JP2004239129A - エンジン性能の予測解析方法、予測解析システム及びその制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの吸排気の流れを模擬する第１の模擬演算と、燃焼室における燃焼等を模擬するための第２の模擬演算とを適切に且つ容易に組み合わせ得るようにして、両者をダイナミックに解くことにより、エンジンシミュレーションの精度を向上しながら、その遅延を招かないようにして、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上する。
【解決手段】４サイクルエンジンのシミュレーションにおいて、吸排気の流れをＣＦＤにより模擬する一方、化学反応ＳＩＭにより燃焼等を模擬する。気筒の吸気行程から圧縮行程への移行を模擬するときにはＣＦＤを吸気弁の閉時期ＩＶＣまで行って、燃焼室に充填される吸気の状態（ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）を正確に求める。その吸気の状態に基づいて、圧縮行程下死点ＢＤＣで燃焼室に充填されていると仮定したときの前記吸気の状態を推定し、この推定結果に対応するガス成分のデータを化学反応ＤＢ１２から読み込んで、圧縮行程下死点ＢＤＣから膨張行程下死点まで化学反応ＳＩＭを行うようにする。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくともＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ：数値計算流体力学）の適用によりエンジンの作動ガスの状態を模擬して、該エンジンの性能を予測するための予測解析方法、予測解析システム及びその制御プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エンジンやトランスミッション等の性能を評価するために例えば特許文献１に開示されるような種々の計測・試験方法が提案されている。また、特許文献２には、エンジンの開発完了を待たずにパワートレインの性能を評価することのできるシミュレーションシステムが開示されている。
【０００３】
そのようなシミュレーションの技術として、作動ガスである吸気や排気の運動をＣＦＤの適用により解析し、この解析結果に基づいてエンジンの性能を予測することが一般的に行われている。すなわち、例えば吸気ポートから燃焼室へ吸い込まれる吸気の複雑な流れをコンピュータを用いた数値計算によって模擬する仮想の実験（シミュレーション）を行い、この仮想実験の結果に基づいて例えば吸気ポートの形状を決定することにより、試作や実験の繰り返しに費やされる開発工数を削減して、効率の良い設計・開発を行うことができる。
【０００４】
また、気筒内の燃焼室における混合気の燃焼については、その混合気に含まれる多くのガス成分の反応をそれぞれ化学反応式によって記述するようにしたシミュレーションプログラムが存在する。これは、燃焼室の作動ガスを主に燃料として供給される炭化水素や空気中の窒素、酸素等により模擬するとともに、圧縮及び膨張行程における燃焼室の容積変化を容器モデルにより模擬して、その容器中での前記ガス成分や中間生成物の反応を逐次、記述することによって、燃焼の状態を模擬するものである。
【０００５】
【特許文献１】
特表２００２−５２６７６２号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４８１４７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンの吸排気の流れを模擬するＣＦＤ演算と、燃焼状態を模擬する化学反応シミュレーションとを適切にリンクしてダイナミックに解くことは容易ではない。例えば４サイクルエンジンの吸気行程から圧縮行程への移行時には、まず、ＣＦＤ演算の結果から燃焼室に充填される吸気の状態を求めて、その吸気の状態に対応するガス成分を用いて化学反応シミュレーションを行うものであるが、図１１に模式的に示すように、通常は吸気弁の閉じる時期ＩＶＣは圧縮行程下死点ＢＤＣよりも遅角側に設定されており、燃焼室からの吸気の吹き返し等を考慮すればＣＦＤ演算は吸気弁が閉じるまで継続して行う必要がある。そして、その後、図に破線の矢印で示すように、演算結果のデータを化学反応シミュレーションプログラムに提供することになる。
【０００７】
ところが、近年では吸気弁の開閉時期を運転状態等に応じて変更することのできる可変動弁機構（以下、ＶＶＴという）を備えたエンジンが普及しつつあり、このようなＶＶＴ付きのエンジンの場合は運転途中で吸気弁の開閉時期が変化することになるから、前記のように吸気弁が閉じるまでＣＦＤ演算を行って、その演算結果のデータを化学反応シミュレーションに提供しようとすると、エンジン運転条件の変化に伴い吸気弁の閉時期が変更されることによって、化学反応シミュレーションを開始するタイミングが変化することになる。このことは、ＣＦＤから化学反応シミュレーションへと続く一連のプログラムの実行中に、その化学反応シミュレーションにおいて使用する容器モデルの設定を変更しなくてはならないということであり、このようなモデルの変更は非常に煩雑であって、シミュレーションの遅延を招くことになる。
【０００８】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンの性能を予測するためのシミュレーションにおいて、作動ガスの流れを模擬する第１の模擬演算と燃焼等を模擬する第２の模擬演算とを適切に且つ容易に組み合わせて、ダイナミックに解けるようにすることで、シミュレーションの精度を向上しながら、その遅延を招かないようにして、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明では、燃焼室における燃焼等を模擬する第２の模擬演算は必ず圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで行うようにした上で、第１の模擬演算の結果から圧縮行程下死点における作動ガスの状態を推定して、この推定データを用いて前記第２の模擬演算を行うようにした。
【００１０】
具体的に、請求項１の発明は、エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る作動ガスの状態をＣＦＤの適用により解析して、該エンジンの性能を予測する予測解析方法を対象とする。このものにおいて、エンジンの作動ガスの流れを模擬する第１の模擬演算を行い、これにより圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求め、その吸気弁の閉時期における作動ガスの状態に基づいて、この作動ガスが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定する。そして、少なくとも前記推定した圧縮行程下死点における作動ガスの状態に基づいて、そこから膨張行程下死点までの作動ガスの状態を模擬する第２の模擬演算を行うようにする。
【００１１】
前記の方法により、エンジンの運転をシミュレーションするときには、まず、そのエンジンの吸排気の流れを模擬する第１の模擬演算を行い、この演算の結果として、圧縮行程初期に吸気弁が閉じた後に確に燃焼室に充填されている吸気の状態を正確に求めることができる。そして、これに基づいて推定した圧縮行程下死点における燃焼室の作動ガスの状態に基づいて、圧縮及び膨張行程における例えば燃焼等の状態を模擬する第２の模擬演算を正確に行うことができる。その際、前記第２の模擬演算は必ず圧縮行程下死点から行うようにすることで、燃焼室の容器モデルの設定を変更する必要がなく、従って、前記第１及び第２の模擬演算同士を組み合わせてダイナミックに解くことが容易に行える。このことで、シミュレーションの精度を向上しながら、その遅延を招くことがなく、設計・開発の支援ツールとしての実用性が向上する。
【００１２】
また、請求項２の発明では、特に直噴エンジンのシミュレーションを対象とし、前記請求項１の発明と同様に、第１の模擬演算によって圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求めて、これに基づいて圧縮行程下死点の燃焼室における作動ガスの状態を推定し、その推定した作動ガスの状態と燃焼室への燃料供給量とに基づいて、燃焼室の作動ガスの状態を圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで模擬する第２の模擬演算を行うようにする。そして、前記第２の模擬演算の途中で圧縮行程における前記燃料供給量が変更されたときには、その演算を一旦、終了し、変更後の燃料供給量に基づいて第２の模擬演算を最初からやり直すことを特徴とする。
【００１３】
すなわち、燃焼室に燃料を直接、噴射するようにした直噴エンジンの場合は、シミュレーションによって定常運転状態のみを模擬するのであれば、燃焼室に供給される燃料の量を運転条件毎に設定し、この燃料供給量のデータと第１の模擬演算の結果とに基づいて第２の模擬演算を行うことができる。しかし、エンジンの運転状態が比較的急に変化する過渡運転状態では、前記第２の模擬演算を開始した後の圧縮行程で燃料供給量が変化することがあり、このことが第２の模擬演算に反映されないという問題がある。
【００１４】
