(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼室内に区画された複数の計算格子内における流体の燃焼反応計算を、前記複数の計算格子ごとにそれぞれ複数の計算機のいずれか１つに割り当てて並列で処理する並列計算処理を含む数値流体力学を用いたエンジンの燃焼室構造の設計方法において、
前記複数の計算格子および前記複数の計算機のそれぞれに連続した番号を付け、
乱数発生処理で発生した互いに異なる複数の乱数をそれぞれ発生順に前記複数の計算格子に対して付けられた番号順に振り分けて、前記振り分けられた乱数間の大小関係に基づいて前記複数の計算格子の順序を設定し、
前記複数の計算格子をそれぞれ設定した前記順序で前記複数の計算機に対して付けられた番号順に割り当て、前記複数の計算格子の数よりも前記複数の計算機の数が多く、設定された前記順序における順番が前記複数の計算機に対して付けられた番号を超えると、その順番から割り当てられていない前記複数の計算格子をそれぞれ設定した前記順序で前記複数の計算機に対して付けられた番号順に割り当て、
前記複数の計算格子の全てが前記複数の計算機に割り当てられると、前記並列計算処理を開始することを特徴とするエンジンの燃焼室構造の設計方法。
【請求項２】
前記エンジンが、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン又はディーゼルデュアルフューエルエンジンである請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの燃焼室構造の設計方法に関し、更に詳しくは、数値流体力学を用いた燃焼反応計算を、従来よりも高速で実施することができるエンジンの燃焼室構造の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジンの燃焼室構造の設計ツールとして、数値流体力学（ＣＦＤ）が多用されるようになっている（例えば、特許文献１を参照）。このＣＦＤによる解析評価では、燃焼室内に区画された複数の計算格子内における燃料噴霧の燃焼に伴う化学反応や、火炎伝播帯の反応及び未燃ガス自着火（ノック現象）に関する化学反応などを解析する燃焼反応計算が行われる。この燃焼反応計算は複雑かつ多種にわたるので、計算速度の向上を図るために、計算格子ごとの計算をそれぞれ複数の計算機（ＣＰＵ）のいずれか１台に割り当てて並列で処理する並列計算処理が採用される。
【０００３】
しかしながら、エンジンの燃焼形態では、化学反応で生成する化学種の濃度状況及び温度や、伝播火炎及び未燃ガス自着火などが時空間的に偏在するため、並列計算処理において計算格子をＣＰＵに対して単純に順に割り当てると、複数のＣＰＵ間の計算負荷が偏って、計算性能の向上を図ることが困難になるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２５７５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、数値流体力学における燃焼反応計算を、従来よりも高速で実施することができるエンジンの燃焼室構造の設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成する本発明のエンジンの燃焼室構造の設計方法は、エンジンの燃焼室内に区画された複数の計算格子内における流体の燃焼反応計算を、前記複数の計算格子ごとにそれぞれ複数の計算機のいずれか１つに割り当てて並列で処理する並列計算処理を含む数値流体力学を用いたエンジンの燃焼室構造の設計方法において、前記複数の計算格子および前記複数の計算機のそれぞれに連続した番号を付け、乱数発生処理で発生した互いに異なる複数の乱数をそれぞれ発生順に前記複数の計算格子に対して付けられた番号順に振り分けて、前記振り分けられた乱数間の大小関係に基づいて前記複数の計算格子の順序を設定し、前記複数の計算格子をそれぞれ設定した前記順序で前記複数の計算機に対して付けられた番号順に割り当て、前記複数の計算格子の数よりも前記複数の計算機の数が多く、設定された前記順序における順番が前記複数の計算機に対して付けられた番号を超えると、その順番から割り当てられていない前記複数の計算格子をそれぞれ設定した前記順序で前記複数の計算機に対