インフレータ性能試験装置、方法及びプログラム
【課題】タンク内圧の時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度のインフレータ特性を同定する。
【解決手段】比熱が相違する気体を充填した複数のタンクの各々についてタンクテストを実施し（１００）、タンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を得て（１０２，１０４）、タンクテストの現象を再現記述する支配方程式を定め、タンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）と、タンクテストの現象を記述した支配方程式を用いて、インフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。このようにタンク内圧時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を得ることができ、インフレータ特性を得るための演算負荷を軽減できる。
【解決手段】比熱が相違する気体を充填した複数のタンクの各々についてタンクテストを実施し（１００）、タンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を得て（１０２，１０４）、タンクテストの現象を再現記述する支配方程式を定め、タンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）と、タンクテストの現象を記述した支配方程式を用いて、インフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。このようにタンク内圧時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を得ることができ、インフレータ特性を得るための演算負荷を軽減できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インフレータの性能を試験するインフレータ性能試験装置、方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な移動体としての車両にはエアバッグ装置が具備されるようになってきている。このエアバッグ装置はインフレータを具備して、インフレータによりガスを発生させてエアバッグを展開させている。このようなエアバッグ装置の性能評価や部品開発のためには、エアバッグを展開させるインフレータの特性を把握することが重要である。ところが、エアバッグの展開時間は数十ミリ秒という短時間のため、インフレータの特性を計測することは困難であった。特に、インフレータから噴射されるガスの流量及び温度の変化等のインフレータ特性は、直接計測することが困難であった。
【０００３】
特許文献１には、タンク試験を実施してタンクの圧力時間特性を求める技術が記載されている。このタンク試験ではタンク内に固定したインフレータに着火してからのタンク内の圧力を逐次計測することで、タンク内の圧力上昇変化を時系列的に計測している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２６１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、インフレータ特性は、インフレータからのガスの噴射流量及び噴射温度の変動を把握することが重要である。しかし、タンク試験によるタンク内圧上昇変化の時系列的な計測結果のみでは、これらを特定することが困難である。例えば、このタンク内圧上昇変化の時系列的な計測結果から噴射流量及び噴射温度のインフレータ特性を得ようとすると、噴射流量及び噴射温度の何れか一方を仮定して他方を同定しなければならない。このため、計算負荷が増大すると共に、高精度の計算結果を得ることができない。
【０００６】
近年、部品開発の効率向上のために、コンピュータによる模擬的な試験が実施されている。例えば、部品の各種試験では、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析による性能評価が行われている。このＣＡＥ解析では、正確かつ高速に解析結果を得るためのに、エアバッグ装置に具備される実際のインフレータを高い再現性で模擬できるインフレータ特性を得ることが望まれている。
【０００７】
本発明は上記事実を考慮し、タンク内圧の時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度のインフレータ特性を同定するインフレータ性能試験装置、方法及びプログラムを得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明のインフレータ性能導出装置は、比熱が異なる気体が充填された複数のタンクの各々に同一のインフレータを取り付けて、前記インフレータから気体を噴射させたときの前記複数のタンクの各々の内圧の時間特性を測定した測定結果を取得する取得手段と、前記取得手段により取得した各タンクの内圧の時間特性に基づいて、タンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係から各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにインフレータの噴射流量を同定すると共に、タンクの内部エネルギの時系列の収支が前記タンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定することにより、インフレータ性能としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出する算出手段と、を備える。
【０００９】
本発明のインフレータ性能導出装置では、取得手段によって、比熱が異なる気体が充填された複数のタンクの各々に同一のインフレータを取り付けて、前記インフレータから気体を噴射させたときの前記複数のタンクの各々の内圧の時間特性を測定した測定結果を取得する。算出手段は、取得手段により取得した各タンクの内圧の時間特性に基づいて、インフレータ性能としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出する。具体的には、算出手段は、タンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係から各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにインフレータの噴射流量を同定する。また、算出手段は、タンクの内部エネルギの時系列の収支が前記タンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定する。
【００１０】
従って、本発明によれば、異なる比熱の気体に応じて、相違する各タンクの内圧の時間特性を用いて、各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにタンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係からインフレータの噴射流量を同定できる。また、タンクの内部エネルギの時系列の収支がタンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定できる。このように、タンクの内圧の時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を得ることができるので、インフレータ特性を得るための演算負荷を軽減できる。すなわち、異なる比熱の気体によるタンクの内圧の時間特性を用いて、インフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を同定するため、短時間で処理を終了することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインフレータ性能導出装置において、前記算出手段は、数１のエネルギ収支式および数２の状態方程式の支配方程式を用いて、インフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を同定することを特徴とする。
【数３】
【数４】
【００１２】
ｊはタンクを示す識別子である。
Ｈinf （ｔ）は時刻０から時刻ｔまでにタンクに流入する気体のエンタルピを示す。
Ｕj （ｔ）−Ｕj （０）は時刻０から時刻ｔまでにタンク内の気体の内部エネルギの変化量を示す。
Ｐj （ｔ）はタンク内圧を示す。
Ｖj はタンク容量を示す。
ｎj はタンク内の初期気体の気体量を示す。
ｎinf （ｔ）はインフレータの気体の噴出量を示す。
Ｒは気体定数を示す。
Ｔj （ｔ）はタンク内の気体温度を示す。
【００１３】
算出手段は、エネルギ収支式および状態方程式の支配方程式を用いてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を求めるので、同定するインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性は実際のインフレータの性能が反映されたものになり、精度が向上する。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のインフレータ性能導出装置において、前記算出手段は、比熱を多項式で近似することを特徴とする。算出手段では、比熱を多項式で近似することによって、算出負荷を軽減することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明のインフレータ性能導出方法は、比熱が異なる気体が充填された複数のタンクの各々に同一のインフレータを取り付けて、前記インフレータから気体を噴射させたときの前記複数のタンクの各々の内圧の時間特性を測定した測定結果を取得する取得工程と、前記取得手段により取得した各タンクの内圧の時間特性に基づいて、タンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係から各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにインフレータの噴射流量を同定すると共に、タンクの内部エネルギの時系列の収支が前記タンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定することにより、インフレータ性能としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出する算出工程と、を有する。
