JPH0874646A

JPH0874646A - エンジンの吸・排気系温度算出方法及び同装置並びにエンジン設計方法

Info

Publication number: JPH0874646A
Application number: JP6213696A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Tateishi; 哲也立石; Tadashi Nakagawa; 正中川
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1994-09-07
Filing date: 1994-09-07
Publication date: 1996-03-19

Abstract

(57)【要約】【目的】ガスが流通する管系、例えば排気系につい
て、その各部のガス温度及び管系の温度を、一次元シミ
ュレーションモデルを用いて容易に、しかも精度良く算
出することができるようにし、非定常時の温度の計算も
可能とする。【構成】排気系への流入ガスの状態量の演算（ステッ
プＳ３）と、その演算値を用いた排気系のガスの状態量
の演算（ステップＳ４）と、排気系各部の温度の演算
（ステップＳ５）とを一定の設定時間毎に繰返し行な
い、かつ、排気系ガス状態量の演算においては、触媒コ
ンバータの容器モデルを含む一次元シミュレーションモ
デルを用いてガスの状態量を演算し、上記管系温度演算
処理においては、伝熱モデルを用いて管系温度を演算す
ることにより、上記容積部を含む排気系のガス温度及び
管系温度を、一次元解析で求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの吸気系もし
くは排気系のガスの温度や管系の温度をシミュレーショ
ンモデルを用いた計算により予測する吸・排気系温度算
出方法と、この方法を実行する装置と、この方法に基づ
く設計方法と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開発段階で
の性能評価、設計等のため、コンピュータシミュレーシ
ョンにより状態量を算出す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、排気温度を予測するものとしては、
例えば特開平６−３３８１０号公報に示されるように、
エンジン運転中に、運転状態を示す各種パラメータに基
づいて燃焼室から排気系に流れる排気ガスの温度を予測
し、その温度と排気系伝熱要素情報とに基づいて排気系
温度（排気マニホールドの壁温）を予測し、この排気系
温度の予測値に応じて、排気系温度に関係する空燃比等
を制御するようにした装置が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、エンジンの
開発段階での吸気系や排気系の設計に際しては、管系の
各部の温度を調べ、これに基づいて信頼性や排気ガス浄
化性能（排気系の場合）等の判定を行うことが必要であ
るが、このような場合に、試作機につき各種運転状態で
温度等を実測して試行錯誤的にテストを繰り返すという
ような手法では多大の労力及び時間が費やされるため、
計算により温度等を予測することが望まれる。なお、上
記特開平６−３３８１０号公報に示された装置は、実際
のエンジン運転中に排気系温度を予測してそれに応じた
制御を行なうもので、開発段階で運転条件等を種々想定
して計算を行なうようなものではない。また、上記特開
平３−９５６８１号公報に示されたものは、エンジン及
びスタータの振動系のモデルについて振動特性を調べる
もので、エンジンの吸・排気系に適用されるものではな
い。

【０００５】そこで、近年、吸気系や排気系のガスが流
通する管系の各部の温度をコンピュータシミュレーショ
ン解析による演算で予測することが考えられている。例
えば、排気管及び触媒コンバータ等からなる排気系につ
いて三次元シミュレーションモデルを作成し、このモデ
ルを用いた三次元熱流体解析により排気系の各部におけ
るガス温度及び排気管、触媒コンバータ等の温度を計算
することが考えられている。しかし。このような三次元
解析によると、その三次元モデルの作成及びこれを用い
た計算が非常に複雑なものとなり、計算時間が長くなる
とともに、三次元モデルの作成に長期間を要し、しか
も、解析、計算の過程で誤差が生じ易い等の問題があ
る。

【０００６】また、排気系を一次元モデルに置き換え、
一次元解析により温度を計算することも試みられている
が、この場合に、排気系に含まれる触媒コンバータ等の
放熱容量が大きい容積部の適切なモデル化が従来では十
分に果たされていない。また、従来のこの種の手法では
運転状態や周囲温度条件等を一定に設定して、定常状態
の場合の温度を計算しているが、排気ガス浄化性能等の
予測を行うには、冷間始動時等の非定常時の排気ガス温
度や排気管、触媒コンバータ等の温度を求めることが要
求され、従来の手法ではこのような要求を満足すること
ができなかった。

【０００７】本発明は、上記の事情に鑑み、吸気系もし
くは排気系の各部のガス温度及び管系の温度を、一次元
シミュレーションモデルを用いて容易に、しかも精度良
く算出することができ、非定常時の温度の計算も可能な
吸・排気系温度算出方法及び同装置を提供し、またこの
吸・排気系温度算出方法を利用して吸・排気系の設計を
簡単に行なうことができる設計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に係る発明は、
吸気系もしくは排気系のガスが流通する管系及び燃焼室
を管モデル、容器モデル等のサブモデルの組合せとして
モデル化し、このモデルに基づいてガスの温度、管系の
温度を算出する方法であって、エンジン運転状態の各種
パラメータに基づいて上記管系の入口側におけるガスの
状態量を演算する管系入口側ガス状態量演算処理と、こ
の管系入口側ガス状態量及び管系の温度に基づいて上記
管系内のガスの状態量を演算する管系内ガス状態量演算
処理と、この管系内のガスの状態量及び管系の伝熱条件
のパラメータに基づいて管系の固体部分の温度を演算す
る管系温度演算処理とを、上記管系内ガス状態量の演算
結果と管系温度の演算結果とを相互に反映させつつ、一
定の設定時間毎に繰返し行ない、かつ、上記管系内ガス
状態量演算処理においては、上記管系に含まれる放熱容
量の大きい容積部を入口側、出口側の２つの容器とその
間の絞り及び管とにモデル化して、この容積部のモデル
を含む管系の一次元シミュレーションモデルを用いてガ
スの状態量を演算し、上記管系温度演算処理において
は、上記容積部の比熱容量等の固体物性値を加味した伝
熱モデルを用いて管系の固体部分の温度を演算するもの
である。

【０００９】この方法において、排気系のガスの温度及
び管系の温度を算出する場合は、上記管系入口側ガス状
態量演算処理では燃焼室から排気系に流入するガスの状
態量を演算し、上記管系内ガス状態量演算処理では放熱
容量の大きい容積部としての触媒コンバータを含む排気
系の内部のガスの状態量を演算し、上記管系温度演算処
理では排気管及び上記触媒コンバータの容器等の排気系
固体部分の温度を演算する（請求項２）。

【００１０】上記管系入口側ガス状態量演算処理は、エ
ンジン諸元と、実験に基づいて設定される非定常時のエ
ンジンの燃焼状態に関する特性のデータと、実験に基づ
いて定められる非定常時の燃焼ガスからの放熱量とに基
づいて、非定常時に燃焼室から排気系に流入するガスの
状態量を演算するものであることが好ましい（請求項
３）。

【００１１】さらに、実験に基づいて定めた非定常時の
周囲温度及び温度分布から非定常時における排気系から
の放熱量を求め、この放熱量のデータを用いて上記管系
温度演算処理を行うことが好ましい（請求項４）。

【００１２】請求項５に係る発明は、吸気系もしくは排
気系のガスが流通する管系及び燃焼室を管モデル、容器
モデル等のサブモデルの組合せとしてモデル化し、この
モデルに基づいてガスの温度、管系の温度を算出する方
法であって、上記管系入口側のガス状態量の運転状態に
応じた値を調べた実験データに基づいて管系入口側のガ
ス状態量を設定する管系入口側ガス状態量設定処理と、
この管系入口側ガス状態量及び管系の温度に基づいて上
記管系内のガスの状態量を演算する管系内ガス状態量演
算処理と、この管系内のガスの状態量及び管系の伝熱条
件のパラメータに基づいて管系の固体部分の温度を演算
する管系温度演算処理とを、上記管系内ガス状態量の演
算結果と管系温度の演算結果とを相互に反映させつつ、
一定の設定時間毎に繰返し行ない、かつ、上記管系内ガ
ス状態量演算処理においては、上記管系に含まれる放熱
容量の大きい容積部を入口側、出口側の２つの容器とそ
の間の絞り及び管とにモデル化して、この容積部のモデ
ルを含む管系の一次元シミュレーションモデルを用いて
ガスの状態量を演算し、上記管系温度演算処理において
は、上記容積部の比熱容量等の固体物性値を加味した伝
熱モデルを用いて管系の固体部分の温度を演算するもの
である。

【００１３】請求項６に係る発明は、放熱容量の大きい
容積部を含む吸気系もしくは排気系の、少なくとも上記
容積部をモデル化し、このモデルに基づいて少なくとも
上記容積部の温度を算出する方法であって、上記容積部
を入口側、出口側の２つの容器とその間の絞り及び管と
からなる一次元シミュレーションモデルと、上記容積部
の比熱容量等の固体物性値を加味した伝熱モデルとを設
定し、これらのモデルを用いて、上記容積部の流入側及
び流出側のガスの状態量及び伝熱条件のデータに基づき
少なくとも上記容積部を流通するガスの状態量の演算及
び容積部の固体部分の温度の演算を、一定の設定時間毎
に繰返し行なうものである。

