(57)【要約】【課題】、エンジンの各シリンダの排気ポート部での排気ガス温度とタービンに供給される排気ガス温度を正確にシミュレートすることができ、これによりエンジン及び過給機の動特性及びマッチング特性を正確にシミュレートでき、エンジン制御装置を最適化できるエンジンのシミュレーション装置及び方法を提供する。【解決手段】エンジン特性データ４１を記憶し、エンジン特性データからエンジン２０の各シリンダの排気ポート部２１から排気管２２への排気ガス３ａの入口温度を演算し、エンジン特性データから排気管からタービン１４に供給される排気ガス３ｃの出口温度を演算し、演算した入口温度及び出口温度をエンジン制御装置３０に出力する【選択図】図６
2012026379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給機を備えたエンジンを制御するエンジン制御装置と組み合わせて、エンジンの特性をシミュレーションするエンジンのシミュレーション装置であって、
エンジン特性データを記憶する記憶装置と、
前記エンジン特性データからエンジンの各シリンダの排気ポート部から排気管への排気ガスの入口温度を演算する入口温度演算装置と、
前記エンジン特性データから排気管からタービンに供給される排気ガスの出口温度を演算する出口温度演算装置と、
演算した前記入口温度及び出口温度をエンジン制御装置に出力する出力装置とを備えた、ことを特徴とするエンジンのシミュレーション装置。
【請求項２】
過給機を備えたエンジンを制御するエンジン制御装置と組み合わせて、エンジンの特性をシミュレーションするエンジンのシミュレーション方法であって、
（Ａ）エンジン特性データを記憶し、
（Ｂ）前記エンジン特性データからエンジンの各シリンダの排気ポート部から排気管への排気ガスの入口温度を演算し、
（Ｃ）前記エンジン特性データから排気管からタービンに供給される排気ガスの出口温度を演算し、
（Ｄ）演算した前記入口温度及び出口温度をエンジン制御装置に出力する、ことを特徴とするエンジンのシミュレーション方法。
【請求項３】
前記入口温度の演算（Ｂ）において、
各シリンダ内で燃焼する燃料の発熱量が排気ポート部の排ガス温度の上昇に寄与する割合を排気損失と定義し、
前記機関の回転速度及び吸気圧力と前記排気損失との関係をモデル化して、前記回転速度、吸気圧力、及び排気損失から各排気ポート部における排ガス温度を算出する、ことを特徴とする請求項２に記載のシミュレーション方法。
【請求項４】
前記出口温度の演算（Ｃ）において、
排気ポート部の排気ガスの流速と、複数の排気ポート部が連結された排気管と該排気管内の排気ガスとの伝熱を考慮して、排気管出口における排ガス温度を算出する、ことを特徴とする請求項２に記載のシミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機を備えたエンジン制御装置と組み合わせて、エンジンの特性をシミュレーションするシミュレーション装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
舶用ディーゼルエンジン、ガスエンジンなどの中大型のレシプロ内燃原動機は、性能向上のために排気タービン駆動の過給機を備える場合が多い。この過給機は、エンジンから供給される排気ガスでタービンを駆動し、このタービンの出力でコンプレッサを駆動し、このコンプレッサにより燃焼用の空気を加圧して、エンジンに供給するようになっている。
【０００３】
このような過給機を備えたエンジンの場合、過給機とエンジンの運転特性が相互に影響しあうので、両者の性能のマッチングが重要になる。そのため、エンジン及び過給機の開発段階では、エンジン制御装置などの開発のために、エンジン及び過給機の動特性を模擬するシミュレーションモデルを作成し、これらのモデルを用いてエンジン及び過給機の動特性及びマッチング特性を試験し、エンジン制御装置を最適化することが行われている。
【０００４】
上述したシミュレーションを実施する手段は、例えば特許文献１〜４に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１５９４３９号公報、「制御効果推定方法および装置」
【特許文献２】特開平１１−１４５０７号公報、「車両シミュレーション装置」
【特許文献３】特開２００４−１７７２５９号公報、「エンジン試験装置の制御装置」
