(57)【要約】【課題】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予測解析システムＡにおいて、シミュレーションの精度を十分に高いものとしながら、そのための演算に要する時間は短縮して、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】例えば４サイクルエンジンのシミュレーションにおいて、吸気及び排気行程では吸排気の流れを１次元及び３次元のＣＦＤ演算により記述する。一方、圧縮及び膨張行程では少なくとも燃焼室の作動ガスを窒素、酸素、炭化水素、炭酸ガス等により模擬して、化学反応式の演算を行う（化学反応ＳＩＭ）。吸気行程でのＣＦＤ演算の結果等に基づいて、化学反応ＤＢ１２から化学反応ＳＩＭに用いる圧縮過程初期の作動ガスの成分を読み込む（結果処理＊１）。圧縮及び膨張行程での化学反応ＳＩＭの結果に基づいて、ＣＦＤ演算における排気の初期状態を求める（結果処理２）。【選択図】      図７
2004239130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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予測解析方法であって、
エンジンの燃焼サイクルを吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの過程に分けて、吸気及び排気過程ではそれぞれエンジンの作動ガスの流れをＣＦＤ演算により記述する一方、
前記圧縮及び膨張過程では少なくとも燃焼室における作動ガスを前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述するとともに、
少なくとも前記吸気過程におけるＣＦＤ演算の結果に基づいて、前記化学反応式の演算に用いる圧縮過程初期の作動ガスの成分を決定し、
少なくとも前記膨張過程における化学反応式の演算結果に基づいて、前記ＣＦＤ演算における燃焼室からの排気の初期状態を決定することを特徴とするエンジン性能の予測解析方法。
【請求項２】
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ためのコンピュータシステムであって、
エンジンの燃焼サイクルにおける吸気及び排気過程でそれぞれエンジンの作動ガスの流れをＣＦＤ演算により模擬するＣＦＤ演算手段と、
前記エンジンの圧縮及び膨張過程で少なくとも燃焼室における作動ガスを前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述する化学反応演算手段と、
少なくとも前記ＣＦＤ演算手段による演算の結果に基づいて、圧縮過程初期の燃焼室における作動ガスの成分を決定し、このガス成分のデータを前記化学反応演算手段に提供する第１のデータ提供手段と、
少なくとも前記化学反応演算手段による演算の結果に基づいて、燃焼室からの排気の初期状態を決定し、この排気状態のデータを前記ＣＦＤ演算手段に提供する第２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。
【請求項３】
請求項２において、
ＣＦＤ演算手段は、エンジンの吸気過程では作動ガスである吸気を空気とＥＧＲガスとにより模擬して、それぞれの流れの状態を表す変数を演算するものであり、
化学反応演算手段は、エンジンの圧縮及び膨張過程における燃焼室の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して、それらの化学反応を記述するものであり、
第１のデータ提供手段は、少なくとも前記ＣＦＤ演算手段による演算の結果に基づいて、圧縮過程初期の燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求めて、これにより当該燃焼室における前記各ガス成分の割合を決定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。
【請求項４】
請求項３において、
エンジンの燃焼室に充填された吸気のガス成分を、少なくともその吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合と圧縮過程初期における燃焼室の状態とに対応付けて、予めグループ化した状態で格納したデータベースが設けられ、
第１のデータ提供手段は、少なくともＣＦＤ演算手段による演算の結果に基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求め、これらに対応するグループのガス成分データを前記データベースから読み込む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。
【請求項５】
請求項４において、
データベースに格納されている吸気のガス成分データは、予め実験的に設定した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。
【請求項６】
請求項４において、
化学反応演算手段による演算の結果に基づいて排気のガス成分を求め、これをＥＧＲガスの成分とみなしてデータベースに格納されたガス成分のデータを修正するデータベース更新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。
【請求項７】
請求項４において、
エンジンの燃焼室の状態を表す複数の物理量の値を、当該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、
第１のデータ提供手段は、シミュレーションにおけるエンジンの運転条件に対応する前記物理量の値を前記マップから読み込み、この物理量の値とＣＦＤ演算手段による演算の結果とに基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求め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。
【請求項８】
請求項４において、
データベースは、予めエンジンの諸元に対応付けて複数、準備されており、
