味トルクの平均を測定し評
価している。

発生トルクは、エンジン本体（フライホイール部まで）
から検出するもので、エンジン本体の発生するトルク特
性の解析、クランクシャフトや伝達軸系のねじり振動に
与える起振トルクの解析、瞬時摩擦損失の解析などに用
いられる。

機関発生トルクを測定する従来の装置としては、例えば
「自動車工学全書　第４巻　ガソリンエンジン」　（昭
和５５年山海堂発行、Ｐ２Ｏ３）に記載されたものがあ
る。この装置では、クランクシャフトの外周にひずみゲ
ージを貼り、そのひずみ量でクランクシャフトのねじり
トルクを検出し、ＦＭテレメータにより外部で受信して
解析している。

なお、測定したトルク波形には、クランクシャフトのね
じり共振成分が含まれている場合があるので、解析する
ときに注意が必要となっている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながらミこのような従来の内燃機関の発生トルク
測定装置にあっては、クランクシャフトの外周にひずみ
ゲージを貼り、そのひずみ量からクランクシャフトのね
じりトルクを検出する構成となっていたため、測定した
トルク波形にクランクシャフトのねじり共振成分等が含
まれていることがあることから、特にそのねじり共振成
分やクランクシャフトの曲げ成分の除去が必要であり、
複雑な演算処理が必要で、多大な工数を要するため実用
に供し難いという問題点があった。

（発明の目的） そこで本発明は、各気筒連接棒の軸方向ひずみを検出し
、クランク軸回転角毎に各気筒の回転トルク成分を演算
し、全気筒骨の総和を機関発生トルクとすることにより
、クランク軸のねじり共振や曲げ成分の影響を低減可能
で、容易に実用に供することができる内燃機関の発生ト
ルク測定装置を提供することを目的としている。

（課題を解決するための手段） 本発明による内燃機関の発生トルク測定装置は上記目的
達成のため、往復動型内燃機関におけるピストン軸とク
ランク軸とを連接してなる連接棒の軸方向ひずみを検出
するひずみ検出手段と、前記内燃機関のクランク軸の回
転角度を検出する回転角度検出手段と、前記内燃機関に
おける各気筒のクランク位置を検出するクランク位置検
出手段と、前記各検出手段の出力に基づいて所定のクラ
ンク軸回転角度毎に各気筒の連接棒軸方向ひずみの回転
トルク成分を演算し、その全気筒骨の総和から内燃機関
の発生トルクを算出するトルク演算手段と、を備えてい
る。

（作用） 本発明では、各気筒の連接棒の軸方向ひずみが検出され
、クランク軸の回転角度に応じて各気筒の連接棒の軸方
向ひずみの回転トルク成分が演算され、その全気筒骨の
総和が機関発生トルクとして求められる。

したがって、クランク軸のねじり共振成分や曲げ成分の
影響を低減可能となり、容易に実用に供し得る発生トル
クの測定が行われる。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１〜３図は本発明に係る内燃機関の発生トルク測定装
置の一実施例を示す図であり、本発明を直列４気筒の自
動車用エンジンに適用した例である。まず、構成を説明
する。第１図は直列４気筒エンジンｌの横断面図、第２
図は同エンジンの縦断面図であり、これらの図において
、主要部の構造として２はシリンダブロック、３はオイ
ルパン、４〜７はピストン、８はクランク軸、９〜１２
はピストン４〜７とクランク軸８とを連接している連接
棒、１３は第１気筒（＃１）の吸気弁、１４は第１気筒
（＃１）の排気弁、１５は吸気管、１６は吸気弁１３や
排気弁１４を初めとして他の気筒の吸・排気弁について
もカムや動弁駆動機構を介して駆動するカム軸である。

第１気筒の連接棒９には第１図に示すようにひずみセン
サ（ひずみ検出手段）２０が取り付けられており、ひず
みセンサ２０は例えばひずみゲージにより構成され、連
接棒９における軸方向（第１図中矢印Ｇ）のひずみを連
続的に検出する。ひずみセンサ２０の出力信号はリード
線２１を介して外部の演算回路２２に取り出される。リ
ード線２１はシリンダブロック２の側壁を貫通し、所々
固定されている。なお、第１図では第１気筒のひずみセ
ンサ２０およびリード線２１について示しているが、他
の第２〜４気筒についても同様のセンサ系が設けられて
いる。したがって、連接棒９〜１２の軸方向のひずみは
気筒毎に検出される。