【００１６】
本発明の方法によれば、タンクの内圧の時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を得ることができるので、インフレータ特性を得るための演算負荷を軽減できる。
【００１７】
なお、請求項５に記載の発明のように、コンピュータを、請求項１〜３の何れか１項に記載のインフレータ性能導出装置の各手段として機能させるためのプログラムとすることを特徴とする。このプログラムは、記憶媒体に記憶して流通可能なようにしてもよい。
【００１８】
詳細には、この発明のプログラムは、比熱が異なる気体が充填された複数のタンクの各々に同一のインフレータを取り付けて、前記インフレータから気体を噴射させたときの前記複数のタンクの各々の内圧の時間特性を測定した測定結果を取得する取得ステップと、前記取得手段により取得した各タンクの内圧の時間特性に基づいて、タンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係から各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにインフレータの噴射流量を同定すると共に、タンクの内部エネルギの時系列の収支が前記タンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定することにより、インフレータ性能としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出する算出ステップと、の各ステップをコンピュータに実行させることでインフレータ性能を導出させる。
【００１９】
本発明のプログラムによれば、コンピュータにおいて短時間でインフレータ性能の同定を終了させ、演算負荷を軽減させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、タンクの内圧の時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を得ることができるので、インフレータ特性を得るための演算負荷を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置におけるインフレータ特性同定処理の流れを示すフローチャートである。
【図２】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置の概略を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置でのタンクテストにおけるタンクの概略構造を示す線図である。
【図４】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置において用いる比熱が相違する気体の説明図である。
【図５】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置で用いるタンクテストによるタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を示す線図である。
【図６】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置の検証のための仮想のインフレータ特性を示し、（Ａ）は噴射流量、（Ｂ）は噴射温度を示す線図である。
【図７】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置の検証のための仮想インフレータの特性およびタンクテスト条件で行った数値実験結果のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を示す線図である。
【図８】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置で同定したインフレータ特性を示し、（Ａ）は噴射流量、（Ｂ）は噴出温度を示す特性図である。
【図９】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置の逆検証結果を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。本実施形態は、エンジン等の内燃機関の動力で走行する車両や、エンジンとモータを備えたハイブリッド車両等に搭載されるエアバッグ装置に具備されるインフレータの性能を同定する場合に、本発明を適用したものである。
【００２３】
＜インフレータ性能導出装置＞
図２に示すように、本実施の形態のインフレータ性能導出装置１０は、ＣＰＵ１４、ＲＡＭ１６，ＲＯＭ１８を含むコンピュータ本体１２を備えている。コンピュータ本体１２は、入出力インタフェース２０を含んでおり、入出力インタフェース２０は、ＣＰＵ１４、ＲＡＭ１６、ＲＯＭ１８とデータやコマンドを授受可能にバス２２を介して接続されている。
【００２４】
入出力インタフェース２０には、入出力装置２６として、ポインティングデバイスであるマウスやキーボードが接続されており、また、データやコマンド、その他の各種画像を表示するためのディスプレイ２４が接続されている。また、入出力インタフェース２０には、同定部３０，検証部３２、及び記録装置３４が接続されている。
【００２５】
同定部３０は、後述するインフレータ特性同定処理を担当する処理部であり、インフレータ特性としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出することにより同定する処理部である。
【００２６】
また、同定部３０は、上述のハードウェア資源と後述するソフトウェア資源との複合的な動作により機能する装置である。すなわち、同定部３０は詳細を後述する処理のフローチャートを実行させるためのプログラムを記憶したメモリを具備している。従って、ハードウェア資源とソフトウェア資源との構成及び複合的な処理によって、同定部３０を含むインフレータ性能導出装置１０は、インフレータ特性同定装置として機能することになる。
【００２７】
検証部３２は、ＣＡＥ解析処理を担当する処理部であり、対象部品であるインフレータについて性能解析を含むＣＡＥ解析する処理部である。このＣＡＥ解析部３２は、上述のハードウェア資源と後述するソフトウェア資源との複合的な動作により機能する装置である。すなわち、ＣＡＥ解析部３２は処理実行のためのプログラムを記憶したメモリを具備している。従って、ハードウェア資源とソフトウェア資源との構成及び複合的な動作によって、ＣＡＥ解析部３２を含むインフレータ性能導出装置１０は、解析装置として機能することになる。なお、検証部３２は、後述するように同定されたインフレータ特性を検証するための装置として備えたものであり、本実施形態のインフレータ性能導出装置１０において必須の構成とするものではなく、省略してもよい。検証部３２を省略する場合には、検証部３２として代替する他の装置をインフレータ性能導出装置１０に接続して検証可能に構成することができる。
【００２８】
記録装置３４には、タンク内圧の時間特性（内圧カーブ）の実測値が格納されている。この実測値は、例えばタンクテストによる試験等で計測されるものである（後述）。また、記録装置３４には、インフレータ性能を導出するために用いられる数式が格納されている（後述）。なお、記録装置３４は、解析に用いられる様々な部品について解析時の数値計算用の解析モデルが格納される。これら解析モデルは、様々な部品について、その節点や辺および各種付帯条件などから構成されるモデルの数値計算データが格納される。
【００２９】
（タンクテスト）
次に、タンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を得るためのタンクテストの一例を説明する。本実施形態では、２個のタンクを用いてタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を得る場合を説明する。
【００３０】
図３に示すように、まず、内容積が既知の複数タンク４４，４８を用意して、各々に性能が同一とされるインフレータ４０，４１を固定する。また、この各タンク内には圧力センサ４２，４６が設置される。各タンク４４，４８は、比熱が相違する気体４３，４７（図３では、初期ガスＡと初期ガスＢ）を充填する。本実施形態では、一例として、窒素ガスとアルゴンガスを比熱が相違する気体として用いている（図４参照）。各々のタンクを密封後に、図示しない着火装置により、インフレータ４０，４１を作動させる。この図示しない着火装置によるインフレータの作動開始からのタンク内圧変動を圧力センサにより検出する。すなわち、インフレータの作動開始から連続時間的または一定時間おきにタンク内圧の計測値を得る。従って、タンク４４，４８毎に、タンク内圧と時間のデータセットが計測値として記録装置３４に格納される。
【００３１】
