(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め、計算時間短縮を図りつつ、システムダウンを防止する。【解決手段】  吸排気の全体的な流れを１次元ＣＦＤ演算によって模擬するとともに、この演算結果から境界条件を与えて、流れの一部については３次元ＣＦＤ演算を行うようにしたエンジンシミュレーションにおいて、その３次元ＣＦＤのための物理モデルＭ３，s1〜s5の入口側及び出口側境界面における流れの偏り分布を予めデータベースＤＢ１２に設定しておき、１次元ＣＦＤ演算の結果から流れの状態（層流・乱流）を判定して（ステップＳ３３１）、これに応じてＤＢ１２から読み込んだ流れの偏り分布に従って、３次元境界面上の流れ変数の値、即ち境界条件を求める（ステップＳ３３２，Ｓ３３３）。流れの偏り分布は、各境界面の形状に応じて、且つ吸排気通路の湾曲形状の影響を織り込んで、層流状態と乱流状態とで別々に設定するのが好ましい。【選択図】      図１１
2005249420.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に亘る吸排気の流れを、１次元のＣＦＤ解析モデルを用いて模擬演算する１次元のＣＦＤプログラムと、
前記吸気系又は排気系の所定部位における吸排気の流れを、３次元のＣＦＤ解析モデルを用いて模擬演算する３次元のＣＦＤプログラムと、
少なくとも前記１次元のＣＦＤプログラムにより演算された流れ場のデータに基づいて前記３次元のＣＦＤプログラムによる演算の境界条件を与えるデータ授受プログラムと、を準備し、
コンピュータ装置により前記各プログラムを並行して実行させて吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測する予測解析方法であって、
前記３次元ＣＦＤ解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該各境界面の形状に対応付けて予めデータベースとして設定しておき、
前記１次元ＣＦＤ演算による流れ場のデータに基づき、前記データベースに設定されている各境界面の流れの偏り分布に従って該各境界面全体の流れ変数の値を求めて、これを３次元ＣＦＤ演算の境界条件とする
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】
エンジンの吸排気の流れを、１次元及び３次元のＣＦＤ解析モデルを用いて、それぞれ模擬演算する１次元及び３次元のＣＦＤプログラムを備え、それらのプログラムを並行して実行して、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測するようにした予測解析システムであって、
前記１次元のＣＦＤ解析モデルを用いて、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れ場を演算する第１ＣＦＤ演算手段と、
前記第１ＣＦＤ演算手段により演算された流れ場のデータに基づいて、前記３次元のＣＦＤプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与手段と、
前記境界条件付与手段によって与えられた境界条件に基づいて、前記３次元のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算手段と、
前記３次元ＣＦＤ解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該境界面の形状に基づいて設定する偏り分布設定手段と、を備え、
前記境界条件付与手段が、前記第１ＣＦＤ演算手段により演算された流れ場のデータに基づき、前記偏り分布設定手段により設定された各境界面の流れの偏り分布に従って、該各境界面全体の流れ変数の値を求めて、これを３次元ＣＦＤ演算の境界条件と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３】
偏り分布設定手段は、各境界面の重心寄りで流れが相対的に速くなる一方、通路壁寄りで相対的に遅くなるように吸排気の流速を層状に分布させるものであることを特徴とする請求項２の予測解析システム。
【請求項４】
偏り分布設定手段は、解析モデルの模擬する吸排気通路が入口側境界面付近で湾曲している場合には、その入口側境界面において流れの最も速い部位を通路の湾曲外側にずらすものであることを特徴とする請求項３の予測解析システム。
【請求項５】
偏り分布設定手段は、解析モデルの模擬する吸排気通路が湾曲している場合には、これにより出口側境界面において生じる流れの偏りを該出口側境界面の流れの偏り分布に反映させるものであることを特徴とする請求項３の予測解析システム。
【請求項６】
偏り分布設定手段は、第１ＣＦＤ演算手段により演算された流れ場のデータに基づいて各境界面における流れが層流状態であるか乱流状態であるか判定し、この判定結果に応じて流れの偏り分布を変更設定するものであることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つの予測解析システム。
【請求項７】
各境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該各境界面の形状に対応付けて、且つ流れが層流状態のときと乱流状態のときとで別々に設定したデータベースを備え、
偏り分布設定手段は、第１ＣＦＤ演算手段により演算された流れ場のデータに基づき、前記各境界面における流れの状態に対応する流れの偏り分布を前記データベースから読み出して、設定するものであることを特徴とする請求項６の予測解析システム。
【請求項８】
各境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該各境界面の形状とエンジンの模擬運転条件とに対応付けて設定したデータベースを備え、
偏り分布設定手段は、前記データベースから前記模擬運転条件に対応する流れの偏り分布を読み出して、設定するものであることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つの予測解析システム。
【請求項９】
エンジンの吸排気の流れを、１次元及び３次元のＣＦＤ解析モデルを用いて、それぞれ模擬演算する１次元及び３次元のＣＦＤプログラムを備え、それらのプログラムを並行して実行して、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測するようにした予測解析システムの制御プログラムであって、
前記１次元のＣＦＤ解析モデルを用いて、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れ場を演算する第１ＣＦＤ演算ステップと、
前記第１ＣＦＤ演算ステップで演算された流れ場のデータに基づいて、前記３次元のＣＦＤプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与ステップと、
前記境界条件付与ステップで与えられた境界条件に基づいて、前記３次元のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算ステップと、
前記３次元ＣＦＤ解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該境界面の形状に基づいて設定する偏り分布設定ステップと、を備え、
前記境界条件付与ステップでは、前記第１ＣＦＤ演算ステップで演算された流れ場のデータに基づき、前記偏り分布設定ステップで設定された各境界面の流れの偏り分布に従って該各境界面全体の流れ変数の値を求めて、これを３次元ＣＦＤ演算の境界条件とする、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１０】
偏り分布設定ステップでは、各境界面の重心寄りで流れが相対的に速くなる一方、通路壁寄りで相対的に遅くなるように吸排気の流速を層状に分布させる、ことを特徴とする請求項９の制御プログラム。
【請求項１１】
偏り分布設定ステップでは、解析モデルの模擬する吸排気通路が入口側境界面付近で湾曲している場合、その入口側境界面において流れの最も速い部位を通路の湾曲外側にずらす、ことを特徴とする請求項１０の制御プログラム。
【請求項１２】