これに対し、前記請求項２の発明では、まず、請求項１の発明と同様の作用効果が得られるとともに、特に直噴エンジンのシミュレーションの場合には、前記第２の模擬演算の途中で燃料供給量が変更されても、その演算を一旦、終了し、変更後の燃料供給量に基づいてもう一度、最初からやり直すようにしているので、前記第２の模擬演算において圧縮行程で燃焼室に直接、供給される燃料供給量の変化を正確に反映することができる。これにより、直噴エンジンの過渡運転状態も適切に模擬することができる。
【００１５】
次に、本願の請求項３の発明は、エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る作動ガスの状態をＣＦＤの適用により解析して、該エンジンの性能を予測するためのコンピュータシステムを対象とする。そして、エンジンの作動ガスの流れを模擬する演算を行う第１の演算手段と、前記エンジンの燃焼室における作動ガスの状態を圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで模擬する演算を行う第２の演算手段と、前記第１の演算手段による模擬演算の結果から、圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求めて、この作動ガスが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定する推定手段と、少なくとも該推定手段により推定された作動ガスの状態のデータに基づいて、前記第２の演算手段に対して初期条件となるデータを提供する第１のデータ提供手段と、を備えるものとする。
【００１６】
前記のシステムによれば、エンジンの運転シミュレーションの際に、当該エンジンの作動ガスの流れが第１の演算手段によって模擬され、この模擬演算の結果として求められる吸気弁閉時期後の作動ガスの状態から、圧縮行程下死点において燃焼室に充填されていると仮定した作動ガスの状態が推定手段により推定される。そして、少なくとも前記推定された作動ガスの状態のデータが第１のデータ提供手段によって第２の演算手段に提供され、その第２の演算手段によって燃焼室における例えば燃焼の状態が圧縮行程下死点から膨張行程下死点までに亘って模擬される。つまり、前記請求項１の発明に係る予測解析方法が実行されて、その作用効果が得られる。
【００１７】
ここで、前記システムにおける第１の演算手段は、吸排気の流れを１次元流及び３次元流の少なくとも一方とみなしてＣＦＤ演算を行うものとすればよく、また、第２の演算手段は、圧縮及び膨張行程において燃焼室の作動ガスは運動しないとみなし、且つ吸気弁は圧縮行程下死点で閉じていると仮定して、作動ガスの状態を化学反応式の演算により模擬するものとすればよい（請求項４の発明）。
【００１８】
すなわち、第１の模擬演算としてＣＦＤを適用することで、気筒内に充填される吸気の圧力や温度等を正確に求めることが可能になり、これにより、圧縮及び膨張行程における燃焼等の状態を化学反応式により正確に模擬することができる。また、前記ＣＦＤ演算においては特に精度を高めたい部位について３次元の演算を行い、それ以外は１次元の演算を行うことで、演算量を大幅に減少させることができる。
【００１９】
また、前記システムにおける推定手段は、少なくとも、吸気弁閉時期における作動ガスの圧力状態と、この吸気弁閉時期及び圧縮行程下死点の燃焼室の容積比とに基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの圧力状態を推定するものとするのが好ましく（請求項５の発明）、或いは、吸気弁閉時期における作動ガスの圧力及び温度状態と、この吸気弁閉時期及び圧縮行程下死点の燃焼室の容積比と、圧縮行程下死点から吸気弁閉時期までの間に作動ガスから燃焼室壁に伝達される熱量の推定値とに基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの圧力及び温度状態を推定するものとすれば、さらに好ましい（請求項６の発明）。
【００２０】
また、前記のシステムには、前記第２の演算手段により演算された膨張行程後期の作動ガスの状態に基づいて、その膨張行程後期に排気弁が開いた後に燃焼室から排出される作動ガスの流れの初期状態を求め、この流れの初期状態のデータを第１の演算手段に対して提供する第２のデータ提供手段を備えるようにしてもよい（請求項７の発明）。
【００２１】
すなわち、燃焼室における燃焼の状態等を模擬する第２の模擬演算の結果として、膨張行程後期における燃焼室の圧力、温度、或いは既燃ガスの成分等が求められ、これに基づいて、排気弁が開いたときの燃焼室の既燃ガスの状態、即ち排気流の初期状態が正確に求められるので、その初期状態のデータを第２のデータ手段により第１の演算手段に提供することで、該第１の演算手段により排気の流れに関する正確な模擬演算を行うことができる。
【００２２】
さらに、前記エンジン性能の予測解析システムにおいて、前記第１の演算手段を、吸気弁の閉じる時期がエンジンの運転条件に応じて変更されることを加味して、燃焼室への作動ガスの流れを模擬する演算を行うものとするのが好ましい（請求項８の発明）。こうすれば、ＶＶＴを備えたエンジンのシミュレーションも正確に行える。
【００２３】
さらにまた、特に直噴エンジンのシミュレーションを対象とする場合には、前記請求項３の発明に係るコンピュータシステム（エンジン性能の予測解析システム）と同じ第１及び第２の演算手段と、推定手段とを備えるとともに、少なくとも前記推定手段により推定された作動ガスの状態のデータと燃焼室への燃料供給量のデータとに基づいて前記第２の演算手段に対し演算の初期条件となるデータを提供するデータ提供手段と、前記第２の演算手段による模擬演算の途中で圧縮行程における前記燃料供給量に変化があったときには、その演算を強制的に終了させるとともに、前記推定手段により新たに作動ガスの状態を推定させて、この推定結果に基づいて前記第２の演算手段により最初から再度、模擬演算を実行させる再演算実行手段と、を備えることが好ましい（請求項９の発明）。
【００２４】
斯かる構成のコンピュータシステムによれば、前記請求項２の発明に係る予測解析方法を実行して、その作用効果を得ることができる。
【００２５】
次に、本願の請求項１０の発明は、エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る作動ガスの状態をＣＦＤの適用により解析して、該エンジンの性能を予測するためのコンピュータシステムの制御プログラムを対象とする。そして、このプログラムは、エンジンの作動ガスの流れを模擬する演算を行う第１の演算ステップと、前記エンジンの燃焼室における作動ガスの状態を圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで模擬する演算を行う第２の演算ステップと、前記第１の演算ステップにおける模擬演算の結果から、圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求めて、この作動ガスが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定する推定ステップと、少なくとも前記推定ステップにおいて推定された作動ガスの状態のデータに基づいて、前記第２の演算ステップにおける演算の初期条件となるデータを提供する第１のデータ提供ステップと、を備えるものとする。
【００２６】
前記のプログラムによってコンピュータシステムを制御することにより、このコンピュータシステムが前記請求項３の発明に係るエンジン性能の予測解析システムとなり、これにより、その請求項３の発明と同じ作用効果が得られる。
【００２７】
前記制御プログラムにおける第１の演算ステップでは、吸排気の流れを１次元流及び３次元流の少なくとも一方とみなしてＣＦＤ演算を行うようにすればよく、また、第２の演算ステップでは、圧縮及び膨張行程における燃焼室の作動ガスを運動しないとみなし、且つ吸気弁は圧縮行程下死点で閉じていると仮定して、作動ガスの状態を化学反応式の演算により模擬するようにすればよい（請求項１１の発明）。こうすれば、請求項４の発明と同じ作用効果が得られる。
【００２８】
また、前記制御プログラムにおける推定ステップでは、少なくとも、吸気弁閉時期における作動ガスの圧力状態と、この吸気弁閉時期及び圧縮行程下死点の燃焼室の容積比とに基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの圧力状態を推定するようにすればよく（請求項１２の発明）、或いは、吸気弁閉時期における作動ガスの圧力及び温度状態と、この吸気弁閉時期及び圧縮行程下死点の燃焼室の容積比と、圧縮行程下死点から吸気弁閉時期までの間に作動ガスから燃焼室壁に伝達される熱量の推定値とに基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの圧力及び温度状態を推定するようにしてもよい（請求項１３の発明）。
【００２９】
また、前記制御プログラムには、第２の演算ステップにおいて演算された膨張行程後期の作動ガスの状態に基づいて、その膨張行程後期に排気弁が開いた後に燃焼室から排出される作動ガスの流れの初期状態を求め、この流れの初期状態のデータを第１の演算ステップにおける演算の初期条件として提供する第２のデータ提供ステップをさらに備えることが好ましい（請求項１４の発明）。こうすれば、請求項７の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３０】
