(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁の噴口からエンジンの気筒内に直接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、
燃料を噴射しないでエンジンを数サイクル回した場合のエンジン筒内の圧力の変化を示すクランク角に対する圧力波形を予測して、少なくとも筒内圧力又は筒内温度を含む筒内状態データを算出し、その結果をデータベースに保存する筒内状態データ算出ステップと、
前記筒内状態データ算出ステップで算出した筒内状態データに基づいて燃料噴射の開始から終了までの期間中の複数のタイミングを指定し、それら各指定タイミングにおける筒内状態データを算出する指定タイミングデータ算出ステップと、
実機エンジンモデルで燃料を噴射して測定した噴霧特性の実測データに基いて、前記各指定タイミングでの筒内状態データに対応する噴霧特性の実測データを算出する実測噴霧データ算出ステップと、
前記各指定タイミング毎に、筒内状態データが前記指定タイミングデータ算出ステップで算出した各指定タイミングにおける筒内状態データとなる設定とし、かつ、筒内の空気の流動が無い定容器状態の設定として、実機エンジンモデルにて、噴射速度を算出し、燃料粒径を算出して、噴射速度及び燃料粒径を入力変数パラメータとする噴霧計算である３次元噴霧シュミレーションにより噴霧特性の計算を実行する仮想定容器シュミレーションステップを有する燃料噴霧シュミレーション方法。
【請求項２】
前記各指定タイミング毎に、前記仮想定容器シュミレーションステップで計算した噴霧特性の計算データを前記実測噴霧データ算出ステップで算出した実測データと比較する噴霧データ比較ステップと、
前記各指定タイミング毎に、前記噴霧データ比較ステップでの比較結果に基づき、前記仮想定容器シュミレーションステップで算出した噴霧特性の計算データと前記実測噴霧データ算出ステップで算出した実測データとが一致するよう、シュミレーションパラメータを補正して前記仮想定容器シュミレーションステップでの噴霧計算を繰り返す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３】
前記各指定タイミング毎に、前記最適化ステップでの噴霧計算の結果、前記仮想定容器シュミレーションステップで計算した噴霧特性の計算データと前記実測噴霧データ算出ステップで算出した実測データとが一致したときのシュミレーションパラメータを各指定タイミング毎の噴霧モデルに設定する噴霧モデル設定ステップと、
前記各指定タイミングから各々次の指定タイミングまでの噴霧計算を、筒内の空気の流動が有る設定で、前記噴霧モデル設定ステップで設定した各指定タイミング毎の噴霧モデルを使用して、実機エンジンモデルでの前記３次元噴霧シュミレーションにより実行する実機噴霧シュミレーションステップを有する請求項２記載の燃料噴霧シュミレーション方法。
【請求項４】
前記仮想定容器シュミレーションステップは、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算出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５】
燃料噴射弁の噴口からエンジンの気筒内に直接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、
燃料を噴射しないでエンジンを数サイクル回した場合のエンジン筒内の圧力の変化を示すクランク角に対する圧力波形を予測し、これより少なくとも筒内圧力又は筒内温度を含む筒内状態データを算出し、その結果をデータベースに保存する筒内状態データ算出手段と、
前記筒内状態データ算出手段で算出した筒内状態データに基づいて燃料噴射の開始から終了までの期間中の複数のタイミングを指定し、それら各指定タイミングにおける筒内状態データを算出する指定タイミングデータ算出手段と、
実機エンジンモデルで燃料を噴射して測定した噴霧特性の実測データに基いて、前記各指定タイミングでの筒内状態データに対応する噴霧特性の実測データを算出する実測噴霧データ算出手段と、
前記各指定タイミング毎に、筒内状態データが前記指定タイミングデータ算出ステップで算出した各指定タイミングにおける筒内状態データとなる設定とし、かつ、筒内の空気の流動が無い定容器状態の設定として、実機エンジンモデルにて、噴射速度を算出し、燃料粒径を算出して、噴射速度及び燃料粒径を入力変数パラメータとする噴霧計算である３次元噴霧シュミレーションにより噴霧特性の計算を実行する仮想定容器シュミレーション手段を有する燃料噴霧シュミレーション装置。
【請求項６】
燃料噴射弁の噴口からエンジンの気筒内に直接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、
燃料を噴射しないでエンジンを数サイクル回した場合のエンジン筒内の圧力の変化を示すクランク角に対する圧力波形を予測し、これより少なくとも筒内圧力又は筒内温度を含む筒内状態データを算出し、その結果をデータベースに保存する筒内状態データ算出手段と、
前記筒内状態データ算出手段で算出した筒内状態データに基づいて燃料噴射の開始から終了までの期間中の複数のタイミングを指定し、それら各指定タイミングにおける筒内状態データを算出する指定タイミングデータ算出手段と、
