(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法であって、
上記燃焼シミュレーションを行う対象となる対象燃料に含まれる燃料成分種を設定する工程と、
上記燃料成分種の着火現象を記述する化学反応式の内、上記燃焼シミュレーションに使用する化学反応式を設定する工程と、
上記燃焼シミュレーションに使用する化学反応式の中から、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式を少なくとも１つ選択すると共に、熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式を少なくとも１つ選択する工程と、
上記低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式の化学反応速度定数と、上記熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式の化学反応速度定数とを、上記燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期及び熱着火時期が所定の目標低温酸化反応時期及び目標熱着火時期にそれぞれ一致するように最適化する工程とを有することを特徴とする、エンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法。
【請求項２】
更に、上記対象燃料に添加される添加成分種を設定する工程と、
上記燃料成分種と上記添加成分種との混合割合を設定する工程と、
上記低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式を選択する工程において選択した化学反応式の化学反応速度定数を、上記混合割合で上記対象燃料に添加された上記添加成分種を上記燃料成分種の１つに置換した場合に上記燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期及び熱着火時期が上記添加成分種を上記混合割合で添加した上記対象燃料における目標低温酸化反応時期及び目標熱着火時期にそれぞれに一致するように再度最適化する工程とを有する請求項１に記載のエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法。
【請求項３】
上記対象燃料は、上記燃料成分種としてイソオクタンとノルマルヘプタンとを含む混合燃料である請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法。
【請求項４】
上記燃焼シミュレーションに使用する化学反応式を設定する工程において、下記のＲ１乃至Ｒ３８の化学反応式を設定する請求項３に記載のエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法。
Ｃ7Ｈ16＋Ｏ2＝Ｃ7Ｈ15＋ＨＯ2  （Ｒ１）
Ｃ7Ｈ15＋Ｏ2＝Ｃ7Ｈ15Ｏ2  （Ｒ２）
Ｃ7Ｈ15Ｏ2＝Ｃ7Ｈ14ＯＯＨ  （Ｒ３）
Ｃ7Ｈ14ＯＯＨ＋Ｏ2＝Ｏ2Ｃ7Ｈ14ＯＯＨ  （Ｒ４）
Ｏ2Ｃ7Ｈ14ＯＯＨ＝＞Ｃ7ＫＥＴ＋ＯＨ  （Ｒ５）
Ｃ7ＫＥＴ＝＞Ｃ5Ｈ11ＣＯ＋ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ  （Ｒ６）
Ｃ5Ｈ11ＣＯ＋Ｏ2＝＞Ｃ3Ｈ6＋Ｃ2Ｈ4＋ＣＯ＋ＨＯ2  （Ｒ７）
Ｃ7Ｈ16＋ＯＨ＝＞Ｃ7Ｈ15＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ８）
Ｃ7Ｈ15＋Ｏ2＝Ｃ7Ｈ14＋ＨＯ2  （Ｒ９）
Ｃ7Ｈ14＋Ｏ2＝＞Ｃ5Ｈ11＋ＣＨ2Ｏ＋ＨＣＯ  （Ｒ１０）
Ｃ7Ｈ16＋ＨＯ2＝Ｃ7Ｈ15＋Ｈ2Ｏ2  （Ｒ１１）
Ｃ7Ｈ15＝＞Ｃ5Ｈ11＋Ｃ2Ｈ4  （Ｒ１２）
Ｃ5Ｈ11＝Ｃ3Ｈ7＋Ｃ2Ｈ4  （Ｒ１３）
Ｃ8Ｈ18＋Ｏ2＝Ｃ8Ｈ17＋ＨＯ2  （Ｒ１４）
Ｃ8Ｈ17＋Ｏ2＝Ｃ8Ｈ17Ｏ2  （Ｒ１５）
Ｃ8Ｈ17Ｏ2＝Ｃ8Ｈ16ＯＯＨ  （Ｒ１６）
Ｃ8Ｈ16ＯＯＨ＋Ｏ2＝Ｏ2Ｃ8Ｈ16ＯＯＨ  （Ｒ１７）
Ｏ2Ｃ8Ｈ16ＯＯＨ＝＞Ｃ8ＫＥＴ＋ＯＨ  （Ｒ１８）
Ｃ8ＫＥＴ＝＞Ｃ6Ｈ13ＣＯ＋ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ  （Ｒ１９）
Ｃ6Ｈ13ＣＯ＋Ｏ2＝＞Ｃ3Ｈ6＋Ｃ3Ｈ6＋ＣＯ＋ＨＯ2  （Ｒ２０）
Ｃ8Ｈ18＋ＯＨ＝＞Ｃ8Ｈ17＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ２１）
Ｃ8Ｈ17＋Ｏ2＝Ｃ8Ｈ16＋ＨＯ2  （Ｒ２２）
Ｃ8Ｈ16＋Ｏ2＝＞Ｃ6Ｈ13＋ＣＨ2Ｏ＋ＨＣＯ  （Ｒ２３）
Ｃ8Ｈ18＋ＨＯ2＝Ｃ8Ｈ17＋Ｈ2Ｏ2  （Ｒ２４）
Ｃ8Ｈ17＝＞Ｃ6Ｈ13＋Ｃ2Ｈ4  （Ｒ２５）
Ｃ6Ｈ13＝Ｃ3Ｈ7＋Ｃ3Ｈ6  （Ｒ２６）
Ｃ3Ｈ7＋Ｏ2＝Ｃ3Ｈ6＋ＨＯ2  （Ｒ２７）
Ｃ3Ｈ6＋Ｃ3Ｈ6＝＞Ｃ2Ｈ4＋Ｃ2Ｈ4＋Ｃ2Ｈ4  （Ｒ２８）
Ｃ2Ｈ4＋ＯＨ＝Ｃ2Ｈ3＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ２９）
Ｃ2Ｈ3＋Ｏ2＝ＣＨ2Ｏ＋ＨＣＯ  （Ｒ３０）
ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ＝ＨＣＯ＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ３１）
ＨＣＯ＋Ｏ2＝ＣＯ＋ＨＯ2  （Ｒ３２）
ＣＯ＋ＯＨ＝ＣＯ2＋Ｈ  （Ｒ３３）
Ｈ2Ｏ2＋ＯＨ＝ＨＯ2＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ３４）
Ｈ＋Ｏ2＋Ｍ＝ＨＯ2＋Ｍ  （Ｒ３５）
ＨＯ2＋ＨＯ2＝Ｈ2Ｏ2＋Ｏ2  （Ｒ３６）
Ｈ2Ｏ2＋Ｍ＝ＯＨ＋ＯＨ＋Ｍ  （Ｒ３７）
Ｃ2Ｈ4＋Ｏ2＝＞ＣＨ2Ｏ＋ＣＨ2Ｏ  （Ｒ３８）
【請求項５】
上記低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式は、Ｃ7ＫＥＴ＝＞Ｃ5Ｈ11ＣＯ＋ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ  （Ｒ６）及びＣ8Ｈ18＋ＯＨ＝＞Ｃ8Ｈ17＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ２１）であり、
上記熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式は、Ｈ2Ｏ2＋Ｍ＝ＯＨ＋ＯＨ＋Ｍ  （Ｒ３７）である請求項４に記載のエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法。
【請求項６】
上記低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式の化学反応速度定数と、上記熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式の化学反応速度定数とを最適化する工程において、上記燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期をτ1、上記燃焼シミュレーションにより算出される熱着火時期をτ2、上記目標低温酸化反応時期をτ1tgt、上記目標熱着火時期をτ2tgt、燃焼の初期温度をＴとした場合、以下の式により表される評価関数Ｅfの最小値を得るように、粒子群最適化法により最適化を行う請求項１乃至５の何れか１項に記載のエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法。
