(57)【要約】【課題】エンジンの吸排気等の流れをＣＦＤの適用により解析する予測解析システムＡにおいて、解析精度を十分に高いものとしながら、ＣＦＤ演算に要する時間を可及的に短縮して、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サイクルエンジンにおける各気筒の吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの行程毎にそれぞれ吸排気の流れを解析する空間の次元を選択可能とし（選択ステップＳ１）、該エンジンの吸気系の一部から排気系の一部までに亘る吸排気の流れを前記各行程毎にそれぞれ前記選択された次元で模擬するように物理モデルを設定する（モデル設定ステップＳ２，Ｓ３１，Ｓ４１，Ｓ５１）。前記物理モデルを用いて吸排気の流れをＣＦＤ演算するとともに、燃焼における化学反応を模擬し（演算ステップＳ３３，Ｓ４３，Ｓ５３）、それらの演算結果に基づいて、エンジン性能に関する出力を行う（出力ステップＳ４）。【選択図】      図６
2004239128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの作動流体の運動を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つの過程に分割し、その各過程毎にそれぞれ作動流体の運動を解析する空間の次元を設定するとともに、
前記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流体の運動を、前記各過程毎にそれぞれ設定した次元のＣＦＤ演算を行うことによって解析し、
その解析結果に基づいてエンジンの性能を予測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】
エンジンの作動流体の運動を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、
エンジンの燃焼サイクルにおける吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの過程毎にそれぞれ作動流体の運動を解析する空間の次元を選択可能とした選択手段と、
前記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流体の運動を、前記各過程毎にそれぞれ前記選択された次元で模擬するように物理モデルを設定するモデル設定手段と、
前記エンジンの作動流体の運動を前記物理モデルを用いてＣＦＤ演算する演算手段と、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、
選択手段は、吸気過程にあるエンジンの作動流体の運動を１次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択可能と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４】
請求項２において、
選択手段は、排気過程にあるエンジンの作動流体の運動を１次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択可能としたものである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２において、
選択手段は、吸気及び排気過程にあるエンジンの作動流体の運動をそれぞれ１次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択可能としたものであり、
モデル設定手段は、エンジンの吸気又は排気過程についてそれぞれ前記選択された次元の物理モデルを設定するとともに、圧縮及び膨張過程にあるエンジンの少なくとも燃焼室内の作動流体は運動しないとみなして、０次元の物理モデルを設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。
【請求項６】
請求項２において、
モデル設定手段は、吸気及び排気過程にあるエンジンの吸気系から排気系に亘って、そのうちの一部分に３次元の物理モデルを設定し、且つ他の一部分に１次元の物理モデルを設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７】
請求項２において、
エンジンの設計ＣＡＤデータが蓄積されたデータベースを備え、
モデル設定手段は、前記データベースから所要のデータを読み込み、このデータに基づいてＣＦＤ演算のための物理モデルを構築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。
【請求項８】
請求項２において、
エンジンの作動流体が流通する所定部位の基本形状を模擬し且つその寸法、形状及び物理特性値のうちの少なくとも１つが変更可能な部品モデルのデータベースを備え、
モデル設定手段は、前記所定部位の寸法及び物理特性値の少なくとも１つに関するデータの入力を受け、このデータに基づいて前記データベースから読み込んだ部品モデルに変更を加えて、ＣＦＤ演算のための物理モデルを構築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。
【請求項９】
請求項２において、
演算手段は、エンジンの作動流体の運動を模擬する空間の次元が変化するときには、その作動流体の運動を記述する変数の値を次元の変化に合わせて変換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。
【請求項１０】
請求項２において、