実機エンジンモデルで燃料を噴射して測定した噴霧特性の実測データに基いて、前記各指定タイミングでの筒内状態データに対応する噴霧特性の実測データを算出する実測噴霧データ算出手段と、
前記各指定タイミング毎に、筒内状態データが前記指定タイミングデータ算出ステップで算出した各指定タイミングにおける筒内状態データとなる設定とし、かつ、筒内の空気の流動が無い定容器状態の設定として、実機エンジンモデルにて、噴射速度を算出し、燃料粒径を算出して、噴射速度及び燃料粒径を入力変数パラメータとする噴霧計算である３次元噴霧シュミレーションにより噴霧特性の計算を実行する仮想定容器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、シリンダ内（筒内）の空気の流動、燃料の噴霧、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。
【０００３】
エンジンの出力や燃費は主としてシリンダ内に入る空気量と、燃焼特性、特に熱効率によって決まる。そして、熱効率は燃焼速度等に依存し、燃焼速度は、シリンダ内に入ってくる空気の流動（特に流動の強さ）と燃料の分布（即ち混合気のＡ／Ｆ分布）等に依存する。そして、燃料の分布は、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では、インジェクタ（燃料噴射弁）から噴射される燃料の噴霧特性（噴霧形態、ペネトレーション等）に依存し、燃料の噴霧特性がエンジン性能（出力・燃費）に大きく影響する。そのため、エンジンの開発にあたっては、燃焼解析（燃焼特性の解析）の精度を高めるために、その前段階として、噴霧解析（噴霧特性の解析）を行う必要がある。しかし、実際のエンジンは、シリンダ内に噴射された燃料の噴霧を直接見ることはできない。そのため、噴霧解析を行うにあたっては、エンジンのシリンダ内に噴射された燃料がどのような噴霧になるかを予測した噴霧モデル（シュミレーションパラメータモデル）を作成し、その作成した噴霧モデルを使って実機エンジンモデルによる実際の噴霧シュミレーション（噴霧計算）を行うしかない。
【０００４】
そして、そのように直噴エンジンの燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧特性をコンピュータシュミレーションで解析する具体的な方法として、例えば、燃料噴射弁の噴孔出口近傍の燃料の液膜の厚さと流速に基づいて平均粒径を算出し、算出された平均粒径に基づいて粒度分布関数を作成し、作成された粒度分布関数に基づいて噴霧データ（噴霧特性のデータ）を算出する燃料噴霧シュミレーション方法が従来から知れられている（例えば、特許文献１参照。）。この燃料噴霧シュミレーション方法は、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、噴口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を推算し、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データの計算（燃料噴霧シュミレーション）を実行するというものである。
【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】
【０００５】
しかしながら、従来から知られている上記噴霧特性シュミレーション方法では、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正確に予測することは難しく、そのため、精度の高い燃料噴霧シュミレーションを行うことができない。
【０００６】
そこで、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て精度の高い噴霧解析を行うことができる燃料噴射シュミレーション方法として、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期間中の時間経過とともに変化する噴射速度を算出し、その噴射速度の算出データに基づいて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して、それら噴射速度および燃料粒径の算出データに基づいて粒度分布関数を作成し、その粒度分布関数を使用して、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料噴霧の噴射開始後の時間経過とともに変化する噴霧到達距離（ペネトレーション）、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、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等の噴霧特性を、定容器モデルによるシュミレーション（定容器シュミレーション）で計算し、その定容器シュミレーションによる噴霧特性の計算データ（噴霧データ）を実測データと合わせ込んで、噴霧モデルを決定し、その噴霧モデルを使って実際のエンジンによる噴霧シュミレーションを実行する燃料噴霧シュミレーション方法が提案された。
【０００７】