図５は、タンク内圧と時間のデータセットを視覚化した、比熱が相違する気体４３，４７（初期ガスＡ：窒素ガス、初期ガスＢ：アルゴンガス）を充填したタンク４４，４８の各々のタンク内圧時間特性５０，５２を示した一例である。比熱が相違する気体によるタンクでは、インフレータによるガス噴射時のタンク内圧の変動量に相違が発生する。
【００３２】
なお、入出力インタフェース２０には、記録媒体としての磁気円盤が挿抜可能な記録装置や記録領域を備えた電子回路を具備する補助記憶装置が接続されるようにしてもよい。なお、後述する処理ルーチン等のプログラムは、記録装置や補助記憶装置を用いて磁気円盤や記録領域に対して読み書き可能である。従って、後述する処理ルーチン等のプログラムは、ＲＯＭ１８に記憶することなく、予め磁気円盤や記憶領域に記録しておき、記録装置や補助記憶装置を介して、予め記録された処理プログラムを実行してもよい。また、コンピュータ本体１２には、ハードディスク装置等の大容量記憶装置（図示省略）を接続し、プログラムを大容量記憶装置（図示省略）へ格納（インストール）して実行するようにしてもよい。また、記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ，ＭＤ，ＭＯ，ＤＶＤ等のディスク、ＤＡＴ等の磁気テープ、そして記録領域としてはフラッシュメモリ（flash memory）やＳＳＤ(Solid State Drive)などの補助記憶装置があり、これらを用いるときには、ＣＤ−ＲＯＭ装置、ＭＤ装置、ＭＯ装置、ＤＶＤ装置、ＤＡＴ装置、補助記憶装置等を用いればよい。
【００３３】
＜インフレータ特性同定＞
ここで、インフレータ特性同定の概要を説明する。本発明者は、計測により得られるデータがタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）のみであるとき、インフレータ特性としてインフレータの噴射温度および噴射流量を、同定することができない、という点から、相違する内圧カーブを得ることができれば、双方について同定可能であるという知見に至った。すなわち、１つの内圧カーブのみのときは、例えば、インフレータによる気体の噴射温度が一定値という仮定をした上で同定を進める必要があり、十分なインフレータ特性を同定することができなかった。そこで、相違する内圧カーブを得ることができれば、一定値による仮定をすることなく、インフレータの噴射温度および噴射流量を、同定できる、という知見に至った。
【００３４】
まず、比熱が相違する気体をタンク内に充填させた２パターンのタンクテストを行うことで、２パターンの内圧カーブを得ることができる。各々のタンクでは、エネルギ収支についての現象をエネルギ収支式で表現できる。また、各々のタンクでは、気体の状態についての現象を状態方程式で表現できる。従って、これらのエネルギ収支式および状態方程式を支配方程式とすることで、各々のタンクにおける現象を数式で記述でき、各々のタンクに同一性能のインフレータを用いたことを共通点とすることで、そのインフレータ特性を同定することができるという知見に至った。
【００３５】
インフレータ特性同定は、次の４つのプロセスからなる。第１プロセスではタンクテストを実施し、第２プロセスではタンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を得て、第３プロセスでは支配方程式を導出し、第４プロセスでは支配方程式からインフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。
【００３６】
まず、第１プロセスでは、タンクテストを実施する。すなわち、比熱が相違する気体が充填された各タンクでインフレータを作動させ、インフレータの作動開始からの時系列的なタンク内圧の計測値を得る（図３参照）。本実施形態では、比熱が相違する気体としての窒素を初期ガスＡとして行うタンクテストを、第１タンクテストとし、アルゴンを初期ガスＢとして行うタンクテストを、第２タンクテストとして説明する。
【００３７】
第２プロセスでは、第１及び第２タンクテストで得られたタンク内圧の計測値から、タンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を作成する。この内圧カーブは、ことなる特性となる２種類の内圧カーブになる（図５参照）。
【００３８】
第３プロセスでは、支配方程式を導出する。すなわち、タンクテストの現象を再現記述する数式を定める。
【００３９】
まず、第１タンクテストのエネルギ収支式は、次の（１）式で表すことができ、状態方程式は、（２）式で表すことができる。
【００４０】
【数５】
但し、
Ｈinf （ｔ）は時刻０から時刻ｔまでにタンクに流入する気体のエンタルピを示す。
Ｕ1 （ｔ）−Ｕ1 （０）は時刻０から時刻ｔまでにタンク４４内の気体の内部エネルギの変化量を示す。
【００４１】
【数６】
但し、
Ｐ1 （ｔ）はタンク４４の内圧を示す。
Ｖ1 はタンク４４の容量を示す。
ｎ1 はタンク４４内の初期気体（窒素）の気体量を示す。
ｎinf （ｔ）はインフレータ４０の気体の噴出量を示す。
Ｒは気体定数を示す。
Ｔ1 （ｔ）はタンク４４内の気体温度を示す。
【００４２】
次に、第２タンクテストのエネルギ収支式は、次の（３）式で表すことができ、状態方程式は、（４）式で表すことができる。
【００４３】
【数７】
但し、
Ｈinf （ｔ）は時刻０から時刻ｔまでにタンクに流入する気体のエンタルピを示す。
Ｕ2 （ｔ）−Ｕ2 （０）は時刻０から時刻ｔまでにタンク４８内の気体の内部エネルギの変化量を示す。
【００４４】
【数８】
但し、
Ｐ2 （ｔ）はタンク４８の内圧を示す。
Ｖ2 はタンク４８の容量を示す（タンク４４と同一）。
ｎ2 はタンク４８内の初期気体（窒素）の気体量を示す（タンク４４と同一）。
ｎinf （ｔ）はインフレータ４１の気体の噴出量を示す（インフレータ４０と同一）。
Ｒは気体定数を示す。
Ｔ2 （ｔ）はタンク４８内の気体温度を示す。
【００４５】
ここで、気体の比熱については、次式で表すことができる。まず、定圧比熱Ｃp、定積比熱Ｃvの各々について、第１タンクテストの初期ガスＡである窒素については、（５）式で表わすことができる。
【数９】
但し、ａ１，ｂ１，ｃ１，は定数である。
【００４６】
また、第２タンクテストの初期ガスＢであるアルゴンについては、（６）式で表すことができる。
【数１０】
但し、ａ２，ｂ２，ｃ２，は定数である。
【００４７】
また、インフレータ噴出ガスについては、（７）式で表すことができる。
【数１０】
但し、Ａ，Ｂ，Ｃ，は定数である。
【００４８】
上記の（１）式は、（５）式〜（７）式を用いて、書き換えることができる。まず、（１）式の左項は、次の（８）式に書き換えることができる。
【数１１】
【００４９】
また、（１）式の右項は、次の（９）式に書き換えることができる。
【数１２】
【００５０】
また、（３）式の右項は、次の（１０）式に書き換えることができる。
【数１３】
【００５１】
第４プロセスでは、インフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。すなわち、実測値である第２プロセスで得られたタンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）と、第３プロセスで得られたタンクテストの現象を記述した数式を用いて、インフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。この第４プロセスは、上記の支配方程式を連立し、その結果式から一定の解法によりインフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。第４プロセスは、次の３段階の処理からなる。第１段階処理はインフレータの噴出量を求める処理であり、第２段階処理は流量に変換する処理であり、第３段階処理は噴射温度を求める処理である。
【００５２】
まず、第４プロセスの第１段階処理は、インフレータの気体の噴出量ｎinf （ｔ）を求める処理である。ここでの処理は、「内部エネルギの変化量は同一である」という事項から導出することができる。この事項は、次の（１１）式で示すことができる。この（１１）式は、上記の支配方程式を整理することにより、（１２）式で表すことができる。
【００５３】
【数１４】
【００５４】
【数１５】
【００５５】
上記（１２）式の両辺に次の（１３）式を乗算し、その結果の６次方程式を一定の解法で解くことにより、インフレータの気体の噴出量ｎinf （ｔ）を同定する。ここでは、数値解析的に解きやすくするために、乗算している。この６次方程式についての一定の解法には、二分法やニュートン法などがある。
【００５６】
【数１６】
【００５７】
次に、第４プロセスの第２段階処理は、インフレータの気体の流量を求める処理である。この処理は、構造解析ソフトウェア（例えば、ＬＳ−ＤＹＮＡ）を利用した解析をするとき、時刻毎の流量を入力する必要があるため、気体の噴出量から流量に変換する必要があるため、実行される処理である。このことは、上記で同定したインフレータの気体の噴出量ｎinf （ｔ）を流量に変換する処理に相当する。その変換処理の結果式は、次の（１４）式で示すことができる。この（１４）式は、上記の支配方程式を整理することで表すことができる。なお、（１４）式において、Ｍは質量を示している。
【００５８】
【数１７】
【００５９】
上記（１４）式の中心差分を求めることにより、インフレータの気体の流量を同定する。
【００６０】
次に、第４プロセスの第３段階処理は、インフレータの気体の噴出温度Ｔinf （ｔ）を求める処理である。ここでの処理は、「エネルギ収支式を満たす」という事項から導出することができる。この事項は、上記（１）式、すなわち（８）式と（９）式が成立（または（２）式について適用）することを意味する。このことについて、（８）式を左辺式とし、（９）式を右辺式として次の（１５）式に示す。