演算手段によるＣＦＤ演算の結果に基づいてエンジンの性能に関する出力を行う出力手段をさらに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１１】
エンジンの作動流体の運動を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、
エンジンの燃焼サイクルにおける吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの過程毎にそれぞれ作動流体の運動を解析する空間の次元を選択させる選択ステップと、
前記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流体の運動を、前記各過程毎にそれぞれ前記選択された次元で模擬するように物理モデルを設定するモデル設定ステップと、
前記エンジンの作動流体の運動を前記物理モデルを用いてＣＦＤ演算する演算ステップと、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１２】
請求項１１において、
選択ステップでは、吸気過程にあるエンジンの作動流体の運動を１次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択可能とした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１１において、
選択ステップでは、排気過程にあるエンジンの作動流体の運動を１次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択可能とした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１１において、
選択ステップでは、吸気及び排気過程にあるエンジンの作動流体の運動をそれぞれ１次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択可能とし、
モデル設定ステップでは、エンジンの吸気又は排気過程についてそれぞれ前記選択された次元の物理モデルを設定するとともに、圧縮過程及び膨張過程にあるエンジンの少なくとも気筒内の作動流体は運動しないとみなして、０次元の物理モデルを設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１５】
請求項１１において、
モデル設定ステップでは、吸気及び排気過程にあるエンジンの吸気系から排気系に亘って、そのうちの一部分に３次元の物理モデルを設定し、且つ他の一部分に１次元の物理モデルを設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１６】
請求項１１において、
モデル設定ステップでは、エンジンの設計ＣＡＤデータが蓄積されたデータベースから所要のデータを読み込み、このデータに基づいてＣＦＤ演算のための物理モデルを構築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１７】
請求項１１において、
エンジンの作動流体が流通する所定部位の基本形状を模擬し且つその寸法、形状及び物理特性値のうちの少なくとも１つが変更可能な部品モデルのデータベースが準備されており、
前記所定部位に関する寸法及び物理特性値の少なくとも１つを入力させる入力ステップをさらに備え、
モデル設定ステップでは、前記データベースから所要の部品モデルを読み込むとともに、この部品モデルを前記入力ステップにおいて入力したデータに基づいて変更して、ＣＦＤ演算のための物理モデルを構築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１８】
請求項１１において、
演算ステップには、エンジンの作動流体の運動を模擬する空間の次元が変化するときに、その作動流体の運動を記述する変数の値を前記次元の変化に合わせて変換するデータ変換ステップが含ま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の制御プログラム。
【請求項１９】
請求項１１において、
演算ステップにおけるＣＦＤ演算の結果に基づいてエンジンの性能に関する出力を行う出力ステップをさらに備えることを特徴とするエンジン性能の予測解析プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｆｌｕｉｄ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ：数値計算流体力学）を利用して作動流体の運動を解析することにより、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、作動流体である吸気や燃焼ガスの運動を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】
特に近年ではコンピュータの計算能力の目覚ましい進歩によって吸気ポート等の複雑な形状を正確に再現し、その内部における吸気の流れを３次元流として模擬することもできるようになったので、実際にエンジンを試作せずとも、吸気ポート形状を変更したときの吸気の流通抵抗や気筒の体積効率の変化を把握することができる。
【０００５】
しかし、エンジンの運転に伴う吸気や排気の流れを全て３次元で模擬できるようなシミュレーションシステムは存在しない。それは、如何にコンピュータの計算能力が向上したといっても、多気筒エンジンの各気筒毎に異なる吸気通路の形状や燃焼室におけるガス交換の状況、さらには燃焼室から排気系に吹き出す既燃ガスの流れ等を全て３次元流として模擬演算することは非現実的だからである。
【０００６】