【００１４】請求項７に係る発明は、吸気系もしくは排
気系のガスが流通する管系及び燃焼室を管モデル、容器
モデル等のサブモデルの組合せとしてモデル化し、この
モデルに基づいてガスの温度、管系の温度を算出する方
法に使用する装置であって、上記管系の入口側における
ガスの状態量に関係するエンジン運転状態の各種パラメ
ータを設定するパラメータ設定手段と、一定の設定時間
毎に上記パラメータ設定手段からのデータに基づいて上
記管系の入口側におけるガスの状態量を演算する管系入
口側ガス状態量演算手段と、上記管系に含まれる放熱容
量の大きい容積部を入口側、出口側の２つの容器とその
間の絞り及び管とにモデル化した容積部のモデルを含む
上記管系の一次元シミュレーションモデルを設定する一
次元モデル設定手段と、上記設定時間毎に、管系入口側
ガス状態量の演算データ及び管系の固体部分の温度の演
算データに基づき上記一次元シミュレーションモデルを
用いて上記管系内のガスの状態量を演算する管系内ガス
状態量演算手段と、上記容積部の比熱容量等の固体物性
値を加味した伝熱モデルを設定するとともに管系の伝熱
条件を設定する伝熱条件設定手段と、上記設定時間毎
に、上記管系内ガス状態量の演算データ及び管系の伝熱
条件に基づき上記伝熱モデルを用いて管系の固体部分の
温度を演算する管系温度演算手段とを備えたものであ
る。

【００１５】請求項８に係る発明は、請求項１乃至５の
いずれかに記載の温度算出方法に基づいて吸・排気系を
設計する方法であって、上記温度算出方法によって算出
された吸・排気系温度に基づいて吸気系もしくは排気系
の信頼性を予測し、その予測結果が所定の信頼性判定条
件を満足しない場合は吸気系もしくは排気系の諸元ない
しエンジンの運転条件を変更した上で改めて上記算出方
法を実行して、信頼性判定条件を満足する吸気系もしく
は排気系の諸元ないしエンジンの運転条件を選び出すも
のである。

【００１６】また、請求項９に係る発明は、請求項２乃
至５のいずれかに記載の温度算出方法に基づいて排気系
を設計する方法であって、上記温度算出方法によって算
出された排気系温度に基づいて排気浄化性能を予測し、
その予測結果が所定の排気浄化性能判定条件を満足しな
い場合は排気系の諸元ないしエンジンの運転条件を変更
した上で改めて上記温度算出方法を実行して、排気浄化
性能判定条件を満足する排気系の諸元ないしエンジンの
運転条件を選び出すものである。

【００１７】

【作用】請求項１に記載の温度算出方法によると、上記
管系入口側ガス状態量演算処理、管系内ガス状態量演算
処理及び管系温度演算処理が設定時間毎に行われること
により、管系内のガスの温度及び管系の固体部分のガス
の温度が算出される。この場合、上記管系内ガス状態量
演算処理においては、管系に含まれる放熱容量の大きい
容積部が一次元解析に適した形にモデル化されて、この
モデルを含む管系の一次元シミュレーションモデルを用
いたガス状態量の演算が行われ、上記管系温度演算処理
においては上記伝熱モデルを用いた管系温度の演算が行
われることにより、上記ガス温度や管系温度が一次元解
析で比較的容易に求められる。そして、管系内ガス状態
量演算処理と管系温度演算処理とが相互に反映されつ
つ、上記各演算処理が設定時間毎に行われることによ
り、ガス温度や管系温度が精度よく求められる。

【００１８】請求項２に記載の温度算出方法によると、
排気系の温度の算出に効果的に適用され、触媒コンバー
タを含む排気系のガス温度や排気管、触媒コンバータ等
の温度が、一次元解析で比較的簡単に、かつ精度よく求
められる。

【００１９】請求項３に記載の温度算出方法によると、
管系入口側ガス状態量演算処理で非定常時に排気系に流
入するガスの状態量が演算されることにより、これに基
づいて非定常時の排気系のガス温度や管系温度を求める
ことが可能となる。

【００２０】請求項４に記載の温度算出方法によると、
非定常時の放熱量のデータを用いて、非定常時の排気系
のガス温度や管系温度を求めることが可能となる。

【００２１】請求項５に記載の温度算出方法によると、
上記管系入口側ガス状態量設定処理、管系内ガス状態量
演算処理及び管系温度演算処理が設定時間毎に行われ、
かつ、上記管系内ガス状態量演算処理においては、管系
に含まれる放熱容量の大きい容積部のモデルを含む管系
の一次元シミュレーションモデルを用いたガス状態量の
演算が行われ、上記管系温度演算処理においては上記伝
熱モデルを用いた管系温度の演算が行われることによ
り、上記ガス温度や管系温度が一次元解析で比較的容易
に、しかも精度よく求められる。

【００２２】請求項６に記載の温度算出方法によると、
放熱容量の大きい容積部を含む吸気系もしくは排気系
の、少なくとも上記容積部におけるガスの状態量及び固
定部分の温度が、一次元解析で比較的容易に、しかも精
度よく求められる。

【００２３】請求項７に記載の温度算出装置によると、
上記のような温度算出方法が有効に実行される。

【００２４】請求項８に記載の設計方法によると、上記
のような温度算出方法に基づき、信頼性を満足する吸気
系もしくは排気系の諸元ないしエンジンの運転条件の設
計が容易に行われる。

【００２５】請求項９に記載の設計方法によると、上記
のような温度算出方法に基づき、排気浄化性能を満足す
る吸気系もしくは排気系の諸元ないしエンジンの運転条
件の設計が容易に行われる。

【００２６】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
なお、図に示す実施例では、本発明を排気系の温度算出
とそれに基づく排気系の設計に適用している。

【００２７】図１はエンジン本体及び排気系を概略的に
示している。この図において、エンジン本体１の各気筒
は燃焼室２を有し、燃焼室２には排気ポート３が開口し
ている。また、排気系は、上記排気ポート３に通じる排
気マニホールド３０と、その下流側の排気管５と、排気
管５に介設された触媒コンバータ１０，２０及びサイレ
ンサ６等で構成されている。この図に示す例では、触媒
コンバータ（以下、キャタと呼ぶ）として、排気マニホ
ールド４の近傍に位置するプリキャタ１０及びその下流
に位置するメインキャタ２０が配設されている。上記プ
リキャタ１０は、排気管に連結されたキャタ容器１１
と、その内部に収容された触媒１２及び断熱材１３から
なっており、メインキャタ２０は、排気管に連結された
キャタ容器２１と、その内部に収容された酸化、還元用
の一対の触媒２２Ａ，２２Ｂ及び断熱材２３からなって
いる。

【００２８】図１中の実線矢印は排気ガスの流れを示し
ており、燃焼室２から排気ポート３に流出する排気ガス
は、排気マニホールド４を通って排気管５に流れ、上記
プリキャタ１０、メインキャタ２０及びサイレンサ６を
通過するようになっている。また、破線矢印は排気系か
らの熱の放出を示している。

【００２９】図２は排気系の温度を算出するためのシミ
ュレーションモデルであり、このモデルは、燃焼室２及
び排気系を管モデル、容器モデル等のサブモデルの組合
せとしてモデル化し、排気流通方向各部位の排気ガス状
態量を一次元解析で計算することができるような一次元
モデルとしたものである。すなわち、排気系のシミュレ
ーションモデルは、排気マニホールド４及び排気管５を
表す管モデルと、プリキャタ１０及びメインキャタ２０
を表すモデルと、サイレンサー６を表すモデル等で構成
されている。

【００３０】放熱容量の大きい容積部であるプリキャタ
１０及びメインキャタ２０は、例えば図３及び図４のよ
うにモデル化されている。すなわち、図３は、排気系内
の排気ガス状態量の演算に用いるキャタ容器モデル３０
を示し、このモデル３０は、キャタの入口側及び出口側
をそれぞれ容器とした２つの容器３１ａ，３１ｂと、こ
れらの容器３１ａ，３１ｂの間に位置する管３１ｃ及び
絞り３１ｄとにモデル化され、これが排気系のモデルに
組み込まれている。そして、このように容器、管、絞り
からなるモデルとすることにより、後に詳述するような
管モデル、容器モデル及び境界モデルの解析演算手法を
適用して、一次元計算が可能となるようにしている。

【００３１】また、図４は、排気系の温度の演算に用い
るキャタ伝熱モデル４０を示している。このモデル４０
は、キャタの容器、触媒、断熱材を伝熱要素４１，４
２，４３としてモデル化したものである。