偏り分布設定ステップでは、解析モデルの模擬する吸排気通路が湾曲している場合、これにより出口側境界面において生じる流れの偏りを該出口側境界面の流れの偏り分布に反映させる、ことを特徴とする請求項１０の制御プログラム。
【請求項１３】
偏り分布設定ステップでは、第１ＣＦＤ演算ステップで演算された流れ場のデータに基づいて各境界面における流れが層流状態であるか乱流状態であるか判定し、この判定結果に応じて流れの偏り分布を変更設定する、ことを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１つの制御プログラム。
【請求項１４】
予測解析システムには、３次元ＣＦＤ解析モデルの各境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該各境界面の形状に対応付けて、且つ流れが層流状態のときと乱流状態のときとで別々に設定したデータベースを備え、
偏り分布設定ステップでは、第１ＣＦＤ演算ステップで演算された流れ場のデータに基づき、前記各境界面における流れの状態に対応する流れの偏り分布を前記データベースから読み出して設定する、ことを特徴とする請求項１３の制御プログラム。
【請求項１５】
各境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該各境界面の形状とエンジンの模擬運転条件とに対応付けて設定したデータベースを備え、
偏り分布設定ステップでは、前記データベースから前記模擬運転条件に対応する流れの偏り分布を読み出して設定する、ことを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１つの制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）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。
【背景技術】
【０００２】
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、エンジンの吸排気の流れ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、このシミュレーション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やその内部における吸気の流れを３次元で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予測することができる。
【０００５】
とはいえ、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排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次元流として記述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（出力、ドライバビリティ、エミッション等々）を予測するためには、例えば、まず、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。これとともに、吸気や排気の流れを１次元流として模擬する簡易な物理モデル（解析モデル、数値計算モデル）を用いたシミュレーションを行う。そして、前記性能特性のデータベース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、エンジンの性能を予測するようにしている。
【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の流れのみを３次元で模擬するシミュレーションも行い、両者の結果を組み合わせて考察することにより、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扱いが難しく、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吸排気の流れを１次元流れとして模擬する簡易な物理モデルを基本としつつ、このモデルの一部分を必要に応じて、自動で３次元のモデル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。このシステムでは、エンジンの全体的な吸排気の流れは簡易な１次元モデルを用いて演算するとともに、特に高い解析精度の要求される部位については３次元のモデルを用い、前記１次元の演算により求めた流れ場のデータから境界条件を与えて、自動的に３次元のＣＦＤ演算を行うようになっている。
【０００９】
しかも、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面倒な設定も自動化しており、専任の解析技術者でなくても容易に扱えるようになっている。
【特許文献１】特表２００２−５２６７６２号公報
【特許文献２】特開２００２−１４８１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、前述のシステムのように１次元のＣＦＤ演算によって求めた流れ場のデータから３次元ＣＦＤ演算の境界条件を与えるようにした場合、その１次元ＣＦＤ演算によって求められるのは、３次元ＣＦＤモデルの入口側及び出口側境界面における流れ変数の平均値のみであるから、該各境界面においては流れが略一様で偏りがないものとみなして、前記の平均的な流れ変数値をそのまま境界面全体に展開することが考えられる。
【００１１】
しかしながら、一般に、通路内の吸排気の流れはその横断面において一様ではなく、例えば通路壁面に近い所では粘性によって相対的に遅くなり、通路壁面から離れるほど速くなるという流速分布を示す。また、通路が湾曲している場合には、その湾曲する内側の部位に比べて外側の部位の流れが速くなる傾向がある。
【００１２】
さらに、エンジンの吸排気の流れは部分的には非常に変動の大きな非定常流であり、例えば排気マニホルドの独立排気通路では排気の流れを層流とみなせる比較的低速の状態から、気筒の排気弁が開いて既燃ガスが高速で吹出す乱流状態まで流れの状態が大幅に変化し、これに伴い通路の横断面における流れの速度分布が大きく変化することになる。
【００１３】
そして、例えば排気マニホルドにおける排気の流れを３次元で模擬する場合には、前記の如く通路横断面における排気の流速分布がエンジンの運転中に大きく変化するような部位に３次元モデルの境界面を設定せざるを得ず、このような場合にも境界面全体で排気流速が略一定であるとみなすと、そのモデルの境界面付近で隣り合う計算格子（メッシュ）間の速度差が過度に大きくなってしまい、これにより計算が発散して、システムダウンに至ることがあった。
【００１４】
そのような計算の発散を抑えるためには、例えば境界面付近においてメッシュを非常に細かく分割すればよく、また、基礎方程式の離散化手法（スキーム）に低次のものを採用すれば、いわゆる数値粘性の作用によって安定性が高くなることも知られているが、そのように細かなメッシュを用いることは直接的に計算時間の増大を招くという難があり、また、低次のスキームを採用すれば、解析精度の低下が避けられない。
【００１５】
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、エンジンの吸排気の流れを少なくとも１次元及び３次元のＣＦＤ演算によって解析し、これによりエンジンの性能を予測する場合に、１次元ＣＦＤにより求めた流れ変数値の３次元境界面への展開の仕方に工夫を凝らして、解析の精度を十分に高いものとし且つ計算時間の短縮を図りながら、計算の発散を抑えて、システムダウンを防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記の目的を達成するために、本願発明では、吸排気通路の寸法・形状や流れの状態等によって異なる境界面の流れの偏り分布を予め調べて設定しておき、１次元及び３次元のＣＦＤ演算を並行して行うときには、その１次元ＣＦＤ演算の結果に基づいて適切な偏り分布を選択し、これにより３次元の境界面上において流れ変数値を適切に分布させた境界条件を得るようにした。
【００１７】