従って、従来まで、エンジンの全体的な性能（例えば出力、ドライバビリティ、エミッション等々）を予測しようとすれば、例えば、エンジンの種々の性能特性をそれぞれ調べた実験データを蓄積して、それら性能特性同士を統計的に関連付けたデータベースを構築するとともに、吸気や排気の流れを１次元流として模擬する簡単な物理モデルを用いたシミュレーションを行い、前記性能特性のデータから得られる知見と１次元のシミュレーション結果とを組み合わせて、エンジンの性能を推定することが行われている。
【０００７】
また、前記のような簡易なモデルを用いた１次元のシミュレーションとは別に、例えば吸気ポートの吸気流のみを３次元で模擬するシミュレーションも並行して行い、両者の結果を組み合わせることによって解析の精度を向上することも行われている。しかし、そのような３次元流れのＣＦＤ解析プログラムは一般的に操作が難しく、精度向上のための設定に必要なノウハウも多いことから、専任の解析技術者に負担が集中してしまい、マンパワーの不足によって開発の遅延を招くきらいがあった。
【０００８】
この点について、本願の発明者らは、前記の如くエンジンの全体的な動作を１次元の作動流体の運動（吸排気の流れ）によって模擬する簡易な物理モデルをベースとして、そのモデルの一部分のみを３次元に置き換えて演算することのできるシステムを開発した。また、このシステムでは、ユーザフレンドリなインターフェースを採用するとともに、３次元のＣＦＤ解析プログラムに固有の設定を自動化して、専任の解析技術者でなくても容易に操作できるようにしている。
【０００９】
【特許文献１】
特表２００２−５２６７６２号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４８１４７号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のシステムのようにエンジンの一部分における作動流体の流れだけを３次元流として模擬演算するようにした場合でも、そのための演算量は依然として多く、実用的な時間内に所要の精度の解析結果を得ることができるとは言い難い。すなわち、例えば４サイクル４気筒エンジンにおいてサージタンクから独立吸気通路の入口部分までの吸気の流れを３次元流で模擬し、それ以外は１次元流として模擬するモデルを用いたとしても（図３参照）、実際にはサージタンクから独立吸気通路への流れを３次元流として模擬する必要があるのは、対応する気筒が吸気行程にあるときだけなので、前記のような１次元及び３次元の複合モデルを用いたＣＦＤ演算をエンジンの燃焼サイクル全体に亘って行うとすれば、その演算には依然として不要なものが多く含まれており、高速化の余地が残されているのである。
【００１１】
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、エンジンの作動流体の運動をＣＦＤの適用により解析する場合に、その解析の精度を十分に高いものとしながら、ＣＦＤ演算に要する時間を可及的に短縮して、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。
【００１２】
【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、エンジン性能の解析のために求められるＣＦＤ演算の精度は当該エンジンが燃焼サイクルの如何なる過程にあるかによって大きく異なることに着目し、吸気、圧縮、膨張及び排気の各過程毎にそれぞれ作動流体の運動を解析する空間の次元を設定できるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
具体的に、請求項１の発明は、エンジンの作動流体の運動を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。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つの過程に分割し、その各過程毎にそれぞれ作動流体の運動を解析する空間の次元を設定するとともに、前記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流体の運動を、前記各過程毎にそれぞれ設定した次元のＣＦＤ演算を行うことによって解析し、その解析結果に基づいてエンジンの性能を予測するものとする。
【００１４】
前記の方法により、エンジンの吸排気等、作動流体の運動を解析する場合に、まず、そ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、各過程毎にそれぞれ作動流体の運動を解析する仮想空間の次元を例えば０〜３次元のいずれかに設定する。すなわち、例えば４サイクルエンジンの場合はピストンの動作によって区別される吸気、圧縮、膨張及び排気の各行程毎に作動流体の流れを０次元流、１次元流、２次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択すればよい。尚、ここで０次元流というのは作動流体を運動しないものとみなすということであり、例えば、膨張行程において燃焼室の混合気は燃焼熱によって一様に圧力や体積が増大すると仮定する、ということである。
【００１５】
また、２サイクルエンジンの場合は、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】
そのようにして定めたエンジンの吸気、圧縮、膨張及び排気の各過程毎にそれぞれ前記の如く設定した次元で作動流体の運動を模擬するように物理モデルを設定し、この物理モデルを用いたＣＦＤ演算によって、エンジン運転中の作動流体の流れを少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘って記述する。この際、例えばエンジンが吸気過程から圧縮過程に移行して、作動流体である吸気の流れの次元が変化するときには、その流れを記述する例えば圧力、密度、速度等の変数の値を次元の変化に合わせて変更すればよい。