【００３２】上記キャタ容器モデル３０及びキャタ伝熱
モデル４０は、同一のキャタを排気ガス状態量の計算に
適合する形と容器、触媒の温度の計算に適合する形とに
それぞれモデル化したものである。上記プリキャタ１０
及びメインキャタ２０は、いずれも、このようなキャタ
容器モデル３０及とキャタ伝熱モデル４０とにモデル化
される。

【００３３】なお、上記キャタ容器モデル３０とキャタ
伝熱モデル４０とを、図５に示すような１つのキャタモ
デル５０で構成することもできる。すなわち、このキャ
タモデル５０は、入口側及び出口側の２つの容器５１
ａ，５１ｂとその間の管５１ｃ及び絞り５１ｄとを有す
るとともに、触媒及び断熱剤に相当する伝熱要素５２，
５３を含むようにモデル化され、排気ガス状態量の計算
とキャタ容器、触媒の温度の計算のいずれにも適用でき
るようになっている。

【００３４】図６は排気系温度算出方法及びそれに基づ
く排気系設計方法の概略手順を示す説明図である。この
図に示すように、演算処理にあたっては、先ずステップ
Ｓ１で、エンジン諸元（シリンダボア径、圧縮比等）、
排気系諸元（排気管の径、長さ、キャタ容量等）、運転
モード（始動時、高負荷時、加減速時等）、運転条件
（回転数、空燃比、点火時期等）、ガス温度や排気系温
度等についての初期条件などを設定する。

【００３５】次に、ステップＳ２で時間経過を想定する
ための時間設定を行なった上で、ステップＳ３での排気
系への流入ガスの状態量の演算処理（管径入口側ガス状
態量演算処理）と、ステップＳ４での排気系のガスの状
態量の計算（管系内ガス状態量演算処理）と、ステップ
Ｓ５での排気系各部の温度の計算（管系温度演算処理）
とを順次行なう。そして、ステップＳ２で時間ｔを一定
の微少な設定時間Δｔずつ更新しつつ、ステップＳ３〜
ステップＳ５の処理を繰り返す。

【００３６】上記ステップＳ３では、エンジン運転状態
の各種パラメータに基づき、燃焼室から排気系に流入す
る排気ガスの温度及び流量を演算し、例えば、実験等に
よって求められた指圧特性のデータ及び燃焼室放熱条件
（水温、油温、エンジン本体温度等）に基づいて演算を
行なう。

【００３７】また、ステップＳ４では、上記ステップＳ
３で演算された排気系への流入ガスの状態量と、排気系
各部の温度（ステップＳ５の演算データが反映される）
とに基づき、図２に示すような一次元シミュレーション
モデルを用いて、後に詳述するような一次元解析によ
り、排気系内の各部における排気ガスの温度及び流量を
算出する。この場合、排気系に含まれる放熱容量の大き
い容積部であるプリキャタやメインキャタについては、
予め設定された図３のようなキャタ容器モデル３０（ま
たは図５のようなキャタモデル５０）を用いて一次元解
析を行なう。

【００３８】さらにステップＳ５では、排気系内の排気
ガスの状態量（ステップＳ４の演算データが反映され
る）と排気系の放熱条件等の伝熱条件とに基づき、排気
管の温度、キャタにおけるキャタ容器温度及び触媒温
度、排気マニホールドの管温度等を算出する。この場
合、上記キャタについては、予め設定された図４のよう
なキャタ伝熱モデル４０（または図５のようなキャタモ
デル５０）を用いて一次元解析を行なう。

【００３９】なお、上記指圧特性、燃焼室放熱条件及び
排気系放熱条件は、予め実験等に基づいて運転状態に応
じた値が求められ、エンジン始動時等の非定常時につい
ても後述のように指圧特性や放熱量のデータが求められ
る。そして、運転状態及び設定時間に応じたデータが逐
次与えられつつ上記各演算処理（ステップＳ３〜ステッ
プＳ５）が繰り返されることにより、非定常時における
排気ガスの状態量を求めることもできるようになってい
る。

【００４０】上記各演算処理（ステップＳ３〜ステップ
Ｓ５）は、一定時間が経過し、あるいは演算値が収束す
る等の所定の演算終了条件が成立するまで繰り返され
る。

【００４１】また、このような演算により得られる排気
系の温度の演算データは、例えばエミッションの判定
（ステップＳ６）や排気系の信頼性の判定（ステップＳ
７）、及びこれらの判定に基づく排気系の設定（ステッ
プＳ８）等に用いられる。すなわち、ステップＳ６で
は、上記ステップＳ５の演算処理により得られるキャタ
の触媒温度と予め実験的調べられた排気浄化率特性等に
基づいてエンジン始動時等におけるエミッション性能を
予測し、そのエミッション性能の良否を判定する。ま
た、ステップＳ７では、上記ステップＳ５の演算処理に
より得られる排気管、キャタ等の排気系各部の温度と、
排気系各部の材料の熱的強度等についてのパラメータと
に基づいて排気系の信頼性を予測し、その信頼性の良好
を判定する。そして、ステップＳ８では、上記ステップ
Ｓ６，Ｓ７での判定に基づき、上記エミッション性能や
信頼性が要求を満足しない場合に排気系諸元、運転条件
等を再設定する。

【００４２】図６に概略的に示した演算等の処理の具体
例を、以下に説明する。

【００４３】図７は、排気系への流入ガスの状態量を演
算するためのルーチンを示しており、この図の中のステ
ップＳ１，Ｓ２は図５中の同一符号のステップと同じで
ある。このルーチンでは、諸元、条件等の設定（ステッ
プＳ１）の後、演算処理を繰り返すための時間設定（ス
テップＳ２）を行なった上で、図４中のステップＳ３に
相当するステップＳ３１〜Ｓ３６の処理を行なう。

【００４４】すなわち、先ずステップＳ３１でエンジン
指圧データを設定する。この場合、予め種々のエンジン
回転数、負荷における指圧特性を実験的に調べておき、
そのデータをコンピュータ内に記憶させておく。そし
て、演算処理の際には設定された条件に基づいて運転状
態に応じた指圧特性が設定されるようにし、例えば、エ
ンジン始動時について演算を行なう場合であれば、始動
からの運転状態（回転数等）の変化に基づいて、設定時
間毎の運転状態が想定され、それに応じた指圧特性が上
記実験データから設定されるようにする。

【００４５】続いてステップＳ３２で、上記エンジン指
圧データ及びエンジン諸元に基づいて燃焼期間、燃焼時
間及び最大圧力を設定し、これらステップＳ３１，Ｓ３
２での設定に基づき、ステップＳ３３で燃焼による熱発
生量を計算する。さらにステップＳ３４で、後述の図６
のルーチンでの演算によってエンジン本体温度を設定す
る。

【００４６】次にステップＳ３５で、エンジン本体への
放熱量Ｑ_E を演算する。この放熱量Ｑ_E は、燃焼ガスか
らヘッド、ライナー壁、ピストン壁へ放出される熱量で
あって、燃焼ガス温度をＴ_G 、エンジン本体温度をＴ
_E 、伝熱面積をＡ_E 、熱伝達係数をα_E とすると、

【００４７】

【数１】Ｑ_E＝α_E・（Ｔ_G−Ｔ_E）・Ａ_E・Δｔとなる。

【００４８】続いてステップＳ３６で、燃焼室から排気
系へ流入するガスの状態量（温度及び流量）を、一次元
ガスシミュレーションにより演算する。この演算は従来
のガスシミュレーションにおいても行なわれているもの
であるため、詳細については省略する。

【００４９】このようにして、排気系への流入ガスの状
態量演算処理が行なわれる。なお、図７に示す演算処理
は、これだけを独立して行なうこともできるもので、こ
のようにする場合は、上記ステップＳ３６に続いてステ
ップＳ３７で終了条件成立（例えば所定時間経過）か否
かを判定し、終了条件が成立するまでステップＳ２及び
ステップＳ３１〜Ｓ３６を繰返し、終了条件が成立すれ
ば、ガス温度データをアウトプットする（ステップＳ３
８）。このガス温度データは、エンジンの燃焼条件等に
ついての判定、設計に利用することができる。

【００５０】図６に示した全体手順の中で排気系への流
入ガスの状態量演算処理を行なう場合には、図７のルー
チンにおける上記ステップ３６から、排気系ガスの状態
量演算処理（図６中のステップＳ４）に移る。

【００５１】上記の図７のルーチンでの演算処理に関連
するエンジン本体温度の演算処理（ステップＳ３００）
は、図８のルーチンで行なう。

【００５２】このルーチンでは、先ずステップ３０１で
冷却水温及び潤滑油温を設定する。この場合、エンジン
始動時等の非定常時における冷却水温Ｔ_W は、

【００５３】

【数２】Ｔ_W＝Ｔ_W1−（Ｔ_W1−Ｔ_W0）・ｅｘｐ（Ｈ・ｔ）となる（図９参照）。ここで、Ｔ_W0は冷間時初期温度、
Ｔ_W1は定常時の温度、Ｈは冷却水の熱容量及び流量によ
って定まる定数であり、これらを予め実験等で調べてお
くことにより、非定常時にも設定時間毎に冷却水温Ｔ_W
を求めることができる。潤滑油温についても同様であ
る。