して付けられた番号順に割り当て、前記複数の計算格子の全てが前記複数の計算機に割り当てられると、前記並列計算処理を開始することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のエンジンの燃焼室構造の設計方法によれば、複数の計算格子における燃焼反応計算を、複数の計算機のいずれか１つにそれぞれ無作為に割り当てるようにしたので、各計算機における計算負荷が均一化されて並列計算処理の効率が向上するため、数値流体力学を用いた燃焼反応計算を従来よりも高速で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ディーゼルエンジンの燃焼室の例を示す構造図である。
【図２】ガソリンエンジンの燃焼室の例を示す構造図である。
【図３】ガソリンエンジンの燃焼室の別の例を示す構造図である。
【図４】ディーゼルデュアルフューエルエンジンの燃焼室の例を示す構造図である。
【図５】ディーゼルデュアルフューエルエンジンの燃焼室の別の例を示す構造図である。
【図６】本発明の実施形態からなるエンジンの燃焼室構造の設計方法を説明するフロー図である。
【図７】キャビティを有するタイプの燃焼室に設定された計算格子の区画例の一部を示す模式図である。
【図８】キャビティを有しないタイプの燃焼室に設定された計算格子の区画例の一部を示す模式図である。
【図９】計算格子をＣＰＵに無作為で割り当てる方法の例を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１〜図５は、本発明の実施形態からなるエンジンの燃焼室構造の設計方法が適用される燃焼室の例を示す。
【００１０】
図１に示す燃焼室１Ａは、ディーゼルエンジンの燃焼室であり、シリンダボア２内を往復動するピストン３の頂面４の中央部に凹設されたキャビティ５Ａから構成されている。このキャビティ５Ａの断面形状としては、浅皿型やリエントラント型などが例示される。
【００１１】
燃焼室１Ａでは、燃料である軽油はコモンレール（図示せず）内で蓄圧され、軽油インジェクタ６を通じて適切なタイミングでキャビティ５Ａ内の圧縮空気中に噴射されて燃料噴霧となり、自着火により燃焼・膨張することでピストン３を押し下げる。燃焼後のガスは、排気弁７の開放時に排気管８を通じてシリンダボア２から排出される。その一方で、吸入空気は、吸気弁９の開放時に吸気管１０を通じてシリンダボア２内へ導入される。
【００１２】
図２に示す燃焼室１Ｂは、いわゆるポート噴射型のガソリンエンジンの燃焼室であり、シリンダボア２の内壁１１と、そのシリンダボア２内を往復動するピストン３の頂面４とから構成されている。
【００１３】
燃焼室１Ｂでは、燃料であるガソリンは、キャブレター又は燃料噴射装置（図示せず）を通じて吸気管１０内に供給されて混合気を生成し、吸気弁９の開放時に燃焼室１Ｂ内へ導入された後に、圧縮されつつ点火プラグ１２によって火花点火されて燃焼・膨張することでピストン３を押し下げる。燃焼後のガスは、排気弁７の開放時に排気管８を通じてシリンダボア２から排出される。
【００１４】
図３に示す燃焼室１Ｃは、いわゆる筒内噴射型又は直噴型のガソリンエンジンの燃焼室であり、シリンダボア２の内壁１１と、ピストン３の頂面４と、その頂面４の一部に凹設されたキャビティ５Ｃとから構成されている。
【００１５】
この燃焼室１Ｃでは、燃料であるガソリンは、ガソリンインジェクタ１３を通じて適切なタイミングでキャビティ５Ｃ内の圧縮空気中に直接に噴射されて、点火プラグ１２によって火花点火されて燃焼・膨張する。
【００１６】
図４に示す燃焼室１Ｄは、いわゆるポート噴射型のディーゼルデュアルフューエルエンジンの燃焼室であり、シリンダボア２内を往復動するピストン３の頂面４の中央部に凹設されたキャビティ５Ｄから構成されている。このキャビティ５Ｄの断面形状としては、浅皿型やリエントラント型などが例示される。
【００１７】
この燃焼室１Ｄでは、一方の燃料である天然ガスは、ＣＮＧインジェクタ１４を通じて吸気弁９の開弁中に吸気管１０内へシリンダボア２へ向けて供給される。そして、燃焼室１Ｄ内へ導入された天然ガスは、軽油インジェクタ６を通じて適切なタイミングでキャビティ５Ｄ内へ噴射された他方の燃料である軽油とともに、圧縮時に自着火により燃焼・膨張することでピストン３を押し下げる。燃焼後のガスは、排気弁７の開放時に排気管８を通じてシリンダボア２から排出される。