【特許文献４】特開２００５−３１５７６５号公報、「シミュレーション装置」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、エンジン制御装置と組み合わせて、エンジンの特性をシミュレーションする場合、シリンダの排気ポートから出た排気ガスは下流側の排気管内で合流し、過給機のタービンに供給される。
この過給機は、タービンの出力でコンプレッサを駆動し、このコンプレッサにより燃焼用の空気を加圧して、シリンダに供給するようになっているため、タービンに供給される排気ガスの温度と圧力はエンジン及び過給機の動特性へ与える影響が大きい。
【０００７】
しかし、従来のシミュレーション装置では、排気ポート部での排気ガス温度は、下流側の排気管における排気ガス温度と同一として扱われていた。
【０００８】
一方、中大型のレシプロ内燃原動機（例えば出力１０００ｋＷ級）の場合、エンジンを構成するシリンダは多気筒（例えば６気筒）であり、各シリンダの排気ポート部での排気ガス温度は、個々に検出されエンジン制御装置により個々に燃料噴射量等が制御される。
【０００９】
このような中大型のレシプロ内燃原動機の場合、実機の運転状況において、シリンダの排気ポート部で検出される排気ガス温度は、下流側の排気管で検出される排気ガス温度とは異なる値が検出される。そのため、従来のシミュレーション装置では、タービンに供給される排気ガスの温度と圧力が実機を正確にシミュレートしておらず、エンジン及び過給機の動特性及びマッチング特性を正確にシミュレートできず、エンジン制御装置の最適化が困難であった。
【００１０】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、エンジンの各シリンダの排気ポート部での排気ガス温度とタービンに供給される排気ガス温度を正確にシミュレートすることができ、これによりエンジン及び過給機の動特性及びマッチング特性を正確にシミュレートでき、エンジン制御装置を最適化できるエンジンのシミュレーション装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、過給機を備えたエンジンを制御するエンジン制御装置と組み合わせて、エンジンの特性をシミュレーションするエンジンのシミュレーション装置であって、
エンジン特性データを記憶する記憶装置と、
前記エンジン特性データからエンジンの各シリンダの排気ポート部から排気管への排気ガスの入口温度を演算する入口温度演算装置と、
前記エンジン特性データから排気管からタービンに供給される排気ガスの出口温度を演算する出口温度演算装置と、
演算した前記入口温度及び出口温度をエンジン制御装置に出力する出力装置とを備えた、ことを特徴とするエンジンのシミュレーション装置が提供される。
【００１２】
また本発明によれば、過給機を備えたエンジンを制御するエンジン制御装置と組み合わせて、エンジンの特性をシミュレーションするエンジンのシミュレーション方法であって、
（Ａ）エンジン特性データを記憶し、
（Ｂ）前記エンジン特性データからエンジンの各シリンダの排気ポート部から排気管への排気ガスの入口温度を演算し、
（Ｃ）前記エンジン特性データから排気管からタービンに供給される排気ガスの出口温度を演算し、
（Ｄ）演算した前記入口温度及び出口温度をエンジン制御装置に出力する、ことを特徴とするエンジンのシミュレーション方法が提供される。
【００１３】
本発明の実施形態によれば、前記入口温度の演算（Ｂ）において、
各シリンダ内で燃焼する燃料の発熱量が排気ポート部の排ガス温度の上昇に寄与する割合を排気損失と定義し、
前記機関の回転速度及び吸気圧力と前記排気損失との関係をモデル化して、前記回転速度、吸気圧力、及び排気損失から各排気ポート部における排ガス温度を算出する。
【００１４】
また本発明の実施形態によれば、前記出口温度の演算（Ｃ）において、
排気ポート部の排気ガスの流速と、複数の排気ポート部が連結された排気管と該排気管内の排気ガスとの伝熱を考慮して、排気管出口における排ガス温度を算出する。
【発明の効果】
【００１５】
上記本発明の装置及び方法によれば、入口温度演算装置により、エンジン特性データからエンジンの各シリンダの排気ポート部から排気管への排気ガスの入口温度を演算するので、排気管への入口温度を正確にシミュレートすることができる。
また、出口温度演算装置により、エンジン特性データから排気管からタービンに供給される排気ガスの出口温度を演算するので、排気管からの出口温度を正確にシミュレートすることができる。
【００１６】
従って、本発明によれば、排気ポート部と排気管下流部での温度検出値の違いを表すことが可能となり、実機に即したシミュレーションが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明が適用されるエンジンモデルの一例を示す図である。