【数１】
0006358618.tif 000007
【請求項７】
上記低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式を選択する工程において選択した化学反応式の化学反応速度定数を再度最適化する工程において、上記添加成分種を上記燃料成分種の１つに置換した場合に上記燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期及び熱着火時期をそれぞれτ1mix及びτ2mixとし、上記添加成分種を上記混合割合で添加した上記対象燃料における目標低温酸化反応時期及び目標熱着火時期をそれぞれτ1mixtgt及びτ2mixtgtとし、燃焼の初期温度をＴとした場合、以下の式により表される評価関数Ｅfの最小値を得るように、粒子群最適化法により最適化を行う請求項２に記載のエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法。
【数２】
0006358618.tif 000008
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項に記載のエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法により決定した化学反応速度定数を使用して、上記対象燃料による燃焼シミュレーションを行うエンジンの燃焼シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法及び燃焼シミュレーション方法に係わり、特に、エンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法及びエンジンの燃焼シミュレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガソリンエンジン等の内燃機関における燃焼反応を分析するために、エンジンの燃焼シミュレーションが利用されている。この燃焼シミュレーションでは、燃料に含まれる各種成分や中間生成物等、燃焼に関連する化学種の反応を多数の化学反応式によって記述すると共に、圧縮工程及び膨張行程における燃焼室の容積変化を容器モデルにより模擬することによって、その容器中での燃焼反応の進行に伴う温度変化や組成変化を再現している（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２３９１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年では、ガソリンエンジンの高効率化及び低公害化のために高圧縮比の予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）燃焼の実用化が期待されており、そのためにＨＣＣＩ燃焼の着火性や火花点火（ＳＩ）燃焼におけるプリイグニッション、ノッキングといった自己着火に対して燃料に含まれる燃料成分種が及ぼす影響を正確に把握することが望まれている。しかしながら、これらの着火現象に対する燃料成分種の影響を燃焼シミュレーションによって精度よく再現するためには、多数の化学種及び化学反応式を使用した計算を行わなければならず、膨大な演算量が要求される。
また、ＳＩ燃焼の分析においては、プリイグニッションやノッキングの発生位置の把握などのために３次元流体計算との連成計算が望まれるが、上述のように多数の化学種及び化学反応式を使用した場合には計算負荷の増大が顕著である。従って、従来の燃焼シミュレーションでは、使用する化学種及び化学反応式の数を絞り込み、エンジンの燃焼における代表的な化学反応のみを再現することによって、シミュレーションの精度をある程度犠牲にしつつ、計算負荷の増大を抑制している。
【０００５】
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、エンジンの燃焼反応を少ない計算負荷で精度よく再現することができる、エンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法及びエンジンの燃焼シミュレーション方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明のエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法は、燃焼シミュレーションを行う対象となる対象燃料に含まれる燃料成分種を設定する工程と、燃料成分種の着火現象を記述する化学反応式の内、燃焼シミュレーションに使用する化学反応式を設定する工程と、燃焼シミュレーションに使用する化学反応式の中から、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式を少なくとも１つ選択すると共に、熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式を少なくとも１つ選択する工程と、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式の化学反応速度定数と、熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式の化学反応速度定数とを、燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期及び熱着火時期が所定の目標低温酸化反応時期及び目標熱着火時期にそれぞれ一致するように最適化する工程とを有することを特徴とする。
このように構成された本発明においては、燃焼シミュレーションに使用する化学反応式の中から、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式を少なくとも１つ選択すると共に、熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式を少なくとも１つ選択し、それらの選択した化学反応式の化学反応速度定数を、燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期及び熱着火時期が所定の目標低温酸化反応時期及び目標熱着火時期にそれぞれ一致するように最適化するので、高い精度で低温酸化反応時期及び熱着火時期を算出することが可能な簡略化化学反応スキームを作成することができ、これにより、エンジンの燃焼反応を少ない計算負荷で精度よく再現することができる。
【０００７】
また、本発明において、好ましくは、更に、対象燃料に添加される添加成分種を設定する工程と、燃料成分種と添加成分種との混合割合を設定する工程と、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式を選択する工程において選択した化学反応式の化学反応速度定数を、混合割合で対象燃料に添加された添加成分種を燃料成分種の１つに置換した場合に燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期及び熱着火時期が添加成分種を混合割合で添加した対象燃料における目標低温酸化反応時期及び目標熱着火時期にそれぞれに一致するように再度最適化する工程とを有する。