第１のデータ提供手段は、前記エンジンの諸元を特定する諸元データに基づいて、その諸元に対応するデータベースからガス成分のデータを読み込む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。
【請求項９】
請求項４において、
データベースに格納されているガス成分のデータは、エンジンの燃焼に関与する吸気中のガス成分のうちから、予めエンジンの運転条件に対応付けて所定数以下となるように抽出した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。
【請求項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、
エンジンの燃焼サイクルにおける吸気及び排気過程でそれぞれエンジンの作動ガスの流れをＣＦＤ演算により模擬するＣＦＤ演算ステップと、
前記エンジンの圧縮及び膨張過程で少なくとも燃焼室における作動ガスを前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述する化学反応演算ステップと、
少なくとも前記ＣＦＤ演算ステップにおける演算の結果に基づいて圧縮過程初期の燃焼室における作動ガスの成分を決定し、このガス成分のデータを前記化学反応演算ステップにおける演算の条件として提供する第１のデータ提供ステップと、
少なくとも前記化学反応演算ステップにおける演算の結果に基づいて燃焼室からの排気の初期状態を決定し、この排気状態のデータを前記ＣＦＤ演算ステップにおける演算の条件として提供する第２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。
【請求項１１】
請求項１０において、
ＣＦＤ演算ステップでは、エンジンの吸気過程で作動ガスである吸気を空気とＥＧＲガスとにより模擬して、それぞれの流れの状態を表す変数を演算し、
化学反応演算ステップでは、エンジンの圧縮及び膨張過程における燃焼室の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して、それらの化学反応を記述し、
第１のデータ提供ステップでは、少なくとも前記ＣＦＤ演算ステッップにおける演算の結果に基づいて、圧縮過程初期の燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求めて、これにより当該燃焼室における前記各ガス成分の割合を決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。
【請求項１２】
請求項１１において、
エンジンの燃焼室に充填された吸気のガス成分を、少なくともその吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合と圧縮過程初期における燃焼室の状態とに対応付けて予めグループ化した状態で格納したデータベースを準備しておいて、
第１のデータ提供ステップでは、少なくとも前記ＣＦＤ演算ステップにおける演算の結果に基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求め、これらに対応するグループのガス成分データを前記データベースから読み込むものと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。
【請求項１３】
請求項１２において、
化学反応演算ステップにおける演算の結果に基づいて排気のガス成分を求め、これをＥＧＲガスの成分とみなして前記データベースにおけるガス成分のデータを修正するデータベース更新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。
【請求項１４】
請求項１２において、
エンジンの燃焼室の状態を表す複数の物理量の値を、当該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準備しておいて、
第１のデータ提供ステップでは、シミュレーションにおけるエンジンの運転条件に対応する前記物理量の値を前記マップから読み込み、この物理量の値とＣＦＤ演算手段による演算の結果とに基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求め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。
【請求項１５】
請求項１２において、
データベースは、予めエンジンの諸元に対応付けて複数、準備しておいて、
第１のデータ提供ステップでは、前記エンジンの諸元を特定する諸元データに基づいて、その諸元に対応するデータベースからガス成分のデータを読み込む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。
【発明の詳細な説明】
【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、主に燃料として供給される炭化水素と空気中の酸素との反応や燃焼過程で生成される一酸化炭素等の中間生成物と酸素との反応、或いは高温下で空気中の窒素と酸素とが結びついて窒素酸化物が生成する反応等、燃焼に係る延べ３０００種類以上の化学素反応を逐次、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、エンジンの運転に伴う吸排気の流れのシミュレーションと燃焼を模擬する化学反応シミュレーションとを一体的に組み合わせて、エンジンの運転状態を模擬するようにしたシミュレーションシステムは存在しない。これは、吸排気の流れを模擬するＣＦＤ演算では、周知の流体力学の方程式を数値計算により解くことによって、作動ガスの流れの状態を表す圧力や温度等の変数の値を逐次、求めていくのに対し、燃焼を模擬する化学反応シミュレーションでは前記の如くガス成分の化学反応を記述するものであり、そのように演算の対象が大きく異なる２つのシミュレーションの結果を適切に組み合わせて、ダイナミックに解くことが難しいからである。
【０００７】