【００６１】
【数１８】
【００６２】
この（１５）式の右辺項について、（２）式から求まる次の（１６）式を代入する。これにより、（１５）式の右辺項は既知のデータにより同定できる。
【００６３】
【数１９】
【００６４】
次に、（１５）式の左辺項について、次の（１７）式で示すときを、Ｑｉとし、台形積分を用いて整理すると、（１８）式および（１９）式で表すことができる。
【００６５】
【数２０】
【００６６】
【数２１】
【００６７】
【数２２】
【００６８】
上記（１９）式は、漸化式形式の３次方程式である。この（１９）式では、Ｔｉｎｆ（ｉ−１）及びその２次と３次の変数は既知変数であるが、それ以外のＴｉｎｆの変数は未知である。そこで、漸化式形式の（１９）式について、ｔ＝０から順次一定の解法で解くことにより、インフレータの気体の噴出温度Ｔinf （ｔ）を同定する。この一定の解法には、解析的解法、二分法やニュートン法などの数値解法がある。
【００６９】
以上のプロセスにて、比熱が相違する気体による内圧データを用いて、インフレータ特性を同定できる。
【００７０】
＜インフレータ特性同定処理＞
図１には本実施の形態のインフレータ性能導出装置１０において実行されるインフレータ特性同定処理の流れを示した。なお、本実施形態では、インフレータ性能としてインフレータ特性のうちのインフレータの気体（ガス）の噴射流量及びインフレータの気体（ガス）の噴射温度を同定する処理例を説明する。
【００７１】
まず、ステップ１００はインフレータ特性同定処理の前処理であり、予めタンクテストが実施される。すなわち、気体４３（窒素：初期ガスＡ），が充填されたタンク４４でインフレータ４０を作動させ、インフレータの作動開始からの時系列的なタンク内圧の計測値を第１タンクテストのデータとして得る。同様に、気体４３とは比熱が相違する気体４７（アルゴン：初期ガスＢ）が充填されたタンク４８でインフレータ４１を作動させ、インフレータの作動開始からの時系列的なタンク内圧の計測値を第２タンクテストのデータとして得る。これらの第１タンクテストのデータ及び第２タンクテストのデータを記録装置３４に格納しておく。
【００７２】
なお、ステップ１００では、予め実施したタンクテストの結果を記録装置３４に記憶させた場合を説明したが、タンクテストの装置をインフレータ性能導出装置１０に接続してタンクテストのデータを得るようにしてもよい。
【００７３】
次のステップ１０２では、記録装置３４から予め実施したタンクテストの結果を取得し、次のステップ１０４において内圧カーブを算出する。すなわち、タンクテストで得られたタンク内圧の計測値から、タンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を算出する（図５）。
【００７４】
以上のようにして、比熱が相違する気体によるタンク内圧の時間特性を求めた後には、ステップ１０６へ進み、支配方程式を導出する。すなわち、タンクテストの現象を再現記述する数式を定める。ここでの処理は、記録装置３４に記憶された演算式としての数式を読み取ることにより、タンクテストの現象を再現記述する数式を定める。具体的には、第１タンクテストのエネルギ収支式として（１）式を定め（ステップ１０８）、状態方程式として（２）式を定める（ステップ１１０）。同様に、第２タンクテストのエネルギ収支式として（３）式を定め（ステップ１１２）、状態方程式として（４）式を定める（ステップ１１４）。
【００７５】
このステップ１０６では、上述したように、インフレータの気体の噴出量ｎinf （ｔ）を同定するための（１２）式を定める。また、インフレータの気体の流量を同定するための（１４）式を定める。さらに、インフレータの気体の噴出温度Ｔinf （ｔ）を同定するための（１９）式を定める。
【００７６】
次に、ステップ１１６において、インフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。すなわち、実測値であるステップ１０４で得られたタンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）と、ステップ１０６で定めたタンクテストの現象を記述した数式を用いて、インフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。
【００７７】
詳細には、まず、ステップ１１８において、（１２）式の６次方程式から数値解法によって、インフレータの気体の噴出量ｎinf （ｔ）を同定する。次に、ステップ１２０において、（１４）式の中心差分を求めることにより、インフレータの気体の流量を同定する。次に、（１９）式による漸化式形式の３次方程式から、解析的手法または数値解法によって、インフレータの気体の噴出温度Ｔinf （ｔ）を同定する。
【００７８】
以上説明したように、比熱が相違する気体を充填したタンクによるインフレータ噴射のタンクテスト結果を用いて、インフレータの気体の流量およびインフレータの気体の噴出温度を同定することができる。これにより、インフレータ特性を把握することができ、性能解析等に容易に用いることができる。また、タンクの内圧の時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を得ることができるので、インフレータ特性を得るための演算負荷を軽減できる。
【００７９】
＜インフレータ特性の検証＞
次に本発明者は、本実施形態のインフレータ性能導出装置１０により同定したインフレータの気体の噴射流量およびインフレータの気体の噴出温度によるインフレータ特性について検証を行った。ここでは、構造解析ソフトウェア（ＬＳ−ＤＹＮＡ）を利用した数値実験による検証を採用した。まず、検証用として仮想のインフレータ特性を作成した。図６には、インフレータ特性を示し、（Ａ）は噴射流量、（Ｂ）は噴射温度を示す。
【００８０】
なお、初期ガスは、窒素、アルゴンを採用し、それ以外の条件は一致させてタンクテストを行った。
【００８１】
図７には、上記仮想インフレータの特性およびタンクテスト条件で、構造解析ソフトウェア（ＬＳ−ＤＹＮＡ）のＣＶ法（コントロールボリューム法）による数値実験の結果として、タンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を示した。
【００８２】
図８には、図７のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）をもとにして、本実施形態のインフレータ性能導出装置１０において実行されるインフレータ特性同定処理によって、同定したインフレータの気体の噴射流量（図８（Ａ））およびインフレータの気体の噴出温度（図８（Ｂ））によるインフレータ特性を示した。図８から理解できるように、検証用に設定したインフレータ特性とほぼ一致するインフレータ特性が得られることを確認できる。
【００８３】
図９には、逆検証として、本実施形態のインフレータ性能導出装置１０のインフレータ特性同定処理により同定したインフレータ特性を用いて、構造解析ソフトウェア（ＬＳ−ＤＹＮＡ）のパーティクル法による数値実験の結果として、タンクテスト解析結果を示した。図から理解されるように、ＣＶ法による数値実験結果と、本実施形態で同定したインフレータ特性による結果とが一致している。
【００８４】
以上説明した検証結果からも理解できるように、本実施形態のインフレータ性能導出装置１０によりインフレータの気体の噴射流量およびインフレータの気体の噴出温度によるインフレータ特性を同定できる。
【符号の説明】
【００８５】
１０…インフレータ性能導出装置
３０…同定部
３４…記録装置
４０…インフレータ
４２…圧力センサ
４３…気体
４４…タンク
４６…圧力センサ
４７…気体
４８…タンク
５０…タンク内圧時間特性
５２…タンク内圧時間特性
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インフレータの性能を試験するインフレータ性能試験装置、方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な移動体としての車両にはエアバッグ装置が具備されるようになってきている。このエアバッグ装置はインフレータを具備して、インフレータによりガスを発生させてエアバッグを展開させている。このようなエアバッグ装置の性能評価や部品開発のためには、エアバッグを展開させるインフレータの特性を把握することが重要である。ところが、エアバッグの展開時間は数十ミリ秒という短時間のため、インフレータの特性を計測することは困難であった。特に、インフレータから噴射されるガスの流量及び温度の変化等のインフレータ特性は、直接計測することが困難であった。
【０００３】
特許文献１には、タンク試験を実施してタンクの圧力時間特性を求める技術が記載されている。このタンク試験ではタンク内に固定したインフレータに着火してからのタンク内の圧力を逐次計測することで、タンク内の圧力上昇変化を時系列的に計測している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２６１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、インフレータ特性は、インフレータからのガスの噴射流量及び噴射温度の変動を把握することが重要である。しかし、タンク試験によるタンク内圧上昇変化の時系列的な計測結果のみでは、これらを特定することが困難である。例えば、このタンク内圧上昇変化の時系列的な計測結果から噴射流量及び噴射温度のインフレータ特性を得ようとすると、噴射流量及び噴射温度の何れか一方を仮定して他方を同定しなければならない。このため、計算負荷が増大すると共に、高精度の計算結果を得ることができない。
【０００６】