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、非定常な状態となるため、いきなり実機エンジンモデルで実際のエンジンのシリンダ内に燃料を噴射する状態を模したシュミレーションを行ったのでは、噴霧データ（計算データ）を実測データに合わせ込むことは難しい。そのため、この燃料噴霧シュミレーション方法では、実際のエンジン（実機エンジンモデル）に燃料を噴射して行う実機噴霧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い定容器モデルによるシュミレーションを行い、そのシュミレーションにより計算した噴霧データ（計算データ）を、同じ定容器モデルでの実測噴霧データ（実測データ）と合わせ込んで、実機エンジンモデルによる噴霧シュミレーションの初期条件である噴霧モデル（シュミレーションモデル）を作成するのである。つまり、噴霧到達距離（ぺネトレーション）や液相および蒸気相の当量比分布、液適量および蒸発量といった時間の経過とともに変わる噴霧特性の実測データと、定容器シュミレーションの計算データとが一致するように、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、粒度分布式の係数等の入力変数パラメータを変えて定容器シュミレーションを繰り返す。そして、こうして定容器モデルによるシュミレーションで最適化された入力変数パラメータと、噴霧到達距離、液相および蒸気相の当量比分布、液適量および蒸気量の時間変化等をシュミレーションパラメータとする噴霧モデルを作成し、その作成した噴霧モデルを使って実際のエンジン（実機エンジンモデル）による噴霧シュミレーション（噴霧計算）を行う。
【０００８】
ところが、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧は、シリンダ内（筒内）に入ってくる空気の流動特性（特に、流動の強さ）によって噴霧形態（噴霧の広がり方）が変わるだけでなく、雰囲気すなわち筒内の圧力や温度によっても噴霧形態が変わる。そして、筒内の圧力および温度は、噴射期間中に時間の経過とともに変化する。筒内の圧力および温度は、噴射開始時には低く、噴射開始後上昇して、噴射終了時には雰囲気である筒内（シリンダ内）の圧力および温度が共に高くなる。そうした筒内の圧力および温度の変化も噴霧形態の変化の要因になる。提案された上記燃料噴霧シュミレーション方法では、そうした筒内の圧力や温度の変化に対応した精度の高い燃料噴霧シュミレーションを行うことができない。
【０００９】
そのため、さらに、筒内の圧力や温度の変化に対応した精度の高い燃料噴霧シュミレーションを行うことができる改良された燃料噴霧シュミレーション方法として、定容器モデルで圧力および温度を変えて燃料を噴射して撮影した噴霧画像（実測噴霧画像）から、噴霧到達距離（ペネトレーション）、液相および蒸気相の当量比分布、液滴量および蒸気量等の噴霧特性の実測データ（実測噴霧データ）を計算し、データベースに保存しておいて、例えば噴射開始時の雰囲気（筒内）の温度および圧力を定容器モデルによる１次元シュミレーションで予測し、その予測した温度および圧力に対応する実側噴霧データを選択してデータベースから読み込み、その後、定容器モデルによる３次元噴霧シュミレーションをシュミレーションパラメータ（入力変数パラメータ）を変えて繰り返し実行し、計算データを実測データに合わせ込んで、最適化された入力変数パラメータと、噴霧到達距離、液相および蒸気相の当量比分布、液適量および蒸気量の時間変化等をシュミレーションパラメータとする噴霧モデルを作成し、その作成した噴霧モデルを使って実際のエンジン（実機エンジンモデル）による噴霧シュミレーションを実行する燃料噴霧シュミレーション方法が考え出された。
【００１０】
しかしながら、この燃料噴霧シュミレーション方法にも問題がある。その一つは、定容器モデルによるシュミレーション（定容器シュミレーション）に手間がかかり、自動化が困難で、効率の良い噴霧解析ができないという問題である。定容器シュミレーションは、手動で行うもので、効率が悪く、実際のエンジン（実機エンジンモデル）による噴霧シュミレーションの準備段階としては時間と工数がかかり過ぎる。
【００１１】
もう一つは、定容器シュミレーションにより決定する噴霧モデルの精度の問題である。改良された提案に係る上記燃料噴霧シュミレーション方法は、雰囲気の温度および圧力が噴射開始から噴射終了までの期間に大きく変化し、温度や圧力が変わると噴霧形態が大きく変わるにもかかわらず、例えば噴射開始時という一つの時点での温度および圧力を基に噴霧モデルを決定し、その一つの噴霧モデルを使用して実機エンジンモデルによるシュミレーションを行わざるを得ないもので、燃料噴霧シュミレーションの精度を高めるにも限界がある。この燃料噴霧シュミレーション方法は、刻々と変化する圧力、温度等の筒内状態に対応して噴霧モデルを変更できるシステムになっていないし、変更できるシステムにしたとしても、手間のかかる手作業が必要で、実用性がないものとなってしまう。
【００１２】
したがって、定容器モデルによるシュミレーションが不用で、自動化が可能となり、燃料噴霧シュミレーションの効率を高めることができるとともに、刻々と変化する圧力、温度等の筒内状態に対応して精度の高い燃料噴霧シュミレーションを行え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】
【００１３】