また、前記制御プログラムにおける第１の演算ステップでは、吸気弁の閉じる時期がエンジンの運転条件に応じて変更されることを加味して、燃焼室への作動ガスの流れを模擬する演算を行うことが好ましい（請求項１５の発明）。こうすれば、請求項８の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３１】
さらにまた、特に直噴エンジンのシミュレーションを対象とする場合には、前記請求項１０の発明に係る制御プログラムと同じ第１及び第２の演算ステップと、推定ステップとを備えるとともに、さらに、少なくとも前記推定ステップにおいて推定された作動ガスの状態と燃焼室への燃料供給量とに基づいて、前記第２の演算ステップにおける演算の初期条件となるデータを提供するデータ提供ステップと、第２の演算ステップにおける模擬演算の途中で圧縮行程における前記燃料供給量に変化のあったときには、その模擬演算を強制的に終了させて、前記推定ステップの作動ガス状態の推定と、この推定結果に基づく前記第２の演算ステップの模擬演算とを最初から実行させる再演算実行ステップとを備えることが好ましい（請求項１６の発明）。
【００３２】
前記各ステップを備えた制御プログラムによりコンピュータシステムを制御することによって、このコンピュータシステムが前記請求項９の発明に係るエンジン性能の予測解析システムとなり、これにより、その請求項９の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００３４】
（システムの全体構成）
図１は、本発明の実施形態に係るエンジン性能の予測解析システムＡの全体構成を示す概念図である。このシステムは、エンジンの作動ガスである吸気や排気等の流れを１次元又は３次元のＣＦＤ演算により模擬するとともに（第１の模擬演算）、気筒内の燃焼を化学反応式により記述する演算（第２の模擬演算）を行い、それらを組み合わせることによって、エンジンの運転を模擬するシミュレーションを行うようにしたものである。このシステムの特長は、１次元及び３次元のＣＦＤ演算同士でのデータの受け渡しと、ＣＦＤ演算及び化学反応シミュレーション（化学反応ＳＩＭ）の間のデータの受け渡しとをいずれも自動化して、例えばスロットル弁から触媒コンバータに至る吸排気の流れをダイナミックに解析することによって、極めて精度の高いシミュレーションを容易に行えるようにしたことにある。
【００３５】
図示の符号１，１，…は、主にＣＦＤ及び化学反応シミュレーションの演算を実行するコンピュータ装置であり、この実施形態では、特に３次元ＣＦＤの膨大な演算量に対応すべく高速のサーバコンピュータを複数台、並列に接続して使用している（以下、演算サーバという）。これら各演算サーバ１は、例えばハードディスクドライブ等の記憶装置を内蔵するとともに、それぞれディスプレイ等の画像表示装置１０が接続され、さらに、図示しないが、プリンタ等の出力装置やオペレータによる入力操作を受け付けるキーボード、マウス等の入力デバイスが接続されている。前記記憶装置には、少なくとも、吸排気の流れを模擬するための１次元及び３次元の各ＣＦＤ演算プログラムと、そのための物理モデルを構築する専用のプリプロセッサと、燃焼状態を模擬する化学反応シミュレーションプログラムと、それら各プログラムによるシミュレーションの結果を画像表示するための画像処理プログラムとが記憶されている。
【００３６】
前記演算サーバ１，１，…は、その動作中に必要に応じて一般的な手法により部品データベースＤＢ１１にアクセスすることができる。この部品ＤＢ１１には、１次元及び３次元のＣＦＤ演算に用いられるエンジンの物理モデルの雛形がエンジンの各部位毎に種別された状態で予め格納されており、さらに、前記プリプロセッサにより新たに構築されたモデルも格納されるようになっている。前記物理モデルの雛形というのは、例えば吸気系のサージタンク、独立吸気通路、吸気ポート等や排気系の排気ポート、排気マニホルド、ＥＧＲ通路等のように吸気や排気が流通する部位の基本的な形状を模擬し且つその寸法、形状や材質、表面の状態、熱伝導率等の物理特性値が変更可能な部品モデルであって、以下、この実施形態ではテンプレート部品と呼ぶものとする。
【００３７】
そのように寸法、形状や物理特性値を変更可能なテンプレート部品のデータベースＤＢ１１を備えることで、この部品ＤＢ１１から読み込んだテンプレート部品に寸法等を入力して組み合わせるだけで、極めて容易にＣＦＤ演算のためのエンジンの物理モデルを構築することができる。また、そのようにして一旦、構築したモデルを新たに部品ＤＢ１１に格納しておけば、必要に応じてそのモデルの修正も容易に行うことができ、エンジンの設計変更にも容易に対応することができる。
【００３８】
また、前記演算サーバ１，１，…は、その動作中に必要に応じて一般的な手法により化学反応データベースＤＢ１２にアクセスすることができる。この化学反応ＤＢ１２は、エンジンの気筒内燃焼室に充填されて燃焼に寄与する吸気中の種々のガス成分（化学種）のうちから代表的なものを、気筒内の状態を表す種々の物理量の組に対応付けて予めグループ化した状態で格納したものである。従って、詳しくは後述するが、ＣＦＤ演算の結果として得られる気筒内の状態に応じて、これに対応するガス成分のグループを前記化学反応ＤＢ１２から読み込み、それらガス成分の化学反応をそれぞれ記述することによって、燃焼状態を模擬することができる。
【００３９】
図示の符号２は、主にエンジンの諸元値、物理特性及び性能特性を互いに関連づけた実験データのデータベースＤＢ１３（実験ＤＢ）に接続されて、そのデータの管理を行うコンピュータ装置である（以下、実験ＤＢサーバという）。すなわち、エンジンやトランスミッションに関する過去の実験・開発の過程で蓄積されたデータは、周知の統計的解析手法により整理されて、エンジンの例えば圧縮比や吸気管長さ等の諸元値、その物理特性（例えば体積効率、燃焼特性、損失係数等）及びその性能特性（例えば出力、燃費、エミッション等）を互いに関連づけた実験式として、実験ＤＢ１３に格納される。そして、この実験式に基づいて、例えばエンジンの諸元値や物理特性からその性能特性を予測することができるようになっている。
【００４０】
また、図示の符号３は、エンジンの設計を支援するための３次元ＣＡＤのコンピュータ装置である（以下、設計ＣＡＤサーバという）。この設計ＣＡＤサーバ３は、機械設計や構造解析のための汎用のＣＡＤプログラムを実行するとともに、その動作中に必要に応じて一般的な手法により設計データベースＤＢ１４（設計ＤＢ）にアクセスして、エンジンの設計ＣＡＤデータを呼び出したり、それらを変更して新たに格納したりすることができるようになっている。すなわち、設計ＤＢ１４には種々のエンジンの３次元の設計ＣＡＤデータが、その吸気系、気筒、排気系等の各部位毎に個別に取り出して利用できる状態で格納されている。
【００４１】
図示の符号５，５，…は、それぞれパーソナルコンピュータからなる端末（ＰＣ端末）であり、これらはパワートレインの設計部門、開発部門、実験部門等に複数台ずつ配置されていて、光通信ケーブル等を用いたネットワーク６によって前記演算サーバ１，１，…、実験ＤＢサーバ２、設計ＣＡＤサーバ３に双方向通信可能に接続されている。そして、各ＰＣ端末５におけるオペレータの操作に従ってシステムの制御プログラムが実行されると、該各ＰＣ端末５は前記ネットワーク６を介して演算サーバ１，１，…等に接続されて（ログイン）いわゆるサーバ・クライアント環境を構成し、主に演算サーバ１，１，…との間でコマンドやファイルの授受を行いながら、エンジンの運転シミュレーションを実行するようになっている。
【００４２】
尚、前記実験ＤＢサーバ２、設計ＣＡＤサーバ３及びＰＣ端末５にもそれぞれ演算サーバ１と同様にハードディスクドライブ等の記憶装置が内蔵され、また、ディスプレイ１０や出力装置、入力デバイス等が接続されている。
【００４３】
（ＣＦＤ演算）
次に、前記１次元及び３次元のＣＦＤ演算について４サイクル４気筒ガソリンエンジンの運転シミュレーションを具体例として説明する。この実施形態では、ＣＦＤ演算に要する時間をできるだけ短縮するために、基本的には１次元のＣＦＤを基本として必要な部分と行程のみを３次元のＣＦＤで置き換えるようにしている。すなわち、例えば図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、エンジンの吸気通路上流のスロットル弁（図示せず）から第１〜第４気筒ｃ１〜ｃ４の燃焼室を経て触媒コンバータ（図示せず）に至る１次元ＣＦＤ用の物理モデルＭｂを基本として、該各気筒ｃ１，ｃ２，…毎に、それぞれが吸気行程にあるときに当該気筒ｃ１，ｃ２，…に対応するサージタンクの一部分ｓ１〜ｓ４のみを３次元のモデルで置換するようにする。
【００４４】
より具体的に、図示の１次元のモデルＭｂでは、基本的には、サージタンクから各気筒までの独立の吸気通路と、スロットル弁からサージタンクまでの各気筒に共通の吸気通路とをそれぞれ管路（図に矢印で示す）の集合体として表し、同様に、各気筒から排気マニホルドの集合部までの独立の排気通路と、その排気集合部から触媒コンバータ入口までの共通の排気通路とをそれぞれ管路の集合体として表す。さらに、前記排気集合部からサージタンクの上流に排気の一部を還流させるＥＧＲ通路やサージタンク自体もそれぞれ管路の集合体として表す。また、第１〜第４気筒ｃ１〜ｃ４はそれぞれ容量可変の容器として表す。