【００１７】
そうして、エンジン運転中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吸気や排気の流れを所要の精度でもって再現することができれば、これに基づいて、例えば体積効率や損失係数等のエンジンの物理特性を求めることができ、これによりエンジン出力や燃費等の性能特性を予測することができる。この際、エンジンの吸気、圧縮、膨張及び排気の各過程のうち、エンジン性能の予測において作動流体の流れが重要な過程のみを３次元流として演算し、それ以外は例えば１次元流として演算するようにすれば、性能予測の精度は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して、解析に要する時間を短縮することができる。
【００１８】
次に、本願の請求項２の発明は、エンジンの作動流体の運動を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、エンジンの燃焼サイクルにおける吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの過程毎にそれぞれ作動流体の運動を解析する空間の次元を選択可能とした選択手段と、前記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流体の運動を、前記各過程毎にそれぞれ前記選択された次元で模擬するように物理モデルを設定するモデル設定手段と、前記エンジンの作動流体の運動を前記物理モデルを用いてＣＦＤ演算する演算手段と、を備えるものとする。
【００１９】
前記のシステムでは、エンジンの吸気、圧縮、膨張及び排気の各過程毎にそれぞれ作動流体の運動を解析する空間の次元が例えば０〜３次元のうちから選択されると、この選択結果に基づいてモデル設定手段により物理モデルが設定されて、演算手段によりＣＦＤ演算が行われる。これにより、請求項１の発明に係る予測解析方法を実行することができる。つまり、この発明によれば、前記請求項１の発明と同じく、エンジン性能の予測精度を十分に高いものとしながら、そのためのＣＦＤ演算に要する時間を短縮して、システムの設計・開発支援ツールとしての実用性を向上することができる。
【００２０】
より具体的に、前記選択手段は、吸気過程にあるエンジンの作動流体の運動を１次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択可能とすればよく（請求項３の発明）、或いは、排気過程にあるエンジンの作動流体の運動を１次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択可能としてもよい（請求項４の発明）。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ためには、特に吸気の流れを正確に予測することが重要であり、このときには吸気過程の流れを３次元流として解析する必要がある。また、排気系の設計支援の場合には特に排気の流れを正確に予測するために、排気過程における流れを３次元流として解析する。そして、それ以外の過程については１次元の解析とすることで、エンジンの燃焼サイクル全体としての演算量を大幅に減らすことができる。
【００２１】
また、前記選択手段を、吸気及び排気過程にあるエンジンの作動流体の運動をそれぞれ１次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択可能なものとし、モデル設定手段は、エンジンの吸気又は排気過程についてそれぞれ前記選択された次元の物理モデルを設定するとともに、圧縮及び膨張過程にあるエンジンの少なくとも気筒内の作動流体は運動しないとみなして、０次元の物理モデルを設定するものとしてもよい（請求項５の発明）。
【００２２】
すなわち、エンジンの膨張過程で燃焼反応に伴う非常に複雑な流動場の変化を３次元で模擬することは極めて困難であり、また、圧縮過程で気筒内に残る流動の変化は主に前記燃焼反応に影響するものであるから、簡略化のために一旦、燃焼室に閉じこめた吸気の運動は無視して、その吸気は圧縮及び燃焼によって成分が変化するとともに、圧力や体積が一様に増大するのみと仮定すればよい。こうすれば、計算量を大幅に低らすことができる。
【００２３】
前記モデル設定手段は、吸気及び排気過程にあるエンジンの吸気系から排気系に亘って、そのうちの一部分に３次元の物理モデルを設定し、且つ他の一部分には１次元の物理モデルを設定するものとするのが好ましい（請求項６の発明）。すなわち、エンジンの作動流体の流れを正確に予測したい部分のみを３次元のモデルとし、それ以外は１次元とすることで、演算量を減らすことができる。
【００２４】
前記予測解析システムにおいて、エンジンの設計ＣＡＤデータが蓄積されたデータベースを備え、モデル設定手段は、前記データベースから所要のデータを読み込み、このデータに基づいてＣＦＤ演算のための物理モデルを構築するものとすればよい（請求項７の発明）。こうすれば、設計ＣＡＤデータに基づいてＣＦＤ演算のための物理モデルを容易に構築することができる。
【００２５】
また、エンジンの作動流体が流通する所定部位の基本形状を模擬し且つその寸法、形状及び物理特性値のうちの少なくとも１つが変更可能な部品モデルのデータベースを備え、モデル設定手段を、前記所定部位の寸法及び物理特性値の少なくとも１つに関するデータの入力を受け、このデータに基づいて前記データベースから読み込んだ部品モデルに変更を加えて、ＣＦＤ演算のための物理モデルを構築するものとしてもよい（請求項８の発明）。
