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

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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