【００４５】
このような１次元のモデルＭｂにおいて、管路を流れる吸気や排気の流れはいずれも圧縮性流体の１次元流であるとみなして、その流れの状態を表す圧力ｐ、密度ρ、速度ｕ及び温度Ｔの各変数について周知の質量保存、運動量保存及びエネルギ保存の式を数値計算により解くことによって、時間的及び空間的に変化する流れの状態を記述することができる。尚、各保存式においては管路の曲がり具合や壁面における摩擦、熱損失等の影響も考慮する。一方、容器についてはその内部の状態は一様で、管路から流入した流体は瞬時に均一に分布すると仮定し、さらに、管路同士や管路と容器との接合部分では適当な境界条件の下で前記保存式を解くようにする。
【００４６】
また、例えば独立吸気通路と気筒との接合部分については、吸気弁や排気弁の開閉による断面積の変化を絞りによって模擬するようにするが、その際、シミュレーションするエンジンがＶＶＴを装備したものであれば、これにより例えば吸気弁の開閉時期がエンジンの運転状態に応じて変更されることを模擬するよう、吸気弁や排気弁の開閉時期をエンジンの運転条件に応じて変更し、このことによる影響を加味して、燃焼室への作動ガスの流れを模擬するようにする。こうすることで、ＶＶＴ付のエンジンのシミュレーションを正確に行うことができる。
【００４７】
そして、例えば第１気筒ｃ１が吸気行程にあるときには、同図（ａ）に示すように、当該第１気筒ｃ１に対応するサージタンクから独立吸気通路の入口までの部位を３次元のモデルｓ１に置き換えて、その部分の吸気の流れは３次元流として模擬するようにする。すなわち、サージタンクの一部ｓ１とそこから第１気筒ｃ１に向かう独立吸気通路の入口部分との内壁の形状を３次元のモデルで表し、その壁面に沿うようにして流れる吸気の流れについては３次元流として前記各保存式を解くのである。
【００４８】
ここで、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）が行われる場合には、吸気にはエンジンに外部から供給される新しい空気（新気）と排気系から還流される排気（ＥＧＲガス）とが含まれており、特にＥＧＲガスには水蒸気や炭酸ガスの他に未燃状態でそれぞれ分子量の異なる種々の炭化水素分子も含まれているから、厳密にはそのようなガスの種類毎に個別に流れの演算を行うことが好ましいとも考えられる。しかし、吸気が輸送される途中でガス成分が変化するわけではないので、この実施形態では、吸気は、新気とＥＧＲガスの２つに分けてそれぞれ流れの変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔを計算し、その計算結果のデータを他のプログラムに受け渡すときには、２つのガス成分の計算結果を合算することで、吸気全体としての流れの変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔを求めるようにしている。
【００４９】
例えば、吸気の流れが１次元流から３次元流に変わる場合、１次元流においては前記の如く合算して求めた吸気の変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔはその吸気流の横断面において一様であるから、これをそのまま３次元ＣＦＤ演算の初期条件或いは境界条件として与えればよい。一方、吸気の流れが３次元流から１次元流に変わるときには、前記の如く新気及びＥＧＲガスについて合算して求めた３次元の吸気流の変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔをその流れの横断面全体について平均化してから、１次元ＣＦＤ演算の初期条件或いは境界条件として与えればよい。換言すれば、そのように変数を変換しても十分に正確なシミュレーションが行えるように、流れの変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔがその横断面全体についてある程度一様な状態でＣＦＤ演算の次元を切換えるようにすればよい。
【００５０】
そのように、エンジンの吸気系から排気系に亘る部位のうちの特定の部位のみについて３次元のモデルを用いるとともに、吸気、圧縮、膨張及び排気の各行程のうちから予め選択した行程のみについて３次元のＣＦＤ演算を行い、それ以外は０次元又は１次元とみなすようにしたことで、この実施形態では、シミュレーションの精度を十分に確保しながら、そのための演算量は大幅に減少させて、解析に要する時間を短縮することができる。具体的には、図３に一例を示すようにサージタンク全体を３次元で表したモデルを用いて、各気筒の吸気、圧縮、膨張及び排気の全行程に亘って１次元及び３次元のＣＦＤ演算を行う従来までのシステムと比較すると、この実施形態のシステムでは演算量は略４分の１にすることができる。
【００５１】
また、多数のガス成分を含む吸気の流れをその全てのガス成分毎にＣＦＤ演算するのではなく、これを新気及びＥＧＲガスの２つの成分毎に演算するようにしているので、換言すれば、作動ガスを後述する化学反応シミュレーションと比較してかなり少ないガス成分により模擬するようにしているので、この点でも演算量を大幅に減少させて、解析の時間を短縮することができる。尚、ＣＦＤ演算により求めるのは作動ガスである吸気の流れの状態であり、これは新気とＥＧＲガスとに分けてそれぞれ演算するようにすれば、十分に高い精度が得られる。また、仮にエンジンの運転条件の変化に伴い新気及びＥＧＲガスの割合が変化しても、これに対して作動ガスそのものを変更する必要がない。
【００５２】
（化学反応シミュレーション）
上述の如く、各気筒のの吸気及び排気行程における吸排気の流れをそれぞれＣＦＤ演算によって模擬するとともに、この実施形態では、圧縮及び膨張行程にある気筒についてはその内部の混合気や燃焼ガス等の運動を無視して、燃焼状態を模擬する化学反応シミュレーションを行うようにしている。具体的には、まず、上述の如き１次元又は３次元のＣＦＤ演算によって、気筒の吸気行程で当該気筒内の燃焼室に充填される吸気（新気及びＥＧＲガス）の状態、即ち新気及びＥＧＲガスのそれぞれの圧力ｐ，密度ρ，速度ｕ及び温度Ｔを合算したものを求める。その際、図４に模式的に示すように、通常、吸気弁の閉時期ＩＶＣは圧縮行程下死点ＢＤＣよりも遅角側に設定されているから、燃焼室からの吸気の吹き返し等を考慮して、ＣＦＤ演算は吸気弁が閉じるまでの間、継続して行うようにする。
【００５３】
そのようにして、気筒の圧縮行程初期に吸気弁が閉じた時点ＩＶＣで燃焼室に充填されている吸気の状態ｐ，ρ，ｕ，ＴとそのうちのＥＧＲガスの割合とが求められれば、これに基づいて、図に白抜きの矢印にて示すように、作動ガスが圧縮行程下死点ＢＤＣの燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定する（データ推定）。すなわち、圧縮行程下死点ＢＤＣから吸気弁閉時期ＩＶＣまでの間の燃焼室容積の減少と燃焼室壁に伝達される熱量とを考慮して、吸気弁閉時期ＩＶＣにおける作動ガスの圧力ｐ及び温度Ｔと、吸気弁閉時期ＩＶＣ及び圧縮行程下死点ＢＤＣの燃焼室の容積比と、圧縮行程下死点ＢＤＣから吸気弁閉時期ＩＶＣまでの間に作動ガスから燃焼室壁に伝達される熱量の推定値とに基づいて、圧縮行程下死点ＢＤＣにおける作動ガスの圧力ｐ及び温度Ｔ等を推定する。尚、圧縮行程下死点から吸気弁閉時期までの間では吸気（空気及びＥＧＲガス）の密度ρは略一定とみなし、また、吸気流速ｕからは気筒内流動の強さを求めるようにしてもよい。
【００５４】
また、前記燃焼室壁への熱の伝達量や燃焼室における混合気の空燃比（又は該燃焼室への燃料の供給量）、さらには燃焼室に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量、気筒壁温等々、燃焼に関与すると考えられる種々の物理量について、シミュレーションにおけるエンジンの運転条件（例えばエンジン負荷と回転速度等）に基づいて求めるようにする。すなわち、この実施形態では、前記熱の伝達量、空燃比、内部ＥＧＲガス量、気筒壁温等の物理量の値をエンジンの運転条件に対応付けて予め設定したマップを備え、シミュレーション中のエンジンの運転条件に基づいて前記マップから複数の物理量の値を読み込むようにしている。
【００５５】
そして、前記したようにＣＦＤ演算の結果とエンジン運転条件とに基づいて、圧縮行程下死点ＢＤＣにおける燃焼室の状態を表す複数の物理量の値が求められれば、図５にも示すように、その物理量の組に対応するガス成分のグループを化学反応ＤＢ１２から読み込むことにより、燃焼状態を模擬するための作動ガスの成分を特定する。そして、そのようにして特定したガス成分を用いて、気筒の圧縮行程下死点から膨張行程下死点までに亘って、それらガス成分同士の化学反応を逐次、記述することで、燃焼状態等を模擬する化学反応シミュレーションを行う。つまり、ＣＦＤによるシミュレーションの結果を適切に反映させた正確な化学反応シミュレーションを行うことができる。
【００５６】