本発明の燃料噴霧シュミレーション方法は、燃料噴射弁の噴口からエンジンの気筒内に直接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、燃料を噴射しないでエンジンを数サイクル回した場合のエンジン筒内の圧力の変化を示すクランク角に対する圧力波形を予測し、これより少なくとも筒内圧力又は筒内温度を含む筒内状態データを算出し、その結果をデータベースに保存する筒内状態データ算出ステップと、筒内状態データ算出ステップで算出した筒内状態データに基づいて燃料噴射の開始から終了までの期間中の複数のタイミングを指定し、それら各指定タイミングにおける筒内状態データを算出する指定タイミングデータ算出ステップと、実機エンジンモデルで燃料を噴射して測定した噴霧特性の実測データに基いて、各指定タイミングでの筒内状態データに対応する噴霧特性の実測データを算出する実測噴霧データ算出ステップと、各指定タイミング毎に、筒内状態データが指定タイミングデータ算出ステップで算出した各指定タイミングにおける筒内状態データとなる設定とし、かつ、筒内の空気の流動が無い定容器状態の設定として、実機エンジンモデルにて、噴射速度を算出し、燃料粒径を算出して、噴射速度及び燃料粒径を入力変数パラメータとする噴霧計算である３次元噴霧シュミレーションにより噴霧特性の計算を実行する仮想定容器シュミレーションステップを有するものである。
【００１４】
この燃料噴霧シュミレーション方法によれば、実機エンジンモデルによるシュミレーションで、筒内圧力や筒内温度等の筒内状態を考慮した燃料噴霧シュミレーションの噴霧モデル（シュミレーションパラメータモデル）を作成することができ、定容器モデルによるシュミレーションが不用となって、全自動化が可能で、燃料噴霧シュミレーションの効率を高めることができる。また、筒内圧力や筒内温度等の筒内状態の変化を考慮して噴射期間中の複数のタイミングで噴霧モデルを作成することができ、刻々と変化する圧力、温度等の筒内状態に対応して精度の高い燃料噴霧シュミレーションを行うことができる。
【００１５】
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。
【００１６】
そして、この燃料噴霧シュミレーション方法は、各指定タイミング毎に、仮想定容器シュミレーションステップで計算した噴霧特性の計算データを実測噴霧データ算出ステップで算出した実測データと比較する噴霧データ比較ステップと、各指定タイミング毎に、噴霧データ比較ステップでの比較結果に基づき、仮想定容器シュミレーションステップで算出した噴霧特性の計算データと実測噴霧データ算出ステップで算出した実測データとが一致するよう、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、粒度分布式の係数等の入力変数パラメータ（シュミレーションパラメータ）を補正して仮想定容器シュミレーションステップでの噴霧計算を繰り返す最適化ステップを有するものとすることで、各指定タイミングでの噴霧特性の計算データを実測データに容易に合わせ込むことができる。
【００１７】
そして、この燃料噴霧シュミレーション方法は、さらに、各指定タイミング毎に、最適化ステップでの噴霧計算の結果、仮想定容器シュミレーションステップで計算した噴霧特性の計算データと実測噴霧データ算出ステップで算出した実測データとが一致したときのシュミレーションパラメータを各指定タイミング毎の噴霧モデルに設定する噴霧モデル設定ステップと、各指定タイミングから各々次の指定タイミングまでの噴霧計算を、筒内の空気の流動が有る設定で、噴霧モデル設定ステップで設定した各指定タイミング毎の噴霧モデルを使用して、実機エンジンモデルでの３次元シュミレーションにより実行する実機噴霧シュミレーションステップを有するものとすることで、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料噴霧の噴射開始後の時間経過とともに変化する噴霧到達距離（ペネトレーション）、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、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等の噴霧特性のシュミレーションを精度良く行うことができる。
【００１８】
仮想定容器シュミレーションステップは、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算出ステップを有するものとするのがよく、そうすることで、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て精度の高い噴霧特性のシュミレーションを行うことができる。
【００１９】
この場合、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。
【００２０】
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。
【００２１】
また、粒度分布関数作成ステップでは、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。
【００２２】
そして、噴霧特性算出ステップでは、筒内の空気の流動が無い定容器状態の設定で噴霧特性を算出する。