一方、カム軸１６の端部にはクランク角センサ２３が取
り付けられており、クランク角センサ２３はクランク軸
８の回転角度を検出するとともに、各気筒のクランク位
置を検出し、その出力信号は演算回路２２に入力される
。クランク角センサ２３としては、例えばｒＣＡ系エン
ジン整備要領書」８産自動車（株）昭和６１年発行の４
８頁に記載されているようなものが用いられ、単位クラ
ンク角（例えば、１°）毎の信号（ｐｏｓ信号）とクラ
ンク角の基準位置（例えば、圧縮上死点前の所定位置）
毎の信号（ＲＥＦ信号）とを発生する。クランク角セン
サ２３は回転角度検出手段およびクランク位置検出手段
としての機能を有する。

演算回路２２はトルク演算手段としての機能を有し、ひ
ずみセンサ２０およびクランク角センサ２３からの出力
に基づいて所定のクランク軸回転角度毎に各気筒の連接
棒軸方向ひずみの回転トルク成分を演算し、その金気部
分の総和からエンジンｌの発生トルクを算出する。

次に、作用を説明する。

まず、第１気筒の連接棒９についての軸方向荷重Ｆを求
めるには、静的な状態で連接棒９の軸方向に荷重（例え
ば、既知の重り）を作用させた場合のひずみ量を測定し
ておき、これとの対応でひずみ量に基づいて連接棒９の
軸方向荷重Ｆが求められる。なお、他の第２〜４気筒に
ついても同様の手法で求められる。

説明の都合上、第１気筒の連接棒９を代表例として説明
すると、第３図は連接棒９の軸方向荷重Ｆ、クランク回
転角度θおよび回転トルク成分Ｑの関係を示す図である
。いま、クランク半径をＲ１連接棒９の長さをし、連接
棒９の傾斜角をφとすると、連接棒９の傾斜角φは幾何
学的関係により、なる式で表され、クランク半径Ｒと連
接棒長さＬが決まれば、クランク角回転角度θのみの関
数で表される。一方、回転トルク成分ＱはＱ＝Ｆ−ｓｉ
ｎ　　（θ＋φ）・・・・・・■なる式で表される。

以上の関係から、連接棒９の軸方向荷重Ｆとクランク回
転角度θがわかれば、任意のクランク角度θにおけるト
ルク成分Ｑを演算可能であることが明らかである。

次に、各気筒間のクランク回転角度の相対関係は一定で
あり、例えば本実施例のような４気筒４サイクル機関で
は、第２図に示すように第１気筒が圧縮行程後の上死点
にあるとき、第２気筒は膨張行程後の下死点にあり、第
３気筒は吸気行程後の下死点にあり、さらに第４気筒は
排気行程後の上死点にある。

この場合、点火順序は＃１→＃３→＃４→＃２であり、
各気筒間のクランク回転角度の相対関係は第１気筒のク
ランク回転角度をθ１とするとき、第２気筒はθ２＝（
θ、−３π）、第３気筒はθ、＝（θ１−π）、第４気
筒はθ４＝（θ、−２π）となり、第１気筒のクランク
回転角度θ１を検出すれば、他の気筒のクランク回転角
度が求められる。なお、４サイクル機関の場合はクラン
ク回転角２同転で圧縮−膨張一排気一吸気の各行程を行
うため、４π（７２０°）を１サイクルとみなし、圧縮
行程後の上死点をＯとし、０〜π（１８０°）区間を膨
張行程、π（１８０°）〜２π（３６０°）区間を排気
行程、２π（３６０’　）〜３π（５４０°）区間を吸
気行程、３π（５４０°）〜４π（７２０°）区間を圧
縮行程と判別可能である。

次に、回転トルク成分の正・負判断を行う必要がある。

クランク軸回転方向、と同方向の回転トルク成分を正方
向とすると、膨張行程のみが正方向の回転トルクを発生
し、他の行程は負方向の回転トルクと考えられ、演算上
もそのように符号を設定する必要がある。まず、連接棒
９の軸方向ひずみであるが、圧縮方向のひずみを正とし
て扱い、引張方向のひずみを負として扱う、また、連接
棒９の傾斜角φは膨張・吸気行程を正として汲い、排気
・圧縮行程では負として扱う、前記条件から回転トルク
成分の符号は一層表のようになる。