【図２】本発明による装置の構成図である。
【図３】本発明による方法のフロー図である。
【図４】排気ポート部での排気ガス温度を演算するモデルの模式図である。
【図５】排気損失マップデータの例を示す図である。
【図６】排気管における流速と温度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明が適用されるエンジンモデルの一例を示す図である。
この図において、このエンジンモデルは、排気タービン駆動の過給機１０を備えたエンジンであり、エンジン制御装置３０によりエンジンを制御するようになっている。
過給機１０、シリンダ２０、及びエンジン制御装置３０は、それぞれ実際に使用する装置であってもよく、或いはコンピュータを用いてその動特性をシミュレーションするシミュレーションモデルであってもよい。
【００２０】
図１において、過給機１０は、コンプレッサ１２とタービン１４がシャフト１６で連結された構成であり、シリンダ２０から供給される排気ガス３でタービン１４を回転駆動し、このタービン１４の出力でコンプレッサ１２を回転駆動し、このコンプレッサ１２により燃焼用の吸気１を加圧し、さらにクーラ１８により冷却した吸気２をシリンダ２０に供給するようになっている。なおこの例において、タービン１４の排気ガス４は排気管（図示せず）を介して外部に排気される。
【００２１】
また、シリンダ２０は、排気管２２を備え、排気ガス３を排気管２２を介して、タービン１４に供給する。シリンダ２０は、燃料５が供給され、その燃焼によりシリンダ出力６を出力し、負荷設定７で設定された負荷２４を駆動し、エンジン回転速度８を出力する。
【００２２】
エンジン制御装置３０は、燃料制御装置３２と噴射ポンプ３４を備え、速度設定値９とエンジン回転速度８から燃料流量を計算し、噴射ポンプ３４から燃料５をエンジンに供給するようになっている。
【００２３】
上述した構成のエンジンモデルにより、シリンダ２０及び過給機１０の動特性及びマッチング特性を試験し、エンジン制御装置３０を最適化することができる。
【００２４】
図２は、本発明による装置の構成図である。
以下、図２の構成を説明する。
【００２５】
本発明のシミュレーション装置４０は、エンジン制御装置３０との組み合わせにより使用される。シミュレーション装置４０は、エンジン制御装置３０から出力される各種制御出力信号を受けて、シミュレーション装置内部に持つエンジンモデルの内容に基づいて、その制御出力信号に応じたエンジン挙動の計算を行い、その結果をエンジン応答として制御装置に出力する。
【００２６】
エンジンモデルは、給気系統、シリンダ２０、負荷２４、排気系統のような、エンジンを構成する各種構成要素からなり、エンジン全体のモデルを構成している。
【００２７】
給気系統は、過給機コンプレッサから空気が供給されて、シリンダ吸入空気量が排出される構成であり、その空気流出入のバランスから、給気系統における各種状態（圧力、温度等）が算出されるモデルである。
シリンダ２０では、制御装置からの制御出力信号の入力値に基づいた燃料供給量から、その燃焼により発生するエネルギーを算出して、エンジン出力６に相当するシリンダ２０での発生出力を算出する。この時、供給燃料が有するエネルギーの一部が燃焼エネルギーに変換されて、その一部がシリンダ出力６およびシリンダ排気ガスとして出力されるものとして、各出力に変換される割合は、エンジン回転速度、給気および排気系統によるシリンダ入出力口の状態（圧力、温度）に応じて決定される。
負荷では、負荷を駆動するシリンダ出力６と負荷条件とのバランスから、エンジン回転速度を算出する。
【００２８】
排気系統は、シリンダからの排気ガスが流入して、過給機タービンから排気ガスが流出する構成であり、その排気ガスの流出入のバランスから、排気管内ガス応答（圧力、温度）が決定されるモデルである。また、排気ガスの流出入のバランスに加えて、排気管との伝熱現象を考慮する為の、排気管温度演算部を持つ。
ここで、エンジン応答信号の一部として制御装置に出力する必要がある排気ポート温度信号は、後述する理由（温度検出方法）により、エンジン応答計算モデルにおける排気系統への流入排気ガス温度とは異なる値となることから、それぞれの排気ガス温度の状態を生成するための、入口温度演算部を持つ。
また、エンジン応答信号の一部として制御装置に出力する必要があるタービン入口温度も、流入側排気ガス温度と同様に、エンジン応答計算モデルにおける排気管内ガス温度とは異なる値となるため、タービン入口温度検出値を算出するための、出口温度演算部を持つ。