このように構成された本発明においては、混合燃料についても高い精度で低温酸化反応時期及び熱着火時期を算出することが可能な簡略化化学反応スキームを作成することができ、これにより、様々な混合燃料についてエンジンの燃焼反応を少ない計算負荷で精度よく再現することができる。
【０００８】
また、本発明において、好ましくは、対象燃料は、燃料成分種としてイソオクタンとノルマルヘプタンとを含む混合燃料である。
このように構成された本発明においては、イソオクタンとノルマルヘプタンとを含む混合燃料についてエンジンの燃焼反応を少ない計算負荷で精度よく再現することができる。
【０００９】
また、本発明において、好ましくは、燃焼シミュレーションに使用する化学反応式を設定する工程において、下記のＲ１乃至Ｒ３８の化学反応式を設定する。
Ｃ7Ｈ16＋Ｏ2＝Ｃ7Ｈ15＋ＨＯ2  （Ｒ１）
Ｃ7Ｈ15＋Ｏ2＝Ｃ7Ｈ15Ｏ2  （Ｒ２）
Ｃ7Ｈ15Ｏ2＝Ｃ7Ｈ14ＯＯＨ  （Ｒ３）
Ｃ7Ｈ14ＯＯＨ＋Ｏ2＝Ｏ2Ｃ7Ｈ14ＯＯＨ  （Ｒ４）
Ｏ2Ｃ7Ｈ14ＯＯＨ＝＞Ｃ7ＫＥＴ＋ＯＨ  （Ｒ５）
Ｃ7ＫＥＴ＝＞Ｃ5Ｈ11ＣＯ＋ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ  （Ｒ６）
Ｃ5Ｈ11ＣＯ＋Ｏ2＝＞Ｃ3Ｈ6＋Ｃ2Ｈ4＋ＣＯ＋ＨＯ2  （Ｒ７）
Ｃ7Ｈ16＋ＯＨ＝＞Ｃ7Ｈ15＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ８）
Ｃ7Ｈ15＋Ｏ2＝Ｃ7Ｈ14＋ＨＯ2  （Ｒ９）
Ｃ7Ｈ14＋Ｏ2＝＞Ｃ5Ｈ11＋ＣＨ2Ｏ＋ＨＣＯ  （Ｒ１０）
Ｃ7Ｈ16＋ＨＯ2＝Ｃ7Ｈ15＋Ｈ2Ｏ2  （Ｒ１１）
Ｃ7Ｈ15＝＞Ｃ5Ｈ11＋Ｃ2Ｈ4  （Ｒ１２）
Ｃ5Ｈ11＝Ｃ3Ｈ7＋Ｃ2Ｈ4  （Ｒ１３）
Ｃ8Ｈ18＋Ｏ2＝Ｃ8Ｈ17＋ＨＯ2  （Ｒ１４）
Ｃ8Ｈ17＋Ｏ2＝Ｃ8Ｈ17Ｏ2  （Ｒ１５）
Ｃ8Ｈ17Ｏ2＝Ｃ8Ｈ16ＯＯＨ  （Ｒ１６）
Ｃ8Ｈ16ＯＯＨ＋Ｏ2＝Ｏ2Ｃ8Ｈ16ＯＯＨ  （Ｒ１７）
Ｏ2Ｃ8Ｈ16ＯＯＨ＝＞Ｃ8ＫＥＴ＋ＯＨ  （Ｒ１８）
Ｃ8ＫＥＴ＝＞Ｃ6Ｈ13ＣＯ＋ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ  （Ｒ１９）
Ｃ6Ｈ13ＣＯ＋Ｏ2＝＞Ｃ3Ｈ6＋Ｃ3Ｈ6＋ＣＯ＋ＨＯ2  （Ｒ２０）
Ｃ8Ｈ18＋ＯＨ＝＞Ｃ8Ｈ17＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ２１）
Ｃ8Ｈ17＋Ｏ2＝Ｃ8Ｈ16＋ＨＯ2  （Ｒ２２）
Ｃ8Ｈ16＋Ｏ2＝＞Ｃ6Ｈ13＋ＣＨ2Ｏ＋ＨＣＯ  （Ｒ２３）
Ｃ8Ｈ18＋ＨＯ2＝Ｃ8Ｈ17＋Ｈ2Ｏ2  （Ｒ２４）
Ｃ8Ｈ17＝＞Ｃ6Ｈ13＋Ｃ2Ｈ4  （Ｒ２５）
Ｃ6Ｈ13＝Ｃ3Ｈ7＋Ｃ3Ｈ6  （Ｒ２６）
Ｃ3Ｈ7＋Ｏ2＝Ｃ3Ｈ6＋ＨＯ2  （Ｒ２７）
Ｃ3Ｈ6＋Ｃ3Ｈ6＝＞Ｃ2Ｈ4＋Ｃ2Ｈ4＋Ｃ2Ｈ4  （Ｒ２８）
Ｃ2Ｈ4＋ＯＨ＝Ｃ2Ｈ3＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ２９）
Ｃ2Ｈ3＋Ｏ2＝ＣＨ2Ｏ＋ＨＣＯ  （Ｒ３０）
ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ＝ＨＣＯ＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ３１）
ＨＣＯ＋Ｏ2＝ＣＯ＋ＨＯ2  （Ｒ３２）
ＣＯ＋ＯＨ＝ＣＯ2＋Ｈ  （Ｒ３３）
Ｈ2Ｏ2＋ＯＨ＝ＨＯ2＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ３４）
Ｈ＋Ｏ2＋Ｍ＝ＨＯ2＋Ｍ  （Ｒ３５）
ＨＯ2＋ＨＯ2＝Ｈ2Ｏ2＋Ｏ2  （Ｒ３６）
Ｈ2Ｏ2＋Ｍ＝ＯＨ＋ＯＨ＋Ｍ  （Ｒ３７）
Ｃ2Ｈ4＋Ｏ2＝＞ＣＨ2Ｏ＋ＣＨ2Ｏ  （Ｒ３８）
このように構成された本発明においては、イソオクタンとノルマルヘプタンとを含む混合燃料についてエンジンの燃焼反応を少ない計算負荷で一層精度よく再現することができる。
【００１０】
また、本発明において、好ましくは、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式は、Ｃ7ＫＥＴ＝＞Ｃ5Ｈ11ＣＯ＋ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ  （Ｒ６）及びＣ8Ｈ18＋ＯＨ＝＞Ｃ8Ｈ17＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ２１）であり、熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式は、Ｈ2Ｏ2＋Ｍ＝ＯＨ＋ＯＨ＋Ｍ  （Ｒ３７）である。
このように構成された本発明においては、低温酸化反応時期及び熱着火時期を精度よく計算することが可能な簡略化化学反応スキームを作成できる。
【００１１】
また、本発明において、好ましくは、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式の化学反応速度定数と、熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式の化学反応速度定数とを最適化する工程において、燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期をτ1、燃焼シミュレーションにより算出される熱着火時期をτ2、目標低温酸化反応時期をτ1tgt、目標熱着火時期をτ2tgt、燃焼の初期温度をＴとした場合、以下の式により表される評価関数Ｅfの最小値を得るように、粒子群最適化法により最適化を行う。
【数１】
0006358618.tif 000002
このように構成された本発明においては、高い精度で燃焼シミュレーションを実行することが可能な簡略化化学反応スキームを効率よく作成することができる。
【００１２】
また、本発明において、好ましくは、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式を選択する工程において選択した化学反応式の化学反応速度定数を再度最適化する工程において、添加成分種を燃料成分種の１つに置換した場合に燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期及び熱着火時期をそれぞれτ1mix及びτ2mixとし、添加成分種を混合割合で添加した対象燃料における目標低温酸化反応時期及び目標熱着火時期をそれぞれτ1mixtgt及びτ2mixtgtとし、燃焼の初期温度をＴとした場合、以下の式により表される評価関数Ｅfの最小値を得るように、粒子群最適化法により最適化を行う。
【数２】
0006358618.tif 000003
このように構成された本発明においては、様々な混合燃料について高い精度で燃焼シミュレーションを実行することが可能な簡略化化学反応スキームを効率よく作成することができる。
【００１３】