近年、部品開発の効率向上のために、コンピュータによる模擬的な試験が実施されている。例えば、部品の各種試験では、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析による性能評価が行われている。このＣＡＥ解析では、正確かつ高速に解析結果を得るためのに、エアバッグ装置に具備される実際のインフレータを高い再現性で模擬できるインフレータ特性を得ることが望まれている。
【０００７】
本発明は上記事実を考慮し、タンク内圧の時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度のインフレータ特性を同定するインフレータ性能試験装置、方法及びプログラムを得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明のインフレータ性能導出装置は、比熱が異なる気体が充填された複数のタンクの各々に同一のインフレータを取り付けて、前記インフレータから気体を噴射させたときの前記複数のタンクの各々の内圧の時間特性を測定した測定結果を取得する取得手段と、前記取得手段により取得した各タンクの内圧の時間特性に基づいて、タンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係から各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにインフレータの噴射流量を同定すると共に、タンクの内部エネルギの時系列の収支が前記タンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定することにより、インフレータ性能としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出する算出手段と、を備える。
【０００９】
本発明のインフレータ性能導出装置では、取得手段によって、比熱が異なる気体が充填された複数のタンクの各々に同一のインフレータを取り付けて、前記インフレータから気体を噴射させたときの前記複数のタンクの各々の内圧の時間特性を測定した測定結果を取得する。算出手段は、取得手段により取得した各タンクの内圧の時間特性に基づいて、インフレータ性能としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出する。具体的には、算出手段は、タンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係から各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにインフレータの噴射流量を同定する。また、算出手段は、タンクの内部エネルギの時系列の収支が前記タンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定する。
【００１０】
従って、本発明によれば、異なる比熱の気体に応じて、相違する各タンクの内圧の時間特性を用いて、各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにタンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係からインフレータの噴射流量を同定できる。また、タンクの内部エネルギの時系列の収支がタンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定できる。このように、タンクの内圧の時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を得ることができるので、インフレータ特性を得るための演算負荷を軽減できる。すなわち、異なる比熱の気体によるタンクの内圧の時間特性を用いて、インフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を同定するため、短時間で処理を終了することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインフレータ性能導出装置において、前記算出手段は、数１のエネルギ収支式および数２の状態方程式の支配方程式を用いて、インフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を同定することを特徴とする。
【数３】
【数４】
【００１２】
ｊはタンクを示す識別子である。
Ｈinf （ｔ）は時刻０から時刻ｔまでにタンクに流入する気体のエンタルピを示す。
Ｕj （ｔ）−Ｕj （０）は時刻０から時刻ｔまでにタンク内の気体の内部エネルギの変化量を示す。
Ｐj （ｔ）はタンク内圧を示す。
Ｖj はタンク容量を示す。
ｎj はタンク内の初期気体の気体量を示す。
ｎinf （ｔ）はインフレータの気体の噴出量を示す。
Ｒは気体定数を示す。
Ｔj （ｔ）はタンク内の気体温度を示す。
【００１３】
算出手段は、エネルギ収支式および状態方程式の支配方程式を用いてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を求めるので、同定するインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性は実際のインフレータの性能が反映されたものになり、精度が向上する。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のインフレータ性能導出装置において、前記算出手段は、比熱を多項式で近似することを特徴とする。算出手段では、比熱を多項式で近似することによって、算出負荷を軽減することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明のインフレータ性能導出方法は、比熱が異なる気体が充填された複数のタンクの各々に同一のインフレータを取り付けて、前記インフレータから気体を噴射させたときの前記複数のタンクの各々の内圧の時間特性を測定した測定結果を取得する取得工程と、前記取得手段により取得した各タンクの内圧の時間特性に基づいて、タンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係から各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにインフレータの噴射流量を同定すると共に、タンクの内部エネルギの時系列の収支が前記タンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定することにより、インフレータ性能としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出する算出工程と、を有する。
【００１６】
本発明の方法によれば、タンクの内圧の時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を得ることができるので、インフレータ特性を得るための演算負荷を軽減できる。
【００１７】
なお、請求項５に記載の発明のように、コンピュータを、請求項１〜３の何れか１項に記載のインフレータ性能導出装置の各手段として機能させるためのプログラムとすることを特徴とする。このプログラムは、記憶媒体に記憶して流通可能なようにしてもよい。
【００１８】
詳細には、この発明のプログラムは、比熱が異なる気体が充填された複数のタンクの各々に同一のインフレータを取り付けて、前記インフレータから気体を噴射させたときの前記複数のタンクの各々の内圧の時間特性を測定した測定結果を取得する取得ステップと、前記取得手段により取得した各タンクの内圧の時間特性に基づいて、タンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係から各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにインフレータの噴射流量を同定すると共に、タンクの内部エネルギの時系列の収支が前記タンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定することにより、インフレータ性能としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出する算出ステップと、の各ステップをコンピュータに実行させることでインフレータ性能を導出させる。
【００１９】
本発明のプログラムによれば、コンピュータにおいて短時間でインフレータ性能の同定を終了させ、演算負荷を軽減させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、タンクの内圧の時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を得ることができるので、インフレータ特性を得るための演算負荷を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置におけるインフレータ特性同定処理の流れを示すフローチャートである。
【図２】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置の概略を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置でのタンクテストにおけるタンクの概略構造を示す線図である。
【図４】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置において用いる比熱が相違する気体の説明図である。
【図５】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置で用いるタンクテストによるタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を示す線図である。