ここで、前記化学反応ＤＢ１２におけるガス成分グループのデータは、前記図５に一例を示すように、主に燃料として供給される種々の炭化水素と、空気中の窒素や酸素と、主にＥＧＲガスに含まれる炭化水素、炭酸ガス、窒素酸化物、水蒸気等とのうちから、前記気筒の状態を表す物理量の組に対応する代表的なものを抽出して、その反応式とともに記憶したものである。すなわち、一般に、エンジンの燃焼に関連する化学種及びその素反応を全て挙げれば、これは約３０００種類以上にも上るものであり（図６参照）、仮にその全てを演算しようとすれば演算量が著しく多くなってしまい、シミュレーションの時間を徒に長引かせることになる。また、それら全てのデータを燃焼室の状態等に応じてグループ化して格納しようとすれば、化学反応ＤＢ１２は大きくなり過ぎて、例えば検索時間が長くなる等、種々の不都合を生じる。
【００５７】
この点について、全ての化学素反応を挙げるのではなく、燃焼の状態を模擬する上で特に重要なもの、即ち燃焼を模擬する代表的なもののみに絞り込めば、それはせいぜい数十から数百程度で済むので、この実施形態では、エンジンの運転条件によって変化する代表的な化学素反応のみを所定数（例えば１００）以下となるように抽出して、これに対応する代表的なガス成分のみを化学反応ＤＢ１２に格納するようにしている。これにより、化学反応シミュレーションに用いるガス成分の数が適切なものになり、所要の精度をを確保しながら演算量を大幅に減らすことができる。また、化学反応ＤＢ１２の大きさも適度のものとすることができる。
【００５８】
そうして、前記の如く抽出したグループのガス成分（化学種）に基づいて、まず、気筒の圧縮行程では、ピストンの上昇に伴い燃焼室の容積が減少して、その圧力ｐが上昇し、これに伴い温度Ｔが上昇することと、気筒壁面との熱交換によって熱を奪われることとを考慮して、そのような条件下における各ガス成分の反応を逐次、記述する。この圧縮行程での化学反応シミュレーションにより、当該気筒において火花点火が行われる前の前炎反応やプレイグニッションの発生等を再現することができる。
【００５９】
また、気筒の圧縮上死点近傍では火花点火による混合気の着火を模擬し、これによる化学反応（燃焼）の進行を、気筒の膨張行程における燃焼室容積の増大を加味しつつ膨張行程終了時点まで逐次、記述する。そして、その膨張行程での化学反応シミュレーションの結果として得られる気筒内の既燃ガスの組成、合計の発熱量や気筒壁面との間の熱交換、ピストンに加えられた仕事量、該ピストンの下降に伴う燃焼室容積の拡大等々に基づいて、当該気筒が膨張行程から排気行程に移行するときに燃焼室から排出される既燃ガス（排気）の流れの状態（変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）を求める。
【００６０】
すなわち、前記化学反応シミュレーションにより、気筒の膨張行程後期に排気弁が開いたときの燃焼室の圧力ｐ及び温度Ｔが直接的に求められるとともに、排気の密度ρが気筒内の既燃ガスの組成により求められる。また、圧縮及び膨張行程において気筒内の流動は零とみなしているので、排気流速ｕの初期値は零となる。そして、図７に模式的に示すように、前記の如く求めた排気弁開時点ＥＶＯにおける排気の初期状態ｐ，ρ，ｕ，Ｔのデータは、同図に破線の矢印で示すように上述したＣＦＤ演算プログラムに対して提供され、排気流の境界条件として与えられる。こうして、化学反応シミュレーション（化学反応ＳＩＭ）により求められる燃焼室からの排気の初期状態をＣＦＤ演算の初期条件として用いることで、化学反応シミュレーションの結果を適切に反映させた正確なＣＦＤ演算を行うことができる。
【００６１】
また、前記のように化学反応シミュレーションにより求めた気筒内の既燃ガスの組成は、化学反応ＤＢ１２の更新にも用いられる。すなわち、化学反応ＤＢ１２に格納されているガス成分グループのデータは、上述したように、気筒内の圧力ｐ、温度Ｔや吸気中のＥＧＲガスの割合等に対応付けて決定されているが、このデータの基になるＥＧＲガスの組成は、予め実験等によって求めたものである。この実施形態では、上述の如く化学反応シミュレーションの結果として求められる排気の組成に基づいて、所定の手法により前記データのガス成分を修正する。例えば、シミュレーションによって得られた排気をそのままＥＧＲガスとみなして、化学反応ＤＢ１２における対応する運転条件のガス成分グループのデータのいて、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物等の割合を適当な重み付けでもって修正するようにすればよい。このような修正を行うことにより、ガス成分のデータがＣＦＤ演算及び化学反応演算の結果に基づいて修正されることになるので、化学反応シミュレーションの精度がさらに向上する。
【００６２】
（シミュレーションの手順）
次に、この実施形態に係るエンジン性能の予測解析システムＡによるシミュレーションの手順を具体的に説明する。図８にメインプログラムの概略を示すように、まず、ＰＣ端末５，５，…のいずれかにおいて画面表示等に従ってオペレータが所定の入力操作を行うことにより、エンジンシミュレーションのための初期設定データが入力される（Ｓ１）。例えば、前記図２に示す４気筒エンジンについて説明すると、このエンジンの諸元値や吸排気系、燃焼室等の寸法・形状を表す幾何データ、それらの熱伝達率等の物理的特性を表す物理データ、或いはそれら詳細なデータに代えて、実験ＤＢ１３や設計ＤＢ１４に格納されているエンジンのデータを指定するコード等、さらにはシミュレーションするエンジンの運転条件等をＰＣ端末５に入力させる。
【００６３】
また、エンジンのどの部位について３次元のモデルを用いるか選択させ、さらに、その部位について気筒の吸気行程及び排気行程においてはそれぞれ１次元又は３次元の何れのＣＦＤ演算を行うか選択させる。すなわち、例えばエンジンの吸気系の設計開発を支援することが解析の目的であれば、オペレータは、図２に示すようにサージタンクに３次元のモデルを用いるとともに、その部位について各気筒毎に吸気行程で３次元のＣＦＤ演算を行うことを選択すればよい。こうすれば、サージタンクから独立吸気通路に向かう吸気の流れを３次元流として解析することによって、エンジンの負荷状態や回転速度の変化に拘わらず、体積効率等、エンジンの物理特性値を正確に求めることができ、これによりエンジン出力等の性能特性を正確に予測することができる。
【００６４】
続いて、ステップＳ２では、前記ステップＳ１において入力された初期設定データに従ってシミュレーションのためのモデルを構築し、これを一旦、保存する。すなわち、例えば図２に示すように、吸気系の一部から排気系の一部までに亘る１次元のＣＦＤモデルＭｂと、各気筒ｃ１〜ｃ４毎にサージタンクを分割した３次元のＣＦＤモデルｓ１〜ｓ４とを構築して、それぞれ演算サーバ１，１，…の内部記憶装置に格納する。また、化学反応シミュレーションに関してはクランク角度の変化に対する気筒内容積の変化や気筒壁温に応じた熱伝達率の変化等を規定する容器のモデルを構築する。この容器モデルは、その内部の混合気や燃焼ガスの運動がないものとみなす、という意味において０次元の物理モデルである。
【００６５】
より詳しくは、前記３次元ＣＦＤモデルを構築するときには、例えば、前記初期設定データに基づいて設計ＤＢ１４からサージタンクの形状を表す３次元の設計ＣＡＤデータをＰＣ端末５に読み込み、これに境界面やメッシュの情報を指定するデータを付属したモデル作成コマンドを作成して、演算サーバ１，１，…に送信する。このコマンドを受け取った演算サーバ１，１，…ではプリプロセッサを起動して、サージタンク各部の内壁面にその形状に応じて所定寸法のレイヤーメッシュを貼り付け、また、内部メッシュを切っていくことになる。
【００６６】
或いは、前記初期設定データに基づいて別のモデル作成コマンドをＰＣ端末５から演算サーバ１，１，…に送信すると、このコマンドを受け取った演算サーバ１，１，…では、部品ＤＢ１１からサージタンクの基本的な形状を表すテンプレート部品のデータを読み込んで、この部品の寸法、形状等を変更することにより、ＣＦＤ演算のためのメッシュを備えた３次元のモデルを構築する。尚、前記３次元のＣＦＤモデルにおいて設計ＣＡＤデータのメッシュをそのまま使うこともできるようになっている。
【００６７】
前記の如く構築したモデルを用いて、ステップＳ３では、エンジン運転中の吸排気の流れと燃焼室における燃焼の状態とを吸気、圧縮、膨張及び排気の各行程毎に所定の次元で模擬するシミュレーション演算を行う。この演算処理の詳細について一例を挙げれば、この実施形態ではＰＣ端末５と演算サーバ１，１，…との間でプログラムのデータファイルや実行ファイルを相互に送信及び受信しながら、該演算サーバ１，１，…により１次元及び３次元のＣＦＤ演算と化学反応シミュレーションとを同時並行的に実行させるようにしている。
【００６８】
例えばＣＦＤ演算の処理手順としては、まず、１次元ＣＦＤ演算のモデルＭｂを読み込み（ステップＳ３１）、シミュレーションの始期における初期条件、即ち吸排気の流れの変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔやエンジンの運転条件等を入力し（Ｓ３２）、これに基づいて１次元流れの保存式の数値計算を行う（Ｓ３３）。すなわち、シミュレーションの始期から微小クランク角だけ変化した時点における、スロットル弁下流から各気筒ｃ１〜ｃ４の燃焼室を経て排気通路に至る吸気及び排気の状態（ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）を、その流れに沿って計算する。