また、本発明のエンジンの燃焼シミュレーション方法によれば、上述のエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法により決定した化学反応速度定数を使用して、対象燃料による燃焼シミュレーションを行う。
このように構成された本発明においては、高い精度で低温酸化反応時期及び熱着火時期を算出することが可能な簡略化化学反応スキームを使用して、エンジンの燃焼反応を少ない計算負荷で精度よく再現することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によるエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法及びエンジンの燃焼シミュレーション方法によれば、エンジンの燃焼反応を少ない計算負荷で精度よく再現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態によるエンジンの燃焼シミュレーションシステムのブロック図である。
【図２】本発明の実施形態によるエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法のフローチャートである。
【図３】ＰＲＦ７０について本発明の実施形態による燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とＭＦＣスキームを使用した燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とを比較した線図である。
【図４】ＰＲＦ７０について本発明の実施形態による燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とＭＦＣスキームを使用した燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とを比較した線図である。
【図５】本発明の実施形態による混合燃料の燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法のフローチャートである。
【図６】ＰＲＦ７０にトルエンを添加した混合燃料について本発明の実施形態による燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とＭＦＣスキームを使用した燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とを比較した線図である。
【図７】ＰＲＦ７０に対するトルエンの混合割合を変更した場合において本発明の実施形態によるエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法により決定した化学反応速度定数の変化率を示す線図である。
【図８】本発明の実施形態による燃焼シミュレーション方法を示すフローチャートである。
【図９】ＰＲＦ７０にトルエン及び１−ペンテンを添加した混合燃料について本発明の実施形態による燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とＭＦＣスキームを使用した燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とを比較した線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法及びエンジンの燃焼シミュレーション方法を説明する。
まず、図１により、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼シミュレーション方法を実行する燃焼シミュレーションシステムの全体構成を説明する。図１は、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼シミュレーションシステムのブロック図である。
【００１７】
図１において符号１は、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼シミュレーションシステムを示す。この図１に示すように、エンジンの燃焼シミュレーションシステム１は、燃焼シミュレーションにおける各種の設定データを入力する入力装置２、燃焼シミュレーションを実行する燃焼シミュレーション装置４、燃焼シミュレーションの結果を出力する出力装置６、及び、燃焼シミュレーションにおいて化学反応の演算に使用されるデータを格納した化学反応データベース８を有している。
【００１８】
燃焼シミュレーション装置４は、燃焼シミュレーションの演算に使用されるエンジンの物理モデルを構築するプリプロセッサ１０、エンジンの燃焼反応の解析を行う化学反応解析部１２、エンジンの燃焼室における燃焼ガスの流れを解析する３次元流体解析部１４、及び、化学反応解析部１２及び３次元流体解析部１４による解析結果を出力装置６により出力するためのポスト処理を行うポストプロセッサ１６を備えている。
【００１９】
化学反応データベース８は、エンジンの燃焼における代表的な化学反応式を抽出し、各化学反応式によって記述される素反応における化学反応速度定数及び平衡定数を対応付けた簡略化化学反応スキーム１８と、簡略化化学反応スキーム１８に含まれている特定の化学反応式について、燃料に添加された添加成分種の混合割合と化学反応速度との関係を示した化学反応速度定数マップ２０とを格納している。
【００２０】
次に、図２乃至図４により、本発明の実施形態における簡略化化学反応スキーム１８の作成方法について説明する。図２は本発明の実施形態によるエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法のフローチャートであり、図３はＰＲＦ７０について本発明の実施形態による燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とＭＦＣスキームを使用した燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とを比較した線図であり、図４はＰＲＦ７０について本発明の実施形態による燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とＭＦＣスキームを使用した燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とを比較した線図である。
【００２１】
まず、図２に示すフローは、エンジンの燃焼シミュレーションに先立って予め実行される。図２に示すように、フローが開始されると、ステップＳ１において、エンジンの燃焼シミュレーションを行う対象となる対象燃料に含まれる燃料成分種を設定する。本実施形態では、対象燃料は、燃料成分種としてイソオクタンとノルマルヘプタンとをイソオクタン：ノルマルヘプタン＝７０：３０（ｖｏｌ．％）の混合割合で含む混合燃料（ＰＲＦ７０）である。
【００２２】
次に、ステップＳ２において、本発明の実施形態における簡略化化学反応スキーム１８のベースとなる初期簡略化化学反応スキームを設定する。本実施形態では、対象燃料のＰＲＦの着火現象に関連する多数の化学反応式の中から、その着火現象の再現に適した化学反応式として知られている下記のＲ１乃至Ｒ３８の化学反応式を抽出し、各化学反応式によって記述される素反応における化学反応速度定数及び平衡定数を対応付けたものを初期簡略化化学反応スキームとして設定する。