【００５４】続いてステップＳ３０２で、エンジン本体
のヘッド、ライナーから冷却水への熱伝達及びピストン
から潤滑油への熱伝達を設定する。これらの熱伝達は、
図１０のようにエンジン回転数によって定まるものであ
り、これを予め実験的に調べておくことにより、始動時
等の非定常時にも、時間経過に応じたエンジン回転数の
変化に基づき、設定時間毎に熱伝達を求めることができ
る。

【００５５】上記ステップＳ３０１，３０２での設定に
基づいてステップＳ３０３で、エンジン本体から冷却
水、潤滑油への放熱量Ｑ_E′を演算する。つまり、エン
ジン本体から冷却水への放熱量Ｑ_W は、エンジン本体の
温度Ｔ_E と、冷却水温Ｔ_W と、熱伝達α_W と、伝熱面積
Ａ_E′ とから、

【００５６】

【数３】Ｑ_W＝α_W・（Ｔ_E−Ｔ_W）・Ａ_E′・Δｔと演算し、エンジン本体から潤滑油への放熱量も同様に
演算して、これらを加えることにより、放熱量Ｑ_E′を
求める。

【００５７】そしてステップＳ３０４で、燃焼ガスから
エンジン本体への放熱量Ｑ_E（前記のステップＳ３５で
求められる）と上記放熱量Ｑ_E′との差をもって、エン
ジン本体に蓄積する熱量ΔＱ_E を求める。さらにステッ
プＳ３６で、エンジン本体の温度Ｔ_E を計算する。この
場合、エンジン本体の比熱をＣ_PE、密度をρ_E 、固体部
体積をＶ_E 、エンジン温度上昇分をΔＴ_E 、エンジン本
体温度の前回値をＴ_E(n-1)として、次のように演算す
る。

【００５８】

【数４】ΔＴ_E＝ΔＱ_E／（Ｃ_PE・ρ_E・Ｖ_E）Ｔ_E＝Ｔ_E(n-1)＋ΔＴ_E 図１１は、図４に示した手順において、特に排気系にお
けるガスの状態量の計算（ステップＳ４）及び排気系各
部の温度計算（ステップＳ５）を具体的に示している。
この図において、諸元、条件等の設定（ステップＳ１）
の後、演算処理を繰り返すための時間設定（ステップＳ
２）を行なった上で、ステップＳ３での流入ガス状態量
演算処理（図５中のステップＳ３１〜Ｓ３６の処理）に
続き、ステップＳ４で、図２の排気系モデルに図３（も
しくは図５）のキャタ容器モデルを組み込んだ一次元モ
デルによる排気系のガスの状態量の計算を行なう。さら
に、排気系各部の温度計算（ステップＳ５）の処理とし
て、ステップＳ５１で排気系の放熱条件を設定し、ステ
ップＳ５２，Ｓ５３で排気管温度の計算及びキャタ容
器、触媒の温度の計算を行なう。そして、終了条件成立
（例えば所定時間経過）か否かを判定し（ステップＳ５
４）、終了条件が成立するまでステップＳ２〜Ｓ４及び
ステップＳ５１〜Ｓ５３を繰返し、終了条件が成立すれ
ば、排気管、キャタの温度を出力する（ステップＳ５
５）。

【００５９】上記ステップＳ４及びステップＳ５１〜Ｓ
５３の処理は、具体的には次のとおりである。

【００６０】[１]排気系のガスの状態量の計算（ステッ
プＳ４）排気系、キャタ容器モデルのうちの管モデル、容器モデ
ル、管と容器との管の境界モデルにつき、次のような演
算を行なう。なお、キャタ容器モデルは、入口側及び出
口側が容器モデル、中間部が管モデル、これらの間が境
界モデルとして計算される。

【００６１】管モデルについての演算管モデルには、壁面摩擦係数、曲がり損失、管壁との熱
交換を考慮して、次のような質量、運動量、エネルギー
の各保存式を適用する。

【００６２】

【数５】

【００６３】上記（１）〜（３）式を変形することによ
り、次のような状態量変化を表す特性方程式を得る。

【００６４】

【数６】

【００６５】上記（４）式は圧力伝播の軌跡、（５）式
は（４）式に沿っての変化、（６）式は粒子の移動軌
跡、（７）式は（６）式に沿っての変化である。

【００６６】そして、管を等分割し、ある時刻における
各分割点での状態量（Ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）が既知であると
すれば、上記（４）〜（７）を差分近似した後、連立さ
せて解くことにより、微少時間後の各状態量を求めるこ
とができる。

【００６７】容器モデルの演算容器内では、次のエネルギー平衡式が成り立つ。

【００６８】

【数７】

【００６９】この式において、Σ（ＣｐＴｄＧ／ｄｔ）
は容器に流入するガスのエネルギー、ｄＱ／ｄｔは壁面
からの伝達熱量や燃焼による発熱量等、ｄ（ＣｖＧＴ）
／ｄｔは内部エネルギーの変化、ＡＰｄＶ／ｄｔは外部
から受ける仕事量である。

【００７０】この式を解くことにより、容器内の状態量
の変化を求めることができる。

【００７１】境界モデルの演算境界モデルについては、容器から管に気体が流出する場
合と、管から容器に気体が流入する場合とを説明する。
なお、境界モデルにおいては、容器内の圧力をＰ_v、同
温度をＴ_v、絞り（容器の管との間）の圧力をＰ_t、同温
度をＴ_t、同流速をｕ_t、同断面積をＡ_t、管端の圧力を
Ｐ_p、同温度をＴ_p、同流速をｕ_p、同断面積をＡ_pとす
る。

【００７２】容器から管に気体が流出する場合において
は、次のエネルギー、質量の各保存式が成り立つ。

【００７３】

【数８】

【００７４】容器から絞りへは断熱変化を仮定すると、
次式が成り立つ。

【００７５】

【数９】

【００７６】管端が亜音速の場合は前記（５）式を適用
し、音速の場合は次式を適用する。

【００７７】

【数１０】

【００７８】また、絞りにおいて亜音速の場合は次の
（１２）式、音速の場合は（１３）式が成り立つ。

【００７９】

【数１１】

【００８０】上記（８）〜（１３）式と（４）〜（７）
式を連立して解くことにより、管端における状態量（Ｐ
_p，Ｔ_p，ｕ_p）を求めることができる。

【００８１】また、管から容器に気体が流入する場合に
おいては、次のエネルギー、質量の各保存式が成り立
つ。

【００８２】

【数１２】

【００８３】管から絞りへは断熱変化を仮定すると、次
式が成り立つ。

【００８４】

【数１３】

【００８５】また、絞りにおいて亜音速の場合は次の
（１７）式、音速の場合は（１８）式が成り立つ。

【００８６】

【数１４】

【００８７】上記（１４）〜（１８）式と（４）〜
（７）式を連立して解くことにより、管端における状態
量（Ｐ_p，Ｔ_p，ｕ_p）を求めることができる。

【００８８】これら〜のような演算を、相互に演算
結果を反映させつつ設定時間毎に行なう。

【００８９】[２]排気系各部の温度計算 [2-1]排気系の放熱条件の設定排気管から大気への放熱量Ｑａは、次式のようになる。

【００９０】

【数１５】Ｑａ＝αｐ・（Ｔｐ−Ｔａ）・Ａｐ・Δｔ …(19) αｐ：排気管から周囲への熱伝達Ｔｐ：排気管温度（ｔ時間後の）Ｔａ：周囲温度Ａｐ：排気管の伝熱表面積この放熱量Ｑａを定めるには、周囲温度Ｔａと熱伝達α
ｐを定めなければならない。

【００９１】周囲温度Ｔａは実験に基づいて定めること
ができ、非定常時、例えば始動時の場合であれば、始動
前と始動後の周囲温度Ｔ_a0，Ｔ_a1を実験で調べておき、
その値をもとに始動開始からｔ秒後の周囲温度Ｔａを次
式のように求める（図９参照）。

【００９２】

【数１６】Ｔａ＝Ｔ_a1−（Ｔ_a1−Ｔ_a0）ｅｘｐ（Ａ・ｔ）Ａ：エンジン諸元によって定まる定数なお、始動前、始動後の周囲温度Ｔ_a0，Ｔ_a1を調べる場
合、排気ポート部分３については水温を調べ、排気マニ
ホールド４からプリキャタ１０に至るまでの範囲につい
てはエンジンルーム内の温度を調べ、これより下流側の
部分については車外温度を調べればよい。