【００６９】
その際、図２（ａ）に示すように第１気筒ｃ１が吸気行程にあれば、当該気筒ｃ１に対応するサージタンクの一部分ｓ１においては、１次元流から３次元流への境界部分の流れの状態（ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）を求めたところで一旦、１次元の演算を中止し、その演算結果をデータファイルとしてＰＣ端末５に転送する。このファイルを受け取ったＰＣ端末５では１次元流のデータを３次元流のデータに変換して、３次元ＣＦＤプログラムの実行ファイルを作成した上で、演算サーバ１，１，…に返送する。その実行ファイルを受け取った演算サーバ１，１，…では３次元ＣＦＤプログラムを起動し、まず、第１気筒ｃ１に対応するサージタンクの３次元モデルｓ１を読み込み（Ｓ４１）、これに初期条件（前記境界条件）を入力して（Ｓ４２）、３次元の流れの保存式について数値計算を行い、計算の結果を保存する（Ｓ４３）。この演算結果のうち、サージタンクと下流側の独立吸気通路との境界部分における流れの変数ｐ，ρ，ｕ，ＴのデータはＰＣ端末５に転送され、今度は３次元のデータから１次元のデータに変換されて、演算サーバ１，１，…に返送される。
【００７０】
そうして、前記の返送されたデータに基づいて１次元ＣＦＤプログラムが再開され、独立吸気通路から第１気筒ｃ１の燃焼室、さらにその下流の排気通路へ至る吸排気の流れを計算して、その演算結果を保存する（Ｓ３３）。このようにして、シミュレーションの始期から微小クランク角変化した後の吸気及び排気の状態（ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）がエンジンのモデルＭｂ全体に亘って演算されて、この演算結果が保存される。
【００７１】
そして、詳しくは後述するが、所定のタイミングで前記ＣＦＤ演算の結果データの一部を化学反応シミュレーションの結果に基づいて書き換え（データの変換、提供及び書換：Ｓ３４）、その後、エンジンのクランク角を微小クランク角だけ進めて（インクリメント：Ｓ３５）、シミュレーションの終期として設定されたクランク角位置になったかどうか判定し（Ｓ３６）、シミュレーション終期に至るまでは前記ステップＳ３３にリターンして、前記した１次元及び３次元のＣＦＤ演算を繰り返し実行する。こうして、エンジンの吸排気の流れがクランク角の変化に対応付けて記憶される。尚、図の例ではスロットル弁の位置に対応する吸気流の境界条件（変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔ等）は定常運転状態では略一定であり、また、エンジンの運転条件が変化する過渡状態ではその変化に対応するように別途、エンジンの運転制御プログラムから与えられる。
【００７２】
上述の如きＣＦＤ演算と並行して、圧縮行程及び膨張行程にある気筒についてはそれぞれ化学反応シミュレーション（化学反応ＳＩＭ）の演算が行われる。すなわち、シミュレーションの進行に伴い例えば第１気筒ｃ１が吸気行程から圧縮行程に移行したときには、前記フローのステップＳ３４において、図９に模式的に示すように、上述したＣＦＤ演算による演算結果のデータが演算サーバ１，１，…からＰＣ端末５に送信される。このデータを受け取ったＰＣ端末５では、このデータに基づいて圧縮行程初期の吸気弁閉時点ＩＶＣで第１気筒ｃ１に充填されている吸気の状態、即ち圧力ｐ、温度Ｔ等や吸気中のＥＧＲガスの割合を求め、これに基づいて、圧縮行程下死点ＢＤＣにおける吸気の状態を推定する（図４参照）。また、現在のエンジンの運転条件に基づいて空燃比や気筒壁温等の物理量の値をマップから読み込む。そして、それら気筒内の状態を表す物理量の組を特定して、こに物理量の組に対応する識別コードとともに化学反応シミュレーションプログラムの実行ファイルを演算サーバ１，１，…に送信する（この演算プログラム間でのデータの授受を図９には結果処理＊１として示す）。
【００７３】
そして、前記実行ファイルを受け取った演算サーバ１，１，…では化学反応シミュレーションプログラムが起動され、前記図８のフローに示すように、第１気筒ｃ１の容器モデルを記憶装置から読み出し（Ｓ５１）、前記識別コードに対応するガス成分のグループデータを化学反応ＤＢ１２から読み込んで（化学種の読込み：Ｓ５２）、予め設定した微小クランク角範囲におけるそれらガス成分の化学反応を記述して、保存する（化学反応演算：Ｓ５３）。このような化学反応式の演算が当該気筒ｃ１の圧縮行程の下死点から膨張行程の下死点に至るまで、前記微小クランク角毎に繰り返し行われ（Ｓ３５）、これにより、当該気筒ｃ１内の燃焼室における圧縮及び膨張行程の作動ガスの状態を時系列に記述したデータが化学反応演算の結果として記憶装置に格納される。
【００７４】
そうして、前記第１気筒ｃ１が膨張行程を終了して排気行程に移行すれば、当該気筒ｃ１についての化学反応シミュレーションは終了して、図８のフローのステップＳ３４において、今度は前記化学反応演算の結果のデータを演算サーバ１，１，…からＰＣ端末５に送信する。このデータを受け取ったＰＣ端末５では、前記図７にも示したように、第１気筒ｃ１の燃焼室から排出される既燃ガス（排気）の組成や燃焼による発熱、仕事量等に基づいて、圧縮行程後期の排気弁開時点ＥＶＯにおける燃焼室の状態を表す変数ｐ，ρ，ｕ（ｕ＝０），Ｔ、即ち排気の初期状態を求め、これに基づいてＣＦＤ演算の演算結果データを書き換えるためのコマンドを作成して、演算サーバ１，１，…に返送する。このコマンドを受け取った演算サーバ１，１，…により、１次元ＣＦＤ演算の演算結果データにおける燃焼部分、即ち圧縮行程及び膨張行程の部分が書き換えられ、１次元ＣＦＤ演算における排気流の境界条件として、前記排気流の初期状態のデータが用いられるようになる（この演算プログラム間でのデータの授受を図９には結果処理＊２として示す）。また、前記排気の組成に基づいて化学反応ＤＢ１２におけるガス成分のデータが修正される。
【００７５】
上述の如く、メインプログラムのステップＳ３では、シミュレーションの始期から終期までに亘りエンジンのクランク角の変化に同期して、ＣＦＤ演算と化学反応シミュレーション演算とが行われる。そして、シミュレーションの終期として設定入力されたクランク角位置になれば（Ｓ３６でＹＥＳ）、ステップＳ４に進んでシミュレーションの結果を出力し、しかる後に制御終了となる（エンド）。前記ステップＳ４におけるシミュレーション結果の出力としては、演算サーバ１，１，…の記憶装置に保存されている時系列の演算結果のデータのうちから所要のものを読み出してＰＣ端末５に転送し、このデータに基づいて、エンジン性能に関する所定の評価値の出力を行うようにすればよい。すなわち、例えばエンジンの出力特性、燃費特性、エンジン運転条件の変化に伴う各気筒の体積効率の変化等をグラフ化して、サーバ１，１，…やＰＣ端末５のディスプレイに画像表示すればよい。また、特にサージタンク内の吸気の流れ等については３次元ＣＦＤ演算の結果を可視化して、画像表示するようにしてもよい。
【００７６】
前記図８に示すフローのステップＳ３におけるステップＳ３１〜３３，Ｓ４１〜４３が、エンジンの作動ガスである吸排気の流れをＣＦＤ演算により模擬する第１の演算ステップに対応している。また、ステップＳ５１〜５３が、気筒の圧縮及び膨張行程で該気筒内の燃焼室における作動ガスを複数のガス成分により模擬して、燃焼等の状態を化学反応式の演算により記述する第２の演算ステップに対応している。
【００７７】
前記フローのステップＳ３４は、ＣＦＤ演算の結果から、圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている吸気の状態を求めて、これが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの状態を推定する推定ステップに対応するとともに、少なくともその推定された吸気の状態に基づいて化学反応ＳＩＭに初期条件となるデータを提供する第１のデータ提供ステップと、反対に、化学反応ＳＩＭにより求められた排気流の初期状態のデータをＣＦＤ演算プログラムに提供する第２のデータ提供ステップとに対応している。
【００７８】
そして、この実施形態の予測解析システムＡでは、演算サーバ１，１，…によって前記フローのステップＳ３１〜３３，Ｓ４１〜４３が実行されることにより、該演算サーバ１，１，…が第１の演算手段を構成する。また、同様にステップＳ５１〜５３が演算サーバ１，１，…により実行されることによって、該演算サーバ１，１，…が第２の演算手段を構成する。さらに、前記フローのステップＳ３４がＰＣ端末５及び演算サーバ１，１，…の協動により実行されることで、それらＰＣ端末５及び演算サーバ１，１，…が推定手段と第１及び第２のデータ提供手段とを構成する。
【００７９】
したがって、この実施形態に係るエンジン性能の予測解析システムＡによると、例えば４サイクルエンジンの吸排気等の流れをＣＦＤの適用により解析する場合に、基本的には１次元のエンジンモデルＭｂを用いつつ、予め選択した部位については３次元のモデルｓ１〜ｓ４を用いて、各気筒毎の吸気及び排気行程についてそれぞれ１次元又は３次元の演算を選択できるようにしたので、ＣＦＤ演算の精度を十分に高いものとしながら、そのための演算量は大幅に減らすことができる。
【００８０】