【００２９】
図３は、本発明による方法のフロー図である。
この図において、本発明のシミュレーション方法は、過給機１０を備えたエンジンを制御するエンジン制御装置３０と組み合わせて、エンジンの特性をシミュレーションする方法であり、Ｓ１〜Ｓ４の各行程（ステップ）からなる。
【００３０】
Ｓ１では、記憶装置４２により、エンジン特性データ４１を記憶する。
Ｓ２では、入口温度演算装置４４により、エンジン特性データ４１からからシリンダ２０の各シリンダの排気ポート部２１から排気管２２への排気ガス３ａ（図６参照）の入口温度を演算する。
Ｓ３では、出口温度演算装置４６により、エンジン特性データ４１から排気管２２からタービン１４に供給される排気ガス３ｃ（図６参照）の出口温度を演算する。
Ｓ４では、出力装置４８により、演算した入口温度及び出口温度をエンジン制御装置３０に出力する。
【実施例１】
【００３１】
（１）排気ポート部２１での排気ガス温度
図４は、排気ポート部２１での排気ガス温度を演算するモデルの模式図である。また、図５は排気損失マップデータの例を示す図である。
【００３２】
シリンダ２０の各シリンダの排気ポート部２１での排気ガス温度Ｔ１〜Ｔ６（図６参照）は、各シリンダで燃料が燃焼して発生するエネルギーの一部が、排気ガス３の温度を上昇させると考える。燃料の燃焼エネルギー（燃料熱量Ｈｆ）のうち、排気ガス３の温度上昇に影響する割合を、排気損失特性として定義して、実機試験等により求められるマップデータ（応答曲面）で表すことによりモデル化する。
【００３３】
（２）排気管出口２３における排気ガス温度
図６は、排気管２２における流速と温度の関係を示す図である。
排気ポート部２１で検出される排気ガス温度Ｔ１〜Ｔ６は、一般的に保護管で保護された熱電対のような温度検出素子で検出される。このため、この温度検出素子で検出される排気ガス温度は、排気ガスが流れている状態での、排気ガス流速が持つ運動エネルギーを除いた、静温度の値として検出される。
排気管出口２３での排気ガス温度Ｔについても、保護管で保護された温度検出素子で検出されるのが一般的であって、排気ポート部２１での排気ガス温度検出と同様に、排気ガス流速が持つ運動エネルギーを除いた、静温度の値として検出される。
【００３４】
このとき、排気ポート部２１での排気ガス温度検出値（静温度）Ｔ１〜Ｔ６に対して、排気管出口２３での排気ガスの温度検出値（静温度）Ｔは、以下の２つの要因が作用する事により、異なる温度になると考えて、この現象による影響を、本発明のシミュレーションモデルに取り入れる。これにより、検出位置（排気ポート部２１と排気管出口２３）の違いに基づいた温度変化を表すことが可能となる。
【００３５】
（排気ガス流速変化）
排気ポート部と排気管出口２３では、以下のＡ，Ｂによる流速変化が発生する。
Ａ  管路面積変化
排気ポート部２１の流路面積Ａｐと排気管２２の流路面積Ａｅｘの違い
Ｂ  排気ポート部２１での発生流量
排気ポート部２１では、各シリンダで発生する流量Ｗ１〜Ｗ６は、各シリンダで排気が行われるタイミングで発生する瞬間流量の時間平均値であり、実際に排気ポートでの排気流量が発生する際の瞬間流速は、各シリンダからの瞬間流量が合流して平均化された排気管出口部に比べて、流速が大きい状態になる。
この流速変化に伴う排気ガス温度の変化をモデル化するため、上記（１）で計算される排気ポート部２１のガス温度検出値（静温度）Ｔ１〜Ｔ６に対して、排気管２２に流れ込むガス温度は、排気ガス流速に応じた運動エネルギーを考慮した全温度として取り扱われる。
【００３６】
（排気管２２との伝熱現象）
排気管２２を流れるガス温度及び流量と、排気管２２の温度との相互作用により、排気管２２の上流側と下流側とでは、排気ガス温度が変化する。
この排気管２２と排気ガス３との伝熱現象による、相互の温度変化を考慮したモデル構成とする。
【００３７】
以下、上記各モデルを具体的に説明する。
【００３８】
（排気ポート部２１での排気ガス温度）
排気ポート部２１での排気ガス３の静温度Ｔｅｐ（ｎ）は、数１の式（１）で表される。
ここで、Ｈｆは燃料熱量（Ｊ／ｋｇ）、Ｗｆ（ｎ）は供給燃料流量（ｋｇ／ｓ）、ｎ（＝１〜６）は排気ポート番号、ηｅｐ（ｎ，Ｐｉｎ，ｒｅｖ）は排気損失、Ｔｉｎは吸気温度（Ｋ）、Ｐｉｎは吸気圧力（Ｐａ・ａｂｓ）、ｒｅｖは機関回転速度（ｒｐｍ）、Ｗｅｐ（ｎ）は排気ポート通過平均流量（ｋｇ／ｓ）、Ｐｅｘｍは排気管圧力（Ｐａ・ａｂｓ）、ｋは気体の比熱比である。
【００３９】