より具体的に、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に亘る吸排気の流れを、１次元のＣＦＤ解析モデルを用いて模擬演算する１次元のＣＦＤプログラムと、前記吸気系又は排気系の所定部位における吸排気の流れを、３次元のＣＦＤ解析モデルを用いて模擬演算する３次元のＣＦＤプログラムと、少なくとも前記１次元のＣＦＤプログラムにより演算された流れ場のデータに基づいて前記３次元のＣＦＤプログラムによる演算の境界条件を与えるデータ授受プログラムと、を準備し、コンピュータ装置により前記各プログラムを並行して実行させて吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測する予測解析方法を対象とする。
【００１８】
このような解析方法において、前記３次元ＣＦＤ解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布をそれぞれ調べて、この偏り分布を少なくとも該各境界面の形状に対応付けて、予めデータベースとして設定しておく。そして、前記１次元ＣＦＤ演算による流れ場のデータに基づき、前記データベースに設定されている各境界面の流れの偏り分布に従って該各境界面全体の流れ変数の値を求めて、これを３次元ＣＦＤ演算の境界条件とする。
【００１９】
前記の方法により、まず基本的に、エンジンの運転状態を模擬するシミュレーションにおいて、少なくとも１次元及び３次元のＣＦＤ解析モデルを用いて吸排気の流れを解析することにより、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て、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。その際、吸排気の全体的な流れを１次元流として模擬し、性能予測において吸排気の流れが特に重要な所定部位のみを３次元流として模擬することで、十分な予測精度を確保しながら、計算時間の短縮が図られる。
【００２０】
そのように次元の異なる解析モデルを組み合わせてＣＦＤ演算を行う場合、３次元解析モデルの入口側及び出口側境界面において各々流れの状態が１次元の演算結果と一致するように、その１次元の演算結果のデータを境界条件として受け渡すことになるが、１次元の演算によって求められるのは３次元モデルの各境界面における流れ変数の平均値であるから、これを基に該各境界面全体に分布する流れ変数の値を決定する必要がある。
【００２１】
そこで、少なくとも前記各境界面の形状によって異なる流れの基本的な偏り分布を予め調べて設定しておいて、前記の如く１次元及び３次元のＣＦＤ演算を並行して行うときには、その１次元のＣＦＤ演算によって求めた各境界面上の流れ変数（例えば吸排気の圧力、密度、流速、温度等）の平均値に基づき、前記データベースに設定されている流れの偏り分布に従って、当該境界面全体の流れ変数の値を決定する。
【００２２】
こうすれば、吸排気通路の形状や流れの状態等によって大幅に異なる流れの偏り具合が反映された境界条件を３次元のＣＦＤ演算に与えることができるので、このＣＦＤ演算において境界面付近で隣接するメッシュ間の流れ変数の偏差が大きくなることを抑制することができ、メッシュを特に細かく分割したり、低次のスキームを用いたり、或いは緩和係数の値を変更したりしなくても、計算の発散を防止することができる。
【００２３】
次に、本願の請求項２の発明は、エンジンの吸排気の流れを、１次元及び３次元のＣＦＤ解析モデルを用いて、それぞれ模擬演算する１次元及び３次元のＣＦＤプログラムを備え、それらのプログラムを並行して実行して、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測するようにした予測解析システムを対象とする。
【００２４】
そして、前記１次元のＣＦＤ解析モデルを用いて、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れ場を演算する第１ＣＦＤ演算手段と、この第１ＣＦＤ演算手段により演算された流れ場のデータに基づいて、前記３次元のＣＦＤプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与手段と、この境界条件付与手段によって与えられた境界条件に基づいて、前記３次元のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算手段と、前記３次元ＣＦＤ解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を少なくとも該境界面の形状に基づいて設定する偏り分布設定手段と、を備える構成とし、その上で、前記境界条件付与手段を、前記第１ＣＦＤ演算手段により演算された流れ場のデータに基づき、前記偏り分布設定手段により設定された各境界面の流れの偏り分布に従って該各境界面全体の流れ変数の値を求めて、これを３次元ＣＦＤ演算の境界条件とするものとした。
【００２５】
前記の予測解析システムによれば、エンジンの運転状態を模擬するシミュレーションにおいて、基本的に第１ＣＦＤ演算手段により１次元のＣＦＤプログラムが実行され、これにより演算された全体的な吸排気の流れ場のデータに基づいて、境界条件付与手段により３次元のＣＦＤプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件が与えられ、この境界条件を用いて第２ＣＦＤ演算手段により３次元のＣＦＤプログラムが実行される。
【００２６】
その際、前記３次元ＣＦＤ解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布が、少なくとも該境界面の形状に基づいて偏り分布設定手段により設定され、そうして設定された流れの偏り分布に従って、前記第１ＣＦＤ演算手段により演算された流れ場のデータに基づき、前記境界条件付与手段により当該境界面全体の流れ変数値が求められて、これが３次元ＣＦＤ演算の境界条件として前記第２ＣＦＤ演算手段に与えられる。つまり、上述した請求項１の発明に係る予測解析方法を自動的に実行して、その作用効果を容易に得ることができる。
【００２７】
ここで、前記流れの偏り分布の設定については、基本的には管路内の圧縮性粘性流体の流れであるから、３次元解析モデルの各境界面においてその重心寄りで流れが相対的に速くなる一方、通路壁寄りで相対的に遅くなるように吸排気の流速を層状に分布させるのが好ましい（請求項３の発明）。また、解析モデルの模擬する吸排気通路が入口側境界面付近で湾曲している場合には、その入口側境界面において流れの最も速い部位を通路の湾曲外側にずらすのが好ましく（請求項４の発明）、さらに解析モデルの模擬する吸排気通路が湾曲している場合には、これにより出口側境界面において生じる流れの偏りを該出口側境界面の流れの偏り分布に反映させるのが好ましい（請求項５の発明）。
【００２８】
また、前記のような流れの速度分布は、流れが層流状態であるか乱流状態であるかによって大きく変化することを考慮し、第１ＣＦＤ演算手段により演算された流れ場のデータに基づいて各境界面における流れが層流状態であるか乱流状態であるかを判定して、この判定結果に応じて流れの偏り分布を変更設定するのがさらに好ましい（請求項６の発明）。こうすれば、解析の途中で流れが層流状態と乱流状態との間で遷移する場合でも、そのことによらず適切に境界条件を与えることができる。
【００２９】
より具体的に、前記の予測解析システムには、各境界面における吸排気流の偏り分布を少なくとも該各境界面の形状に対応付けて且つ流れが層流状態のときと乱流状態のときとで別々に設定したデータベースを備えることが好ましい。こうすれば、偏り分布の設定は、第１ＣＦＤ演算手段により演算された流れ場のデータに基づいて前記各境界面における流れの状態を求め、これに対応する流れの偏り分布を前記データベースから読み出すことによって行うことができる（請求項７の発明）。
【００３０】
或いは、前記予測解析システムに、各境界面における吸排気流の偏り分布を少なくとも該各境界面の形状とエンジンの模擬運転条件とに対応付けて設定したデータベースを備え、偏り分布設定手段は、前記データベースから前記模擬運転条件に対応する流れの偏り分布を読み出して設定するものとすることもできる（請求項８の発明）。
【００３１】
次に、本願の請求項９の発明は、エンジンの吸排気の流れを、１次元及び３次元のＣＦＤ解析モデルを用いて、それぞれ模擬演算する１次元及び３次元のＣＦＤプログラムを備え、それらのプログラムを並行して実行して、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測するようにした予測解析システムの制御プログラムを対象とする。
【００３２】