一方、各気筒毎の圧縮及び膨張行程については少なくとも燃焼室のガス流動を無視して、化学反応シミュレーションにより燃焼状態を模擬するようにしており、その際、膨大な化学反応のうちから代表的なもののみを選択することで、必要なシミュレーション精度を確保しながら、そのための演算量は大幅に減らすことができる。
【００８１】
また、ＥＧＲを行うようにした場合でも、吸気の流れをガス成分毎にＣＦＤ演算するのではなく、新気及びＥＧＲガスの２つの成分として演算するようにしており、このことによって、吸気中のＥＧＲガス割合の変化に柔軟に対応しながら、演算量を大幅に減らすことができる。一方、化学反応シミュレーションでは作動ガスを少なくとも窒素、酸素、炭化水素、炭酸ガス、窒素酸化物及び水蒸気により模擬することで、燃焼に係る化学反応を正確に記述して、精度の高いシミュレーションを行うことができる。
【００８２】
そして、前記ＣＦＤ演算の結果から気筒内の燃焼室に充填される吸気の状態を求めて、これにより化学反応シミュレーションに用いる作動ガスの成分及び状態を特定するとともに、化学反応シミュレーションの結果からはＣＦＤ演算における排気の初期状態を求めるようにしており、このように２種類のシミュレーションを適切に組み合わせて、両者をダイナミックに解くことによって、シミュレーションの精度を向上できる。
【００８３】
その際、前記燃焼室に充填される吸気の状態を求めるＣＦＤ演算は、圧縮行程初期に吸気弁が閉じるまで継続することで、その後に燃焼室に充填されている吸気の状態を正確に求めることができる。そして、その吸気の状態に基づいて圧縮行程下死点における燃焼室の作動ガスの状態を推定し、その作動ガスの成分を化学反応ＤＢ１２から読み出すことで、正確な化学反応シミュレーションを行うことができる。また、化学反応シミュレーション自体は必ず圧縮行程下死点から行うことで、そのための燃焼室容器モデルの設定を変更する必要がなく、これにより、前記ＣＦＤ演算と化学反応ＳＩＭの組み合わせが容易に行えて、シミュレーションの遅延を招くことがない。
【００８４】
以上より、シミュレーションの精度を十分に高くすることができるとともに、そのための演算量は可及的に減少させて、解析に要する時間を短縮することができ、これにより、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上することができる。
【００８５】
（他の実施形態）
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記実施形態では、ＣＦＤ演算を１次元のモデルと３次元のモデルとを組み合わせて行うようにしているが、これに限らず、１次元のＣＦＤ演算のみを行うものとしてもよい。
【００８６】
また、前記実施形態のＣＦＤ演算では吸気を空気及びＥＧＲガスの２つの成分としているが、これに限るものではなく、３つ以上のガス成分からなるものとしてもよいし、反対にＥＧＲガスを含む空気として、１つの成分とみなすことも可能である。
【００８７】
また、前記実施形態では、ポート噴射方式のガソリンエンジンのシミュレーションを行う場合について説明をしたが、本願発明の予測解析システムＡは直噴エンジンにも適用することができる。但し、直噴エンジンの場合は燃焼室に燃料を直接、噴射するようにしているので、その運転状態が比較的急に変化する過渡運転状態を模擬する場合には、化学反応ＳＩＭのための化学反応式の演算を開始した後の気筒の圧縮行程で燃料供給量が変化することがあり、この場合には、その燃料供給量の変化が前記化学反応式の演算に反映されないという問題がある。
【００８８】
これに対し、例えば図１０に模式的に示すように、直噴エンジンのシミュレーションを行う場合には、化学反応ＳＩＭの途中で燃料供給量が変化したときに、その演算を強制的にキャンセルして、同図に仮想線で示すように、変更後の燃料供給量に基づいてガス成分のデータを再度、化学反応ＤＢ１２から読み込み、このデータを用いて、最初から化学反応式の演算をやり直すようにすればよい（再演算実行ステップ）。こうすれば、圧縮行程の途中で燃焼室に直接、供給される燃料供給量が変化しても、その変化を正確に反映する化学反応ＳＩＭを行うことができるから、直噴エンジンの過渡運転状態も適切に模擬することができる。
【００８９】
さらに、前記実施形態では、４気筒４サイクルエンジンについてのシミュレーションを行う場合について説明したが、例えば単気筒エンジンのシミュレーションを行うこともできることは言うまでもない。
【００９０】
【発明の効果】
以上、説明したように、本願発明に係るエンジン性能の予測解析方法、予測解析システム及びその制御プログラムによると、エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る作動ガスの状態を模擬するシミュレーションを行って該エンジンの性能を予測する場合に、吸排気の流れを模擬する第１の模擬演算を圧縮行程初期に吸気弁が閉じる時期まで継続して行い、これにより燃焼室に充填される作動ガスの状態を正確に模擬するとともに、当該燃焼室における燃焼等を模擬するための第２の模擬演算は、必ず、圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで行うようにして、燃焼室容器モデルの変更設定等を不要とする。そして、その上で前記第１の模擬演算により求めた吸気弁閉時期における作動ガスの状態に基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの状態を推定し、これにより前記第２の模擬演算を行うようにしたので、両者を適切に組み合わせてダイナミックに解くことが容易になり、シミュレーションの精度を向上しながら、その遅延を招くことがなく、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジン性能の予測解析システムＡの全体構成図。
【図２】ＣＦＤ演算のためのエンジンモデルの一例を示す図。
【図３】サージタンクを３次元で模擬した従来までのモデルを示す図２相当図。
【図４】吸気行程から圧縮行程への移行時にＣＦＤから化学反応ＳＩＭにデータを提供する処理（結果処理＊１）を模式的に示す説明図。
【図５】気筒内の状態を表す物理量の組と化学反応ＤＢにおけるガス成分のグループデータとの対応を示す説明図。
【図６】燃焼に関する化学反応の例を示す説明図。
【図７】膨張行程から排気行程への移行時についての結果処理＊２を示す図４相当図。
【図８】シミュレーションの手順の概略を示すフローチャート図。
【図９】ＣＦＤと化学反応シミュレーションとの切替えと、これに伴うデータの授受とを模式的に示す説明図。
【図１０】直噴エンジンに適用する他の実施形態に係る図４相当図。
【図１１】ＣＦＤから吸気弁閉時期における吸気状態のデータをそのまま化学反応ＳＩＭに提供する場合の図４相当図。
【符号の説明】
Ａ エンジン性能の予測解析システム
１，１，… 演算サーバ（第１の演算手段、第２の演算手段、推定手段、第１及び第２のデータ提供手段）
５，５，… ＰＣ端末（推定手段、第１及び第２のデータ提供手段）

Claims (16)

1. エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る作動ガスの状態をＣＦＤの適用により解析して、該エンジンの性能を予測する予測解析方法であって、
   エンジンの作動ガスの流れを模擬する第１の模擬演算を行い、これにより圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求めて、
   前記吸気弁の閉時期における作動ガスの状態に基づいて、その作動ガスが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定し、
   少なくとも前記推定した圧縮行程下死点における作動ガスの状態に基づいて、そこから膨張行程下死点までの作動ガスの状態を模擬する第２の模擬演算を行うことを特徴とするエンジン性能の予測解析方法。
2. 直噴エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る作動ガスの状態をＣＦＤの適用により解析して、該エンジンの性能を予測する予測解析方法であって、
   エンジンの作動ガスの流れを模擬する第１の模擬演算を行い、これにより圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求めて、
   前記吸気弁の閉時期における作動ガスの状態に基づいて、その作動ガスが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定し、
   少なくとも前記推定した圧縮行程下死点における作動ガスの状態と燃焼室への燃料供給量とに基づいて、燃焼室の作動ガスの状態を圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで模擬する第２の模擬演算を行うとともに、
   第２の模擬演算の途中で圧縮行程における前記燃料供給量が変更されたときにはその演算を一旦、終了し、変更後の燃料供給量に基づいて第２の模擬演算を最初からやり直すことを特徴とするエンジン性能の予測解析方法。
3. エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る作動ガスの状態をＣＦＤの適用により解析して、該エンジンの性能を予測するためのコンピュータシステムであって、