【００２３】
また、本発明の燃料噴霧シュミレーション装置は、燃料噴射弁の噴口からエンジンの気筒内に直接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、燃料を噴射しないでエンジンを数サイクル回した場合のエンジン筒内の圧力の変化を示すクランク角に対する圧力波形を予測し、これより少なくとも筒内圧力又は筒内温度を含む筒内状態データを算出し、その結果をデータベースに保存する筒内状態データ算出手段と、筒内状態データ算出手段で算出した筒内状態データに基づいて燃料噴射の開始から終了までの期間中の複数のタイミングを指定し、それら各指定タイミングにおける筒内状態データを算出する指定タイミングデータ算出手段と、実機エンジンモデルで燃料を噴射して測定した噴霧特性の実測データに基いて、各指定タイミングでの筒内状態データに対応する噴霧特性の実測データを算出する実測噴霧データ算出手段と、各指定タイミング毎に、筒内状態データが指定タイミングデータ算出ステップで算出した各指定タイミングにおける筒内状態データとなる設定とし、かつ、筒内の空気の流動が無い定容器状態の設定として、実機エンジンモデルにて、噴射速度を算出し、燃料粒径を算出して、噴射速度及び燃料粒径を入力変数パラメータとする噴霧計算である３次元噴霧シュミレーションにより噴霧特性の計算を実行する仮想定容器シュミレーション手段を有するものである。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。
【００２４】
また、本発明の燃料噴霧シュミレーションプログラムは、燃料噴射弁の噴口からエンジンの気筒内に直接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、燃料を噴射しないでエンジンを数サイクル回した場合のエンジン筒内の圧力の変化を示すクランク角に対する圧力波形を予測し、これより少なくとも筒内圧力又は筒内温度を含む筒内状態データを算出し、その結果をデータベースに保存する筒内状態データ算出手段と、筒内状態データ算出手段で算出した筒内状態データに基づいて燃料噴射の開始から終了までの期間中の複数のタイミングを指定し、それら各指定タイミングにおける筒内状態データを算出する指定タイミングデータ算出手段と、実機エンジンモデルで燃料を噴射して測定した噴霧特性の実測データに基いて、各指定タイミングでの筒内状態データに対応する噴霧特性の実測データを算出する実測噴霧データ算出手段と、各指定タイミング毎に、筒内状態データが前記指定タイミングデータ算出ステップで算出した各指定タイミングにおける筒内状態データとなる設定とし、かつ、筒内の空気の流動が無い定容器状態の設定として、実機エンジンモデルにて、噴射速度を算出し、燃料粒径を算出して、噴射速度及び燃料粒径を入力変数パラメータとする噴霧計算である３次元噴霧シュミレーションにより噴霧特性の計算を実行する仮想定容器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】
【００２５】
このように、本発明によれば、定容器モデルによるシュミレーションが不用となって、全自動化が可能で、燃料噴霧シュミレーションの効率を高めることができるとともに、刻々と変化する圧力、温度等の筒内状態に対応して精度の高い燃料噴霧シュミレーションを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜１３は、本発明の実施形態の一例を説明するもので、図１は筒内状態データ算出ステップの説明図、図２は指定タイミングデータ算出ステップの説明図、図３は実測噴霧データ算出ステップの説明図で、図４は流動計算の説明図（ａ）および（ｂ）、図５は流動データ保存の説明図（ａ）および（ｂ）、図６は仮想定容器シュミレーションステップ、噴霧データ比較ステップ、最適化ステップおよび噴霧モデル設定ステップの説明図、図７は噴射率実測データのグラフ、図８は噴射速度算出データのグラフ、図９は平均粒径予測データのグラフ、図１０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１１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１２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、図１３は燃料噴霧シュミレーションのフローチャートである。
【００２７】
この実施形態の燃料噴霧シュミレーションは、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射弁の噴口からエンジンの気筒内に直接噴射される燃料の噴霧特性の解析を、実機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、コンピュータを用いて実機エンジン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ものである。その詳細を以下に説明する。
【００２８】