【００９３】また、排気管から周囲への熱伝達αｐも実
験に基づいて定めることができる。例えば、自動車の床
下に位置する部分では、走行風の影響を加味した熱伝達
の周方向の分布が図１２のようになり、このような熱伝
達の分布を実験的に調べ、その平均値を求めることによ
り、熱伝達αｐの値が得られる。

【００９４】より具体的には、無風状態での周方向各位
値の熱伝達α_po及びその平均値と、走行風での熱伝達α
_pv及びその平均値は、次のようになる。

【００９５】

【数１７】

【００９６】ここで、Ｅは排気管位置による補正係数
（図１３参照）であって、実験により定められる。そし
て、排気管から周囲への熱伝達は、

【００９７】

【数１８】

【００９８】となる。

【００９９】[2-2]排気管の温度の計算排気管の温度は、後に述べるキャタ容器温度の計算に準
じて行なえばよい。つまり、 [2-3]キャタ容器、触媒温度の計算キャタ容器温度の計算前記の図３中に示すように、排気ガスから排気管への伝
熱量をＱ_CY、触媒からキャタ容器への伝熱量をＱ_CTY 、
排気管から大気への伝熱量をＱ_CTA 、キャタ容器から排
気ガスへ還流する熱量をＱ_CTG 、とする。

【０１００】排気ガスから排気管への伝熱量Ｑ_CYは次の
ように求められる。

【０１０１】

【数１９】

【０１０２】触媒からキャタ容器への伝熱量Ｑ_CTY は、
後記(28)式で求められる。

【０１０３】排気管から大気への伝熱量Ｑ_CTA は、前述
のように熱伝達αｐが定められている場合は前記(19)式
（放熱量Ｑａに相当）で求められるが、熱伝達αｐが定
められていない場合には次のように求められる。

【０１０４】

【数２０】

【０１０５】キャタ容器から排気ガスへ還流する熱量Ｑ
_CTG は次のように求められる。

【０１０６】

【数２１】

【０１０７】上記各熱量Ｑ_CY，Ｑ_CTY ，Ｑ_CTA ，Ｑ_CTG
から、Δｔ時間にキャタ容器に蓄積される熱量Ｑｃは、
次のように求められる。

【０１０８】

【数２２】Ｑｃ＝Ｑ_CY＋Ｑ_CTY−Ｑ_CTA−Ｑ_CTG そして、この熱量Ｑｃから、非定常時のキャタ容器温度
が求められる。すなわち、Δｔ時間当りの上昇温度ΔＴ
_CAT は、

【０１０９】

【数２３】 ΔＴ_CAT＝Ｑｃ／（Ｃ_PC・ρ_C・Ｖ_C） …(23) Ｃ_PC：キャタ容器比熱、ρ_C：キャタ容器比重、Ｖ_C：キ
ャタ容器固体部体積となり、キャタ容器温度Ｔ_CAT は、

【０１１０】

【数２４】Ｔ_CAT＝Ｔ_CAT(n-1)＋ΔＴ_CAT (24) Ｔ_CAT(n-1)：キャタ容器温度の前回値となる。

【０１１１】触媒温度の計算前記の図３中に示すように、触媒前面より流入する熱量
をＱ_CTF 、触媒格子内から流入する熱量をＱ_CTI 、触媒
内の伝熱量をＱ_CTX 、触媒側面からキャタ容器への伝熱
量をＱ_CTY 、触媒から排気ガスへ還流する熱量をＱ_CTR
とすると、これらの値は次のようになる。

【０１１２】

【数２５】

【０１１３】上記各熱量Ｑ_CTF ，Ｑ_CTI ，Ｑ_CTX ，Ｑ
_CTY ，Ｑ_CTR から、Δｔ時間に触媒に蓄積される熱量Ｑ
_CTは、次のように求められる。

【０１１４】

【数２６】Ｑ_CT＝Ｑ_CTF＋Ｑ_CTI＋〔Ｑ_CTX〕−Ｑ_CTY−Ｑ_CTR そして、Δｔ時間当りの上昇温度ΔＴ_CTは、

【０１１５】

【数２７】ΔＴ_CT＝Ｑ_CT／（Ｃ_CT・ρ_CT・Ｖ_CT）Ｃ_CT：触媒比熱、ρ_CT：触媒比重、Ｖ_CT：触媒容量となり、触媒温度Ｔ_CTは、

【０１１６】

【数２８】Ｔ_CT＝Ｔ_CT(n-1)＋ΔＴ_CT Ｔ_CAT(n-1)：触媒温度の前回値となる。

【０１１７】以上のような温度算出方法によると、図６
中のステップＳ３の処理、具体的には図７中のステップ
Ｓ３１〜Ｓ３６の処理により、排気系への流入ガスの温
度及び流量が演算され、その演算データに基づいて、ス
テップＳ４の処理で排気系の各部におけるガスの温度及
び流量が演算されるとともに、ステップＳ５（具体的に
は図１１中のステップＳ５１〜Ｓ５３）の処理により排
気系の各部の温度が演算され、これらの演算処理が設定
時間毎に繰り返される。この場合に、図２に示すような
排気系の一次元シミュレーションモデルが作成され、キ
ヤタについては一次元解析に適合する図３のようなキャ
タ容器モデル３０及び図４のようなキャタ伝熱モデル４
０、あるいは図５のようなキヤタモデル５０が作成さ
れ、これらのモデルを用いた一次元解析により排気系の
ガス温度及び排気系温度が算出される。従って、三次元
解析による場合と比べて計算が簡単になるとともに、モ
デルの作成も容易になり、しかも上記ガス温度及び排気
系温度が精度良く求められる。

【０１１８】また、エンジン始動時等の非定常時につい
ても、その非定常時の指圧データや放熱条件等が与えら
れつつ、設定時間毎にガス温度、排気系温度が算出され
る。従って、非定常時の温度も容易に、かつ精度良く求
められる。

【０１１９】図１４は、上記の温度算出方法により得ら
れる演算データとして、キャタ前のガス温度、キャタの
ガス温度、触媒温度（モノリス温度）及び排気管温度の
それぞれにつき、エンジン始動からの経過時間に応じた
計算値を示している。また、上記の温度算出方法により
得られる演算データとして、図１５は、排気系の各部に
おける排気ガスと排気管、キャタ容器及び触媒の各温度
の計算値（始動後６０秒の時点での値）を示している。
これらの図に示すように、排気ガスの温度及び排気系の
固体部分の温度は排気系の各部においてそれぞれ異な
り、かつ、これらの温度が時間経過に伴って変化する
が、上記の温度算出方法により、このような非定常時の
排気系各部の温度の、時間経過に応じた値が求められる
こととなる。

【０１２０】そして、当発明者において試作機につき実
測により排気系各部の温度を調べ、その実験値と上記の
温度算出方法により求めた計算値とを比較したところ、
極めて高い精度で実験値と計算値とが近似する結果が得
られた。

【０１２１】なお、上記実施例では、後に詳述するよう
な信頼性の判定及びエミッション性能の判定とそれに基
づく排気系の設計のため、排気系の各部におけるガス温
度及び排気系温度を演算しているが、キャタ単体につい
ての信頼性及び性能の判定、設計等を行なうような場合
には、上記のような各演算処理のうちでキャタ内のガス
の状態量の演算及びキャタ容器、触媒の温度の演算を独
立して行なうようにすることもできる。この場合、図
３，図４のようなモデル３０，４０あるいは図５のよう
なモデル５０を用い、かつ、キャタ入口側及び出口側の
ガスの状態量及び伝熱条件についてのデータを実験等に
基づいて定めておき、そのデータを設定時間毎に与えて
演算を行なうようにすればよい。

【０１２２】図１６は、温度算出方法の別の実施例を示
している。この図に示す実施例では、諸元、条件等の設
定（ステップＳ１）の後、演算処理を繰り返すための時
間設定（ステップＳ２）に続き、前記の実施例における
流入ガス状態量演算処理（ステップＳ３）に代えて、実
験データによる排気ガスデータの入力、設定を行なう
（ステップＳ３′）。つまりこの実施例は、運転中にお
ける燃焼室から排気系への流入ガスの温度、流量の時間
的変化が予め実験によって既知となっている場合のもの
であって、Δｔ時間毎の流入ガスの温度、流量の実験デ
ータを入力するようにしている。

【０１２３】ステップＳ３′に続く排気系のガスの状態
量計算（ステップＳ４）、排気系放熱条件の設定（ステ
ップＳ５１）、排気管温度の計算（ステップＳ５２）及
びキャタ容器、触媒温度の計算（ステップＳ５３）は、
前記の図１１中に示すものと同様である。

【０１２４】このように、運転中における流入ガスの状
態量の時間的変化が予め既知の場合にそのデータを利用
して設定時間毎の流入ガス状態量の設定を行なうように
すれば、計算の簡略化が図られる。一方、運転中におけ
る流入ガスの状態量の時間的変化を予め実件的に調べて
おくことが困難な場合は、前記の実施例によればよい。