【００２６】
こうすれば、いくつかの部品モデルを組み合わせることでＣＦＤ演算のためのエンジンのモデルを容易に構築できるとともに、そのモデルの修正も容易に行える。また、部品モデルの寸法等は変更可能なので、データが過度に大きくなることもない。
【００２７】
前記演算手段は、エンジンの作動流体の運動を模擬する空間の次元が変化するときには、その作動流体の運動を記述する変数の値を次元の変化に合わせて変換するものとする（請求項９の発明）。すなわち、例えば、作動流体の流れが１次元流から３次元流に変化するときには、その流れに直交する面内で均一な流れの状態を表す変数をそれぞれ３次元流れの初期値として受け渡せばよい。一方、３次元流から１次元流に変化するときには、前記変数をそれぞれ流れに直交する面内で平均化してから、１次元流に受け渡せばよい。
【００２８】
前記予測解析システムにおいて、演算手段によるＣＦＤ演算の結果に基づいてエンジンの性能に関する出力を行う出力手段をさらに備えることが好ましい（請求項１０の発明）。すなわち、例えば、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吸気や排気の流れをディスプレイ等に画像表示出力すれば、この表示を見た技術者は例えば吸気通路の形状と吸気流の偏り具合との関係を直観的に把握することができる。
【００２９】
また、例えば、エンジンの気筒に吸入される吸気の流れの解析結果から当該気筒の吸気充填効率を演算して、これを出力するようにしてもよい。このようにエンジン性能に関する定量的出力が得られれば、システムの設計・開発支援ツールとしての有用性をさらに向上できる。
【００３０】
次に、本願の請求項１１の発明は、エンジンの作動流体の運動を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、このプログラムには、エンジンの燃焼サイクルにおける吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの過程毎に、それぞれ、作動流体の運動を解析する空間の次元を選択させる選択ステップと、前記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流体の運動を、前記各過程毎にそれぞれ前記選択された次元で模擬するように物理モデルを設定するモデル設定ステップと、前記エンジンの作動流体の運動を前記物理モデルを用いてＣＦＤ演算する演算ステップと、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】
前記制御プログラムの選択ステップでは、吸気過程にあるエンジンの作動流体の運動を１次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択可能とすればよい（請求項１２の発明）。こうすれば、請求項３の発明と同じ作用効果が得られる。また、前記選択ステップで、排気過程にあるエンジンの作動流体の運動を１次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択可能としてもよい（請求項１３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。
【００３３】
さらに、前記選択ステップでは、吸気及び排気過程にあるエンジンの作動流体の運動をそれぞれ１次元流又は３次元流のいずれとみなすか選択可能とし、モデル設定ステップでは、エンジンの吸気又は排気過程についてそれぞれ前記選択ステップにて選択された次元の物理モデルを設定するとともに、圧縮過程及び膨張過程にあるエンジンの少なくとも気筒内の作動流体は運動しないとみなして、０次元の物理モデルを設定するようにしてもよい（請求項１４の発明）。こうすれば、請求項５の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３４】
前記制御プログラムのモデル設定ステップでは、吸気及び排気過程にあるエンジンの吸気系から排気系に亘って、そのうちの一部分に３次元の物理モデルを設定し、且つ他の一部分に１次元の物理モデルを設定するようにしてもよい（請求項１５の発明）。こうすれば、請求項６の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３５】
また、前記モデル設定ステップでは、エンジンの設計ＣＡＤデータが蓄積されたデータベースから所要のデータを読み込み、このデータに基づいてＣＦＤ演算のための物理モデルを構築するようにしてもよい（請求項１６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。
【００３６】
また、エンジンの作動流体が流通する所定部位の基本形状を模擬し且つその寸法、形状及び物理特性値のうちの少なくとも１つが変更可能な部品モデルのデータベースを準備しておいて、前記制御プログラムには、前記所定部位に関する寸法及び物理特性値の少なくとも１つを入力させる入力ステップをさらに備え、モデル設定ステップでは、前記データベースから所要の部品モデルを読み込むとともに、この部品モデルを前記入力ステップにおいて入力したデータに基づいて変更して、ＣＦＤ演算のための物理モデルを構築するようにすればよい（請求項１７の発明）。こうすることで、請求項８の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３７】