そして、前記１次元のＣＦＤ解析モデルを用いて、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れ場を演算する第１ＣＦＤ演算ステップと、この第１ＣＦＤ演算ステップで演算された流れ場のデータに基づいて、前記３次元のＣＦＤプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与ステップと、この境界条件付与ステップで与えられた境界条件に基づいて、前記３次元のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算ステップと、前記３次元のＣＦＤ解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を少なくとも該境界面の形状に基づいて設定する偏り分布設定ステップと、を備えるものとし、その上で、前記境界条件付与ステップでは、前記第１ＣＦＤ演算ステップで演算された流れ場のデータに基づき、前記偏り分布設定ステップで設定された各境界面の流れの偏り分布に従って該各境界面全体の流れ変数の値を求めて、これを３次元ＣＦＤ演算の境界条件とするものとする。
【００３３】
前記の制御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。
【００３４】
また、前記請求項３〜５の各発明と同様に、前記偏り分布設定ステップにおいては、各境界面の重心寄りで流れが相対的に速くなる一方、通路壁寄りで相対的に遅くなるように吸排気の流速を層状に分布させることが好ましく（請求項１０の発明）、解析モデルの模擬する吸排気通路が入口側境界面付近で湾曲している場合には、その入口側境界面において流れの最も速い部位を通路の湾曲外側にずらすのが好ましく（請求項１１の発明）、解析モデルの模擬する吸排気通路が湾曲している場合には、これにより出口側境界面において生じる流れの偏りを該出口側境界面の流れの偏り分布に反映させるのが好ましい（請求項１２の発明）。
【００３５】
また、前記偏り分布設定ステップにおいて、第１ＣＦＤ演算ステップで演算された流れ場のデータに基づいて各境界面における流れが層流状態であるか乱流状態であるか判定し、この判定結果に応じて流れの偏り分布を変更設定するのがさらに好ましい（請求項１３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。
【００３６】
さらに、前記予測解析システムには、３次元ＣＦＤ解析モデルの各境界面における吸排気流の偏り分布を少なくとも該各境界面の形状に対応付けて、且つ流れが層流状態のときと乱流状態のときとで別々に設定したデータベースを備え、偏り分布設定ステップでは、第１ＣＦＤ演算ステップで演算された流れ場のデータに基づいて、前記各境界面における流れの状態に対応する流れの偏り分布を前記データベースから読み出して設定するのが好ましい（請求項１４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。
【００３７】
或いは、前記各境界面における吸排気流の偏り分布を少なくとも該各境界面の形状とエンジンの模擬運転条件とに対応付けて設定したデータベースを備え、偏り分布設定ステップでは、前記データベースから前記模擬運転条件に対応する流れの偏り分布を読み出して設定するようにしてもよい（請求項１５の発明）。
【発明の効果】
【００３８】
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、１次元及び３次元のＣＦＤ演算を並行して行い、これによりエンジンの吸排気の流れを解析してエンジン性能を予測する場合に、吸排気通路の形状や流れの状態等によって大きく異なる境界面の流れの偏り分布を予め設定しておき、１次元ＣＦＤ演算の結果に基づいて適切な偏り分布を決定して、これに従って３次元境界面上の流れ変数の値、即ち境界条件を求めるようにしたので、この適切な境界条件の下で行う３次元のＣＦＤ演算を、全体的には高次のスキームを用いた高精度のものとし、しかも、比較的粗いメッシュで計算することによって時間短縮を図りながら、同時に計算の発散によるシステムダウンを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【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次元及び３次元のＣＦＤ演算により模擬するとともに、気筒内の燃焼を化学反応式により模擬し、それらを組み合わせることによって、エンジンの運転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授受と、ＣＦＤ演算及び化学反応シミュレーション（化学反応ＳＩＭ）の間のデータの授受とをいずれも自動化して、例えばスロットル弁から気筒を経て触媒コンバータに至る吸排気の流れをダイナミックにシミュレーションできるようにしたことで、極めて高精度の解析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も接続されている。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プログラムと、そのための物理モデル（解析モデル、数値計算モデル）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モデルデータベースＤＢ１１にアクセスすることができる。このモデル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が格納されているとともに、その雛形がエンジンの各部位毎に種別された状態で格納されており、また、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。
【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が格納されたモデルＤＢ１１を備えることで、このモデルＤＢ１１から読み込んだテンプレート部品の寸法、形状等を修正して組み合わせて、その内部に計算格子（メッシュ）を生成すれば、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、構築したモデルも前記モデルＤＢ１１に格納されるので、必要に応じてそのモデルを修正することもでき、エンジンの設計変さら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ＣＦＤ演算データベースＤＢ１２にアクセスすることができる。このＣＦＤ演算ＤＢ１２には、ＣＦＤ演算における計算の時間刻み、離散化スキーム、緩和係数等の計算条件やそれ以外にＣＦＤ演算のために用いられる種々のデータが格納されている。例えば、ＣＦＤ演算ＤＢ１２には、詳しくは後述するが、前記モデルＤＢ１１に格納されている３次元の物理モデルに対応付けて、その入口側及び出口側の各境界面における吸排気流の偏り分布を設定した偏り分布データが格納されている。
【００４５】
さらに、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ＤＢ１３にアクセスすることができる。この化学反応ＤＢ１３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ＤＢ１３から読み込み、それらガス成分の化学反応をそれぞれ模擬することによって、燃焼状態を模擬することができる。
【００４６】
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て記憶した実験データのデータベースＤＢ１４（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ＤＢ１４に格納されている。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。
【００４７】
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システム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ＤＢ１５（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、それらに変更を加えて新たに設計ＤＢ１５に格納したりすることができる。すなわち、設計ＤＢ１５には種々のエンジンの３次元の設計ＣＡＤデータが、そのエンジン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。