この実施形態の燃料噴霧シュミレーション方法は、１次元シュミレーショによりエンジンの筒内状態データを時系列的に算出する筒内状態データ算出ステップと、筒内状態データ算出ステップで算出した筒内状態データに基づいて燃料噴射の開始から終了までの期間中の複数のタイミングを指定し、それら各指定タイミングにおける筒内状態データを算出する指定タイミングデータ算出ステップと、実機エンジンモデルで燃料を噴射して測定した噴霧特性の実測データに基いて、各指定タイミングでの筒内状態データに対応する噴霧特性の実測データを算出する実測噴霧データ算出ステップと、各指定タイミング毎に、筒内状態データが指定タイミングデータ算出ステップで算出した各指定タイミングにおける筒内状態データとなる設定とし、かつ、筒内の空気の流動が無い定容器状態の設定として、実機エンジンモデルでの３次元シュミレーションにより噴霧特性の計算を実行する仮想定容器シュミレーションステップと、各指定タイミング毎に、仮想定容器シュミレーションステップで計算した噴霧特性の計算データを実測噴霧データ算出ステップで算出した実測データと比較する噴霧データ比較ステップと、各指定タイミング毎に、噴霧データ比較ステップでの比較結果に基づき、仮想定容器シュミレーションステップで算出した噴霧特性の計算データと実測噴霧データ算出ステップで算出した実測データとが一致するよう、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、粒度分布式の係数等の入力変数パラメータ（シュミレーションパラメータ）を補正して仮想定容器シュミレーションステップでの噴霧計算を繰り返す最適化ステップと、各指定タイミング毎に、最適化ステップでの噴霧計算の結果、仮想定容器シュミレーションステップで計算した噴霧特性の計算データと実測噴霧データ算出ステップで算出した実測データとが一致したときのシュミレーションパラメータを各指定タイミング毎の噴霧モデルに設定する噴霧モデル設定ステップと、各指定タイミングから各々次の指定タイミングまでの噴霧計算を、筒内の空気の流動が有る設定で、噴霧モデル設定ステップで設定した各指定タイミング毎の噴霧モデルを使用して、実機エンジンモデルでの３次元シュミレーションにより実行する実機噴霧シュミレーションステップとを有している。
【００２９】
そして、上記仮想定容器シュミレーションステップは、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算出ステップを有している。
【００３０】
各ステップでの処理は次のとおりである。
（筒内状態データ算出ステップ）
まず、１次元シュミレーションにより、実際のエンジンの筒内の温度、圧力等のエンジンの筒内状態データを時系列的に算出（予測）する。ここでは、燃料を噴射しないでエンジンを数サイクル回してのシュミレーションで、圧力波形を予測する。図１に示す圧力波形はその一例である。そして、エンジンの筒内状態データ（温度、圧力等）を算出する。そして、その結果を、図１に示すようにデータベース（ＤＢ）に保存（保管）しておく。
【００３１】
（指定タイミングデータ算出ステップ）
次に、算出した筒内状態データ（温度、圧力等）に基づいて燃料噴射の開始から終了までの期間中の複数のタイミングを指定して、それら各指定タイミングにおける筒内状態データ（温度、圧力等）を算出し、保存する。つまり、図１の圧力波形において燃料噴射の開始（噴霧開始）から終了（噴霧終了）までの部分を拡大すると、図２に示すようになるが、その燃料噴射の開始から終了までの期間（噴射期間）を所定数（図示の例では３つ）に分割し、噴射開始時点（ｔｓ）と、各分割点（図示の例では２点）と、噴射終了時点（＝ｔｅ）との例えば４つのタイミングｔ１（＝ｔｓ）、ｔ２、ｔ３、ｔ４（＝ｔｅ）を指定タイミングとして、各指定タイミング毎の温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４）、圧力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）等の筒内状態データを補間処理により算出し、その結果を、図２に示すようにデータベース（ＤＢ）に保存（保管）しておく。
【００３２】
（実測噴霧データ算出ステップ）
次に、実機エンジンモデルで燃料を噴射して測定した噴霧特性の実測データに基いて、各指定タイミングでの筒内状態データに対応する噴霧特性の実測データを算出し、保存する。
【００３３】
つまり、実機エンジンモデルで燃料を噴射して噴霧特性を測定し、それを、実測データ（実機データ）としてデータベースに蓄積するが、そうして蓄積した実測データは、指定タイミングｔ１（＝ｔｓ）、ｔ２、ｔ３、ｔ４（＝ｔｅ）でのデータというわけではないので、図３に示すように、データベースから実測データを取り出し、各指定タイミングの温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４）、圧力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）等の筒内状態データに対応した補間処理を行って、各指定タイミング毎の噴霧データを算出し、それを、各指定タイミングの実測データ（合わせ込む目標）として、データベースに保存（保管）しておく。
【００３４】
（仮想定容器シュミレーションステップ）
次に、各指定タイミングにおける筒内状態データとなる設定とし、かつ、筒内の空気の流動が無い定容器状態の設定として、実機エンジンモデルでの３次元シュミレーションにより噴霧特性の計算を実行する。
【００３５】