前記制御プログラムの演算ステップには、エンジンの作動流体の運動を模擬する空間の次元が変化するときに、その作動流体の運動を記述する変数の値を前記次元の変化に合わせて変換するデータ変換ステップを含むのが好ましい（請求項１８の発明）。こうすることで、請求項９の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３８】
また、前記制御プログラムには、演算ステップにおけるＣＦＤ演算の結果に基づいてエンジンの性能に関する出力を行う出力ステップをさらに備えるのが好ましい（請求項１９の発明）。こうすれば、請求項１０の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３９】
【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。
【００４０】
（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、エンジンの作動流体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。
【００４１】
図示の符号１，１，…は、主にＣＦＤ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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
（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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、時々刻々と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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、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つの成分としてそれぞれ変数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の変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔを求めるようにしている。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
しかも、この実施形態のシステムでは、上述の如く、エンジンの作動流体である吸気の流れをその全てのガス成分毎に演算するのではなく、これを新気とＥＧＲガスとの２つの成分とみなしてＣＦＤ演算を行う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。
【００５７】
（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しており、これにより、気筒内に充填される吸気の状態を正確に求めることができる。
【００５８】
そのようにして求めた気筒内の吸気の圧力ｐ及び温度Ｔに加えて、例えば吸気流速ｕから求められる気筒内流動の強さ、吸気中のＥＧＲガスの割合、さらに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、或いは気筒壁温等、シミュレーション中のエンジンの運転状態（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物理量も含めて、気筒内の状態を表す種々の物理量を特定し、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。尚、気筒への燃料供給量については、例えばエンジンの運転状態に対応付けて予め空燃比のマップを設定しておき、このマップから読み出した空燃比と吸気の質量流量とに基づいて演算するようにすればよく、或いは、燃料供給量自体を予めエンジンの運転状態に対応付けてマップとして設定しておくこともできる。
【００５９】
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、ＥＧＲガスに含まれる炭化水素、炭酸ガス、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、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反応式を全て挙げれば、これは約３０００種類以上にも上るものであるが（図５参照）、この実施形態ではＣＦＤシミュレーションによって求められる気筒内の状態に応じて代表的な化学種の反応のみを抽出し、これにより燃焼の状態を模擬するようにしている。このことで、化学反応シミュレーションにおいても必要な精度を確保しながら、演算量は大幅に減らすことができる。
【００６０】
そして、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。
【００６１】
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。
【００６２】
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を更新するためにも用いられる。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更新する。すなわち、シミュレーションによって得られた排気、即ちＥＧＲガスの組成に基づいて、化学反応ＤＢ１２におけるガス成分グループのデータを学習補正するようにしており、このとによっても化学反応シミュレーションの精度が向上する。
【００６３】
