(57)【要約】【課題】燃料噴射期間中の時間的な噴射速度の変化や、噴射後の時間的な粒径変化を考慮した精度の高い噴霧特性シュミレーションを行えるようにする。【解決手段】コンピュータ１を用いて定容器モデル下で噴霧計算を行い、計算データと実験データとを合わせ込んで噴霧モデルパラメータを最適化する。噴霧計算では、ＣＡＤデータベース２から３次元定容器モデルを読み出して３次元モデルを作成し（Ｓ１）、噴霧モデルパラメータの初期条件を設定し（Ｓ２）、３次元噴射計算を行って、噴霧到達距離の時間変化、および蒸発量および液滴量の時間変化を計算する（Ｓ３）。そして、合わせ込む（Ｓ４）。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性をシュミレーションする方法であって、
噴射期間中の時間経過とともに変化する噴射速度を算出する噴射速度算出ステップと、
噴射開始後の時間経過とともに変化する燃料粒径を算出する燃料粒径算出ステップと、
前記噴射速度の算出データと前記燃料粒径の算出データとに基づいて噴霧特性算出用の粒度分布関数を作成する粒度分布関数作成ステップと、
前記噴射速度の算出データと前記燃料粒径の算出データと前記燃料分布関数とに基づいて、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性を算出する噴霧特性シュミレーションステップとを有する燃料噴霧シュミレーション方法。
【請求項２】
前記噴射速度算出ステップは、噴射期間中に変化する噴射量の実測データに基づいて噴射速度を推算する請求項１記載の燃料噴霧シュミレーション方法。
【請求項３】
前記燃料粒径算出ステップは、前記噴射速度の算出データに基づいて燃料の平均粒径を推算する請求項１記載の燃料噴霧シュミレーション方法。
【請求項４】
前記噴霧特性シュミレーションステップは、定容器モデル下で噴霧特性を算出する請求項１記載の燃料噴霧シュミレーション方法。
【請求項５】
前記噴霧特性シュミレーションステップは、噴霧特性として、噴射開始後の時間経過とともに変化する噴霧到達距離と、噴射開始後の時間経過とともに変化する液相および蒸気相の当量比分布と、噴射開始後の時間経過とともに変化する液滴量および蒸気量を算出する請求項４記載の燃料噴霧シュミレーション方法。
【請求項６】
前記噴霧特性シュミレーションステップにおいて算出された噴霧特性が実際の噴霧特性と一致するか否かを判定する判定ステップと、
該判定ステップにおいて、算出された噴霧特性が実際の噴霧特性とずれが生じた時は、前記噴霧特性シュミレーションを繰り返し行う最適化ステップを有する請求項１記載の燃料噴霧シュミレーション方法。
【請求項７】
燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性をシュミレーションする装置であって、
噴射期間中の時間経過とともに変化する噴射速度を算出する噴射速度算出手段と、
噴射開始後の時間経過とともに変化する燃料粒径を算出する燃料粒径算出手段と、
前記噴射速度の算出データと前記燃料粒径の算出データとに基づいて噴霧特性算出用の粒度分布関数を作成する粒度分布関数作成手段と、
前記噴射速度の算出データと前記燃料粒径の算出データと前記燃料分布関数とに基づいて、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性を算出する噴霧特性シュミレーション手段とを備える燃料噴霧シュミレーション装置。
【請求項８】
燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性をシュミレーションするためにコンピュータを、
噴射期間中の時間経過とともに変化する噴射速度を算出する噴射速度算出手段と、
噴射開始後の時間経過とともに変化する燃料粒径を算出する燃料粒径算出手段と、
前記噴射速度の算出データと前記燃料粒径の算出データとに基づいて噴霧特性算出用の粒度分布関数を作成する粒度分布関数作成手段と、
前記噴射速度の算出データと前記燃料粒径の算出データと前記燃料分布関数とに基づいて、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性を算出する噴霧特性シュミレーション手段として機能させるための燃料噴霧シュミレーションプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴霧シュミレーション方法、燃料噴霧シュミレーション装置および燃料噴霧シュミレーションプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの開発において、シリンダに吸入する空気の流動、燃料の噴霧、混合気の燃焼、排気という一連の過程の特性の解析を、実験を模擬したコンピュータシュミレーションで行うことは従来からなされている。