【図６】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置の検証のための仮想のインフレータ特性を示し、（Ａ）は噴射流量、（Ｂ）は噴射温度を示す線図である。
【図７】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置の検証のための仮想インフレータの特性およびタンクテスト条件で行った数値実験結果のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を示す線図である。
【図８】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置で同定したインフレータ特性を示し、（Ａ）は噴射流量、（Ｂ）は噴出温度を示す特性図である。
【図９】本発明の実施形態にかかるインフレータ性能導出装置の逆検証結果を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。本実施形態は、エンジン等の内燃機関の動力で走行する車両や、エンジンとモータを備えたハイブリッド車両等に搭載されるエアバッグ装置に具備されるインフレータの性能を同定する場合に、本発明を適用したものである。
【００２３】
＜インフレータ性能導出装置＞
図２に示すように、本実施の形態のインフレータ性能導出装置１０は、ＣＰＵ１４、ＲＡＭ１６，ＲＯＭ１８を含むコンピュータ本体１２を備えている。コンピュータ本体１２は、入出力インタフェース２０を含んでおり、入出力インタフェース２０は、ＣＰＵ１４、ＲＡＭ１６、ＲＯＭ１８とデータやコマンドを授受可能にバス２２を介して接続されている。
【００２４】
入出力インタフェース２０には、入出力装置２６として、ポインティングデバイスであるマウスやキーボードが接続されており、また、データやコマンド、その他の各種画像を表示するためのディスプレイ２４が接続されている。また、入出力インタフェース２０には、同定部３０，検証部３２、及び記録装置３４が接続されている。
【００２５】
同定部３０は、後述するインフレータ特性同定処理を担当する処理部であり、インフレータ特性としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出することにより同定する処理部である。
【００２６】
また、同定部３０は、上述のハードウェア資源と後述するソフトウェア資源との複合的な動作により機能する装置である。すなわち、同定部３０は詳細を後述する処理のフローチャートを実行させるためのプログラムを記憶したメモリを具備している。従って、ハードウェア資源とソフトウェア資源との構成及び複合的な処理によって、同定部３０を含むインフレータ性能導出装置１０は、インフレータ特性同定装置として機能することになる。
【００２７】
検証部３２は、ＣＡＥ解析処理を担当する処理部であり、対象部品であるインフレータについて性能解析を含むＣＡＥ解析する処理部である。このＣＡＥ解析部３２は、上述のハードウェア資源と後述するソフトウェア資源との複合的な動作により機能する装置である。すなわち、ＣＡＥ解析部３２は処理実行のためのプログラムを記憶したメモリを具備している。従って、ハードウェア資源とソフトウェア資源との構成及び複合的な動作によって、ＣＡＥ解析部３２を含むインフレータ性能導出装置１０は、解析装置として機能することになる。なお、検証部３２は、後述するように同定されたインフレータ特性を検証するための装置として備えたものであり、本実施形態のインフレータ性能導出装置１０において必須の構成とするものではなく、省略してもよい。検証部３２を省略する場合には、検証部３２として代替する他の装置をインフレータ性能導出装置１０に接続して検証可能に構成することができる。
【００２８】
記録装置３４には、タンク内圧の時間特性（内圧カーブ）の実測値が格納されている。この実測値は、例えばタンクテストによる試験等で計測されるものである（後述）。また、記録装置３４には、インフレータ性能を導出するために用いられる数式が格納されている（後述）。なお、記録装置３４は、解析に用いられる様々な部品について解析時の数値計算用の解析モデルが格納される。これら解析モデルは、様々な部品について、その節点や辺および各種付帯条件などから構成されるモデルの数値計算データが格納される。
【００２９】
（タンクテスト）
次に、タンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を得るためのタンクテストの一例を説明する。本実施形態では、２個のタンクを用いてタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を得る場合を説明する。
【００３０】
図３に示すように、まず、内容積が既知の複数タンク４４，４８を用意して、各々に性能が同一とされるインフレータ４０，４１を固定する。また、この各タンク内には圧力センサ４２，４６が設置される。各タンク４４，４８は、比熱が相違する気体４３，４７（図３では、初期ガスＡと初期ガスＢ）を充填する。本実施形態では、一例として、窒素ガスとアルゴンガスを比熱が相違する気体として用いている（図４参照）。各々のタンクを密封後に、図示しない着火装置により、インフレータ４０，４１を作動させる。この図示しない着火装置によるインフレータの作動開始からのタンク内圧変動を圧力センサにより検出する。すなわち、インフレータの作動開始から連続時間的または一定時間おきにタンク内圧の計測値を得る。従って、タンク４４，４８毎に、タンク内圧と時間のデータセットが計測値として記録装置３４に格納される。
【００３１】
図５は、タンク内圧と時間のデータセットを視覚化した、比熱が相違する気体４３，４７（初期ガスＡ：窒素ガス、初期ガスＢ：アルゴンガス）を充填したタンク４４，４８の各々のタンク内圧時間特性５０，５２を示した一例である。比熱が相違する気体によるタンクでは、インフレータによるガス噴射時のタンク内圧の変動量に相違が発生する。
【００３２】
なお、入出力インタフェース２０には、記録媒体としての磁気円盤が挿抜可能な記録装置や記録領域を備えた電子回路を具備する補助記憶装置が接続されるようにしてもよい。なお、後述する処理ルーチン等のプログラムは、記録装置や補助記憶装置を用いて磁気円盤や記録領域に対して読み書き可能である。従って、後述する処理ルーチン等のプログラムは、ＲＯＭ１８に記憶することなく、予め磁気円盤や記憶領域に記録しておき、記録装置や補助記憶装置を介して、予め記録された処理プログラムを実行してもよい。また、コンピュータ本体１２には、ハードディスク装置等の大容量記憶装置（図示省略）を接続し、プログラムを大容量記憶装置（図示省略）へ格納（インストール）して実行するようにしてもよい。また、記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ，ＭＤ，ＭＯ，ＤＶＤ等のディスク、ＤＡＴ等の磁気テープ、そして記録領域としてはフラッシュメモリ（flash memory）やＳＳＤ(Solid State Drive)などの補助記憶装置があり、これらを用いるときには、ＣＤ−ＲＯＭ装置、ＭＤ装置、ＭＯ装置、ＤＶＤ装置、ＤＡＴ装置、補助記憶装置等を用いればよい。
【００３３】
＜インフレータ特性同定＞
ここで、インフレータ特性同定の概要を説明する。本発明者は、計測により得られるデータがタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）のみであるとき、インフレータ特性としてインフレータの噴射温度および噴射流量を、同定することができない、という点から、相違する内圧カーブを得ることができれば、双方について同定可能であるという知見に至った。すなわち、１つの内圧カーブのみのときは、例えば、インフレータによる気体の噴射温度が一定値という仮定をした上で同定を進める必要があり、十分なインフレータ特性を同定することができなかった。そこで、相違する内圧カーブを得ることができれば、一定値による仮定をすることなく、インフレータの噴射温度および噴射流量を、同定できる、という知見に至った。
【００３４】
まず、比熱が相違する気体をタンク内に充填させた２パターンのタンクテストを行うことで、２パターンの内圧カーブを得ることができる。各々のタンクでは、エネルギ収支についての現象をエネルギ収支式で表現できる。また、各々のタンクでは、気体の状態についての現象を状態方程式で表現できる。従って、これらのエネルギ収支式および状態方程式を支配方程式とすることで、各々のタンクにおける現象を数式で記述でき、各々のタンクに同一性能のインフレータを用いたことを共通点とすることで、そのインフレータ特性を同定することができるという知見に至った。
【００３５】
インフレータ特性同定は、次の４つのプロセスからなる。第１プロセスではタンクテストを実施し、第２プロセスではタンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を得て、第３プロセスでは支配方程式を導出し、第４プロセスでは支配方程式からインフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。
【００３６】
まず、第１プロセスでは、タンクテストを実施する。すなわち、比熱が相違する気体が充填された各タンクでインフレータを作動させ、インフレータの作動開始からの時系列的なタンク内圧の計測値を得る（図３参照）。本実施形態では、比熱が相違する気体としての窒素を初期ガスＡとして行うタンクテストを、第１タンクテストとし、アルゴンを初期ガスＢとして行うタンクテストを、第２タンクテストとして説明する。
【００３７】