Ｃ7Ｈ16＋Ｏ2＝Ｃ7Ｈ15＋ＨＯ2  （Ｒ１）
Ｃ7Ｈ15＋Ｏ2＝Ｃ7Ｈ15Ｏ2  （Ｒ２）
Ｃ7Ｈ15Ｏ2＝Ｃ7Ｈ14ＯＯＨ  （Ｒ３）
Ｃ7Ｈ14ＯＯＨ＋Ｏ2＝Ｏ2Ｃ7Ｈ14ＯＯＨ  （Ｒ４）
Ｏ2Ｃ7Ｈ14ＯＯＨ＝＞Ｃ7ＫＥＴ＋ＯＨ  （Ｒ５）
Ｃ7ＫＥＴ＝＞Ｃ5Ｈ11ＣＯ＋ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ  （Ｒ６）
Ｃ5Ｈ11ＣＯ＋Ｏ2＝＞Ｃ3Ｈ6＋Ｃ2Ｈ4＋ＣＯ＋ＨＯ2  （Ｒ７）
Ｃ7Ｈ16＋ＯＨ＝＞Ｃ7Ｈ15＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ８）
Ｃ7Ｈ15＋Ｏ2＝Ｃ7Ｈ14＋ＨＯ2  （Ｒ９）
Ｃ7Ｈ14＋Ｏ2＝＞Ｃ5Ｈ11＋ＣＨ2Ｏ＋ＨＣＯ  （Ｒ１０）
Ｃ7Ｈ16＋ＨＯ2＝Ｃ7Ｈ15＋Ｈ2Ｏ2  （Ｒ１１）
Ｃ7Ｈ15＝＞Ｃ5Ｈ11＋Ｃ2Ｈ4  （Ｒ１２）
Ｃ5Ｈ11＝Ｃ3Ｈ7＋Ｃ2Ｈ4  （Ｒ１３）
Ｃ8Ｈ18＋Ｏ2＝Ｃ8Ｈ17＋ＨＯ2  （Ｒ１４）
Ｃ8Ｈ17＋Ｏ2＝Ｃ8Ｈ17Ｏ2  （Ｒ１５）
Ｃ8Ｈ17Ｏ2＝Ｃ8Ｈ16ＯＯＨ  （Ｒ１６）
Ｃ8Ｈ16ＯＯＨ＋Ｏ2＝Ｏ2Ｃ8Ｈ16ＯＯＨ  （Ｒ１７）
Ｏ2Ｃ8Ｈ16ＯＯＨ＝＞Ｃ8ＫＥＴ＋ＯＨ  （Ｒ１８）
Ｃ8ＫＥＴ＝＞Ｃ6Ｈ13ＣＯ＋ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ  （Ｒ１９）
Ｃ6Ｈ13ＣＯ＋Ｏ2＝＞Ｃ3Ｈ6＋Ｃ3Ｈ6＋ＣＯ＋ＨＯ2  （Ｒ２０）
Ｃ8Ｈ18＋ＯＨ＝＞Ｃ8Ｈ17＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ２１）
Ｃ8Ｈ17＋Ｏ2＝Ｃ8Ｈ16＋ＨＯ2  （Ｒ２２）
Ｃ8Ｈ16＋Ｏ2＝＞Ｃ6Ｈ13＋ＣＨ2Ｏ＋ＨＣＯ  （Ｒ２３）
Ｃ8Ｈ18＋ＨＯ2＝Ｃ8Ｈ17＋Ｈ2Ｏ2  （Ｒ２４）
Ｃ8Ｈ17＝＞Ｃ6Ｈ13＋Ｃ2Ｈ4  （Ｒ２５）
Ｃ6Ｈ13＝Ｃ3Ｈ7＋Ｃ3Ｈ6  （Ｒ２６）
Ｃ3Ｈ7＋Ｏ2＝Ｃ3Ｈ6＋ＨＯ2  （Ｒ２７）
Ｃ3Ｈ6＋Ｃ3Ｈ6＝＞Ｃ2Ｈ4＋Ｃ2Ｈ4＋Ｃ2Ｈ4  （Ｒ２８）
Ｃ2Ｈ4＋ＯＨ＝Ｃ2Ｈ3＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ２９）
Ｃ2Ｈ3＋Ｏ2＝ＣＨ2Ｏ＋ＨＣＯ  （Ｒ３０）
ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ＝ＨＣＯ＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ３１）
ＨＣＯ＋Ｏ2＝ＣＯ＋ＨＯ2  （Ｒ３２）
ＣＯ＋ＯＨ＝ＣＯ2＋Ｈ  （Ｒ３３）
Ｈ2Ｏ2＋ＯＨ＝ＨＯ2＋Ｈ2Ｏ  （Ｒ３４）
Ｈ＋Ｏ2＋Ｍ＝ＨＯ2＋Ｍ  （Ｒ３５）
ＨＯ2＋ＨＯ2＝Ｈ2Ｏ2＋Ｏ2  （Ｒ３６）
Ｈ2Ｏ2＋Ｍ＝ＯＨ＋ＯＨ＋Ｍ  （Ｒ３７）
Ｃ2Ｈ4＋Ｏ2＝＞ＣＨ2Ｏ＋ＣＨ2Ｏ  （Ｒ３８）
【００２３】
次に、ステップＳ３において、ステップＳ２で設定した初期簡略化化学反応スキームに含まれる化学反応式により記述された各素反応について、対象燃料の低温酸化反応終了時点でのＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対する感度解析を行う。
本実施形態においては、ＰＲＦにおいて低温酸化反応が顕著にみられる反応温度７００Ｋ及び８００Ｋの条件下で感度解析を行う。この場合、上述の化学反応式Ｒ６（Ｃ7ＫＥＴ＝＞Ｃ5Ｈ11ＣＯ＋ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ）及びＲ２１（Ｃ8Ｈ18＋ＯＨ＝＞Ｃ8Ｈ17＋Ｈ2Ｏ）が特に高い感度を持つ化学反応式として抽出される。
ここで、化学反応式Ｒ６はノルマルヘプタンの反応機構の中でＨＣＨＯを生成する反応であり、この反応を促進させるとＨＣＨＯ、Ｈ2Ｏ2が共に増加する。一方、Ｒ２１はイソオクタンからの水素引き抜き反応であり、この反応を促進させるとＨＣＨＯ、Ｈ2Ｏ2が共に減少する。
【００２４】
次に、ステップＳ４において、ステップＳ２で設定した初期簡略化化学反応スキームに含まれる化学反応式により記述された各素反応について、対象燃料の熱着火時期の反応温度に対する感度解析を行う。
本実施形態においては、ＰＲＦ７０の熱着火時期の反応温度に対する感度解析を行う。この場合、上述の化学反応式Ｒ３７（Ｈ2Ｏ2＋Ｍ＝ＯＨ＋ＯＨ＋Ｍ）が特に高い感度を持つ化学反応式として抽出される。
【００２５】
次に、ステップＳ５において、ステップＳ３及びステップＳ４の感度解析結果に基づき、初期簡略化化学反応スキームに含まれる化学反応式の中から、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式を少なくとも１つ選択すると共に、熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式を少なくとも１つ選択する。
本実施形態においては、ＰＲＦの低温酸化反応終了時点でのＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して特に高い感度を持つ化学反応式Ｒ６及びＲ２１と、ＰＲＦ７０の熱着火時期の反応温度に対して特に高い感度を持つ化学反応式Ｒ３７を選択する。
【００２６】
次に、ステップＳ６において、対象燃料の燃焼反応における正確な低温酸化反応時期を目標低温酸化反応時期τ1tgtとして取得すると共に、対象燃料の燃焼反応における正確な熱着火時期を目標熱着火時期τ2tgtとして取得する。ここで、低温酸化反応時期とは、燃焼反応の初期温度から５０Ｋ上昇した時刻をいい、熱着火時期とは、燃焼反応の初期温度から５００Ｋ上昇した時刻をいうものとする。
本実施形態においては、多様な成分種を含む燃料の着火現象を詳細に表現した化学反応スキームとして、Ｍｏｄｅｌ  Ｆｕｅｌｓ  Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍで開発されたＭＦＣ  ２０１１  Ｇａｓｏｌｉｎｅ  ＭｅｃｈａｎｉｓｍとＭＦＣ  ２００８  ＥＴＢＥ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍをマージした化学反応スキーム（以下、ＭＦＣスキームという）を使用して、ＰＲＦ７０について圧力６ＭＰａ、空気過剰率（λ）＝１の条件で初期温度７００Ｋから１４００Ｋまで５０Ｋ毎に化学反応計算を行うことにより、各温度における目標低温酸化反応時期τ1tgt及び目標熱着火時期τ2tgtを取得する。なお、ＭＦＣスキームに含まれる化学種数は１１１１６、化学反応式数は２３０１である。
【００２７】
次に、ステップＳ７において、ステップＳ５で選択した各化学反応式の化学反応速度定数を、簡略化化学反応スキーム１８を使用した燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期τ1及び熱着火時期τ2がステップＳ６で取得した目標低温酸化反応時期τ1tgt及び目標熱着火時期τ2tgtにそれぞれ一致するように最適化する。
本実施形態においては、化学反応式Ｒ６、Ｒ２１及びＲ３７の化学反応速度定数を、以下の式（１）により表される評価関数Ｅfの最小値を得るように、粒子群最適化法（ＰＳＯ法）により最適化を行う。
【数３】
0006358618.tif 000004