また、排気管２２への流入ガス全温度（Ｋ）Ｔ’ｅｐ（ｎ）は、数１の式（２）で表される。
ここで、Ｅｅｐ（ｎ）は排気ポート部でのガス運動エネルギー（ｋｇ／ｍ／ｓ２）、Ｃｐは流入ガスの定圧比熱（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）である。
【００４０】
さらに、排気ポート部でのガス運動エネルギーＥｅｐ（ｎ）は、数１の式（３）で表される。
ここで、ρは流入ガス密度（ｋｇ／ｍ３）、ｖ（ｎ）は排気ポート平均流速（ｍ／ｓ）、Ｎは平均流速から瞬時流速への補正係数である。
【００４１】
【数１】
2012026379.tif 000003
【００４２】
従って、式（１）〜（３）から、機関回転速度ｒｅｖ、吸気圧力Ｐｉｎ、及び排気損失ηｅｐから各排気ポート部における排ガス温度Ｔｅｐ（ｎ）、Ｔ’ｅｐ（ｎ）を算出することができる。
【００４３】
（排気管内の応答）
排気管内圧力Ｐｅｘｍ（Ｐａ・ａｂｓ）は、数２の式（４）で表される。
ここで、Ｇｅｘｍは排気管内の気体質量（ｋｇ）、Ｒは気体定数（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）、Ｔｅｘｍは排気管２２内の排気ガス３の静温度（Ｋ）、Ｖｅｘｍは排気管の容量（ｍ３）である。
ここで、数２の式（５）が成り立つ。なお、ＷＴＢはタービン流量である。
【００４４】
【数２】
2012026379.tif 000004
【００４５】
排気管内全温度Ｔ’ｅｘｍ（Ｋ）は、数３の式（６）で表される。
ここで、Ｃｐは定圧比熱、Ｃｖは定容比熱、Ｅｅｘｐは排気管２２から排気管内ガスへの伝熱量である。
【００４６】
排気管２２から排気管内ガスへの伝熱量Ｅｅｘｐは、数３の式（７）で表される。
ここで、ｆは、任意の関数、Ｔｅｘｐは排気管温度（Ｋ）、Ｗｅｘｍは排気管通過流量（ｋｇ／ｓ）である。
【００４７】
排気管温度Ｔｅｘｐは、数３の式（８）で表される。
ここで、Ｃｅｘｐは排気管比熱（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）、Ｍｅｘｐは排気管質量（ｋｇ）である。
【００４８】
排気管内静温度Ｔｅｘｍは、数３の式（９）で表される。
ここで、ρは排気ガス密度（ｋｇ／ｍ３）、Ｎｅｘｍは排気ガス平均流速である。
【００４９】
【数３】
2012026379.tif 000005
【００５０】
従って、式（４）〜式（９）から、排気ポート部２１の排気ガス３ａの流速と、複数の排気ポート部が連結された排気管２２と排気管内の排気ガス３ｂとの伝熱を考慮して、排気管出口２３における排ガス温度を算出することができる。
【００５１】
上述したように、本発明の装置及び方法によれば、入口温度演算装置４４により、エンジン特性データ４１からエンジンの各シリンダの排気ポート部２１から排気管２２への排気ガス３ａの入口温度を演算するので、排気管２２への入口温度を正確にシミュレートすることができる。
また、出口温度演算装置４６により、エンジン特性データ４１からタービン１４に供給される排気ガス３ｃの出口温度を演算するので、排気管２２からの出口温度を正確にシミュレートすることができる。
【００５２】
従って、本発明によれば、排気ポート部と排気管下流部での温度検出値の違いを表すことが可能となり、実機状況に即したシミュレーションが可能となる。
【００５３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【符号の説明】
【００５４】
１，２  吸気、３，４  排気ガス、３ａ，３ｂ，３ｃ  排気ガス、
５  燃料、６  シリンダ出力、７  負荷設定、
８  エンジン回転速度、９  速度設定値、
１０  過給機、１２  コンプレッサ、
１４  タービン、１６  シャフト、１８  クーラ、
２０  エンジン、２１  排気ポート部、
２２  排気管、２３  排気管出口、２４  負荷、
３０  エンジン制御装置、３２  燃料制御装置、３４  噴射ポンプ、
４０  シミュレーション装置、４１  エンジン特性データ、
４１ａ  基準変曲点、４２  記憶装置、４４  入口温度演算装置、
４６  出口温度演算装置、４８  出力装置
【図１】
2012026379.tif 000006
【図２】
2012026379.tif 000007
【図３】
2012026379.tif 000008
【図４】
2012026379.tif 000009
【図５】
2012026379.tif 000010
【図６】
2012026379.tif 000011