第２プロセスでは、第１及び第２タンクテストで得られたタンク内圧の計測値から、タンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を作成する。この内圧カーブは、ことなる特性となる２種類の内圧カーブになる（図５参照）。
【００３８】
第３プロセスでは、支配方程式を導出する。すなわち、タンクテストの現象を再現記述する数式を定める。
【００３９】
まず、第１タンクテストのエネルギ収支式は、次の（１）式で表すことができ、状態方程式は、（２）式で表すことができる。
【００４０】
【数５】
但し、
Ｈinf （ｔ）は時刻０から時刻ｔまでにタンクに流入する気体のエンタルピを示す。
Ｕ1 （ｔ）−Ｕ1 （０）は時刻０から時刻ｔまでにタンク４４内の気体の内部エネルギの変化量を示す。
【００４１】
【数６】
但し、
Ｐ1 （ｔ）はタンク４４の内圧を示す。
Ｖ1 はタンク４４の容量を示す。
ｎ1 はタンク４４内の初期気体（窒素）の気体量を示す。
ｎinf （ｔ）はインフレータ４０の気体の噴出量を示す。
Ｒは気体定数を示す。
Ｔ1 （ｔ）はタンク４４内の気体温度を示す。
【００４２】
次に、第２タンクテストのエネルギ収支式は、次の（３）式で表すことができ、状態方程式は、（４）式で表すことができる。
【００４３】
【数７】
但し、
Ｈinf （ｔ）は時刻０から時刻ｔまでにタンクに流入する気体のエンタルピを示す。
Ｕ2 （ｔ）−Ｕ2 （０）は時刻０から時刻ｔまでにタンク４８内の気体の内部エネルギの変化量を示す。
【００４４】
【数８】
但し、
Ｐ2 （ｔ）はタンク４８の内圧を示す。
Ｖ2 はタンク４８の容量を示す（タンク４４と同一）。
ｎ2 はタンク４８内の初期気体（窒素）の気体量を示す（タンク４４と同一）。
ｎinf （ｔ）はインフレータ４１の気体の噴出量を示す（インフレータ４０と同一）。
Ｒは気体定数を示す。
Ｔ2 （ｔ）はタンク４８内の気体温度を示す。
【００４５】
ここで、気体の比熱については、次式で表すことができる。まず、定圧比熱Ｃp、定積比熱Ｃvの各々について、第１タンクテストの初期ガスＡである窒素については、（５）式で表わすことができる。
【数９】
但し、ａ１，ｂ１，ｃ１，は定数である。
【００４６】
また、第２タンクテストの初期ガスＢであるアルゴンについては、（６）式で表すことができる。
【数１０】
但し、ａ２，ｂ２，ｃ２，は定数である。
【００４７】
また、インフレータ噴出ガスについては、（７）式で表すことができる。
【数１０】
但し、Ａ，Ｂ，Ｃ，は定数である。
【００４８】
上記の（１）式は、（５）式〜（７）式を用いて、書き換えることができる。まず、（１）式の左項は、次の（８）式に書き換えることができる。
【数１１】
【００４９】
また、（１）式の右項は、次の（９）式に書き換えることができる。
【数１２】
【００５０】
また、（３）式の右項は、次の（１０）式に書き換えることができる。
【数１３】
【００５１】
第４プロセスでは、インフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。すなわち、実測値である第２プロセスで得られたタンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）と、第３プロセスで得られたタンクテストの現象を記述した数式を用いて、インフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。この第４プロセスは、上記の支配方程式を連立し、その結果式から一定の解法によりインフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。第４プロセスは、次の３段階の処理からなる。第１段階処理はインフレータの噴出量を求める処理であり、第２段階処理は流量に変換する処理であり、第３段階処理は噴射温度を求める処理である。
【００５２】
まず、第４プロセスの第１段階処理は、インフレータの気体の噴出量ｎinf （ｔ）を求める処理である。ここでの処理は、「内部エネルギの変化量は同一である」という事項から導出することができる。この事項は、次の（１１）式で示すことができる。この（１１）式は、上記の支配方程式を整理することにより、（１２）式で表すことができる。
【００５３】
【数１４】
【００５４】
【数１５】
【００５５】
上記（１２）式の両辺に次の（１３）式を乗算し、その結果の６次方程式を一定の解法で解くことにより、インフレータの気体の噴出量ｎinf （ｔ）を同定する。ここでは、数値解析的に解きやすくするために、乗算している。この６次方程式についての一定の解法には、二分法やニュートン法などがある。
【００５６】
【数１６】
【００５７】
次に、第４プロセスの第２段階処理は、インフレータの気体の流量を求める処理である。この処理は、構造解析ソフトウェア（例えば、ＬＳ−ＤＹＮＡ）を利用した解析をするとき、時刻毎の流量を入力する必要があるため、気体の噴出量から流量に変換する必要があるため、実行される処理である。このことは、上記で同定したインフレータの気体の噴出量ｎinf （ｔ）を流量に変換する処理に相当する。その変換処理の結果式は、次の（１４）式で示すことができる。この（１４）式は、上記の支配方程式を整理することで表すことができる。なお、（１４）式において、Ｍは質量を示している。
【００５８】
【数１７】
【００５９】
上記（１４）式の中心差分を求めることにより、インフレータの気体の流量を同定する。
【００６０】
次に、第４プロセスの第３段階処理は、インフレータの気体の噴出温度Ｔinf （ｔ）を求める処理である。ここでの処理は、「エネルギ収支式を満たす」という事項から導出することができる。この事項は、上記（１）式、すなわち（８）式と（９）式が成立（または（２）式について適用）することを意味する。このことについて、（８）式を左辺式とし、（９）式を右辺式として次の（１５）式に示す。
【００６１】
【数１８】
【００６２】
この（１５）式の右辺項について、（２）式から求まる次の（１６）式を代入する。これにより、（１５）式の右辺項は既知のデータにより同定できる。
【００６３】
【数１９】
【００６４】
次に、（１５）式の左辺項について、次の（１７）式で示すときを、Ｑｉとし、台形積分を用いて整理すると、（１８）式および（１９）式で表すことができる。
【００６５】
【数２０】
【００６６】
【数２１】
【００６７】
【数２２】
【００６８】
上記（１９）式は、漸化式形式の３次方程式である。この（１９）式では、Ｔｉｎｆ（ｉ−１）及びその２次と３次の変数は既知変数であるが、それ以外のＴｉｎｆの変数は未知である。そこで、漸化式形式の（１９）式について、ｔ＝０から順次一定の解法で解くことにより、インフレータの気体の噴出温度Ｔinf （ｔ）を同定する。この一定の解法には、解析的解法、二分法やニュートン法などの数値解法がある。
【００６９】
以上のプロセスにて、比熱が相違する気体による内圧データを用いて、インフレータ特性を同定できる。
【００７０】
＜インフレータ特性同定処理＞
図１には本実施の形態のインフレータ性能導出装置１０において実行されるインフレータ特性同定処理の流れを示した。なお、本実施形態では、インフレータ性能としてインフレータ特性のうちのインフレータの気体（ガス）の噴射流量及びインフレータの気体（ガス）の噴射温度を同定する処理例を説明する。
【００７１】
まず、ステップ１００はインフレータ特性同定処理の前処理であり、予めタンクテストが実施される。すなわち、気体４３（窒素：初期ガスＡ），が充填されたタンク４４でインフレータ４０を作動させ、インフレータの作動開始からの時系列的なタンク内圧の計測値を第１タンクテストのデータとして得る。同様に、気体４３とは比熱が相違する気体４７（アルゴン：初期ガスＢ）が充填されたタンク４８でインフレータ４１を作動させ、インフレータの作動開始からの時系列的なタンク内圧の計測値を第２タンクテストのデータとして得る。これらの第１タンクテストのデータ及び第２タンクテストのデータを記録装置３４に格納しておく。
【００７２】
なお、ステップ１００では、予め実施したタンクテストの結果を記録装置３４に記憶させた場合を説明したが、タンクテストの装置をインフレータ性能導出装置１０に接続してタンクテストのデータを得るようにしてもよい。
【００７３】
次のステップ１０２では、記録装置３４から予め実施したタンクテストの結果を取得し、次のステップ１０４において内圧カーブを算出する。すなわち、タンクテストで得られたタンク内圧の計測値から、タンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を算出する（図５）。
【００７４】
以上のようにして、比熱が相違する気体によるタンク内圧の時間特性を求めた後には、ステップ１０６へ進み、支配方程式を導出する。すなわち、タンクテストの現象を再現記述する数式を定める。ここでの処理は、記録装置３４に記憶された演算式としての数式を読み取ることにより、タンクテストの現象を再現記述する数式を定める。具体的には、第１タンクテストのエネルギ収支式として（１）式を定め（ステップ１０８）、状態方程式として（２）式を定める（ステップ１１０）。同様に、第２タンクテストのエネルギ収支式として（３）式を定め（ステップ１１２）、状態方程式として（４）式を定める（ステップ１１４）。
【００７５】
このステップ１０６では、上述したように、インフレータの気体の噴出量ｎinf （ｔ）を同定するための（１２）式を定める。また、インフレータの気体の流量を同定するための（１４）式を定める。さらに、インフレータの気体の噴出温度Ｔinf （ｔ）を同定するための（１９）式を定める。
【００７６】