【００２８】
ＰＳＯ法では、最適化対象のパラメータについて探索粒子と呼ばれる複数の値の組み合わせを用意し、粒子群の情報を活用して評価関数の値が目標値に近づくよう反復計算によりパラメータを最適化する。それぞれの探索粒子は反復回ごとに値が決定されるが、その決定にはその反復回までに、（１）その粒子自身が最もよい評価関数値を得たときの値（パーソナルベスト）と、（２）全探索粒子の中で最もよい評価関数値を得たときの値（グループベスト）を用いる。これにより、反復回数が進むにしたがって目標に近い領域に探索粒子を集中的に配置することができるため、効率よく最適化できる。本実施形態では、探索粒子数１０、反復回数１００とする。各反復回においては、まず、圧力６ＭＰａ、空気過剰率（λ）１の条件で初期温度７００Ｋから１４００Ｋまで５０Ｋ毎に化学反応計算を行い、各温度での低温酸化反応時期τ1及び熱着火時期τ2を求める。次に、ＭＦＣスキームに対する簡略化化学反応スキーム１８の誤差率をτ1とτ2のそれぞれについて求め、最後に、各誤差率の絶対値を全温度で積算した値を評価関数として用いる。
ステップＳ７の後、エンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数を決定するフローを終了する。
【００２９】
簡略化化学反応スキーム１８に含まれる化学反応式Ｒ６、Ｒ２１、及びＲ３７の化学反応速度定数を図２のステップＳ７において最適化した後の簡略化化学反応スキーム１８を使用して燃焼シミュレーションを行うことにより、図３に示すように、圧力６ＭＰａ、空気過剰率（λ）１の条件においては、初期温度７００Ｋから１４００Ｋまでの温度範囲において、初期簡略化化学反応スキームを使用した場合と比較してＭＦＣスキームによるシミュレーション結果に良く一致することが分かる。
更に、この最適化した後の簡略化化学反応スキーム１８を使用して、空気過剰率λ＝２及びλ＝３の条件で燃焼シミュレーションを行った場合においても、図４に示すようにＭＦＣスキームによるシミュレーション結果に良く一致することが分かる。λ＝２あるいはλ＝３というリーン条件においては、低温酸化反応が相対的に小さくなり、低温度領域での着火遅れ時間の延長が特徴的だが、この特性についてもよい一致を維持できている。
【００３０】
次に、図５乃至図７により、対象燃料に添加成分種を添加した混合燃料の燃焼シミュレーションに使用可能な簡略化化学反応スキーム１８の作成方法について説明する。図５は混合燃料の燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法のフローチャートであり、図６はＰＲＦ７０にトルエンを添加した混合燃料について本発明の実施形態による燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とＭＦＣスキームを使用した燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とを比較した線図であり、図７はＰＲＦ７０に対するトルエンの混合割合を変更した場合において本発明の実施形態によるエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法により決定した化学反応速度定数の変化率を示す線図である。
【００３１】
まず、図５に示すフローは、図２のフローで簡略化化学反応スキーム１８を作成した後、エンジンの燃焼シミュレーションに先立って予め実行される。図５に示すように、フローが開始されると、ステップＳ１１において、対象燃料に添加される添加成分種を設定する。
本実施形態においては、対象燃料のＰＲＦ７０に対して、トルエンを添加成分種として設定する。
【００３２】
次に、ステップＳ１２において、対象燃料の燃料成分種とステップＳ１１で設定した添加成分種との混合割合を設定する。
本実施形態においては、燃料成分種としてイソオクタンとノルマルヘプタンとをイソオクタン：ノルマルヘプタン＝７０：３０（ｖｏｌ．％）の混合割合で含む対象燃料ＰＲＦ７０に対して、アロマ系成分の代表としてトルエンを５０ｖｏｌ．％添加した混合燃料を想定する。この場合、混合割合は、イソオクタン：ノルマルヘプタン：トルエン＝３５：１５：５０（ｖｏｌ．％）である。
【００３３】
次に、ステップＳ１３において、ステップＳ１２で設定した混合割合の添加成分種を、燃料成分種の１つに置換する。
本実施形態においては、トルエンをイソオクタンに置換することにより、イソオクタン：ノルマルヘプタン＝８５：１５（ｖｏｌ．％）の混合割合の混合燃料を想定する。
【００３４】
次に、ステップＳ１４において、添加成分種をステップＳ１２で設定した混合割合で添加した混合燃料の燃焼反応における正確な低温酸化反応時期を目標低温酸化反応時期τ1mixtgtとして取得すると共に、その混合燃料の燃焼反応における正確な熱着火時期を目標熱着火時期τ2mixtgtとして取得する。
本実施形態においては、ＭＦＣスキームを使用して、混合割合がイソオクタン：ノルマルヘプタン：トルエン＝３５：１５：５０（ｖｏｌ．％）の混合燃料について圧力６ＭＰａ、空気過剰率（λ）＝１の条件で初期温度７００Ｋから１４００Ｋまで５０Ｋ毎に化学反応計算を行うことにより、各温度における目標低温酸化反応時期τ1mixtgt及び目標熱着火時期τ2mixtgtを取得する。
【００３５】
次に、ステップＳ１５において、図２のステップＳ５で選択した各化学反応式の内、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式の化学反応速度定数を、ステップＳ１３において添加成分種を燃料成分種の１つに置換した混合燃料について図２のフローにおいて最適化した簡略化化学反応スキーム１８を使用した燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期τ1及び熱着火時期τ2が、ステップＳ１４で取得した目標低温酸化反応時期τ1mixtgt及び目標熱着火時期τ2mixtgtにそれぞれ一致するように再度最適化する。
本実施形態においては、図２のステップＳ７において最適化した化学反応式Ｒ６及びＲ２１の化学反応速度定数を、以下の式（２）により表される評価関数Ｅfの最小値を得るように、ＰＳＯ法により再度最適化を行う。
【数４】
0006358618.tif 000005
ステップＳ１５の後、混合燃料の燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数を決定するフローを終了する。
【００３６】
簡略化化学反応スキーム１８に含まれる化学反応式Ｒ６及びＲ２１の化学反応速度定数を図５のステップＳ１５において最適化した後の簡略化化学反応スキーム１８を使用して燃焼シミュレーションを行うことにより、図６に示すように、ＰＲＦ７０に対してトルエンを５０ｖｏｌ．％添加した混合燃料についても、圧力６ＭＰａ、空気過剰率（λ）１、初期温度７００Ｋから１４００Ｋまでの温度範囲の条件において、ＭＦＣスキームによるシミュレーション結果に良く一致することが分かる。即ち、トルエン混合により低温酸化反応が抑制されるため、低温度領域のみで着火遅れ時間が延長するが、化学反応式Ｒ６及びＲ２１の化学反応速度定数の最適化によってこの特性をよく再現可能である。
【００３７】