   エンジンの作動ガスの流れを模擬する演算を行う第１の演算手段と、
   前記エンジンの燃焼室における作動ガスの状態を圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで模擬する演算を行う第２の演算手段と、
   前記第１の演算手段による模擬演算の結果から、圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求めて、この作動ガスが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定する推定手段と、
   少なくとも前記推定手段により推定された作動ガスの状態のデータに基づいて、前記第２の演算手段に対して演算の初期条件となるデータを提供する第１のデータ提供手段と、
   を備えることを特徴とするエンジン性能の予測解析システム。
4. 請求項３において、
   第１の演算手段は、吸排気の流れを１次元流及び３次元流の少なくとも一方とみなしてＣＦＤ演算を行うものであり、
   第２の演算手段は、圧縮及び膨張行程において燃焼室の作動ガスは運動しないとみなし、且つ吸気弁は圧縮行程下死点で閉じていると仮定して、作動ガスの状態を化学反応式の演算により模擬するものである、ことを特徴とするエンジン性能の予測解析システム。
5. 請求項３又は４のいずれかにおいて、
   推定手段は、少なくとも、吸気弁閉時期における作動ガスの圧力状態と、この吸気弁閉時期及び圧縮行程下死点の燃焼室の容積比とに基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの圧力状態を推定するように構成されていることを特徴とするエンジン性能の予測解析システム。
6. 請求項５において、
   推定手段は、吸気弁閉時期における作動ガスの圧力及び温度状態と、この吸気弁閉時期及び圧縮行程下死点の燃焼室の容積比と、圧縮行程下死点から吸気弁閉時期までの間に作動ガスから燃焼室壁に伝達される熱量の推定値とに基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの圧力及び温度状態を推定するように構成されていることを特徴とするエンジン性能の予測解析システム。
7. 請求項３において、
   第２の演算手段により演算された膨張行程後期の作動ガスの状態に基づいて、その膨張行程後期に排気弁が開いた後に燃焼室から排出される作動ガスの流れの初期状態を求め、この流れの初期状態のデータを第１の演算手段に対して提供する第２のデータ提供手段を備える、ことを特徴とするエンジン性能の予測解析システム。
8. 請求項３において、
   第１の演算手段は、吸気弁の閉じる時期がエンジンの運転条件に応じて変更されることを加味して、燃焼室への作動ガスの流れを模擬する演算を行うように構成されていることを特徴とするエンジン性能の予測解析システム。
9. 直噴エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る作動ガスの状態をＣＦＤの適用により解析して、該エンジンの性能を予測するためのコンピュータシステムであって、
   エンジンの作動ガスの流れを模擬する演算を行う第１の演算手段と、
   前記エンジンの燃焼室における作動ガスの状態を圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで模擬する演算を行う第２の演算手段と、
   前記第１の演算手段による模擬演算の結果から、圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求めて、この作動ガスが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定する推定手段と、
   少なくとも前記推定手段により推定された作動ガスの状態のデータと燃焼室への燃料供給量のデータとに基づいて、前記第２の演算手段に対して演算の初期条件となるデータを提供するデータ提供手段と、
   前記第２の演算手段による模擬演算の途中で圧縮行程における前記燃料供給量に変化があったときには、その演算を強制的に終了させるとともに、前記推定手段により新たに作動ガスの状態を推定させて、この推定結果に基づいて前記第２の演算手段により最初から再度、模擬演算を実行させる再演算実行手段と、を備えることを特徴とするエンジン性能の予測解析システム。
10. エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る作動ガスの状態をＣＦＤの適用により解析して、該エンジンの性能を予測するためのコンピュータシステムの制御プログラムであって、
    エンジンの作動ガスの流れを模擬する演算を行う第１の演算ステップと、
    前記エンジンの燃焼室における作動ガスの状態を圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで模擬する演算を行う第２の演算ステップと、
    前記第１の演算ステップにおける模擬演算の結果から、圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求めて、この作動ガスが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定する推定ステップと、
    少なくとも前記推定ステップにおいて推定された作動ガスの状態のデータに基づいて、前記第２の演算ステップにおける演算の初期条件となるデータを提供する第１のデータ提供ステップと、を備えることを特徴とするエンジン性能の予測解析システムの制御プログラム。
11. 請求項１０において、
    第１の演算ステップでは、吸排気の流れを１次元流及び３次元流の少なくとも一方とみなしてＣＦＤ演算を行い、
    第２の演算ステップでは、圧縮及び膨張行程における燃焼室の作動ガスを運動しないとみなし、且つ吸気弁は圧縮行程下死点で閉じていると仮定して、作動ガスの状態を化学反応式の演算により模擬することを特徴とするエンジン性能の予測解析システムの制御プログラム。
12. 請求項１０又は１１のいずれかにおいて、
    推定ステップでは、少なくとも、吸気弁閉時期における作動ガスの圧力状態と、この吸気弁閉時期及び圧縮行程下死点の燃焼室の容積比とに基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの圧力状態を推定することを特徴とするエンジン性能の予測解析システムの制御プログラム。
13. 請求項１２において、
    推定ステップでは、吸気弁閉時期における作動ガスの圧力及び温度状態と、この吸気弁閉時期及び圧縮行程下死点の燃焼室の容積比と、圧縮行程下死点から吸気弁閉時期までの間に作動ガスから燃焼室壁に伝達される熱量の推定値とに基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの圧力及び温度状態を推定することを特徴とするエンジン性能の予測解析システムの制御プログラム。
14. 請求項１０において、
    第２の演算ステップにおいて演算された膨張行程後期の作動ガスの状態に基づいて、その膨張行程後期に排気弁が開いた後に燃焼室から排出される作動ガスの流れの初期状態を求め、この流れの初期状態のデータを第１の演算ステップにおける演算の初期条件として提供する第２のデータ提供ステップを備える、ことを特徴とするエンジン性能の予測解析システムの制御プログラム。
15. 請求項１０において、
    第１の演算ステップでは、吸気弁の閉じる時期がエンジンの運転条件に応じて変更されることを加味して、燃焼室への作動ガスの流れを模擬する演算を行うことを特徴とするエンジン性能の予測解析システムの制御プログラム。
16. 直噴エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る作動ガスの状態をＣＦＤの適用により解析して、該エンジンの性能を予測するためのコンピュータシステムの制御プログラムであって、
    エンジンの作動ガスの流れを模擬する演算を行う第１の演算ステップと、
    前記エンジンの燃焼室における作動ガスの状態を圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで模擬する演算を行う第２の演算ステップと、
    前記第１の演算ステップにおける模擬演算の結果から、圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求めて、この作動ガスが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定する推定ステップと、
    少なくとも前記推定ステップにおいて推定された作動ガスの状態と燃焼室への燃料供給量とに基づいて、前記第２の演算ステップにおける演算の初期条件となるデータを提供するデータ提供ステップと、
    第２の演算ステップにおける模擬演算の途中で圧縮行程における前記燃料供給量に変化のあったときには、その模擬演算を強制的に終了させて、前記推定ステップの作動ガス状態の推定と、この推定結果に基づく前記第２の演算ステップの模擬演算とを最初から実行させる再演算実行ステップと、を備えることを特徴とするエンジン性能の予測解析システムの制御プログラム。

Images