次に、ステップ１１６において、インフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。すなわち、実測値であるステップ１０４で得られたタンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）と、ステップ１０６で定めたタンクテストの現象を記述した数式を用いて、インフレータの気体の噴射流量及び噴射温度を同定する。
【００７７】
詳細には、まず、ステップ１１８において、（１２）式の６次方程式から数値解法によって、インフレータの気体の噴出量ｎinf （ｔ）を同定する。次に、ステップ１２０において、（１４）式の中心差分を求めることにより、インフレータの気体の流量を同定する。次に、（１９）式による漸化式形式の３次方程式から、解析的手法または数値解法によって、インフレータの気体の噴出温度Ｔinf （ｔ）を同定する。
【００７８】
以上説明したように、比熱が相違する気体を充填したタンクによるインフレータ噴射のタンクテスト結果を用いて、インフレータの気体の流量およびインフレータの気体の噴出温度を同定することができる。これにより、インフレータ特性を把握することができ、性能解析等に容易に用いることができる。また、タンクの内圧の時間特性からインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を得ることができるので、インフレータ特性を得るための演算負荷を軽減できる。
【００７９】
＜インフレータ特性の検証＞
次に本発明者は、本実施形態のインフレータ性能導出装置１０により同定したインフレータの気体の噴射流量およびインフレータの気体の噴出温度によるインフレータ特性について検証を行った。ここでは、構造解析ソフトウェア（ＬＳ−ＤＹＮＡ）を利用した数値実験による検証を採用した。まず、検証用として仮想のインフレータ特性を作成した。図６には、インフレータ特性を示し、（Ａ）は噴射流量、（Ｂ）は噴射温度を示す。
【００８０】
なお、初期ガスは、窒素、アルゴンを採用し、それ以外の条件は一致させてタンクテストを行った。
【００８１】
図７には、上記仮想インフレータの特性およびタンクテスト条件で、構造解析ソフトウェア（ＬＳ−ＤＹＮＡ）のＣＶ法（コントロールボリューム法）による数値実験の結果として、タンクテスト毎のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）を示した。
【００８２】
図８には、図７のタンク内圧の時間特性（内圧カーブ）をもとにして、本実施形態のインフレータ性能導出装置１０において実行されるインフレータ特性同定処理によって、同定したインフレータの気体の噴射流量（図８（Ａ））およびインフレータの気体の噴出温度（図８（Ｂ））によるインフレータ特性を示した。図８から理解できるように、検証用に設定したインフレータ特性とほぼ一致するインフレータ特性が得られることを確認できる。
【００８３】
図９には、逆検証として、本実施形態のインフレータ性能導出装置１０のインフレータ特性同定処理により同定したインフレータ特性を用いて、構造解析ソフトウェア（ＬＳ−ＤＹＮＡ）のパーティクル法による数値実験の結果として、タンクテスト解析結果を示した。図から理解されるように、ＣＶ法による数値実験結果と、本実施形態で同定したインフレータ特性による結果とが一致している。
【００８４】
以上説明した検証結果からも理解できるように、本実施形態のインフレータ性能導出装置１０によりインフレータの気体の噴射流量およびインフレータの気体の噴出温度によるインフレータ特性を同定できる。
【符号の説明】
【００８５】
１０…インフレータ性能導出装置
３０…同定部
３４…記録装置
４０…インフレータ
４２…圧力センサ
４３…気体
４４…タンク
４６…圧力センサ
４７…気体
４８…タンク
５０…タンク内圧時間特性
５２…タンク内圧時間特性
【特許請求の範囲】
【請求項１】
比熱が異なる気体が充填された複数のタンクの各々に同一のインフレータを取り付けて、前記インフレータから気体を噴射させたときの前記複数のタンクの各々の内圧の時間特性を測定した測定結果を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得した各タンクの内圧の時間特性に基づいて、タンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係から各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにインフレータの噴射流量を同定すると共に、タンクの内部エネルギの時系列の収支が前記タンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定することにより、インフレータ性能としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出する算出手段と、
を備えたインフレータ性能導出装置。
【請求項２】
前記算出手段は、数１のエネルギ収支式および数２の状態方程式の支配方程式を用いて、インフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を同定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインフレータ性能導出装置。
【数１】
【数２】
【請求項３】
前記算出手段は、比熱を多項式で近似することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインフレータ性能導出装置。
【請求項４】
比熱が異なる気体が充填された複数のタンクの各々に同一のインフレータを取り付けて、前記インフレータから気体を噴射させたときの前記複数のタンクの各々の内圧の時間特性を測定した測定結果を取得する取得工程と、
前記取得手段により取得した各タンクの内圧の時間特性に基づいて、タンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係から各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにインフレータの噴射流量を同定すると共に、タンクの内部エネルギの時系列の収支が前記タンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定することにより、インフレータ性能としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出する算出工程と、
を有するインフレータ性能導出方法。
【請求項５】
コンピュータを、請求項１〜３の何れか１項に記載のインフレータ性能導出装置の各手段として機能させるための車両用空調制御プログラム。
【請求項１】
比熱が異なる気体が充填された複数のタンクの各々に同一のインフレータを取り付けて、前記インフレータから気体を噴射させたときの前記複数のタンクの各々の内圧の時間特性を測定した測定結果を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得した各タンクの内圧の時間特性に基づいて、タンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係から各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにインフレータの噴射流量を同定すると共に、タンクの内部エネルギの時系列の収支が前記タンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定することにより、インフレータ性能としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出する算出手段と、
を備えたインフレータ性能導出装置。
【請求項２】
前記算出手段は、数１のエネルギ収支式および数２の状態方程式の支配方程式を用いて、インフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を同定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインフレータ性能導出装置。
【数１】
【数２】
【請求項３】
前記算出手段は、比熱を多項式で近似することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインフレータ性能導出装置。
【請求項４】
比熱が異なる気体が充填された複数のタンクの各々に同一のインフレータを取り付けて、前記インフレータから気体を噴射させたときの前記複数のタンクの各々の内圧の時間特性を測定した測定結果を取得する取得工程と、
前記取得手段により取得した各タンクの内圧の時間特性に基づいて、タンクの内圧とインフレータの噴射流量とタンク内の温度との関係から各タンクの内部エネルギの変化量が一致するようにインフレータの噴射流量を同定すると共に、タンクの内部エネルギの時系列の収支が前記タンクの内圧の時間特性に対応するようにインフレータの噴射温度の時間特性を同定することにより、インフレータ性能としてインフレータの噴射流量及び噴射温度の時間特性を算出する算出工程と、
を有するインフレータ性能導出方法。
【請求項５】
コンピュータを、請求項１〜３の何れか１項に記載のインフレータ性能導出装置の各手段として機能させるための車両用空調制御プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１９８５０（Ｐ２０１３−１９８５０Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５５１６６（Ｐ２０１１−１５５１６６）
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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