図５に示したフローを、様々な添加成分種（例えばトルエンや１−ペンテン）毎に、対象燃料の燃料成分種と添加成分種との様々な混合割合について実行することにより、各混合割合に対応して最適化した化学反応速度定数マップ２０を得ることができる。
例えば、ＰＲＦ７０に対するトルエンの混合割合を０ｖｏｌ．％から５０ｖｏｌ．％まで１０ｖｏｌ．％ずつ変化させ、それぞれの混合割合について化学反応式Ｒ６及びＲ２１の化学反応速度定数を最適化した場合、化学反応速度定数の変化率Ｒ（Ｔｏｌ）を以下の式（３）により表すことができる。ここで、ＡTolは図５のステップＳ１５で最適化した化学反応速度定数であり、Ａ0は初期簡略化化学反応スキームにおける化学反応速度定数である。
ＡTol＝Ｒ（Ｔｏｌ）×Ａ0・・・（３）
【００３８】
図７に示すように、トルエンの混合割合が１０ｖｏｌ．％でＲ６、Ｒ２１ともに化学反応速度定数は一旦大きくなり、混合割合が増加するにつれて次第に小さくなる。ここではトルエンをイソオクタンで置換して計算しているため、Ｒ２１の化学反応速度定数の変化率が１の場合には、トルエンとイソオクタンのＨＣＨＯ、Ｈ2Ｏ2生成能が等しいということである。よって、１０ｖｏｌ．％混合では、トルエン混合によりＨＣＨＯ、Ｈ2Ｏ2の生成が促進されたことを表している。さらに、トルエン混合割合が増加するにつれて、ＨＣＨＯ、Ｈ2Ｏ2の生成が抑制されていくことがわかる。また、Ｒ６の化学反応速度定数の変化率が１の場合には、トルエンが混合されてもノルマルヘプタンのＨＣＨＯ、Ｈ2Ｏ2生成能が変化しないことを表すが、このＲ６の化学反応速度定数も変化することから、トルエン混合がノルマルヘプタンのＨＣＨＯ、Ｈ2Ｏ2生成にも影響することがわかる。
【００３９】
次に、図８及び図９により、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼シミュレーションについて説明する。
図８は本発明の実施形態によるエンジンの燃焼シミュレーション方法を示すフローチャートであり、図９はＰＲＦ７０にトルエン及び１−ペンテンを添加した混合燃料について本発明の実施形態による燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とＭＦＣスキームを使用した燃焼シミュレーションにより算出した着火遅れ時間とを比較した線図である。
【００４０】
まず、図８に示すフローは、図５のフローで対象燃料に添加成分種を添加した混合燃料の燃焼シミュレーションに使用可能な簡略化化学反応スキーム１８を作成した後に実行される。
図８に示すように、エンジンの燃焼シミュレーションが開始されると、ステップＳ２１において、入力装置２により燃焼シミュレーションの設定データ（エンジンの寸法、形状、物性値、対象燃料の燃料成分種、添加成分種、混合割合、燃焼反応の初期温度、空気過剰率、圧力等）が入力される。
【００４１】
次に、ステップＳ２２において、プリプロセッサ１０は、ステップＳ２１で入力された設定データに基づき、燃焼シミュレーションに用いる物理モデルを構築する。
【００４２】
次に、ステップＳ２３において、化学反応解析部１２は、化学反応データベース８から簡略化化学反応スキーム１８を読み込む。次いで、ステップＳ２４において、化学反応解析部１２は、化学反応データベース８の化学反応速度定数マップ２０を参照し、ステップＳ２１で入力された対象燃料の燃料成分種、添加成分種、混合割合等に対応する化学反応速度定数を読み込む。
【００４３】
次に、ステップＳ２５において、化学反応解析部１２は、対象燃料に複数の添加成分種が添加されている場合、その添加成分種の混合割合に応じた化学反応速度定数を算出する。
本実施形態においては、例えば、ＰＲＦ７０に対してトルエンを３０ｖｏｌ．％、１−ペンテンを２０ｖｏｌ．％混合した燃料（ノルマルヘプタン:イソオクタン:トルエン:１−ペンテン＝１５：３５：３０：２０ｖｏｌ．％）を想定した場合、化学反応解析部１２は、各添加成分種をイソオクタンで置換し、化学反応式Ｒ６及びＲ２１の化学反応速度定数を、それぞれトルエンと１−ペンテンの混合割合に応じて以下の式（４）のように加重平均した値を算出する。ここで、Ｒ（Ｔｏｌ）、Ｒ（Ｐｅｎ）はそれぞれトルエン、１−ペンテンを単独で対象燃料に添加した場合の化学反応速度定数の変化率であり、Ｔｏｌ％、Ｐｅｎ％はそれぞれトルエン、１−ペンテンの混合割合である。
【数５】
0006358618.tif 000006
【００４４】
次に、ステップＳ２６において、化学反応解析部１２及び３次元流体解析部１４は、ステップＳ２２において構築した物理モデル、ステップＳ２３で読み込んだ簡略化化学反応スキーム１８、ステップＳ２４で読み込んだ化学反応速度定数、及び、ステップＳ２５で算出した化学反応速度定数を用いて、燃焼シミュレーションを実行する。
【００４５】
次に、ステップＳ２７において、ポストプロセッサ１６は、ステップＳ２６の燃焼シミュレーション結果を所定の出力形式に変換する処理を行い、出力装置６から出力させる。その後、エンジンの燃焼シミュレーションを終了する。
【００４６】
ステップＳ２５において、対象燃料に添加された複数の添加成分種の混合割合に応じた化学反応速度定数を算出し、その化学反応速度定数を使用して燃焼シミュレーションを実行することにより、複数の添加成分種を添加した混合燃料についても精度よく燃焼シミュレーションを行うことができる。
例えば、ＰＲＦ７０に対してトルエンを３０ｖｏｌ．％、１−ペンテンを２０ｖｏｌ．％混合した燃料（ノルマルヘプタン:イソオクタン:トルエン:１−ペンテン＝１５：３５：３０：２０ｖｏｌ．％）について、各添加成分種の混合割合に応じて算出した化学反応速度定数を使用して着火遅れ時間を算出した場合、図９に示すように、ＭＦＣスキームによるシミュレーション結果に良く一致することが分かる。
【００４７】
次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
まず、上述した実施形態では、初期簡略化化学反応スキームとして、ＰＲＦの着火現象の再現に適した化学反応式Ｒ１乃至Ｒ３８を使用する場合を説明したが、他の化学反応スキームを使用してもよい。
例えば、Ａｍａｒ  Ｐａｔｅｌらによって提案されたＨＣＣＩエンジンシミュレーションのための化学反応スキーム「ＥＲＣ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ」を、初期簡略化化学反応スキームとして使用してもよい。このＥＲＣ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍは、以下のｒ１乃至ｒ５２の化学反応式を含む。
ｎ−Ｃ7Ｈ16＋Ｈ＝Ｃ7Ｈ15−２＋Ｈ2  （ｒ１）
ｎ−Ｃ7Ｈ16＋ＯＨ＝Ｃ7Ｈ15−２＋Ｈ2Ｏ  （ｒ２）
ｎ−Ｃ7Ｈ16＋ＨＯ2＝Ｃ7Ｈ15−２＋Ｈ2Ｏ2  （ｒ３）
ｎ−Ｃ7Ｈ16＋Ｏ2＝Ｃ7Ｈ15−２＋ＨＯ2  （ｒ４）
Ｃ7Ｈ15−２＋Ｏ2＝Ｃ7Ｈ15Ｏ2  （ｒ５）
Ｃ7Ｈ15Ｏ2＋Ｏ2＝Ｃ7ＫＥＴ12＋ＯＨ  （ｒ６）
Ｃ7ＫＥＴ12＝Ｃ5Ｈ11ＣＯ＋ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ  （ｒ７）
Ｃ5Ｈ11ＣＯ＝Ｃ2Ｈ4＋Ｃ3Ｈ7＋ＣＯ  （ｒ８）
Ｃ7Ｈ15−２＝Ｃ2Ｈ5＋Ｃ2Ｈ4＋Ｃ3Ｈ6  （ｒ９）
Ｃ3Ｈ7＝Ｃ2Ｈ4＋ＣＨ3  （ｒ１０）
Ｃ3Ｈ7＝Ｃ3Ｈ6＋Ｈ  （ｒ１１）
Ｃ3Ｈ6＋ＣＨ3＝Ｃ3Ｈ5＋ＣＨ4  （ｒ１２）
Ｃ3Ｈ5＋Ｏ2＝Ｃ3Ｈ4＋ＨＯ2  （ｒ１３）