【０１２５】次に、排気系の温度の算出に基づき、その
演算データを利用して行なうエミッション性能、信頼性
の判定とそれに応じた排気系設計（図６中のステップＳ
６〜Ｓ８の処理）の具体例を説明する。

【０１２６】図１７は、排気系温度を算出する処理に加
えてＥＭ（エミッション）性能の判定とそれに応じた排
気系設計を行なう場合の一例を示している。

【０１２７】この図に示す手順としては、諸元、条件等
の設定（ステップＳ１）の後、演算処理を繰り返すため
の時間設定（ステップＳ２）に続き、設定時間毎に運転
状態の設定（ステップＳ６０）を行なう。この場合、Ｅ
Ｍ性能の判定を行なうべき運転条件における走行パター
ンが予め実験により定められ、例えば図１９中に示すよ
うな運転時間経過に応じた車速の変化が定められてその
データがコンピュータ内に記憶されており、この走行パ
ターンのデータから、設定時間毎にその時点の運転状態
を求めてこれを入力する。そしてこの運転状態のもとで
のガス状態量、排気系温度の計算（図６中のステップＳ
３〜Ｓ５に相当する処理）を行なう。

【０１２８】続いてステップＳ６１で、図１８に示すよ
うな触媒温度と触媒の浄化率との関係を示す触媒浄化率
特性のデータを入力する。そして、ステップＳ６２で、
上記触媒浄化率特性に基づき、触媒温度の計算値に応じ
た浄化率を求め、ステップＳ６３で、この浄化率と排気
ガス流量の計算値とから、設定時間毎のＥＭ排出量（排
気ガス中の有害成分の排出量）を計算する。さらにステ
ップＳ６４で、今回までのＥＭ排出量の累積値であるＥ
Ｍ総排出量を積算する。なお、設定時間毎のＥＭ排出量
が図１９中に示すようになる場合、同図中にハッチング
を付した部分の面積がＥＭ総排出量に相当する。

【０１２９】上記ステップＳ２からステップＳ６４まで
の処理を、指定時間経過の判定（ステップＳ６５）に基
づいて指定時間が経過するまで繰返し、指定時間が経過
すると、ステップＳ６６で、上記ＥＭ総排出量が基準値
以下か否かによりＥＭ性能が良好か否かを判定する。

【０１３０】この判定結果が良（ＯＫ）であればそのま
ま終了するが、不良（ＮＧ）の場合は、排気系諸元や運
転条件を再設定し（ステップＳ６７）、時間設定のリセ
ット（ステップＳ６８）を行なった上でステップＳ２に
戻ってそれ以下の処理を繰り返す。そして、ステップＳ
６６の判定が良となるまで、排気系諸元や運転条件の再
設定を繰り返す。

【０１３１】上記ステップＳ６７で再設定を行なう場合
に、排気系諸元としては排気管肉厚、熱容量、触媒容
量、排気管断熱材料、排気管材料、外部ヒーター等を再
設定し、運転条件としては点火時期、エンジン回転数、
空燃比、ＥＧＲ、二次エアー等を再設定すればよい。

【０１３２】このように排気系温度演算データを用いた
ＥＭ性能の判定に基づいて排気系諸元や運転状態の設計
を行なうようにすると、ＥＭ性能の良好な排気系の設計
を机上で容易に行なうことができる。

【０１３３】なお、ＥＭ性能判定の具体的手法は上記実
施例以外にも考えられ、例えば、始動から所定時間経過
までの期間について温度計算の処理（図６中のステップ
Ｓ２〜Ｓ５）を行なってから、排気浄化率特性のデータ
に基づき、上記所定時間経過時点の触媒温度の計算値に
応じた浄化性能を求め、この浄化性能が基準値以上か否
かを調べるようにしてもよい。

【０１３４】図２０は、排気系温度を算出する処理に加
えて信頼性判定とそれに応じた排気系設計を行なう場合
の一例を示している。

【０１３５】この図に示す手順としては、諸元、条件等
の設定（ステップＳ１）の後、演算処理を繰り返すため
の時間設定（ステップＳ２）に続き、設定時間毎に運転
状態の設定（ステップＳ７０）を行なう。この場合、信
頼性判定を行なうべき運転条件における走行パターンが
予め実験により定められ、例えば図２１に示すような高
負荷での熱サイクル耐久テストモードによる時間経過に
応じた運転状態（回転数、負荷）の変化のパターンと、
図２２に示すような加減速評価テストモードによる時間
経過に応じた車速の変化のパターンの２種類のパターン
が予め定められて、そのデータがコンピュータ内に記憶
されている。そして、ステップＳ１で運転モードが設定
されるとともに、上記ステップＳ７０で、その運転モー
ドによるパターンのデータから、設定時間毎にその時点
の運転状態を求めてこれを入力する。そしてこの運転状
態のもとでのガス状態量、排気系温度の計算（図６中の
ステップＳ３〜Ｓ５に相当する処理）を行なう。

【０１３６】続いてステップＳ７１で、排気系材料の熱
的強度を示すパラメータ（材料物性値により定まる耐熱
限界温度等）を入力する。そしてステップＳ７２で、排
気系（排気管やキャタ）の温度が耐熱限界温度の限度内
にあるか否かを判定し、限度内になければ即座に警報を
表示して設計者に知らせる（ステップＳ７８）。

【０１３７】ステップＳ７２で限度内にあることを判定
したときには、ステップＳ７３で温度の安全率を設定
し、続いてステップＳ７４で、排気系各部位により設定
した設計基準値である設計限界温度と排気系の温度の計
算値との比が上記安全率以上か否かにより、信頼性が良
か否かを判定する。そして、信頼性が良（ＯＫ）であれ
ば、指定時間経過の判定（ステップＳ７５）に基づいて
指定時間が経過するまでステップＳ２からの処理を繰り
返し、信頼性良の状態が指定時間中持続すれば終了す
る。

【０１３８】ステップＳ７４で不良（ＮＧ）と判定され
た場合は、排気系諸元や運転条件を再設定し（ステップ
Ｓ７６）、時間設定のリセット（ステップＳ７７）を行
なった上でステップＳ２に戻ってそれ以下の処理を繰り
返す。そして、ステップＳ７４の判定が良となるまで、
排気系諸元や運転条件の再設定を繰り返す。

【０１３９】上記ステップＳ７６で再設定を行なう場合
に、排気系諸元としては排気管位置、排気管材質、排気
管断熱材料等を再設定し、運転条件としては空燃比、Ｅ
ＧＲ、二次エアー等を再設定すればよい。

【０１４０】このように排気系温度演算データを用いた
信頼性判定に基づいて排気系諸元や運転状態の設計を行
なうようにすると、信頼性の良好な排気系の設計を机上
で容易に行なうことができる。

【０１４１】なお、図１７及び図２０では、ＥＭ性能の
判定に基づく排気系の設計と、信頼性の判定に基づく排
気系の設計とを個別に示しているが、これらの処理を相
互に関連づけて行なうようにすることが望ましい。例え
ば、ＥＭ性能の判定とこれが不良の場合の再設定等の処
理（図１７参照）によりＥＭ性能を満足するように排気
系諸元及び運転条件を設定すれば、次いで信頼性判定と
これが不良の場合の再設定等の処理（図２０参照）を行
なうとともに、ここで再設定が行なわれるとＥＭ性能に
影響する可能性があることから改めてＥＭ性能の判定と
それに応じた処理を行なうというようにして、ＥＭ性能
及び信頼性を共に満足するように設計すればよい。

【０１４２】図２３は、前記の温度算出方法（図６参
照）を実行するための温度算出装置の一例を示してい
る。この装置は、パラメータ設定手段６１、管系入口側
ガス状態量演算手段６２、一次元モデル設定手段６３、
管系内ガス状態量演算手段６４、伝達条件設定手段６
５、管系温度演算手段６６及び性能予測手段６７を有し
ており、これらの手段はコンピュータで構成されてい
る。

【０１４３】上記パラメータ設定手段６１は、前記の温
度算出方法における管系入口側ガス状態量演算処理（ス
テップＳ３）に用いる運転状態の各種パラメータを設定
し、例えば燃焼室放熱条件、指圧データ等を設定する。
また、上記管系入口側ガス状態量演算手段６２は、管系
入口側ガス状態量演算処理を実行し、例えば、上記燃焼
室放熱条件、指圧データ等に基づいて設定時間毎に排気
系への流入ガスの状態量を演算する。

【０１４４】上記一次元モデル設定手段６３は、管系内
ガス状態量演算処理に用いる一次元シミュレーションモ
デルを設定し、例えば、図２のような排気系の一次元モ
デル及びこれに組み込まれる図３のようなキャタ容器モ
デル３０等を設定する。また、管系内ガス状態量演算手
段６４は、管系内ガス状態量演算処理を実行し、具体的
には、上記管系入口側ガス状態量演算手段６２から出力
される排気系への流入ガスの状態量と、管系温度演算手
段６６から与えられる排気系の温度とに基づき、上記一
次元シミュレーションモデルを用いて、設定時間毎に排
気系内のガスの状態量を演算する。