特に、エンジンの排気の一部を吸気系に還流させるようにした（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：以下、ＥＧＲと略記する）場合、吸気にはエンジンに外部から供給される新しい空気（新気ともいう）の他に、排気系から還流される排気（ＥＧＲガスともいう）が含まれ、このＥＧＲガスには燃料の未燃分、炭酸ガス、窒素酸化物、水蒸気等が新気よりもかなり多く含まれているから、その取り扱いが問題となる。すなわち、そのように分子量の大きく異なる複数のガス成分を含む吸気の流れは、厳密には個々のガス成分毎に個別に演算することが好ましいのであるが、これではＣＦＤ演算の量が著しく多くなってしまい時間がかかり過ぎるので、実用的とはいえない。
【０００８】
また、前記化学反応シミュレーションの演算だけでも、仮に、前記したように膨大な数の化学素反応の全てを記述するとすれば、そのための演算量は極めて多くなって、シミュレーションを徒に遅延させる虞れがある。
【０００９】
本発明は斯かる諸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、ＣＦＤ演算と化学反応式の演算とを組み合わせて両者をダイナミックに解くことによりシミュレーションの精度を向上しながら、演算に要する時間は短縮して、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。
【００１０】
【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、作動ガスの成分が精度にあまり大きな影響を及ぼさないＣＦＤ演算については、作動ガスを化学反応シミュレーションよりも少数のガス成分によって模擬するようにし、その上で、吸気過程でのＣＦＤ演算の結果から化学反応シミュレーションに用いる作動ガスの成分を特定できるようにした。
【００１１】
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予測解析方法を対象とする。そして、エンジンの燃焼サイクルを吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの過程に分けて、吸気及び排気過程ではそれぞれエンジンの作動ガスの流れをＣＦＤ演算により記述する一方、圧縮及び膨張過程では少なくとも燃焼室における作動ガスを前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述するとともに、少なくとも前記吸気過程におけるＣＦＤ演算の結果に基づいて、前記化学反応式の演算に用いる圧縮過程初期の作動ガスの成分を決定し、また、少なくとも前記膨張過程における化学反応式の演算結果に基づいて、前記ＣＦＤ演算における燃焼室からの排気の初期状態を決定するようにする。
【００１２】
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、そのエンジンの燃焼サイクルを吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの過程に分けて、吸気及び排気過程ではＣＦＤ演算を行い、一方、圧縮及び膨張過程では化学反応シミュレーションを行う。すなわち、例えば４サイクルエンジンの場合、ピストンの動作によって区別される吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの行程に対応して、吸気及び排気行程ではそれぞれ吸排気の流れの状態をＣＦＤ演算により記述する一方、圧縮及び膨張行程では少なくとも燃焼室に充填された吸気を前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、化学反応式の演算を行う。
【００１３】
その際、前記吸気過程におけるＣＦＤ演算の結果として、気筒内に充填される吸気の圧力や温度等、即ち圧縮過程初期の燃焼室における作動ガスの状態が正確に求められ、これにより、その作動ガスの成分を特定して化学反応シミュレーションを行うことが可能になる。一方、前記化学反応シミュレーションからは燃焼室からの既燃ガス、即ち排気の圧力や温度等の初期値が正確に求められるので、これに基づいて排気の正確なＣＦＤ演算を行うことが可能になる。
【００１４】
そのようにしてＣＦＤ演算の結果と化学反応式の演算結果とを相互に利用し、両者を適切に組み合わせてダイナミックに解くことができるようになれば、シミュレーションの精度を向上できる。しかも、ガス成分の化学反応を記述する化学反応シミュレーションでは、作動ガスを相対的に多くのガス成分により模擬することでシミュレーション精度を高めることができ、一方、流れの状態を記述するＣＦＤ演算では作動ガスを相対的に少ないガス成分により模擬することで、所要の精度を確保しながら、演算に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００１５】
尚、本願発明を２サイクルエンジンのシミュレーションに適用する場合は、例えば、ピストンの下降に伴い燃焼室に臨む掃気ポート（吸気ポート）が開いてから、該ピストンが下死点を過ぎて上昇に転じ、前記掃気ポートが閉じられるまでを吸気過程とし、その後、ピストンの上昇によって吸気が圧縮される期間を圧縮過程とし、次いで燃焼に伴うピストンの下降によって排気ポートが開くまでを膨張過程とし、最後に、それからさらにピストンが下降して前記掃気ポートが開くまでを排気過程とすればよい。或いは、前記掃気ポートが開いた後にそこから流入する新気によって燃焼ガスの排出が促進されることを考慮して、掃気ポートが開いてから所定期間が経過するまでを排気過程とし、それから前記の如く掃気ポートが閉じられるまでを吸気過程としてもよい。
【００１６】
次に、本願の請求項２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、エンジンの燃焼サイクルにおける吸気及び排気過程でそれぞれエンジンの作動ガスの流れをＣＦＤ演算により模擬するＣＦＤ演算手段と、前記エンジンの圧縮及び膨張過程で少なくとも燃焼室における作動ガスを前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述する化学反応演算手段と、少なくとも前記ＣＦＤ演算手段による演算の結果に基づいて圧縮過程初期の燃焼室における作動ガスの成分を決定し、このガス成分のデータを前記化学反応演算手段に提供する第１のデータ提供手段と、少なくとも前記化学反応演算手段による演算の結果に基づいて燃焼室からの排気の初期状態を決定し、この排気状態のデータを前記ＣＦＤ演算手段に提供する第２のデータ提供手段と、を備えるものとする。
