(57)【要約】【課題】過給機の特性データを基に、連続して変化する運転状態に対する特性値を、計算負荷の低い処理で、短時間かつ正確に求めることができる過給機のシミュレーション機能を持った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】複数の基準回転速度Ｎ１〜Ｎ６における流量Ｑと特性値（コンプレッサの圧縮比ｒ）との関係を示す特性データ４１を記憶し、特性データを各基準回転速度において複数の基準変曲点４１ａで連結された複数の線分に近似し、基準回転速度と相違する対象回転速度Ｎにおける流量と特性値を、基準回転速度における基準変曲点の２次元座標から補間して求める。【選択図】図５
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【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、過給機の特性値をシミュレーションする機能を持ったエンジンのシミュレーション装置であって、
複数の基準回転速度における流量と特性値との関係を示す過給機特性データを、各基準回転速度において複数の基準変曲点で連結された複数の線分に近似して記憶する記憶装置と、
前記基準回転速度と相違する対象回転速度における流量と特性値を、前記基準回転速度における前記基準変曲点の２次元座標から補間して求める補間装置と、
前記対象回転速度における流量と特性値を出力する出力装置とを備える、ことを特徴とする過給機のシミュレーション機能を持った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、過給機の特性値をシミュレーションする機能を持ったエンジンのシミュレーション方法であって、
複数の基準回転速度における流量と特性値との関係を示す過給機特性データを、各基準回転速度において複数の基準変曲点で連結された複数の線分に近似して記憶し、
前記基準回転速度と相違する対象回転速度における流量と特性値を、前記基準回転速度における前記基準変曲点の２次元座標から補間して求め、
前記対象回転速度における流量と特性値を出力する、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】
前記過給機の特性値は、コンプレッサの圧縮比、タービンの膨張比又はコンプレッサ及びタービンの断熱効率であり、
前記対象回転速度における対象変曲点を、前記対象回転速度に隣接する１対の基準回転速度における隣接する基準変曲点の流量と圧縮比、膨張比又は断熱効率から、過給機の相似則に基づいて、内挿又は外挿により決定する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置を用いたシミュレーション方法。
【請求項４】
前記過給機の特性値は、コンプレッサの圧縮比であり、
前記特性データから、前記各基準回転速度において、圧縮比が最大値に維持されるサージ直線と、圧縮比が１に維持されるチョーク直線とを設定する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置を用いた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を制御するエンジン制御装置と組み合わせて、過給機の特性値をシミュレーションする機能を持ったエンジンの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、シリンダ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、及び非特許文献１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７−２６９３６２号公報、「機械式過給機付エンジンにおける過給圧算出方法および吸気系の設計方法」
【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」
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｐ．  Ｍｏｒａａｌ  ＆  Ｉ．  Ｋｏｌｍａｎｏｖｓｋｙ，“Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｆｏｒ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳ”，ＳＡＥ  ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｐａｐｅｒ：１９９９−０１−０９０８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、排気タービン駆動の過給機（以下単に「過給機」という）は、コンプレッサとタービンで構成され、それぞれの特性データは、過給機メーカーから提供され、あるいは実験により求められる。
【０００８】
過給機メーカーから提供されあるいは実験により求められる過給機の特性データは、作動領域内の不連続な計測点における特性値を示したものである。
そのため、この特性データを、過渡的挙動を模擬するダイナミクスのモデルに利用する際には、特性データで与えられる不連続な計測点における特性値を補間して、連続して変化する運転状態に対する特性値を算出する必要がある。