ここでは、まず、図４に示すように、実機エンジンモデルでの３次元シュミレーションによって流動計算を開始し、噴霧開始時点すなわち最初の指定タイミングｔ１（＝ｔｓ）になると、図５に示すように、その時点での流動データ（空気流動の流速と方向）を保存して、流動計算を停止（中断）する。
【００３６】
そして、図６に示すように、筒内の流動をオフリセットして、流動のない状態とし（定容器の状態を再現）、また、筒内を温度Ｔ１、圧力Ｐ１の一様な状態として、実機エンジンモデルでの噴霧計算（３次元噴霧シュミレーション）を実行する。
【００３７】
（噴霧データ比較ステップ）
そして、仮想定容器シュミレーションステップで計算した噴霧特性の計算データを実測噴霧データ算出ステップで算出した実測データと比較する。そのため、図６に示すように、噴霧部の画像を切り取り、実機データと比較できるように画像変換する（斜めになっているのを縦横変換したりする座標変換を行う）。そして、計算データと実測データ（Ｐ１、Ｔ１に対応する実機データ）が一致しているかどうかを評価する。
【００３８】
（最適化ステップ）
そして、計算データと実測データとが一致するよう、最適化ツールで、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、粒度分布式の係数等の入力変数パラメータ（シュミレーションパラメータ）を補正（設定）して、仮想定容器シュミレーションの噴霧計算を繰り返す。
【００３９】
（噴霧モデル設定ステップ）
そして、計算データと実測噴霧データ算出ステップで算出した実測データとが一致したときのシュミレーションパラメータを、指定タイミングｔ１（＝ｔｓ）での噴霧モデルすなわちシュミレーションパラメータモデル（噴霧パラメータ）として採用（設定）し、保存（保管）する。
【００４０】
（実機噴霧シュミレーションステップ）
そして、次の指定タイミングまでの噴霧計算を、筒内の空気の流動が有る設定で、設定した噴霧モデルを使用して、実機エンジンモデルでの３次元シュミレーションにより実行する。つまり、最初の指定タイミングｔ１（＝ｔｓ）での噴霧モデル（噴霧パラメータ）の設定および保存が完了すると、流動の無い状態での噴霧計算を停止し、保存しておいた流動データを読み込んで、指定タイミングｔ１（＝ｔｓ）で設定した噴霧パラメータを使って流動が有る状態で噴霧・流動計算（実機噴霧シュミレーション）を再開する。
【００４１】
そして、次の指定タイミングｔ２になると、その時点での流動データを保存して、流動計算を停止（中断）し、次いで、流動をオフリセットして、流動のない状態とし、また、筒内を温度Ｔ２、圧力Ｐ２の一様な状態として、実機エンジンモデルでの噴霧計算（３次元噴霧シュミレーション）を実行し（仮想定容器シュミレーションステップの処理）、次いで、計算データを実測データ（Ｐ２、Ｔ２に対応する実機データ）と比較し（上記噴霧データ比較ステップの処理）、計算データと実測データとが一致するようシュミレーションパラメータを補正して仮想定容器シュミレーションの噴霧計算を繰り返し（上記最適化ステップの処理）、指定タイミングｔ２での噴霧モデルを設定し保存する（上記噴霧モデル設定ステップの処理）。そして、流動の無い状態での噴霧計算を停止し、保存しておいた流動データを読み込んで、指定タイミングｔ２で設定した噴霧パラメータを使って流動が有る状態で実機噴霧シュミレーションを再開する（上記実機噴霧シュミレーションステップの処理）。
【００４２】
そして、次の指定タイミングｔ３になると、その時点での流動データを保存して、流動計算を停止（中断）し、次いで、流動をオフリセットして、流動のない状態とし、また、筒内を温度Ｔ３、圧力Ｐ３の一様な状態として、実機エンジンモデルでの噴霧計算（３次元噴霧シュミレーション）を実行し（仮想定容器シュミレーションステップの処理）、次いで、計算データを実測データ（Ｐ３、Ｔ３に対応する実機データ）と比較し（上記噴霧データ比較ステップの処理）、計算データと実測データとが一致するようシュミレーションパラメータ補正して仮想定容器シュミレーションの噴霧計算を繰り返し（上記最適化ステップの処理）、指定タイミングｔ３での噴霧モデルを設定し保存する（上記噴霧モデル設定ステップの処理）。そして、流動の無い状態での噴霧計算を停止し、保存しておいた流動データを読み込んで、指定タイミングｔ３で設定した噴霧パラメータを使って流動が有る状態で実機噴霧シュミレーションを再開する（上記実機噴霧シュミレーションステップの処理）。そして、最後の指定タイミングｔ４（＝ｔｅ）になるまで噴霧・流動計算（実機噴霧シュミレーション）を継続し、ｔ４（＝ｔｅ）を過ぎたら、噴霧な無い状態として計算を継続する。
【００４３】
上記仮想定容器シュミレーションステップでの、噴射速度算出、燃料粒径算出、粒度分布関数作成および噴霧特性算出の処理は次のとおりである。
【００４４】
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７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
【００４５】
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８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。