【００１７】
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、吸気及び排気過程における作動ガスの流れがＣＦＤ演算によって記述されるとともに、圧縮及び膨張過程では作動ガスが前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬されて、その反応が化学反応式の演算により記述される。また、少なくとも前記ＣＦＤ演算の結果に基づいて、第１のデータ提供手段により圧縮過程初期の燃焼室における作動ガスの成分が求められて、これが前記化学反応式の演算に提供される一方、その化学反応式の演算結果に基づいて、第２のデータ提供手段により排気の初期状態が求められて、これが前記ＣＦＤ演算に提供される。このようにして、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。
【００１８】
請求項３の発明では、請求項２の発明におけるＣＦＤ演算手段を、エンジンの吸気過程では作動ガスである吸気を空気とＥＧＲガスとにより模擬して、それぞれの流れの状態を表す変数を演算するものとし、また、化学反応演算手段は、エンジンの圧縮及び膨張過程における燃焼室の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して、それらの化学反応を記述するものとする。さらに、第１のデータ提供手段は、少なくとも前記ＣＦＤ演算手段による演算の結果に基づいて、圧縮過程初期の燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求めて、これにより当該燃焼室における前記各ガス成分の割合を決定するものとする。
【００１９】
このことで、吸気過程では吸気（作動ガス）を空気とＥＧＲガスとにより模擬して、それぞれの流れの状態を個別に演算することで、エンジンの運転条件の変化に伴い吸気に対するＥＧＲガスの割合が変化しても作動ガスそのものを変更する必要はなく、演算を容易に行うことができる。一方、圧縮及び膨張過程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。
【００２０】
請求項４の発明では、前記請求項３の発明において、エンジンの燃焼室に充填された吸気のガス成分を、少なくともその吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合と圧縮過程初期における燃焼室の状態とに対応付けて、予めグループ化した状態で格納したデータベースを設けておいて、第１のデータ提供手段は、少なくともＣＦＤ演算手段による演算の結果に基づいて圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求め、これらに対応するグループのガス成分データを前記データベースから読み込むものとする。
【００２１】
このことで、ＣＦＤ演算等により求められる吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合と圧縮過程初期における燃焼室の状態とに基づいて、これらに対応するガス成分データが第１のデータ提供手段によりデータベースから読み込まれ、これにより、化学反応演算における作動ガスの成分が特定される。
【００２２】
請求項５の発明では、請求項４の発明におけるデータベースに格納されている吸気のガス成分データは予め実験的に設定したものとする。このことで、予め実験的に求めたガス成分のデータに基づいて化学反応演算に用いる作動ガスの成分が求められるので、精度の高いシミュレーションを行うことができる。
【００２３】
請求項６の発明では、請求項４の発明において、化学反応演算手段による演算の結果に基づいて排気のガス成分を求め、これをＥＧＲガスの成分とみなしてデータベースに格納されたガス成分のデータを修正するデータベース更新手段を備えるものとする。このことで、ＣＦＤ演算及び化学反応演算の結果として求められるＥＧＲガスの成分によりデータベースに格納されているガス成分のデータを修正して、シミュレーションの精度をさらに向上することができる。
【００２４】
請求項７の発明では、請求項４において、エンジンの燃焼室の状態を表す複数の物理量の値を、当該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、第１のデータ提供手段は、シミュレーションにおけるエンジンの運転条件に対応する前記物理量の値を前記マップから読み込み、この物理量の値とＣＦＤ演算手段による演算の結果とに基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求めるものとする。
【００２５】
このことで、エンジンの燃焼室の状態を表す複数の物理量、即ち、例えば燃焼室の空燃比（或いは燃料供給量）、燃焼室に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量、燃焼室の壁温等の値が、第１のデータ提供手段により、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）に応じて予め設定したマップから読み込まれる。そして、その複数の物理量の値と、ＣＦＤ演算により求められる吸気の圧力や温度、吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合等に基づいて、化学反応演算に用いる作動ガスの成分を正確に求めることができる。
【００２６】
請求項８の発明では、請求項７の発明におけるデータベースを、予めエンジンの諸元に対応付けて複数、準備し、第１のデータ提供手段は、前記エンジンの諸元を特定する諸元データに基づいて、その諸元に対応するデータベースからガス成分のデータを読み込むものとする。
【００２７】
すなわち、燃焼に係るガス成分とその化学素反応は延べ３０００種類以上にも及ぶものであるから、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、データベースが大きくなり過ぎて、例えば検索時間が長くなる等の不都合を生じる。そこで、シミュレーションするエンジンの諸元と燃焼室の状態との間にはある程度の関連があることに着目して、予めエンジンの諸元毎にデータベースを準備することで、演算量の増大を抑制し、個々のデータベースの大きさは適度なものとすることができる。