【０００９】
従来のシミュレーション手段（例えば、非特許文献１）では、この特性データを補間する幾つかの手段が開示されている。しかし、それぞれ、その特性を表す多項式を想定して、その係数を求めるために最小二乗近似等によるデータカーブフィッティングのような数値計算処理を行うものであり、複雑な処理が必要とされ、計算負荷が高い問題点があった。
【００１０】
また、従来のシミュレーション手段では、過給機の特性を理論に基づき数式化して特性データにフィッティングさせているが、正確なフィッティングは困難であり、誤差が大きい問題点があった。
【００１１】
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、過給機メーカーから提供されあるいは実験により求められる過給機の特性データを基に、連続して変化する運転状態に対する特性値を、計算負荷の低い処理で、短時間かつ正確に求めることができる過給機のシミュレーション機能を持った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】
【００１２】
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、過給機の特性値をシミュレーションする機能を持ったエンジンのシミュレーション装置であって、
複数の基準回転速度における流量と特性値との関係を示す過給機特性データを、各基準回転速度において複数の基準変曲点で連結された複数の線分に近似して記憶する記憶装置と、
前記基準回転速度と相違する対象回転速度における流量と特性値を、前記基準回転速度における前記基準変曲点の２次元座標から補間して求める補間装置と、
前記対象回転速度における流量と特性値を出力する出力装置とを備える、ことを特徴とする過給機のシミュレーション機能を持ったエンジンのシミュレーション装置が提供される。
【００１３】
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、過給機の特性値をシミュレーションする機能を持ったエンジンのシミュレーション方法であって、
複数の基準回転速度における流量と特性値との関係を示す過給機特性データを、各基準回転速度において複数の基準変曲点で連結された複数の線分に近似して記憶し、
前記基準回転速度と相違する対象回転速度における流量と特性値を、前記基準回転速度における前記基準変曲点の２次元座標から補間して求め、
前記対象回転速度における流量と特性値を出力する、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。
【００１４】
本発明の実施形態によれば、前記過給機の特性値は、コンプレッサの圧縮比、タービンの膨張比又はコンプレッサ及びタービンの断熱効率であり、
前記対象回転速度における対象変曲点を、前記対象回転速度に隣接する１対の基準回転速度における隣接する基準変曲点の流量と圧縮比、膨張比又は断熱効率から、過給機の相似則に基づいて、内挿又は外挿により決定する。
【００１５】
また、前記過給機の特性値は、コンプレッサの圧縮比であり、
前記特性データから、前記各基準回転速度において、圧縮比が最大値に維持されるサージ直線と、圧縮比が１に維持されるチョーク直線とを設定する。
【発明の効果】
【００１６】
上述した本発明の装置及び方法によれば、補間装置により、基準回転速度と相違する対象回転速度における流量と特性値を、基準回転速度における基準変曲点の２次元座標から補間して求めるので、
特性データへのカーブフィッティング等の複雑な演算処理を必要とせず、与えられる特性データからの補間（例えば線形補間）により、過渡的に連続して変化する過給機作動状態に対して、その作動点における特性値を計算負荷の低い処理で、短時間かつ正確に求めることができる。
【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】過給機の特性データの一例を示す図である。
【図５】図４の特性データに対する本発明の説明図である。
【図６】別の特性データに対する本発明の説明図である。
【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を備えたシリンダ２０であり、エンジン制御装置３０によりシリンダ２０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。
この図において、本発明のシミュレーション装置４０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、過給機１０の特性値をシミュレーションする機能を持ったエンジンシミュレーション装置であり、記憶装置４２、補間装置４６、及び出力装置４８を備える。
【００２５】
なお、本発明において、過給機の特性値とは、コンプレッサの圧縮比、タービンの膨張比又はコンプレッサ及びタービンの断熱効率である。
【００２６】
記憶装置４２は、コンピュータの記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク、メモリーカード）であり、過給機の特性値のうち、複数の基準回転速度における流量と特性値との関係を示す特性データ４１を記憶する。
特性データ４１の記憶装置４２への入力は、図示しない入力装置（例えばキーボード、カードリーダ）によって行われる。