Ｃ3Ｈ4＋ＯＨ＝Ｃ2Ｈ3＋ＣＨ2Ｏ  （ｒ１４）
Ｃ3Ｈ4＋ＯＨ＝Ｃ2Ｈ4＋ＨＣＯ  （ｒ１５）
ＣＨ3＋ＨＯ2＝ＣＨ3Ｏ＋ＯＨ  （ｒ１６）
ＣＨ3＋ＯＨ＝ＣＨ2＋Ｈ2Ｏ  （ｒ１７）
ＣＨ2＋ＯＨ＝ＣＨ2Ｏ＋Ｈ  （ｒ１８）
ＣＨ2＋Ｏ2＝ＨＣＯ＋ＯＨ  （ｒ１９）
ＣＨ2＋Ｏ2＝ＣＯ2＋Ｈ2  （ｒ２０）
ＣＨ2＋Ｏ2＝ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  （ｒ２１）
ＣＨ2＋Ｏ2＝ＣＨ2Ｏ＋Ｏ  （ｒ２２）
ＣＨ2＋Ｏ2＝ＣＯ2＋Ｈ＋Ｈ  （ｒ２３）
ＣＨ2＋Ｏ2＝ＣＯ＋ＯＨ＋Ｈ  （ｒ２４）
ＣＨ3Ｏ＋ＣＯ＝ＣＨ3＋ＣＯ2  （ｒ２５）
ＣＯ＋ＯＨ＝ＣＯ2＋Ｈ  （ｒ２６）
Ｏ＋ＯＨ＝Ｏ2＋Ｈ  （ｒ２７）
Ｈ＋ＨＯ2＝ＯＨ＋ＯＨ  （ｒ２８）
ＯＨ＋ＯＨ＝Ｏ＋Ｈ2Ｏ  （ｒ２９）
Ｈ＋Ｏ2＋Ｍ＝ＨＯ2＋Ｍ  （ｒ３０）
Ｈ2Ｏ2＋Ｍ＝ＯＨ＋ＯＨ＋Ｍ  （ｒ３１）
Ｈ2＋ＯＨ＝Ｈ2Ｏ＋Ｈ  （ｒ３２）
ＨＯ2＋ＨＯ2＝Ｈ2Ｏ2＋Ｏ2  （ｒ３３）
ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ＝ＨＣＯ＋Ｈ2Ｏ  （ｒ３４）
ＣＨ2Ｏ＋ＨＯ2＝ＨＣＯ＋Ｈ2Ｏ2  （ｒ３５）
ＨＣＯ＋Ｏ2＝ＨＯ2＋ＣＯ  （ｒ３６）
ＨＣＯ＋Ｍ＝Ｈ＋ＣＯ＋Ｍ  （ｒ３７）
ＣＨ3＋ＣＨ3Ｏ＝ＣＨ4＋ＣＨ2Ｏ  （ｒ３８）
Ｃ2Ｈ4＋ＯＨ＝ＣＨ2Ｏ＋ＣＨ3  （ｒ３９）
Ｃ2Ｈ4＋ＯＨ＝Ｃ2Ｈ3＋Ｈ2Ｏ  （ｒ４０）
Ｃ2Ｈ3＋Ｏ2＝ＣＨ2Ｏ＋ＨＣＯ  （ｒ４１）
Ｃ2Ｈ3＋ＨＣＯ＝Ｃ2Ｈ4＋ＣＯ  （ｒ４２）
Ｃ2Ｈ5＋Ｏ2＝Ｃ2Ｈ4＋ＨＯ2  （ｒ４３）
ＣＨ4＋Ｏ2＝ＣＨ3＋ＨＯ2  （ｒ４４）
ＯＨ＋ＨＯ2＝Ｈ2Ｏ＋Ｏ2  （ｒ４５）
ＣＨ3＋Ｏ2＝ＣＨ2Ｏ＋ＯＨ  （ｒ４６）
ＣＨ4＋Ｈ＝ＣＨ3＋Ｈ2  （ｒ４７）
ＣＨ4＋ＯＨ＝ＣＨ3＋Ｈ2Ｏ  （ｒ４８）
ＣＨ4＋Ｏ＝ＣＨ3＋ＯＨ  （ｒ４９）
ＣＨ4＋ＨＯ2＝ＣＨ3＋Ｈ2Ｏ2  （ｒ５０）
ＣＨ4＋ＣＨ2＝ＣＨ3＋ＣＨ3  （ｒ５１）
Ｃ3Ｈ6＝Ｃ2Ｈ3＋ＣＨ3  （ｒ５２）
【００４８】
また、上述した実施形態では、対象燃料の燃焼反応における目標低温酸化反応時期τ1tgt及び目標熱着火時期τ2tgtを取得するために、ＭＦＣスキームを使用する場合を説明したが、これとは異なる化学反応スキームを使用してもよく、あるいは、実験により目標低温酸化反応時期τ1tgt及び目標熱着火時期τ2tgtを取得してもよい。
【００４９】
また、上述した実施形態では、化学反応速度定数の最適化を行う際に、ＰＳＯ法を使用する場合を説明したが、これとは異なる最適化手法を使用してもよい。
【００５０】
次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例によるエンジンの燃焼シミュレーションに使用する化学反応速度定数の決定方法及びエンジンの燃焼シミュレーション方法の作用効果を説明する。
【００５１】
まず、燃焼シミュレーションに使用する化学反応式の中から、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式を少なくとも１つ選択すると共に、熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式を少なくとも１つ選択し、それらの選択した化学反応式の化学反応速度定数を、燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期及び熱着火時期が所定の目標低温酸化反応時期及び目標熱着火時期にそれぞれ一致するように最適化するので、高い精度で低温酸化反応時期及び熱着火時期を算出することが可能な簡略化化学反応スキーム１８を作成することができ、これにより、エンジンの燃焼反応を少ない計算負荷で精度よく再現することができる。
【００５２】
また、対象燃料に添加成分種を添加した混合燃料については、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式の化学反応速度定数を、対象燃料に添加された添加成分種を燃料成分種の１つに置換した場合に燃焼シミュレーションにより算出される低温酸化反応時期及び熱着火時期が混合燃料における目標低温酸化反応時期及び目標熱着火時期にそれぞれに一致するように再度最適化するので、混合燃料についても高い精度で低温酸化反応時期及び熱着火時期を算出することが可能な簡略化化学反応スキーム１８を作成することができ、これにより、様々な混合燃料についてエンジンの燃焼反応を少ない計算負荷で精度よく再現することができる。
【００５３】
特に、対象燃料は、燃料成分種としてイソオクタンとノルマルヘプタンとを含む混合燃料ＰＲＦであるので、ＰＲＦについてエンジンの燃焼反応を少ない計算負荷で精度よく再現することができる。
【００５４】
また、燃焼シミュレーションに使用する化学反応式として、上述のＲ１乃至Ｒ３８の化学反応式を設定するので、ＰＲＦについてエンジンの燃焼反応を少ない計算負荷で一層精度よく再現することができる。
【００５５】
また、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式Ｒ６及びＲ２１を選択すると共に、熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式Ｒ３７を選択して化学反応速度定数を最適化するので、低温酸化反応時期及び熱着火時期を精度よく計算することが可能な簡略化化学反応スキーム１８を作成できる。
【００５６】
特に、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式及び、熱着火時期の反応温度に対して相対的に感度の高い化学反応式のぞれぞれの化学反応速度定数を、ＰＳＯ法により最適化するので、高い精度で燃焼シミュレーションを実行することが可能な簡略化化学反応スキーム１８を効率よく作成することができる。
【００５７】
また、対象燃料に添加成分種を添加した混合燃料については、低温酸化反応中のＨＣＨＯ及びＨ2Ｏ2の生成量に対して相対的に感度の高い化学反応式の化学反応速度定数を、ＰＳＯ法により再度最適化するので、様々な混合燃料について高い精度で燃焼シミュレーションを実行することが可能な簡略化化学反応スキーム１８を効率よく作成することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  エンジンの燃焼シミュレーションシステム
２  入力装置
４  燃焼シミュレーション装置
６  出力装置
８  化学反応データベース
１０  プリプロセッサ
１２  化学反応解析部
１４  ３次元流体解析部
１６  ポストプロセッサ
１８  簡略化化学反応スキーム
２０  化学反応速度定数マップ
【図１】
0006358618.tif 000009
【図２】
0006358618.tif 000010
【図３】
0006358618.tif 000011
【図４】
0006358618.tif 000012
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0006358618.tif 000016
【図９】
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