そして、エンジンのシリンダ内に燃料を直接噴射する直噴エンジンの場合に、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性がエンジンの性能に大きく影響し、また、噴霧特性シュミレーションのデータを利用して行う燃焼シュミレーション精度を高めるためにも噴霧特性シュミレーションの精度を高める必要があるということから、燃料噴霧をコンピュータを利用して高い精度でシュミレーションできるようにする噴霧特性シュミレーション方法として、燃料噴射弁の噴孔出口近傍の燃料の液膜の高さと流速に基づいて平均粒径を算出し、該平均粒径に基づいて粒度分布関数を作成し、該関数に基づいて燃料の噴霧特性シュミレーションを行うものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この噴霧特性シュミレーションは、詳細には、ノズル部の形状を数値化した設計データに基づいて、噴孔の出口における燃料の気液２相３次元ＣＦＤ（Computational Flow Dynamics）により、噴射された燃料噴霧の液膜の厚さおよび流速の推算し、算出された液膜の厚さおよび流速の値から、初期平均粒径を算出し、算出された初期平均粒径から粒度分布関数を作成し、作成された粒度分布関数を用いて、噴霧特性データを算出する噴霧特性シュミレーションを実行するというもので、気液２相３次元ＣＦＤを用いて燃料の液膜厚さおよび流速を推算することで、容易かつ高精度な燃料噴霧シュミレーションを実施できるようにしようとしている。
【０００４】
しかし、上記従来の噴霧特性シュミレーションでは、燃料噴射期間中の時間的な噴射速度の変化や、噴射後の時間的な粒径変化を考慮した精度の高い噴霧特性シュミレーションを行うことができない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１６８１６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、燃料噴射期間中の時間的な噴射速度の変化や、噴射後の時間的な粒径変化を考慮した精度の高い噴霧特性シュミレーションを行うことができるようにすることが課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料噴霧シュミレーション方法は、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性をシュミレーションする方法であって、噴射期間中の時間経過とともに変化する噴射速度を算出する噴射速度算出ステップと、噴射開始後の時間経過とともに変化する燃料粒径を算出する燃料粒径算出ステップと、噴射速度の算出データと燃料粒径の算出データとに基づいて噴霧特性算出用の粒度分布関数を作成する粒度分布関数作成ステップと、噴射速度の算出データと燃料粒径の算出データと燃料分布関数とに基づいて、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性を算出する噴霧特性シュミレーションステップとを有するものである。この方法によれば、噴射期間中の噴射速度および噴射後の燃料粒径を時間経過とともに変化させた精度の高い噴霧特性シュミレーションを行うことができる。
【０００８】
この燃料噴霧シュミレーション方法において、噴射速度算出ステップは、噴射期間中に変化する噴射量の実測データに基づいて噴射速度を推算するものとするのがよい。例えば、噴射開始から噴射終了までの燃料の噴射率を実測して、実測データとして、噴射量の実測値（実測データ）を求め、この実測データから、噴射速度の時間変化（時間経過とともに変化する値）を予想する。
【０００９】
また、燃料粒径算出ステップは、噴射速度の算出データに基づいて燃料の平均粒径を推算するものとするのがよい。例えば、噴霧の粒径は大きいものから小さいものまであって、それがどのような分布（パーセンテージ）で存在しているかという粒度分布を、公知の粒度分布式（抜山・棚沢式、カイ２乗分布、ロジンラムラー分布等）から計算し、その粒度分布式による噴射速度の変化に伴い変化する粒度分布から、粒径の平均値（平均粒径：ＳＭＤ）の時間変化を近似的に設定した平均粒径（ＳＭＤ）を推定する。
【００１０】
この燃料噴霧シュミレーション方法は、粒度分布関数作成ステップにおいて、例えば、予想した噴射速度の時間変化と、推定した平均粒径（ＳＭＤ）を、噴霧計算の初期条件（入力変数パラメータ、噴霧モデルパラメータ）として与え、公知の分裂モデル（Reitz-Diwakar, Pilch-Erdman, Hasiang-Faeth等）を選択して、粘度分布関数を作成する。
【００１１】
そして、この燃料噴霧シュミレーション方法において、噴霧特性シュミレーションステップは、好ましくは定容器モデル下で噴霧特性を算出する。
【００１２】
噴霧特性シュミレーションは、最終的には実際にエンジンのシリンダ内に燃料を噴射する状態に模擬させて行うが、実際のエンジンのシリンダ内は、空気の流動やピストンの動きがあって、非定常な状態が予想されるため、いきなりシュミレーションによって噴霧特性を実測値に合わせ込むことは難しいことから、実際のエンジンに噴くシュミレーションの前段階として、空気の流動やピストンの動きといった非定常要因が無く、温度の上昇や圧力の上昇を模擬可能な定容器の中でシュミレーションを行い、同じ定容器での実験データと合わせ込む。こうして吸気流動等の影響を受けることなく噴霧特性をシュミレーションすることができる。
【００１３】