ここで、記憶装置４２に記憶される特性データ４１は、基準回転速度毎に与えられる過給機特性データを、複数の基準変曲点で連結された複数の線分に近似して表した特性データである。
【００２７】
補間装置４６は、コンピュータの演算装置であり、基準回転速度と相違する対象回転速度における流量と特性値を、基準回転速度における基準変曲点の２次元座標から補間して求める。
【００２８】
出力装置４８は、対象回転速度における流量と特性値をエンジン制御装置３０に直接出力する。なお、この出力を例えばＣＲＴ、プリンタ等の出力装置に出力してもよい。
【００２９】
以下、図２の構成を説明する。
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。
【００３０】
エンジンモデルは、給気系統、シリンダ、負荷、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。
【００３１】
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から、エンジン出力に相当するシリンダ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。
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、排気系統における各種状態（圧力、温度等）が決定されるモデルである。
【００３２】
過給機特性モデルは、上述したエンジンモデルの構成と組み合わせて使用され、給気系統における過給機コンプレッサからの供給空気流量と、排気系統における過給機タービンからの排気ガス流出流量を算出するためのモデルである。
【００３３】
過給機コンプレッサおよび過給機タービンにおける発生流量は、それぞれの入出力口の状態（圧力、温度）に応じて、各特性として与えられる特性データを参照することにより算出される。
コンプレッサにおける発生流量は、コンプレッサ入口側圧力と出口側圧力の状態から、入出力口での圧力比（圧縮比）を算出して、その圧力比の状態に基づいてコンプレッサ特性データを参照することにより、吐出流量および吐出空気温度を算出する。ここで、コンプレッサ特性データが、ある一定の入口温度条件における特性として与えられる場合には、算出すべき作動状態に応じた補正を行う必要があり、入出力口の圧力状態に加えて、入口側温度の状態を参照する必要がある。
タービンにおける発生流量は、タービン入口側圧力と出口側圧力の状態から、入出力口での圧力比（膨張比）を算出して、その圧力比の状態に基づいて、タービン特性データを参照する事により、吐出流量および吐出ガス温度を算出する。ここで、タービン特性データが、ある一定の入口温度条件における特性として与えられる場合には、算出すべき作動状態に応じた補正を行う必要があり、入出力口の圧力状態に加えて、入口側温度の状態を参照する必要がある。
【００３４】
さらに、コンプレッサおよびタービン発生流量の算出にあたっては、それぞれの特性データは過給機回転速度に応じた特性データであるため、過給機回転速度の状態を参照する必要があるが、過給機回転速度は、コンプレッサおよびタービンで発生する動力のバランスに基づいて算出される。
タービンでは、過給機を駆動する為の動力が生成されるが、タービン内部における流れを断熱変化と見なせば、その駆動動力は、入口から出口間での排気ガス温度変化量に相当した動力に相当し、タービン入出力口での排気ガス状態変化により算出される。コンプレッサでは、過給機回転に対する負荷が発生するが、その負荷動力は、タービンと同様に、コンプレッサ入出力口での通過空気の状態変化により算出される。過給機回転速度は、タービンにおける駆動動力とコンプレッサにおける負荷動力のバランスから算出される。
【００３５】
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、過給機の特性値をシミュレーションする方法であり、Ｓ１〜Ｓ３の各行程（ステップ）からなる。
【００３６】
Ｓ１では、記憶装置４２により、複数の基準回転速度における流量と特性値との関係を示す特性データ４１を記憶する。
Ｓ２では、補間装置４６により、基準回転速度と相違する対象回転速度における流量と特性値を、前記基準回転速度における基準変曲点の２次元座標から補間して求める。
Ｓ３では、出力装置４８により、対象回転速度における流量と特性値を例えばエンジン制御装置３０に出力する。
【実施例１】
【００３７】
図４は、過給機の特性データの一例を示す図である。
この例において、特性値はコンプレッサの圧縮比である。
この図において、横軸はコンプレッサの発生流量、縦軸は圧縮比である。また、図中のＮ１〜Ｎ６は、それぞれ異なる回転速度Ｎ１〜Ｎ６（以下、「基準回転速度」という）における特性データ４１である。さらに、Ｓ，Ｃの破線で示す曲線は、サージラインとチョークラインであり、サージラインＳの上方はサージ領域、チョークラインＣの下方はチョーク領域である。
【００３８】
図５は、図４の特性データに対する本発明の説明図である。この図を参照して本発明を説明する。
【００３９】
（１）コンプレッサ特性データ