【００２８】
請求項９の発明では、請求項７の発明におけるデータベースに格納されているガス成分のデータは、エンジンの燃焼に関与する吸気中のガス成分のうちから、予めエンジンの運転条件に対応付けて所定数以下となるように抽出したものとする。
【００２９】
すなわち、上述したように、燃焼に係る膨大なガス成分データを全て用いる場合には、種々の不都合を生じることになるから、この発明では、燃焼の状態を模擬する上で特に重要な（代表的な）ガス成分の反応のみに絞り込むようにする。その際、エンジンの運転条件によって代表的な化学反応の種類が変わることに鑑みて、ガス成分又は化学素反応を、その数がエンジンの運転条件に対応する所定数以下となるように抽出することで、演算量の増大を効果的に抑制し、また、データベースの大きさを適度のものとすることができる。
【００３０】
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、エンジンの燃焼サイクルにおける吸気及び排気過程でそれぞれエンジンの作動ガスの流れをＣＦＤ演算により模擬するＣＦＤ演算ステップと、前記エンジンの圧縮及び膨張過程で少なくとも燃焼室における作動ガスを前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述する化学反応演算ステップと、少なくとも前記ＣＦＤ演算ステップにおける演算の結果に基づいて圧縮過程初期の燃焼室における作動ガスの成分を決定し、このガス成分のデータを前記化学反応演算ステップにおける演算の条件として提供する第１のデータ提供ステップと、少なくとも前記化学反応演算ステップにおける演算の結果に基づいて燃焼室からの排気の初期状態を決定し、この排気状態のデータを前記ＣＦＤ演算ステップにおける演算の条件として提供する第２のデータ提供ステップとを備えるものとする。
【００３１】
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２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、該請求項２の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３２】
請求項１１の発明では、請求項１０の発明におけるＣＦＤ演算ステップで、エンジンの吸気過程で作動ガスである吸気を空気とＥＧＲガスとにより模擬して、それぞれの流れの状態を表す変数を演算し、化学反応演算ステップでは、エンジンの圧縮及び膨張過程における燃焼室の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して、それらの化学反応を記述し、第１のデータ提供ステップでは、少なくとも前記ＣＦＤ演算ステッップにおける演算の結果に基づいて、圧縮過程初期の燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求めて、これにより当該燃焼室における前記各ガス成分の割合を決定するようにする。
【００３３】
こうすれば、請求項３の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３４】
請求項１２の発明では、請求項１１の発明において、エンジンの燃焼室に充填された吸気のガス成分を、少なくともその吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合と圧縮過程初期における燃焼室の状態とに対応付けて予めグループ化した状態で格納したデータベースを準備しておいて、第１のデータ提供ステップでは、少なくとも前記ＣＦＤ演算ステップにおける演算の結果に基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求め、これらに対応するグループのガス成分データを前記データベースから読み込むものとする。
【００３５】
こうすれば、請求項４の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３６】
請求項１３の発明では、請求項１２の発明において、化学反応演算ステップにおける演算の結果に基づいて排気のガス成分を求め、これをＥＧＲガスの成分とみなして前記データベースにおけるガス成分のデータを修正するデータベース更新ステップを備えるものとする。
【００３７】
このことで、請求項６の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３８】
請求項１４の発明では、請求項１２の発明において、エンジンの燃焼室の状態を表す複数の物理量の値を、当該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準備して、第１のデータ提供ステップでは、シミュレーションにおけるエンジンの運転条件に対応する前記物理量の値を前記マップから読み込み、この物理量の値とＣＦＤ演算手段による演算の結果とに基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求めるようにする。
【００３９】
こうすれば、請求項７の発明と同じ作用効果が得られる。
【００４０】
請求項１５の発明では、請求項１４の発明におけるデータベースを、予めエンジンの諸元に対応付けて複数、準備しておいて、  第１のデータ提供ステップでは、前記エンジンの諸元を特定する諸元データに基づいて、その諸元に対応するデータベースからガス成分のデータを読み込むようにする。
【００４１】
こうすれば、請求項８の発明と同じ作用効果が得られる。
【００４２】
【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。
【００４３】
（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演算により記述するとともに、気筒内の燃焼を化学反応式により記述し、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り、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