【０１４５】上記伝達条件設定手段６５は、管系温度演
算処理に用いる伝熱条件を設定し、例えば、排気系放熱
条件を設定するとともに、図４のようなキャタ伝熱モデ
ル等を設定する。また、上記管系温度演算手段６６は、
管系温度演算処理を実行し、具体的には、上記管系内ガ
ス状態量演算手段６４から出力される排気系内のガスの
状態量と排気系放熱条件とに基づき、キャタ伝熱モデル
等を用いて、設定時間毎に排気系の温度を演算する。

【０１４６】また、上記性能予測手段６７は、上記管系
温度演算手段６６から出力される演算データを入力し、
さらに必要に応じて管系内ガス状態量演算手段６４から
出力される演算データを入力して、そのデータに基づき
ＥＭ性能や信頼性を予測する。

【０１４７】図２４は、上記の図２３に示す温度算出装
置を構成するコンピュータシステムの一例を示し、この
例では、ネットワークで接続された第１乃至第４の４つ
のツール（コンピュータ端末）７１〜７４によって温度
算出装置を構成している。

【０１４８】第１のツール７１は、燃焼室から排気系へ
の流入ガスの状態量の予測を行なうもので、図２３中の
パラメータ設定手段６１及び管系入口側ガス状態量演算
手段６２を含む。そして、エンジン回転数、負荷、点火
時期、空燃比等の運転条件及びシリンダボア径、圧縮
比、ポート径等のエンジン諸元を入力し、指圧特性など
のデータを有し、燃焼室から排気系への流入ガスの状態
量を出力するようになっている。

【０１４９】第２のツール７２は、排気系のガス状態量
の予測を行なうもので、図２３中の一次元モデル設定手
段６３及び管系内ガス状態量演算手段６４を含んでい
る。そして、第１のツール７１から出力されるデータ及
び排気系の諸元を入力し、排気系の放熱条件等のデータ
及び上記一次元シミュレーションモデルを有し、排気系
各部のガスの状態量を出力するようになっている。

【０１５０】第３のツール７３は、排気系温度の予測を
行なうもので、図２３中の伝達条件設定手段６５及び管
系温度演算手段６６を含んでいる。そして、第２のツー
ル７２から出力されるデータ及び排気系の熱容量等を入
力し、排気径及びエンジン本体の比熱、熱伝達率、重量
等のデータ及び伝熱モデルを有し、排気系各部の温度を
出力するようになっている。

【０１５１】第４のツール７３は、ＥＭ性能や信頼性を
予測するもので、図２３中の性能予測手段６７を含んで
いる。そして、第３のツール７３から出力されるデータ
（及び必要に応じて第２のツール７２から出力されるデ
ータ）を入力し、触媒の浄化率特性等のデータを有し、
ＥＭ性能や信頼性の予測データを出力するようになって
いる。

【０１５２】このような温度算出装置によると、前述の
ような温度算出方法が有効に行なわれる。また、図２４
に示すように複数のツール７１〜７４で装置を構成して
おけば、各ツール７１〜７４による処理を異なる場所で
行なうこともでき、また、例えば第１のツール７１によ
る流入ガスの状態量の予測だけを独立して行なうという
ような使い方も可能で、処理の融通性に富む。

【０１５３】もっとも、図２３に示すような装置を１台
のコンピュータで構成することも勿論可能である。

【０１５４】なお、以上に説明した実施例では、本発明
を排気系の温度算出等に適用した場合を示したが、本発
明は吸気系の温度算出及びそれに基づく吸気系の設計等
に適用することもできる。

【０１５５】また、吸・排気系に含まれる放熱容量の大
きい容積部のモデルとして、上記実施例ではキャタのモ
デルを示したが、このほかに、排気系ではサイレンサ、
吸気系では過給機、インタークーラ等も同様にモデル化
することができる。

【０１５６】このほかにも、本発明の方法、装置の具体
的構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更し
て差し支えない。

【０１５７】

【発明の効果】請求項１に記載の温度算出方法は、管系
入口側のガスの状態量の演算と、その演算データを用い
た管系内のガスの状態量の演算と、管系の固体部分の温
度の演算とを一定の設定時間毎に繰返し行ない、かつ、
管系内ガス状態量演算処理においては、放熱容量の大き
い容積部を一次元解析に適合するようにモデル化した容
積部のモデルを含む一次元シミュレーションモデルを用
いてガスの状態量を演算し、管系温度演算処理において
は、上記容積部の伝熱モデルを用いて管系温度を演算す
ることにより、上記容積部を含む吸気系もしくは排気系
のガス温度及び管系温度を、一次元解析で求めるように
している。従って、三次元解析による場合と比べて演算
が簡単になるとともにモデルの作成が容易になり、しか
もガス温度や管系温度を精度よく求めることができる。

【０１５８】請求項２に記載のように上記方法を排気系
の温度算出に適用した場合は、放熱容量の大きい容積部
としての触媒コンバータを含む排気系のガス温度や排気
管、触媒コンバータ等の温度を、比較的簡単に、かつ精
度よく求めることができる。

【０１５９】この発明において、とくに、請求項３に記
載のように、エンジン諸元と、非定常時のエンジンの燃
焼状態に関する特性のデータと、非定常時の燃焼ガスか
らの放熱量とに基づいて、管系入口側ガス状態量演算処
理を行ない、また、請求項４に記載のように、非定常時
の周囲温度及び温度分布から求められる非定常時の排気
系からの放熱量のデータを用いて上記管系温度演算処理
を行うようにすることにより、非定常時のガス温度や管
系温度を算出することができる。

【０１６０】また、請求項５に記載のように、実験デー
タに基づいて設定時間毎の管系入口側のガス状態量を設
定し、その他は請求項１に記載の方法と同様にして管系
内のガスの状態量及び管系内の固体部分の温度を演算す
るようにしても、ガス温度や管系温度輪一次元解析で比
較的容易に、しかも精度よく求めることができる。

【０１６１】また、請求項６に記載のように、吸気系も
しくは排気系に含まれる放熱容量の大きい容積部につい
て、入口側、出口側の２つの容器とその間の絞り及び管
とにモデル化した一次元モデルと、上記容積部の比熱容
量等の固体物性値を加味した伝熱モデルとを設定し、こ
れらのモデルを用いて少なくとも上記容積部におけるガ
スの状態量及び固体部分の温度の演算を一定の設定時間
毎に繰返し行なうようにすると、上記容積部の温度を一
次元解析で比較的容易に、しかも精度よく求めることが
できる。

【０１６２】請求項７に記載の温度算出装置によると、
放熱容量の大きい容積部を含む吸気系もしくは排気系の
ガス温度や管系温度を一次元解析により算出する方法
を、効果的に実行することができる。

【０１６３】請求項８に記載の設計方法によると、請求
項１乃至５のいずれかに記載の温度算出方法によって算
出された吸・排気系温度に基づいて吸気系もしくは排気
系の信頼性を予測し、それに応じて吸気系もしくは排気
系の諸元ないしエンジンの運転条件を設定するようにし
ているため、上記温度算出方法を利用して信頼性を満足
するような設計を容易に行なうことができる。

【０１６４】また、請求項９に係る発明は、請求項２乃
至５のいずれかに記載の温度算出方法によって算出され
た排気系温度に基づいて排気浄化性能を予測し、それに
応じて吸気系もしくは排気系の諸元ないしエンジンの運
転条件を設定するようにしているため、上記温度算出方
法を利用して排気浄化性能を満足するような設計を容易
に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】排気系の一例を示す概略図である。