表 上記内容を実行するためには行程を判別する必要があり
、クランク角センサ２３からのクランク位置判別信号と
、クランク軸回転角度信号とによりこれを判別する。ク
ランク位置判別信号としては圧縮上死点位置に対して一
定のクランク角度位置でパルスを発生するＲＥＦ信号が
あり、このクランク位置判別信号発生点からクランク軸
回転角度信号のパルスをカウントすることにより、各行
程を判別できる。クランク軸回転角度信号としてはクラ
ンク角ｌ°毎にパルスを発生するＰＯ３信号がある。

以上の原理から、本実施例では連接棒９の軸方向荷重Ｆ
はひずみセンサ２０の出力に基づき演算回路２２におい
て求め、これは他の気筒（＃２〜＃４）についても同様
である。一方、演算回路２２にはクランク角センサ２３
の出力信号も人力されており、したがって、演算回路２
２の入力信号としては各気筒連接棒９〜１２の軸方向ひ
ずみ信号、クランク軸回転角度信号、クランク位置判別
信号となり、その処理手順についてまとめると、次のよ
うになる。

イ）クランク位置判別信号（ＲＥＦ信号）の発生点から
クランク軸角度信号（ＰＯ３信号）のパルスについてカ
ウントを開始する。

口）連接棒９〜１２について傾斜角φを前記■から演算
する。

ハ）各気筒の行程を判別する。

ニ）各気筒の回転トルク成分Ｑｉ　（ｉ＝１〜４）を前
記０式から演算する。

ホ）金気筒の回転トルク成分Ｑｉの総和Ｔ（すなわち、
発生トルク）を次式■で算出する。

但し、ｎ：気筒数、 本実施例ではｎ＝４ したがって、本実施例ではクランク軸８のひずみ量から
ねじりトルクを検出するというような従来の方法と異な
り、連接棒９〜１２に着目し、これから上記処理手順（
イ）〜（ホ）を得て発生トルクＴを演算しているので、
クランク軸８のねじり共振や曲げ成分の影響を低減する
ことが可能となり、複雑な演算処理や多大の工数を要す
ることなく、容易に実用に供し得る゛内燃機関の発生ト
ルク測定装置を実現することができる。

なお、本発明の適用は上記実施例のような直列４気筒エ
ンジンに限らず、直列６気筒工ンジン等他の気筒数でも
よく、あるいは■型エンジンでもよい。

（効果） 本発明によれば、クランク軸のねじり共振成分や曲げ成
分の影響を低減し、複雑な演算処理や多大の工数を要す
ることなく発生トルクを測定することができ、容易に実
用に供し得る内燃機関の発生トルク測定装置を実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明に係る内燃機関の発生トルク測定装
置の一実施例を示す図であり、第１図はその４気筒エン
ジンの横断面図、第２図はその４気筒エンジンの縦断面
図、第３図はその回転トルク成分算出の原理を説明する
図である。 １・・・・・・エンジン、 ２・・・・・・シリンダブロック、 ３・・・・・・オイルパン、 ４〜７・・・・・・ピストン、 ８・・・・・・クランク軸、 ９〜１２・・・・・・連接棒、 １３・・・・・・吸気弁、 １４・・・・・・排気弁、 １５・・・・・・吸気管、 １６・・・・・・カム軸、 ２０・・・・・・ひずみセンサ（ひずみ検出手段）、２
１・・・・・・リード線、 ２２・・・・・・演算回路（トルク演算手段）、２３・
・・・・・クランク角センサ（回転角度検出手段、クラ
ンク位置検出手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 往復動型内燃機関におけるピストン軸とクランク軸とを
   連接している連接棒の軸方向ひずみを検出するひずみ検
   出手段と、 前記内燃機関のクランク軸の回転角度を検出する回転角
   度検出手段と、 前記内燃機関における各気筒のクランク位置を検出する
   クランク位置検出手段と、 前記各検出手段の出力に基づいて所定のクランク軸回転
   角度毎に各気筒の連接棒軸方向ひずみの回転トルク成分
   を演算し、その全気筒分の総和から内燃機関の発生トル
   クを算出するトルク演算手段と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の発生トルク測定装
   置。