また、噴霧特性シュミレーションステップは、噴霧特性として、例えば、噴射開始後の時間経過とともに変化する噴霧到達距離と、噴射開始後の時間経過とともに変化する液相および蒸気相の当量比分布と、噴射開始後の時間経過とともに変化する液滴量および蒸気量を算出する。
【００１４】
この燃料噴霧シュミレーション方法は、噴霧特性シュミレーションステップにおいて算出された噴霧特性が実際の噴霧特性と一致するか否かを判定する判定ステップと、該判定ステップにおいて、算出された噴霧特性が実際の噴霧特性とずれが生じた時は、噴霧特性シュミレーションを繰り返し行う最適化ステップを有するものとすることができる。
【００１５】
こうして、噴霧到達距離（ぺネトレーション）の時間変化や、蒸発量および液適量の時間変化の実測データと計算（予測）が合うように、噴射速度の時間的変化や、平均粒径（ＳＭＤ）の時間的変化の初期条件（入力変数パラメータ）の設定を変えて計算し、合わせ込む。これにより、噴霧到達距離の時間変化、液相および蒸気相の当量比分布、蒸発量および液適量の時間変化といった噴霧特性を実際の噴霧特性に精度よく適合させることができる。
【００１６】
実測の生データは画像で得られる、これを画像処理することによって、蒸気量と液滴量の分布を解析することができる。その画像処理の技術は、それ自体公知のものである。
【００１７】
こうして定容器による燃料噴霧シュミレーションで最適化された、各噴霧モデルパラメータ（噴射速度プロファイル、粒度分布、粒度分布式の係数、分裂モデルの係数）、液相および蒸気相の当量比分布、噴霧到達距離の時間変化、液適量および蒸気量の時間変化等を利用して、その後の、エンジンモデルによる噴霧特性シュミレーション（Ａ／Ｆ分布等のシュミレーション）を行い、次いで、燃焼シュミレーションを行う。
【００１８】
また、本発明の燃料噴霧シュミレーション装置は、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性をシュミレーションする装置であって、噴射期間中の時間経過とともに変化する噴射速度を算出する噴射速度算出手段と、噴射開始後の時間経過とともに変化する燃料粒径を算出する燃料粒径算出手段と、噴射速度の算出データと燃料粒径の算出データとに基づいて噴霧特性算出用の粒度分布関数を作成する粒度分布関数作成手段と、噴射速度の算出データと燃料粒径の算出データと燃料分布関数とに基づいて、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性を算出する噴霧特性シュミレーション手段とを備えるものである。上記方法による燃料噴霧シュミレーションはこの装置により実施する。
【００１９】
また、本発明の燃料噴霧シュミレーションプログラムは、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性をシュミレーションするためにコンピュータを、噴射期間中の時間経過とともに変化する噴射速度を算出する噴射速度算出手段と、噴射開始後の時間経過とともに変化する燃料粒径を算出する燃料粒径算出手段と、前記噴射速度の算出データと前記燃料粒径の算出データとに基づいて噴霧特性算出用の粒度分布関数を作成する粒度分布関数作成手段と、前記噴射速度の算出データと前記燃料粒径の算出データと前記燃料分布関数とに基づいて、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴霧特性を算出する噴霧特性シュミレーション手段として機能させるための燃料噴霧シュミレーションプログラムである。上記方法による燃料噴霧シュミレーションはこのプログラムにより実施する。
【発明の効果】
【００２０】
このように、本発明によれば、噴射期間中の噴射速度および噴射後の燃料粒径を時間経過とともに変化させた精度の高い噴霧特性シュミレーションを行うことができ、噴霧到達距離の時間変化、液相および蒸気相の当量比分布、蒸発量および液適量の時間変化といった噴霧特性を実際の噴霧特性に精度よく適合させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図８は本発明の実施形態の一例を説明するものである。図１は燃料噴霧シュミレーション解析システムの説明図、図２は定容器モデルの説明図、図３は噴射率実測データのグラフ、図４は噴射速度算出データのグラフ、図５は平均粒径予測データのグラフで、図６は噴霧到達距離の実測データと計算データの比較グラフ、図７は液滴量および蒸気量の実測データと計算データの比較グラフ、図８は液相および蒸気相の当量比分布の実測結果と計算結果の比較図である。
【００２２】
この実施形態は、エンジンのシリンダ内に燃料を直接噴射する直噴エンジンの燃料噴霧シュミレーション解析を、シリンダ内に燃料を噴射して行うエンジンモデルによる燃料噴霧シュミレーションの前段階として、図１に示すように、コンピュータ１を用いて定容器モデル下で噴霧計算を行い、計算データと実験データとを合わせ込んで噴霧モデルパラメータを最適化する。図２は定容器モデルの一例を示している。
【００２３】
噴霧計算は、スタートすると、まず、ＣＡＤデータベース２から３次元定容器モデルを読み出して３次元モデルを作成する（ステップＳ１）。
【００２４】