【図２】本発明の方法の一実施例に用いる排気系の一次
元シミュレーションモデルを示す図である。

【図３】触媒コンバータの一次元シミュレーション用の
容器モデルを示す図である。

【図４】触媒コンバータの伝熱モデルを示す図である。

【図５】触媒コンバータの容器モデル及び伝熱モデルを
合体させたモデルを示す図である。

【図６】本発明の方法の一実施例の概略手順を示すフロ
ーチャートである。

【図７】排気系への流入ガス状態量演算処理の具体例を
示すフローチャートである。

【図８】エンジン本体温度計算のためのルーチンを示す
フローチャートである。

【図９】周囲温度の変化を示す図である。

【図１０】エンジンのヘッド、ライナーから冷却水への
熱伝達及びピストンから潤滑油への熱伝達の、エンジン
回転数に応じた値を示す図である。

【図１１】排気系におけるガス状態量及び排気系各部の
温度の演算の具体例を示すフローチャートである。

【図１２】排気管から周囲への熱伝達の分布を示す説明
図である。

【図１３】排気管周囲位置に応じた伝熱補正係数を示す
説明図である。

【図１４】キャタ前排気ガス温度、触媒温度、キャタ後
排気ガス温度及び排気管温度の、経過時間に応じた値の
演算データを示す図である。

【図１５】排気系各部における排気ガス温度、排気管温
度、キャタ温度、触媒温度の演算データを示す図であ
る。

【図１６】本発明の温度算出方法の別の実施例を示すフ
ローチャートである。

【図１７】温度算出に基づくエミッション性能の判定と
それに応じた排気系の設計の方法の一例を示すフローチ
ャートである。

【図１８】触媒浄化率の特性を示す図である。

【図１９】所定の運転モードによる運転時間経過に応じ
た車速の変化の一例を示す図である。

【図２０】温度算出に基づく信頼性の判定とそれに応じ
た排気系の設計の方法の一例を示すフローチャートであ
る。

【図２１】熱サイクル耐久テスト用の運転モードによる
エンジン運転状態の時間的変化を示す図である。

【図２２】加減速評価用の運転モードによるエンジン運
転状態の時間的変化を示す図である。

【図２３】本発明の温度算出方法を行なう温度算出装置
の構成の一例を示す図である。

【図２４】温度算出装置を構成するコンピュータシステ
ムの一例を示す図である。

【符号の説明】

１エンジン本体２燃焼室４排気マニホールド５排気管１０，２０触媒コンバータ３０キャタ容器モデル４０キャタ伝熱モデル５０キャタモデル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸気系もしくは排気系のガスが流通する
管系及び燃焼室を管モデル、容器モデル等のサブモデル
の組合せとしてモデル化し、このモデルに基づいてガス
の温度、管系の温度を算出する方法であって、エンジン
運転状態の各種パラメータに基づいて上記管系の入口側
におけるガスの状態量を演算する管系入口側ガス状態量
演算処理と、この管系入口側ガス状態量及び管系の温度
に基づいて上記管系内のガスの状態量を演算する管系内
ガス状態量演算処理と、この管系内のガスの状態量及び
管系の伝熱条件のパラメータに基づいて管系の固体部分
の温度を演算する管系温度演算処理とを、上記管系内ガ
ス状態量の演算結果と管系温度の演算結果とを相互に反
映させつつ、一定の設定時間毎に繰返し行ない、かつ、
上記管系内ガス状態量演算処理においては、上記管系に
含まれる放熱容量の大きい容積部を入口側、出口側の２
つの容器とその間の絞り及び管とにモデル化して、この
容積部のモデルを含む管系の一次元シミュレーションモ
デルを用いてガスの状態量を演算し、上記管系温度演算
処理においては、上記容積部の比熱容量等の固体物性値
を加味した伝熱モデルを用いて管系の固体部分の温度を
演算することを特徴とするエンジンの吸・排気系温度算
出方法。
【請求項２】排気系のガスの温度及び管系の温度を算
出する方法であって、上記管系入口側ガス状態量演算処
理では燃焼室から排気系に流入するガスの状態量を演算
し、上記管系内ガス状態量演算処理では放熱容量の大き
い容積部としての触媒コンバータを含む排気系の内部の
ガスの状態量を演算し、上記管系温度演算処理では排気
管及び上記触媒コンバータの容器等の排気系固体部分の
温度を演算することを特徴とする請求項１記載のエンジ
ンの吸・排気系温度算出方法。
【請求項３】上記管系入口側ガス状態量演算処理は、
エンジン諸元と、実験に基づいて設定される非定常時の
エンジンの燃焼状態に関する特性のデータと、実験に基
づいて定められる非定常時の燃焼ガスからの放熱量とに
基づいて、非定常時に燃焼室から排気系に流入するガス
の状態量を演算するものであることを特徴とする請求項
２記載のエンジンの吸・排気系温度算出方法。
【請求項４】実験に基づいて定めた非定常時の周囲温
度及び温度分布から非定常時における排気系からの放熱
量を求め、この放熱量のデータを用いて上記管系温度演
算処理を行うことを特徴とする請求項２または３に記載
のエンジンの吸・排気系温度算出方法。
【請求項５】吸気系もしくは排気系のガスが流通する
管系及び燃焼室を管モデル、容器モデル等のサブモデル
の組合せとしてモデル化し、このモデルに基づいてガス
の温度、管系の温度を算出する方法であって、上記管系
入口側のガス状態量の運転状態に応じた値を調べた実験
データに基づいて管系入口側のガス状態量を設定する管
系入口側ガス状態量設定処理と、この管系入口側ガス状
態量及び管系の温度に基づいて上記管系内のガスの状態
量を演算する管系内ガス状態量演算処理と、この管系内
のガスの状態量及び管系の伝熱条件のパラメータに基づ
いて管系の固体部分の温度を演算する管系温度演算処理
とを、上記管系内ガス状態量の演算結果と管系温度の演
算結果とを相互に反映させつつ、一定の設定時間毎に繰
返し行ない、かつ、上記管系内ガス状態量演算処理にお
いては、上記管系に含まれる放熱容量の大きい容積部を
入口側、出口側の２つの容器とその間の絞り及び管とに
モデル化して、この容積部のモデルを含む管系の一次元
シミュレーションモデルを用いてガスの状態量を演算
し、上記管系温度演算処理においては、上記容積部の比
熱容量等の固体物性値を加味した伝熱モデルを用いて管
系の固体部分の温度を演算することを特徴とするエンジ
ンの吸・排気系温度算出方法。
【請求項６】放熱容量の大きい容積部を含む吸気系も
しくは排気系の、少なくとも上記容積部をモデル化し、
このモデルに基づいて少なくとも上記容積部の温度を算
出する方法であって、上記容積部を入口側、出口側の２
つの容器とその間の絞り及び管とからなる一次元シミュ
レーションモデルと、上記容積部の比熱容量等の固体物
性値を加味した伝熱モデルとを設定し、これらのモデル
を用いて、上記容積部の流入側及び流出側のガスの状態
量の及び伝熱条件のデータに基づき少なくとも上記容積
部を流通するガスの状態量の演算及び容積部の固体部分
の温度の演算を、一定の設定時間毎に繰返し行なうこと
を特徴とするエンジンの吸・排気系温度算出方法。
【請求項７】吸気系もしくは排気系のガスが流通する
管系及び燃焼室を管モデル、容器モデル等のサブモデル
の組合せとしてモデル化し、このモデルに基づいてガス
の温度、管系の温度を算出する方法に使用する装置であ
って、上記管系の入口側におけるガスの状態量に関係す
るエンジン運転状態の各種パラメータを設定するパラメ
ータ設定手段と、一定の設定時間毎に上記パラメータ設
定手段からのデータに基づいて上記管系の入口側におけ
るガスの状態量を演算する管系入口側ガス状態量演算手
段と、上記管系に含まれる放熱容量の大きい容積部を入
口側、出口側の２つの容器とその間の絞り及び管とにモ
デル化した容積部のモデルを含む上記管系の一次元シミ
ュレーションモデルを設定する一次元モデル設定手段
と、上記設定時間毎に、管系入口側ガス状態量の演算デ
ータ及び管系の固体部分の温度の演算データに基づき上
記一次元シミュレーションモデルを用いて上記管系内の
ガスの状態量を演算する管系内ガス状態量演算手段と、
上記容積部の比熱容量等の固体物性値を加味した伝熱モ
デルを設定するとともに管系の伝熱条件を設定する伝熱
条件設定手段と、上記設定時間毎に、上記管系内ガス状
態量の演算データ及び管系の伝熱条件に基づき上記伝熱
モデルを用いて管系の固体部分の温度を演算する管系温
度演算手段とを備えたことを特徴とするエンジンの吸・
排気系温度算出装置。
【請求項８】請求項１乃至５のいずれかに記載の温度
算出方法に基づいてエンジンの吸・排気系を設計する方
法であって、上記温度算出方法によって算出された吸・
排気系温度に基づいて吸気系もしくは排気系の信頼性を
予測し、その予測結果が所定の信頼性判定条件を満足し
ない場合は吸気系もしくは排気系の諸元ないしエンジン
の運転条件を変更した上で改めて上記算出方法を実行し
て、信頼性判定条件を満足する吸気系もしくは排気系の
諸元ないしエンジンの運転条件を選び出すことを特徴と
するエンジン設計方法。
【請求項９】請求項２乃至５のいずれかに記載の温度
算出方法に基づいてエンジンの排気系を設計する方法で
あって、上記温度算出方法によって算出された排気系温
度に基づいて排気浄化性能を予測し、その予測結果が所
定の排気浄化性能判定条件を満足しない場合は排気系の
諸元ないしエンジンの運転条件を変更した上で改めて上
記温度算出方法を実行して、排気浄化性能判定条件を満
足する排気系の諸元ないしエンジンの運転条件を選び出
すことを特徴とするエンジン設計方法。