コンプレッサの特性データ４１は、図４に示したように、幾つかの回転速度Ｎ１〜Ｎ６（基準回転速度）での発生流量Ｑと圧縮比ｒの関係を示す特性データ４１として与えられる。この特性データ４１は、安定作動領域での定常状態における特性データであるが、過渡的挙動を模擬するダイナミクスのモデル化にあたっては、特性データ４１として与えられる計測点間における特性値の算出に加えて、特性データ４１として与えられる安定作動領域から外れた、サージ領域及びチョーク領域での特性値も算出する必要がある。
【００４０】
（２）作動点特性の算出方法（図５）
シミュレーション実行時のコンプレッサ作動点での特性データの算出にあたっては、特性データ４１で示される曲線を、その変曲点４１ａ（以下、「基準変曲点」という）において分割される何本かの線分に近似できる。
また、その基準変曲点４１ａを境にコンプレッサ特性が変化するものと見なして、基準変曲点４１ａを境にした幾つかのコンプレッサ作動領域を仮定する。
【００４１】
図５を例に、その具体的な算出方法として、特性データ４１内のデータＡ（回転数Ｎ３）とデータＢ（回転速度Ｎ４）から，その中間回転速度Ｎ（以下、「対象回転速度」という）における特性値を決定する方法を説明する。
【００４２】
（コンプレッサ作動領域の仮定）
各特性データ４１の各基準回転速度Ｎ１〜Ｎ６の基準変曲点４１ａを境に、幾つかのコンプレッサ作動領域を定義する。
この例においては、コンプレッサ作動領域は、Ｒ１〜Ｒ６の６領域でその特性が変化するものと見なしている。ここで、Ｒ１はサージ領域、Ｒ６はチョーク領域に相当する。
【００４３】
（中間回転速度におけるコンプレッサ作動領域の推定）
中間回転速度（対象回転速度）におけるコンプレッサ作動領域の変曲点は、特性データＡ，Ｂにおける各基準変曲点４１ａを結ぶ線分上に存在すると仮定して、各変曲点の座標を回転速度の比率に基づいて決定する。
【００４４】
ここで，特性データＡ〜Ｂの領域においては，コンプレッサ特性における相似則が成り立つものと考えて、各変曲点の座標算出にあたっては、相似則に基づいた考慮を行う。すなわち、変曲点の発生流量値の座標は、回転速度に比例して変化するものと見なし、変曲点の圧縮比の座標は、回転速度の二乗に比例して変化するものと見なすことにより，中間回転速度における各作動領域Ｒ１〜Ｒ６の変曲点を決定する。
【００４５】
（作動点特性の算出）
上述した方法で求めた中間回転速度における各変曲点座標の情報に基づいて、任意のコンプレッサ作動点における特性データの算出が可能となる。
すなわち、発生流量に基づいて，その作動状態における圧縮比を算出する場合、発生流量がＲ１の領域である場合には、サージ領域における飽和圧縮比の状態が維持される状態であり、発生流量がＲ６の領域である場合には、発生流量にかかわらず、圧縮比＝１（加圧されない）の状態が発生すると見なされる。発生流量の状態がＲ２〜Ｒ５の領域となる作動点においては、該当する領域での変曲点を結ぶ線分上に作動点が存在すると見なして、発生流量に該当する領域の変曲点座標から、作動点におけるコンプレッサ圧縮比の状態を算出する。
【００４６】
（低速回転領域の取扱い）
特性データ４１で示されない低速回転領域における特性は、回転速度＝０の状態で、その特性データ上の各変曲点が、すべて座標原点（発生流量＝０，圧縮比＝１）に集約されると仮定して内挿することにより、上述した方法で低速回転領域の作動点特性の算出を行う。
【００４７】
（高速回転領域の取扱い）
特性データマップで示される最大回転数を超える領域における特性は、回転速度の上位２種類の特性データを使用して、上述した方法でと同様に、回転速度比に基づいた外挿により算出する。
【００４８】
（３）断熱効率の特性データマップの補間（図６）
上述した説明は、コンプレッサ流量特性に関しての補間方法であるが、コンプレッサ特性データとしては、図５に加えて、断熱効率による特性データ（効率特性）が与えられる。この効率特性についても，流量特性の場合と同様な補間方法が適用可能である。
【００４９】
また以上は、コンプレッサ特性データの補間方法についての解説であるが、タービン特性に関しても、同様の取扱いが可能である。
【００５０】
上述した本発明の装置及び方法によれば、補間装置により、基準回転速度と相違する対象回転速度における流量と特性値を、基準回転速度における基準変曲点の２次元座標から補間して求めるので、特性データへのカーブフィッティング等の複雑な演算処理を必要とせず、与えられる特性データからの補間（例えば線形補間）により、過渡的に連続して変化する過給機作動状態に対して、その作動点における特性値を計算負荷の低い処理で、短時間かつ正確に求めることができる。
【００５１】
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】
【００５２】
１，２    吸気、３，４  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  シリンダ、２２  排気管、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  特性データ、
４１ａ  基準変曲点、４２  記憶装置、
４６  補間装置、４８  出力装置
【図１】
2012026378.tif 000003
【図２】
2012026378.tif 000004
【図３】
2012026378.tif 000005
【図４】
2012026378.tif 000006
【図５】
2012026378.tif 000007
【図６】
2012026378.tif 000008