（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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。また、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。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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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はないから、シミュレーションを容易に行える。
【００６０】
（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、気筒の下死点と吸気バルブの閉時期とが異なることを考慮して、前記ＣＦＤ演算では一度、気筒内に流入した後の吸気の吹き返しも模擬するようにする。
【００６１】
そのようにして、圧縮行程初期の燃焼室の圧力ｐ及び温度Ｔが求められ、吸気流速ｕからは気筒内流動の強さが求められる。また、吸気中のＥＧＲガスの割合も求められる。一方、混合気の空燃比（又は気筒への燃料供給量）や燃焼室に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量、気筒壁温等は、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）に基づいて求められる。すなわち、この実施形態では、前記空燃比、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。
【００６２】
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、吸気中のＥＧＲガス量等を含めて圧縮行程初期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ると、図４に模式的に示すように、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から読み込むことで、化学反応シミュレーションに用いる作動ガスの成分を、ＣＦＤによる流れのシミュレーションとエンジンの運転条件とを反映させた適切なものとすることができる。
【００６３】
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４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５参照）、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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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に基づいて、当該気筒が排気行程に移行したときに焼室から排出される既燃ガス（排気）の状態を表す変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔを求める。これらの変数が上述したＣＦＤ演算プログラムにおける排気流の境界条件として与えられる。尚、排気の密度ρは、気筒内の既燃ガスの組成により求めることができる。また、圧縮及び膨張行程における気筒内の流動は零とみなすことから、排気流速ｕの初期値は零になる。
【００６７】
前記のように化学反応シミュレーションにより求められ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。
【００６８】
（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６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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
そして、後述するが、前記ＣＦＤ演算の結果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た後に（Ｓ３４）、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）、その後、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。
【００７８】
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、図７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、該データに基づいて第１気筒ｃ１に充填された吸気の圧力ｐ、温度Ｔ等や吸気中のＥＧＲガスの割合を求めるとともに、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み、こ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に結果処理＊１として示す）。
【００７９】
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６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の圧縮行程初期から膨張行程の終期に至るまで、前記微小クランク角毎に繰り返し行われ（Ｓ３４、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。
【００８０】