【００４８】
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、該各ＰＣ端末５において、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、これにより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。
【００４９】
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。
【００５０】
（ＣＦＤ演算）
次に、前記１次元及び３次元のＣＦＤ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。
【００５１】
この例では、ＣＦＤの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を基本としながら、必要に応じてエンジンの一部分を３次元のＣＦＤにより置換するようにしている。すなわち、例えば図２(a)に示すように、エンジンの吸気通路上流のスロットル弁thvから第１〜第４気筒ｃ1〜ｃ4の燃焼室を経て触媒コンバータcatに至る１次元ＣＦＤの物理モデルＭ１を基本として、例えば解析の主たる目的が前記触媒コンバータcatにに流入する排気流の偏り具合を調べることである場合に、排気マニホルドexmを同図(b)のような３次元のモデルＭ３で置き換えるのである。
【００５２】
より具体的に、図示の１次元のモデルＭ１では、基本的には、サージタンクstから各気筒ｃ1〜ｃ4までの独立の吸気通路と、スロットル弁thvからサージタンクstまでの共通の吸気通路とをそれぞれ管の集合体として表し、同様に、各気筒ｃ1〜ｃ4から排気マニホルドexmの集合部までの独立排気通路と、その排気集合部から触媒コンバータcatの入口までの共通の排気通路とをそれぞれ管の集合体として表す。また、サージタンクstや第１〜第４気筒ｃ1〜ｃ4はそれぞれ容器として表す。尚、図には表示していないが、前記排気マニホルドexmの集合部からサージタンクstの上流に排気の一部を還流させるＥＧＲ通路も管の集合体として表せばよい。
【００５３】
このような１次元のモデルＭ１において管内を流れる吸気や排気の流れはいずれも圧縮性粘性流体の１次元流とみなし、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各方程式を、与えられた運転条件（模擬運転条件）の下で数値計算により解いてゆく。すなわち、前記各保存式に基づいて例えば特性曲線法により得られる特性方程式を用いて、流れ変数の値を計算し、スロットル下流から触媒上流までに至る吸排気の流れを所定の時間刻み（例えばクランク角）毎に記述する。この際、容器についてはその内部の状態は一様で、管から流入した流体は瞬時に均一に分布すると仮定する。また、管同士や管と容器との接合部分では適当な境界条件を与える。さらに、管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ことが好ましい。
【００５４】
一方、前記排気マニホルドexmの３次元モデルＭ３は、各気筒毎の独立排気通路s1〜s4及びその下流の共通排気通路s5の形状をそれぞれ模擬するものであり、例えば、それらの通路の内壁面に所定寸法のレイヤーメッシュを貼り付けるとともに、通路内の空間にメッシュを切って、計算格子に分割したものである。そして、３次元のＣＦＤでは、通路内の排気流を圧縮性粘性流体の３次元流とみなして前記１次元の場合と同様に各保存式を解いてゆく。すなわち、前記各保存式を時間及び空間において離散化して表した例えば差分方程式を用いて、前記１次元のＣＦＤ演算や後述の化学反応ＳＩＭにより与えられる境界条件の下で通路内の流れ場を計算し、この計算を所定の時間刻み毎に繰り返すことで、時々刻々と変化する排気マニホルド内の流れの様子を３次元で記述することができる。
【００５５】
そのように１次元及び３次元のＣＦＤを組み合わせる場合、吸排気の流れが１次元と３次元との間で入れ替わる部位、すなわち３次元モデルの入口側及び出口側境界面においてそれぞれ１次元ＣＦＤの演算結果に基づいて、３次元ＣＦＤの境界条件（各境界面上の流れ変数の値）を与えることになる。但し、１次元ＣＦＤの演算によって求められるのは、３次元の各境界面における流れ変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔの平均値のみであるから、詳しくは後述するが、その平均値に基づいて該各境界面全体の流れ変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔの値を求めるようにしている。
【００５６】
そして、そのようにして演算データを受け渡しながら、全体的な吸排気の流れは簡易な１次元モデルＭ１を用いて演算し、特に高い精度の要求される部位（この場合は排気マニホルド）については自動的に３次元のモデルＭ３に置き換えて演算することで、１＋３次元のＣＦＤシミュレーションを極めて容易に実現することができ、解析の精度を確保しながら、そのための計算量を削減して、解析に要する時間を短縮することができる。
【００５７】
また、前記排気マニホルドの３次元モデルＭ３は、例えば各独立吸気通路s1〜s4及び共通排気通路s5に分割することができるので、排気マニホルド全体を３次元のモデルＭ３に置き換えるのではなく、例えば各気筒毎の独立排気通路については対応する気筒ｃ1〜ｃ4が排気行程にあるときにのみ３次元のモデルｓ1〜ｓ4に置き換えて、この単独の独立排気通路のモデルｓ1〜ｓ4を共通排気通路のモデルs5と組み合わせたものを用いるようにしており、このことで、計算量をさらに削減することができる。
【００５８】
（化学反応シミュレーション）
上述の如くエンジンの吸排気の流れをＣＦＤ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内の混合気や燃焼ガス等については、その運動を無視して、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の状態、即ち圧力ｐ，密度ρ，速度ｕ及び温度Ｔ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、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ことで、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。
【００５９】
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。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。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状態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状態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。
【００６０】
そして、前記したようにＣＦＤ演算の結果と与えられたエンジン運転条件とに基づいて、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れば、図３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ＤＢ１３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。
【００６１】
前記化学反応ＤＢ１３におけるガス成分グループのデータは、前記図３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り、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。
【００６２】
この点、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、エンジンの運転状態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ＤＢ１３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ＤＢ１３の大きさも適度のものとすることができる。