そして、インジェクタスペックデータベース３から、噴孔径、流量プロフィール、粒度分布を読み出し、噴霧モデルパラメータの初期条件を設定する（ステップＳ２）。
【００２５】
そして、次の手順で３次元噴射計算（３次元ＣＦＤツール）を行って、噴霧到達距離の時間変化、および蒸発量および液滴量の時間変化を計算する（ステップＳ３）。
【００２６】
３次元噴射計算では、まず、噴射開始から噴射終了までの燃料の噴射率を実測して、実測データとして、噴射量の実測値（実測流量）を求める。図３は噴射率実測データ（実測流量プロファイル）の一例を示している
【００２７】
次に、この実測データから、噴射速度の時間変化を予想する。図４は噴射速度算出データ（噴射速度プロファイル）の一例を示している。
【００２８】
次に、粒度分布を計算する粒度分布式（抜山・棚沢式、カイ２乗分布、ロジンラムラー分布等）を選択し、燃料分布式の係数を変更し、その粒度分布式による噴射速度の変化に伴い変化する粒度分布から、平均粒径（ＳＭＤ）の時間変化を近似的に設定したＳＭＤプロファイル（平均粒径の時間的変化のグラフ）を予測する。図５は平均粒径予測データ（ＳＭＤプロファイル）の一例を示している。
【００２９】
次に、予想した噴射速度の時間変化と、平均粒径（ＳＭＤ）を、噴霧計算の入力変数パラメータ（噴霧モデルパラメータ）として与え、分裂モデル（Reitz-Diwakar, Pilch-Erdman, Hasiang-Faeth等）を選択して、粘度分布関数を作成する。
【００３０】
そして、３次元噴射計算（３次元ＣＦＤツール）を行って、噴霧到達距離の時間変化、および蒸発量および液滴量の時間変化を計算する。
【００３１】
こうして、３次元噴霧計算を行った後、実測データと計算による予測データ（算出データ）を比較し、液相および蒸気相の当量比分布、噴霧到達距離の時間変化、液適量および蒸気量の時間的変化にずれが生じているかどうかを判定し、実測と計算とでずれが生じている場合は、噴射到達距離の時間変化や、蒸発量および液適量の時間変化が、実測データと計算（予測）とで合うように、噴射速度の時間的変化や、平均粒径（ＳＭＤ）の時間的変化の初期条件（入力変数パラメータ）の設定を調整して計算し直し、実測と計算が一致するように合わせ込みを行う（ステップＳ４）。その際、実測データは、実測データベース４から読み出す。液相および蒸気相の当量比分布、噴霧到達距離の時間変化、液適量および蒸気量の時間的変化の実測データは、生データ（画像）の画像処理によって得られるものである。図６は噴霧到達距離の実測データ（四角プロット）および計算データ（実線）の一例を示しており、燃料噴射弁の燃料噴射終了時期を０ｍｓとした時の噴射終了後時間に対する噴霧到達距離の時間履歴を示している。また、図７は液滴量の実測データ（三角プロット）および計算データ（点線）と、蒸気量の実測データ（四角プロット）および計算データ（実線）の一例を示しており、燃料噴射弁の燃料噴射終了時期を０ｍｓとした時の噴射終了後時間に対する蒸気量および液滴量の時間履歴を示している。液滴量は噴射期間中の増加を示すが、噴射終了後は減少することを示している。一方、蒸気量は噴射期間中から、噴射終了後の時間経過とともに増加することを示している。また、図８は液相および蒸気相の当量比分布の実測結果と計算結果を示している。
【００３２】
合わせ込みが完了すると、結果データベース５に、最適化された各噴霧モデルパラメータ（噴射速度及び平均粒径プロファイル、粒度分布、粒度分布式の係数、分裂モデルの係数）、液相および蒸気相の当量比分布、噴霧到達距離の時間変化、液適量および蒸気量の時間変化を格納し、これらデータを、この後、エンジンモデルによる噴霧計算（Ａ／Ｆ分布等のシュミレーション）、次いで燃焼計算（シュミレーション）に使用する。
【００３３】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他様々な形態で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料噴霧シュミレーション解析システムの説明図である。
【図２】本発明の実施形態における定容器モデルの説明図である。
【図３】本発明の実施形態における噴射率実測データのグラフである。
【図４】本発明の実施形態における噴射速度算出データのグラフである。
【図５】本発明の実施形態における平均粒径予測データのグラフである。
【図６】本発明の実施形態における噴霧到達距離の実測データと計算データの比較グラフである。
【図７】本発明の実施形態における液滴量および蒸気量の実測データと計算データの比較グラフである。
【図８】本発明の実施形態における液相および蒸気相の当量比分布の実測結果と計算結果の比較図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  コンピュータ
２  ＣＡＤデータベース
３  インジェクタスペックデータベース
４  実測データベース
５  結果データベース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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