（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、このエンジンの吸排気系、燃焼室等の寸法・形状を表す幾何データや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をＰＣ端末５に入力させる。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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やエンジンの運転状態等を入力し（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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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、エンジンの運転状態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。
【００７３】
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、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、第１気筒ｃ１に充填された吸気の圧力ｐ、温度Ｔ等、或いは吸気中のＥＧＲガスの割合や現在のエンジンの運転状態等に基づいて、気筒内の状態を表す物理量の組を特定し、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作成して、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）。
【００７４】
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る。すなわち、図６のフローのステップＳ３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）、前記識別コードの物理量の組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）、第１気筒ｃ１の圧縮行程の開始から膨張行程の終了に至るまで、前記グループの各ガス成分（化学種）の化学反応を予め設定した微小クランク角毎に逐次、記述して、保存する（化学反応演算：Ｓ５３）。
【００７５】
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、図に結果処理＊２として示すように、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。このデータに基づいてＰＣ端末５では、排気流の状態を表す変数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１次元ＣＦＤ演算の演算結果データの燃焼部分、即ち圧縮行程及び膨張行程の部分が書き換えられ、該１次元ＣＦＤ演算における排気流の境界条件として、前記化学反応シミュレーションの結果が用いられることになる（Ｓ３４）。
【００７６】
上述したように、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、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えばよく、例えば、エンジンの出力特性、燃費特性、エンジン運転状態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。
【００７７】
前記図６に示すフローのステップＳ１は、エンジンの燃焼室等の寸法・形状を表す幾何データやそれらの熱伝達率等の物理的特性を表す物理データ、即ち作動流体である吸気や排気が流通する所定部位に関して、その寸法及び物理特性値の少なくとも１つを入力させる入力ステップと、気筒の燃焼サイクルにおける吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの行程毎にそれぞれ作動流体の運動を解析する空間の次元を選択させる選択ステップと、に対応している。
【００７８】
また、前記フローのステップＳ２と、ステップＳ３におけるステップＳ３１，Ｓ４１，Ｓ５１が、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流体の運動を、当該エンジンの各気筒における吸気、圧縮、膨張及び排気の行程毎にそれぞれ選択された次元で模擬するように物理モデルを設定するモデル設定ステップに対応している。
【００７９】
また、前記ステップＳ３におけるステップＳ３３〜３６，Ｓ４３は、エンジンの作動流体の運動を前記物理モデルを用いてＣＦＤ演算する演算ステップに対応し、特にステップＳ３４は、エンジンの作動流体の運動を模擬する空間の次元が変化するときに、その作動流体の運動を記述する変数の値を前記次元の変化に合わせて変換するデータ変換ステップに対応している。
【００８０】
さらに、前記フローのステップＳ４は、前記ステップＳ３におけるＣＦＤ演算や化学反応シミュレーション演算の結果に基づいて、エンジンの性能に関する出力を行う出力ステップに対応している。
【００８１】
そして、この実施形態の予測解析システムＡでは、ＰＣ端末５において前記フローのステップＳ１が実行されることにより、このＰＣ端末５が、エンジンの吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの行程毎にそれぞれ作動流体の運動を解析する空間の次元を選択可能とした選択手段を構成する。
【００８２】