【００６３】
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。
【００６４】
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燃焼室から排出される既燃ガス（排気）の状態を求める。このデータは上述したＣＦＤプログラムにおける排気流の初期値とされる。
【００６５】
（シミュレーションの概要）
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説明する。図４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データ（初期設定データ）が入力される（Ｓ１）。これは、既にエンジンモデルが構築されている場合には、モデルＤＢ１１に格納されているエンジンモデルを特定するための識別コードと、シミュレーションするエンジンの運転条件（模擬運転条件）等であり、エンジンモデルが構築されていない場合には、さらにモデルの構築に必要な情報が含まれる。
【００６６】
例えば、前記図２に示す４気筒エンジンのモデルについて説明すると、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、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ＤＢ１４や設計ＤＢ１５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。
【００６７】
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どの行程で３次元演算を行うか選択させる。すなわち、例えばエンジンの排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(b)に示すように排気マニホルドに３次元のモデルＭ３を用いるように選択して設定すればよく、さらに、そのうちの独立排気通路s1〜s4については対応する気筒が排気行程にあるときにのみ、３次元のＣＦＤ演算を行うように設定するのが好ましい。
【００６８】
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シミュレーションデータに基づいてエンジンモデルを構築するか、或いはモデルＤＢ１１から読み込んで、これを演算サーバ１，１，…の内部記憶装置（メモリ）に格納する。例えば、図２(a)に示すような、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Ｍ１と、各気筒ｃ1〜ｃ4毎の独立排気通路ｓ1〜ｓ4及び共通排気通路s5に分割可能な排気マニホルドの３次元モデルＭ３とがメモリに格納される。
【００６９】
尚、３次元のモデルＭ３を新たに構築する場合には、例えば、前記シミュレーションデータに基づいて、設計ＤＢ１５から排気マニホルドの形状を表す３次元の設計ＣＡＤデータがＰＣ端末５に読み込まれ、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が作成されて、演算サーバ１，１，…に送信される。そして、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が起動されて、排気マニホルドの通路の内壁面にレイヤーメッシュを貼り付け、また、内部空間にメッシュを切っていく。
【００７０】
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がＰＣ端末５から演算サーバ１，１，…に送信されると、このコマンドを受け取った演算サーバ１，１，…では、モデル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。
【００７１】
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用いる。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。
【００７２】
前記の如く演算サーバ１，１，…のメモリに格納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するようにしている。
【００７３】
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Ｍ１に対しシミュレーションの始期における境界条件（流れ変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔ等）とエンジンの運転条件を入力し（Ｓ３１：条件入力）、これに基づいて１次元流れの特性方程式を計算する（Ｓ３２：ＣＦＤ演算）。すなわち、図２(a)に示すモデルＭ１において、流れの入口側の境界であるスロットル弁thvと出口側の境界である触媒コンバータcatとにおける流れ変数の値が前記シミュレーションデータに基づいて与えられ、これにより、スロットル弁thv下流から各気筒ｃ1〜ｃ4の燃焼室を経て触媒コンバータcatに至る吸気及び排気の流れ場が求められる。
【００７４】
続くステップＳ３３では、前記流れ場のデータを保存するとともに、このデータに基づいて３次元ＣＦＤの境界条件を与える。すなわち、前記１次元の流れ場のデータがデータファイルとして演算サーバ１，１，…からＰＣ端末５に転送され、このデータファイルを受け取ったＰＣ端末５では、１次元の流れ場のデータから後述の如く３次元モデルの境界面（この実施形態ではいずれかの独立排気通路s1〜s4の入口と共通排気通路s5の出口）における流れ変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔの値を求めて、この値を境界条件として含んだ３次元ＣＦＤプログラムの実行ファイルを作成し、演算サーバ１，１，…に返送する。
【００７５】
続いて、前記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、排気マニホルドの３次元モデルＭ３に前記境界条件やエンジンの模擬運転条件等の所定の演算条件を入力して（Ｓ３４：条件入力）、これに基づいて３次元流れの差分方程式を計算する（Ｓ３５：ＣＦＤ演算）。すなわち、図２(b)に示す排気マニホルドのモデルＭ３のうち、対応する気筒が排気行程にある独立排気通路s1〜s4と共通排気通路s5とを組み合わせた３次元モデルが用いられ、その入口及び出口（境界面）における流れ変数の値（境界条件）に基づいて、当該通路内を流れる排気の状態（流れ変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）、即ち排気の流れ場が３次元で求められる。そして、そうして求めた３次元の流れ場のデータを演算サーバ１，１，…のメモリに保存する（Ｓ３６：データ保存）。
【００７６】
そのようにして１＋３次元で求められたシミュレーション始期における流れ場のデータのうち、例えば気筒内の燃焼に係るものや当該気筒から排出される既燃ガスの状態等は、後述するが、所定のタイミングで化学反応シミュレーションの結果に基づいて書き換えられる（データの変換、提供及び書換：Ｓ３７）。その後、エンジンのクランク角を予め設定した微小クランク角（時間刻み）だけ進めて（インクリメント：Ｓ３８）、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（Ｓ３９）、この判定がＮＯであれば、前記ステップＳ３１に戻って、１次元及び３次元のＣＦＤ演算（Ｓ３１〜Ｓ３６）を微小クランク角毎に繰り返し実行する。
【００７７】
こうして、１＋３次元のＣＦＤ演算がシミュレーションの始期から終期に至るまで、前記微小クランク角毎に繰り返し行われることで、エンジンの吸排気の流れ場が時々刻々と変化する様子を時系列に記述したデータが、演算サーバ１，１，…の内部記憶装置に格納される。
【００７８】