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７に結果処理＊２として示すように、前記化学反応演算の結果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、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、排気流の初期状態を表す変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔ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、図６のフローのステップＳ３４において、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。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。
【００８１】
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。
【００８２】
前記図６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ＣＦＤ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吸排気に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述する化学反応演算ステップに対応している。
【００８３】
前記フローのステップＳ３４は、ＣＦＤ演算の結果に基づいて圧縮行程初期の燃焼室における作動ガスの成分を決定し、このガス成分のデータを化学反応演算の条件として提供する第１のデータ提供ステップと、その化学反応演算の結果に基づいて燃焼室からの排気の初期状態を決定し、この排気状態のデータを前記ＣＦＤ演算の条件として提供する第２のデータ提供ステップとに対応するとともに、さらに、前記化学反応演算により求められる排気のガス成分をＥＧＲガスの成分とみなして、化学反応ＤＢ１２におけるガス成分のデータを修正するデータベース更新ステップにも対応している。
【００８４】
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、この演算サーバ１，１，…がＣＦＤ演算手段を構成する。また、同様にステップＳ５１〜５３を実行する演算サーバ１，１，…が化学反応演算手段を構成し、ステップＳ３４を実行する演算サーバ１，１，…が第１及び第２のデータ提供手段とデータベース更新手段とを構成する。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
そして、前記ＣＦＤ演算の結果から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求めるとともに、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。
【００８９】
以上より、エンジンの性能を予測するための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。
【００９０】
（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。
【００９１】
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ガスを含む吸気として１つの成分とみなすことも可能である。
【００９２】
また、前記実施形態における化学反応ＤＢ１２を、例えば図８に示すように、エンジンの諸元に対応付けて複数、設けることもできる。すなわち、上述したように燃焼に係る化学素反応は膨大なものであるから、前記実施形態のようにエンジンの運転条件に対応する代表的なものだけを抽出したとしても、それらを運転条件毎にグループ化して１つのデータベースに格納すると、当該データベースが大きくなり過ぎて、例えば検索時間が長くなる等の不都合を生じる。
【００９３】
そこで、エンジンの諸元と燃焼室の状態との間にある程度の相関関係があることに着目して、図示の如く予めエンジンの諸元毎に複数のデータベースＤＢ１２ａ，ＤＢ１２ｂ，ＤＢ１２ｃ，…を設けておき、シミュレーション中のエンジンの諸元に対応するデータベースからガス成分のデータを読み込むようにすれば、個々のデータベースＤＢ１２ａ，ＤＢ１２ｂ，ＤＢ１２ｃ，…の大きさはそれぞれ適度なものとすることができる。
【００９４】
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し、２サイクルエンジンやロータリエンジンについて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。
【００９５】
【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、ＣＦＤと化学反応シミュレーションとを組み合わせてダイナミックに解くとともに、流れを模擬するＣＦＤ演算では作動ガスを相対的に少ないガス成分とし、一方、燃焼を模擬する化学反応式の演算では、その精度を確保できるように相対的に多くのガス成分を用いるようにしたので、従来までと比べてシミュレーションの精度を向上しながら、演算に要する時間は短縮して、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上することができる。
【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】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５】燃焼に関する化学反応の例を示す説明図。
【図６】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７】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８】化学反応ＤＢを複数設けた他の実施形態に係る図１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（ＣＦＤ演算手段、化学反応演算手段、第１及び第２のデータ提供手段、データベース更新手段）
１２        化学反応ＤＢ（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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