【００４６】
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９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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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１０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１１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１２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。
【００５０】
この実施形態の燃料噴霧シュミレーションのフローチャートは図１３に示すとおりで、スタートし、まず、１次元シュミレーション（数サイクル回す）を実行し（Ｓ１）、その結果をデータベースに保存する（Ｓ２）。
【００５１】
そして、指定タイミングｔ１（＝ｔｓ）、ｔ２、ｔ３、ｔ４（＝ｔｅ）を決定し（Ｓ３）、１次元シュミレーションの結果から、各指定タイミングにおける温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４）および圧力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）を算出して、データベースに保存する（Ｓ４）。
【００５２】
そして、データベースから実測噴霧データ（噴霧パターン）を取り出し、各時間の温度・圧力に対応した補間計算を行って、各指定タイミングｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４の噴霧パターンを合成し、データベースに保管する（Ｓ５））。
【００５３】
そして、実機エンジンによる３次元解析（３次元エンジン噴霧シュミレーション）を開始し（Ｓ６）、空気流動の計算を実行し、３次元解析における現在の時間をモニターして（Ｓ７）、指定タイミング（最初は指定タイミングｔ１）になったかどうかを判断して（Ｓ８）、指定タイミングになると、その時点で計算（３次元エンジン噴霧シュミレーション）をストップ（計算中断）し、その時の空気流動の結果（流動結果）をデータベースに保存する（Ｓ９）。
【００５４】
そして、筒内の流動をリセットし、一様な温度（Ｔ１）・圧力（Ｐ１）の状態にし（Ｓ１０）、流動のない状態で、噴霧計算を実施する（Ｓ１１）。
【００５５】
そして、実測データ（Ｐ１、Ｔ１の実機データ）と計算データが一致しているかどうかを評価し（Ｓ１２）、一致するまで、最適化ツールでパラメータを変更して噴霧計算を繰り返し、一致したら、流動が無い状態での噴霧計算を止めて、この指定タイミング（ｔ１）での噴霧パラメータとしてデータベースに保存した後、データベースから空気流動の結果（ｔ１での流動データ）を取り出して、計算を再開し（Ｓ１３）、次の指定タイミング（ｔ２）までくると、同様の処理を行い、最後の指定タイミングまでそれを繰り返す。
【００５６】
そして、全指定タイミングが終了したかどうかを判断し（Ｓ１４）、終了すると、噴霧の無い状態での計算を継続する（Ｓ１５）。
【００５７】
以上、実施形態の一例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他様々な形態で実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態における筒内状態データ算出ステップの説明図である。
【図２】本発明の実施形態における指定タイミングデータ算出ステップの説明図である。
【図３】本発明の実施形態における実測噴霧データ算出ステップの説明図である。
【図４】本発明の実施形態における流動計算の説明図（ａ）および（ｂ）である。
【図５】本発明の実施形態における流動データ保存の説明図（ａ）および（ｂ）である。
【図６】本発明の実施形態における仮想定容器シュミレーションステップ、噴霧データ比較ステップ、最適化ステップおよび噴霧モデル設定ステップの説明図である。
【図７】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８】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９】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１０】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１１】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１２】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。
【図１３】本発明の実施形態における燃料噴霧シュミレーションのフローチャートである。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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