尚、上述の如くシミュレーションデータ（ステップＳ１）に含まれる運転条件は、エンジンの定常運転状態を模擬する場合には略一定であり、このときには１次元ＣＦＤモデルＭ１のスロットル弁thvにおける吸気流の流れ変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔは略一定となる。一方、運転状態が変化する非定常運転状態を模擬する場合には、そのように変化する運転状態を表す時系列の模擬運転条件が前記シミュレーションデータに含まれており、前記フローのステップＳ３１、Ｓ３４では、それぞれクランク角の変化に応じて変化する運転条件が与えられることになる。
【００７９】
上述した１＋３次元の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、いずれかの気筒（以下、例えば第１気筒ｃ１として説明する）が吸気行程から圧縮行程に移行したときには、図５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、この物理量の組に対応する識別コードを含む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）。
【００８０】
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、図４のフローに示すように、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ＤＢ１３から読み込んで、（Ｓ４１：化学種の読込み）、第１気筒ｃ1の容器モデルにより燃焼室容積の拡大を模擬しながら、予め設定した微小クランク角（時間刻み）におけるガス成分の化学反応を記述して（Ｓ４２：化学反応演算）、その結果を保存する（Ｓ４３：データ保存）。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、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。
【００８１】
そして、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、気筒から吹出す排気流の初期状態を表す変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔを求め、この変数のデータファイルと、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所定のコマンドとを作成して、演算サーバ１，１，…に返送する。
【００８２】
そうして、前記コマンド及びファイルを受け取った演算サーバ１，１，…により、図４のフローのステップＳ３７において、１次元ＣＦＤ演算の演算結果データにおける第１気筒c1の圧縮行程及び膨張行程の部分が書き換えられる。また、ＥＧＲを考慮して、前記排気の組成に基づいて化学反応ＤＢ１３におけるガス成分のデータが修正される。
【００８３】
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、１＋３次元のＣＦＤ演算と化学反応シミュレーション演算とが並行して行われる。そして、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（Ｓ３９で判定が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）。
【００８４】
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。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、例えば排気マニホルド内の排気の流れ等について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。
【００８５】
前記図４に示すフローのステップＳ３２が、１次元のＣＦＤプログラムを実行して、エンジンの吸排気の流れ場を演算する第１ＣＦＤ演算ステップに対応し、同様にステップＳ３５が、３次元のＣＦＤプログラムを実行して、吸排気の流れ場を演算する第２ＣＦＤ演算ステップに対応している。
【００８６】
そして、この実施形態の予測解析システムＡでは、前記演算サーバ１，１，…において前記フローのステップＳ３２及びステップＳ３５がそれぞれ実行されることにより、この演算サーバ１，１，…が、１次元ＣＦＤプログラムを実行する第１ＣＦＤ演算手段１ａ、及び３次元ＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算手段１ｂをそれぞれ構成する。
【００８７】
（３次元ＣＦＤの境界条件の与え方）
上述の如く、メインプログラムのステップＳ３３では、１次元のＣＦＤ演算の結果から３次元モデルの入口側及び出口側境界面（例えば排気マニホルドのいずれかの独立排気通路s1〜s4の入口と共通排気通路s5の出口）における流れ変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔの値を求めるものであるが、この際、最も簡略には、例えば第１気筒の独立排気通路s1入口について図６(a)に模式的に示すように、境界面において流れが略一様で偏りがないものとみなして、１次元ＣＦＤ演算により求めた流れ変数の値をそのまま境界面全体に展開することが考えられる。
【００８８】
しかし、一般に、吸排気の流れは、仮に通路が真っ直ぐであっても同図(b),(c)に示すような流速分布を示し、通路壁面の近くでは粘性によって相対的に流速が低くなり、壁面から離れるほど流速が高くなる。また、その流速分布は流れの状態によって大きく変化し、流れが比較的遅い層流の状態では同図(b)のように壁面に隣接する境界層のみに速度勾配が現れ、それ以外では概ね一定流速となるが、流れが比較的早い乱流状態では同図(c)のように通路断面の略全体に亘って速度勾配が現れる。さらに、前記独立排気通路s1のように入口側境界面付近で通路が湾曲している場合には、その湾曲する内側の部位に比べて外側の部位の流れが速くなる傾向がある（図８(a)参照）。
【００８９】
このことから、前記の如く簡略に３次元の境界面全体に亘って略一様に流れ変数を展開して、これを境界条件とした場合には（図６(a)）、その境界面付近において、特に図の例では符号Ｄとして示す通路の湾曲内側の壁面近傍において、境界条件として与えられた流速値が３次元のＣＦＤ演算によって求められる下流側の流速値と比べてかなり大きくなってしまい、隣り合うメッシュ間の流速値の偏差が過度に大きくなることから、計算が発散してしまう虞れがあった。
【００９０】
そこで、この実施形態では、本願発明の特徴部分として、まず、解析に用いる３次元モデルの入口側及び出口側境界面における流れの偏り分布を予め調べて、これを流れの偏り分布データとしてＣＦＤ演算ＤＢ１２に格納しておき、前記のように１次元ＣＦＤ演算の結果から３次元の各境界面における流れ変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔの値（境界条件）を求めるときには、該各境界面における流れ変数の平均値を前記流れの偏り分布に従って重み付けして、境界面全体に展開するようにした。
【００９１】
−境界面を含む通路形状の影響−
前記流れの偏り分布データとして例えば流速について説明すると、まず、図７(a)〜(c)に一例を示すように、３次元ＣＦＤモデルの境界面の形状に応じてその重心Ｇ寄りで流れが相対的に速く、通路壁寄りで相対的に遅くなるように、流れの偏り具合を層状に（階層的に）分布させた基本的な偏り分布パターンを設定する。また、その偏り分布パターンの各階層間における速度勾配は、前記図６(b),(c)のように層流状態と乱流状態とで別々に設定する。
【００９２】
さらに、前記境界面を含む吸排気通路の湾曲形状の影響を織り込む。すなわち、例えば前記独立排気通路s1のように入口側境界面付近で通路が湾曲していて、該境界面と対向する通路壁面との距離が非常に近い場合には、図８(a)に示すように通路壁面に沿って流れが曲げられる影響で、それよりも上流側の入口側境界面においても湾曲内側の流れがやや遅くなり、反対に外側の流れが速くなる。そこで、図示の如く、前記入口側境界面において流れの最も速い部位を重心位置Ｇinから通路の湾曲外側にずらすようにする。
【００９３】
具体的には、例えば、図示の如く入口側境界面の重心Ｇinを原点とし、該境界面内において互いに直交するＸ，Ｙ軸と、該境界面に直交するＺ軸とからなる局所直交座標系において、そのＺ軸方向について境界面と対向する通路壁面との距離Ｌによって、入口付近の通路形状依存係数αinを定義し、これにより、流れの中心の重心位置Ｇinからのずれ量を決めるようにする。この係数αinについて一例を挙げれば、前記距離Ｌと入口側境界面の代表長さＤ（例えば境界面の等価直径）とによって、図８(b)に示すように、