また、前記演算サーバ１，１，…において前記フローのステップＳ２，Ｓ３が実行されることにより、この演算サーバ１，１，…が、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流体の運動を、前記各行程毎にそれぞれ前記選択された次元で模擬するように物理モデルを設定するモデル設定手段と、前記エンジンの作動流体の運動を前記物理モデルを用いてＣＦＤ演算する演算手段とを構成する。
【００８３】
さらに、前記演算サーバ１，１，…及びＰＣ端末５によって前記フローのステップＳ４が実行されることにより、当該演算サーバ１，１，…及びＰＣ端末５が、ＣＦＤ演算の結果に基づいてエンジンの性能に関する出力を行う出力手段を構成する。
【００８４】
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、エンジンの出力や燃費等の性能特性を十分に高い精度でもって予測することができるとともに、そのための演算量は大幅に減少させることができる。
【００８５】
また、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、シミュレーションの精度を確保しながら、そのための演算量は大幅に減少させることができる。
【００８６】
さらに、排気の一部（ＥＧＲガス）を吸気に還流させる場合でも、その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つの成分とみなして演算するようにしており、このことによってもＣＦＤ演算の量を大幅に減少させることができる。
【００８７】
つまり、エンジン性能の予測のために必要なシミュレーションの精度を確保しながら、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・開発支援ツールとしての実用性を向上することができる。
【００８８】
（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、吸気系のサージタンクについて３次元のＣＦＤ演算を行う場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば吸気ポート全体の形状や燃焼室に臨む吸気ポート開口部付近の形状を３次元で模擬するようにしてもよい。
【００８９】
或いは、図８に一例を示すようにエンジンの排気系の一部を３次元で模擬するようにしてもよい。すなわち、同図（ａ）に示す単気筒エンジンの例では、前記実施形態と同様にスロットル弁の下流から気筒ｃ１を経て触媒コンバータの入口までを１次元で模擬するモデルＭｂ′と、同図（ｂ）に示すように排気通路からＥＧＲ通路が分岐する部位を３次元で模擬するモデルｄとを準備して、エンジンの排気行程については前記モデルｄを用いて３次元のＣＦＤ演算を行うようにすればよい。こうすれば、エンジンの運転状態に拘わらずＥＧＲ通路へ向かう排気の流れを正確に模擬することができる。
【００９０】
また、図示しないが、気筒内の燃焼室について３次元のモデルを準備し、当該気筒の圧縮行程について３次元のＣＦＤ演算を行うようにしてもよい。こうすれば、圧縮行程における気筒内流動の保存、減衰の様子を再現して、それが燃焼性に及ぼす影響について正確に予測することができる。
【００９１】
さらに、前記燃焼室の３次元モデルを用いて、膨張行程についても３次元ＣＦＤ演算を行うようにすることもできる。この場合の３次元ＣＦＤというのは、燃焼室における流動場や燃料液滴及び蒸気の運動と燃焼による反応とを全て模擬するようなものではなく、例えば、燃焼室における未燃混合気と既燃ガスとの分布をＣＦＤ演算により模擬しつつ、これに化学反応シミュレーションを組み合わせるという、擬似的なものとすればよい。
【００９２】
また、前記実施形態では、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、２サイクルエンジンやロータリエンジンについてシミュレーションを行ってもよいことは勿論である。
【００９３】
【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、エンジンの吸排気等、作動流体の運動をＣＦＤの適用によって解析し、これに基づいてエンジン性能を予測する場合に、必要なＣＦＤ演算の精度が吸気、圧縮、膨張及び排気の各過程毎に大きく異なることに着目して、該各過程毎にそれぞれ作動流体の運動を解析する空間の次元を選択できるようにしたので、エンジン性能の予測精度を確保しながら、そのための演算量は大幅に減らし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・開発支援ツールとしての実用性を十分に向上できる。
【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】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】排気行程について１次元及び３次元のＣＦＤ演算を行うようにした他の実施形態に係る図２相当図。
【符号の説明】
Ａ          エンジン性能の予測解析システム
Ｍｂ，Ｍｂ′  １次元ＣＦＤ演算モデル
ｓ１〜ｓ４        ３次元ＣＦＤ演算モデル
１，１，…  演算サーバ（モデル設定手段、演算手段、出力手段）
５          ＰＣ端末（選択手段、出力手段）
１１        部品ＤＢ（データベース）
１２        化学反応ＤＢ
１３        実験ＤＢ
１４        設計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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