【００１８】
図５に示す燃焼室１Ｅは、いわゆる筒内噴射型又は直噴型のディーゼルデュアルフューエルエンジンの燃焼室であり、シリンダボア２内を往復動するピストン３の頂面４の中央部に凹設されたキャビティ５Ｅから構成されている。
【００１９】
この燃焼室１Ｅでは、燃料である天然ガス及び軽油は、ＣＮＧインジェクタ１４及び軽油インジェクタ６を通じて、適切なタイミングでキャビティ５Ｅ内にそれぞれ噴射されて、圧縮時に自着火により燃焼・膨張する。
【００２０】
このような燃焼室１Ａ〜１Ｅの設計方法におけるＣＦＤによる燃焼時の解析評価を、図６に基づいて以下に説明する。
【００２１】
最初に、予め設計された形状を有する燃焼室１Ａ〜１Ｅ内に計算格子を複数区画して設定する（Ｓ１０）。キャビティを有するタイプの燃焼室（例えば、燃焼室１Ａなど）内に計算格子を設定した例を図７に示す。また、キャビティを有しないタイプの燃焼室（例えば、燃焼室１Ｂなど）内に計算格子を設定した例を図８に示す。これらの例では、各計算格子を規則的に区画しているが、不規則に区画することもある。
【００２２】
次に、各計算格子における燃焼反応計算を実施して（Ｓ２０）、化学反応による化学種の増減量などを求める。この燃焼反応計算においては、計算格子ごとにＣＰＵをそれぞれ割り当てて並列で処理する並列計算が用いられる。
【００２３】
次に、燃料噴霧の計算格子間の移動を流体解析により評価して（Ｓ３０）、燃焼室内における化学種の空間濃度を求める（Ｓ４０）。
【００２４】
最後に、各計算格子における温度変化を求める（Ｓ５０）。これらのステップ２０〜５０の処理は繰り返し実施される。
【００２５】
このようなＣＦＤによる解析評価において、ステップ２０における計算格子のＣＰＵへの割り当ては無作為に行われる。
【００２６】
この無作為に割り当てる方法の一例を、ｎ個の連続する計算格子をｍ個のＣＰＵにそれぞれ割り当てるケースで説明する（図９を参照）。なお、通常はｎ＞ｍの関係となる。
【００２７】
まず、ｎ個の計算格子及びｍ個のＣＰＵに対して、１〜ｎ及び１〜ｍの番号付けをそれぞれ行う（図９（ａ））。次に、互いに異なるｎ個の乱数を、１〜ｎ番の計算格子に対してそれぞれ発生順に振り分ける（図９（ｂ））。この乱数の発生は、ＣＦＤに予め組み込まれた乱数発生処理等により行うことができる。次に、その振り分けられた乱数間の大小関係（この例では小さい順）に基づいて１〜ｎ番の計算格子の順序を並び替える（図９（ｃ））。そして、その並び替えられた順序に従って、各計算格子をｍ個のＣＰＵに１つずつ順に割り当てる（図９（ｄ））。このとき、順番がｍ超となる計算格子は、１番のＣＰＵから再び順に割り当てるようにする。
【００２８】
以上のように、複数の計算格子における燃焼反応計算を、複数のＣＰＵのいずれか１つにそれぞれ無作為に割り当てることにより、各ＣＰＵにおける計算負荷が均一化されて並列計算処理の効率が向上するため、ＣＦＤを用いた燃焼反応計算を従来よりも高速で実施することができるのである。
【００２９】
なお、本発明のエンジンの燃焼室構造の設計方法は、上述したディーゼルエンジン、ガソリンエンジン及びディーゼルデュアルフューエルエンジンの燃焼室１Ａ〜１Ｅに限らず、燃焼反応が時空間的にばらつくエンジン燃焼が生じるエンジンであれば適用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１Ａ〜１Ｅ  燃焼室
２  シリンダボア
３  ピストン
４  頂面
５Ａ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ  キャビティ
６  軽油インジェクタ
７  排気弁
８  排気管
９  吸気弁
１０  吸気管
１１  内壁
１２  点火プラグ
１３  ガソリンインジェクタ
１４  ＣＮＧインジェクタ
【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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【図９】
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