αin  ＝    １    （但し、０＜Ｌ／Ｄ≦１）
αin  ＝  Ｄ／Ｌ  （但し、１＜Ｌ／Ｄ≦４）
αin  ＝    ０    （但し、４＜Ｌ／Ｄ）
と定義することができる（尚、係数αinによりずれ量を求める考え方は以下の出口側と同様である）。
【００９４】
一方、出口側境界面においては通路全体の湾曲形状を考慮する必要がある。すなわち、例えば図９(a)に示すように第１気筒が排気行程にあるときには、独立排気通路s1にその入口から流入した排気は通路形状に沿って大きく湾曲した後に、連続する共通排気通路s5の出口（出口側境界面）から流出することになり、このように排気の流れが大きく湾曲して図示のように左側から右側に流れるときには、出口側境界面においても流れが図の右側に偏ることになるからである。
【００９５】
そこで、例えば図９(b)や図１０(a)にも示すように、出口側境界面の重心Ｇoutを原点とし、該境界面内において互いに直交するＸ，Ｙ軸と、該境界面に直交するＺ軸とからなる局所直交座標系において、そのＸ−Ｙ平面に投射した入口側境界面重心位置Ｇinの出口側重心Ｇout（原点）に対する偏差量Ｍと、出口側境界面の代表長さＨ（例えば等価直径）とによって、通路全体の湾曲度合いを流れの偏り具合に反映させるための補正係数βを定義する。
【００９６】
より具体的に、前記出口側の局所直交座標系における入口側境界面の重心位置座標を、Ｘ１，Ｙ１とすれば、偏差量Ｍ  ＝  √（Ｘ１2＋Ｙ１2）  であり、このときに補正係数βは、例えば、
β  ＝  ０.２×（Ｍ／Ｈ）2−０.１×（Ｍ／Ｈ）＋１    （但し、Ｍ／Ｈ≦２）
β  ＝    ２                                         （但し、Ｍ／Ｈ＞２）
と定義することができる。
【００９７】
また、入口及び出口の重心位置Ｇin,Ｇoutの関係が同じであっても、前記図９(b)に実線及び破線でそれぞれ示すように出口近傍の通路形状が大きく異なる場合には、出口側境界面における流れの偏り具合が異なるものとなるので、このような出口付近の通路形状依存係数αoutを、出口側の局所直交座標系において該出口側の境界面重心位置（原点）から対向する通路壁面までの距離Ｌによって、例えば、
αout  ＝    ２    （但し、０＜Ｌ／Ｄ≦１）
αout  ＝  Ｈ／Ｌ  （但し、１＜Ｌ／Ｄ≦４）
αout  ＝    １    （但し、４＜Ｌ／Ｄ）
と定義する。
【００９８】
そして、前記係数αoutと補正係数βとによって、出口側境界面において流れの中心位置が境界面重心Ｇoutからどの程度ずれているか表すずれ係数γを、γ  ＝  αout×β  として定義し、これにより、図１０(b)に模式的に示すようにして上述の基本的な偏り分布パターン（図７参照）を修正することで、通路の湾曲形状の影響を反映した出口側境界面における流れの偏り分布を求めることができる。
【００９９】
すなわち、まず、図１０(a)に示すように、出口側の局所直交座標系における入口側境界面の重心位置座標（Ｘ１，Ｙ１）からずれ方向のベクトルＶ1（Ｘ１，Ｙ１）を求め、これの単位逆ベクトルＶ2により出口側境界面における流れ中心のずれ方向を決定する。そして、前記ずれ係数γから、ずれ量Ｔ  ＝  ｛（γ−１）／１２｝×Ｈ  として求めて、同図(b)に示すように流れの中心を重心Ｇoutから前記ずれ方向Ｖ2に前記ずれ量Ｔだけ移動させて、流れの偏り分布パターンを求めればよい。
【０１００】
−流れの状態の影響−
前記したように通路形状の影響を織り込んで、各境界面における流れの偏り分布パターンを決定するとともに、このパターンの各階層間において流速や圧力の変化する割合は、その流れの状態、即ち層流状態であるか乱流状態であるかによって別々に設定する。すなわち、例えば前記独立排気通路s1では、対応する第１気筒が吸気〜膨張行程にあるときと、該第１気筒が排気行程になって高温高圧の既燃ガスを吹出すときとで、排気の流速が全く異なり、このような流速の著しい変化が気筒の燃焼サイクル毎に繰り返されて、その度に流れの状態が層流状態と乱流状態との間で相互に遷移することになる。
【０１０１】
また、エンジンの運転状態（回転速度、負荷、点火時期、温間・冷間等）の変化によって排気温度が変化すると、これにより排気の密度や粘性が変化することから、前記のように流れの状態が層流・乱流間で遷移するポイントが変化する。
【０１０２】
そこで、この実施形態では、前記のように各境界面の流れの偏り分布を層流状態と乱流状態とで別々に設定しておき、上述したようにエンジンの運転状態を模擬する１＋３次元のＣＦＤ演算を行うときには（図４等参照）、その１次元のＣＦＤ演算によって求めた各境界面の平均的な流れ変数に基づいて、流れのレイノルズ数Ｒｅを計算し、これにより流れが層流状態であるか、乱流状態であるか判定した上で、前記偏り分布データを参照して該各境界面における流れの偏り分布を求めるようにしている。
【０１０３】
そのように、３次元ＣＦＤモデルの入口側及び出口側境界面の形状、吸排気通路の湾曲形状、さらに流れの状態まで考慮して、１次元ＣＦＤ演算の結果から該各境界面における流れの偏り分布を求め、これに従って３次元境界面上に展開した流れ変数の値を３次元ＣＦＤ演算に境界条件として与えるようにすれば、この境界面上の流れ変数値と３次元で計算される境界面付近の変数値とが過度に大きく異なることはなくなる。
【０１０４】
次に、前記の如く１次元のＣＦＤ演算の結果から３次元ＣＦＤの境界条件を与える具体的な手順を図１１のフローチャートに基づいて説明する。このフローの手順は、図４に示すメインフローのＣＦＤ演算、特にステップＳ３３において行われるものであって、そのメインフローのステップＳ３２において演算された１次元ＣＦＤの流れ場のデータが演算サーバ１，１，…において保存されるとともに、ＰＣ端末５，５，…に転送されると、図１１のフローのステップＳ３３０において前記流れ場のデータファイルを受け取ったＰＣ端末５，５，…では、続くステップＳ３３１において前記流れ場のデータから入口側及び出口側境界面における流れのレイノルズ数Ｒｅを算出し、これを臨界レイノルズ数Ｒcと比較して流れが層流状態であるか乱流状態であるか判定する。
【０１０５】
続いて、ステップＳ３３２では、ＣＦＤ演算ＤＢ１２の偏り分布データを参照して、前記各境界面における基本的な流れの偏り分布、即ち階層的な分布パターンとその階層間の速度勾配等、流れ変数ｐ、ρ、ｕ、Ｔの値の変化割合を読み込み、この分布データに従って、続くステップＳ３３３において１次元の流れ変数ｐ、ρ、ｕ、Ｔを３次元の境界面全体に適切な重み付けでもって展開する。そうして求めた３次元ＣＦＤの境界条件を含む実行ファイルを、続くステップＳ３３４において演算サーバ１，１，…に返送して、制御終了となる（エンド）。
【０１０６】
こうして返送されてきた実行ファイルを受け取った演算サーバ１，１，…では、前記図４のメインフローで説明したように３次元ＣＦＤプログラムを起動し、３次元ＣＦＤモデルに前記境界条件を含む演算条件を入力して（Ｓ３４）、これに基づいて３次元のＣＦＤ演算を行うことになるが（Ｓ３５）、この３次元のＣＦＤ演算においては、上述したように適切な境界条件が与えられていることから、境界面付近でメッシュ間の流れ変数の偏差が過度に大きくなることがなく、計算の発散によるシステムダウンを防止することができる。
【０１０７】
前記図１１のフローのステップＳ３３１，Ｓ３３２は、３次元ＣＦＤモデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を、予め該境界面の形状、吸排気通路の湾曲形状、流れの状態等に対応付けて設定された偏り分布データ（ＤＢ１２）から読み込んで、設定する偏り分布設定ステップに対応している。
【０１０８】
また、ステップＳ３３３は、１次元のＣＦＤ演算により求められた流れ場のデータに基づき、前記偏り分布設定ステップＳ３３１，Ｓ３３２において設定された流れの偏り分布に従って、各境界面全体の流れ変数ｐ、ρ、ｕ、Ｔの値を求めて、これを３次元ＣＦＤ演算の境界条件とする境界条件付与ステップに対応している。
【０１０９】
そして、この実施形態の予測解析システムＡでは、ＰＣ端末５，５，…において前記フローのステップＳ３３１，Ｓ３３２及びステップＳ３３３がそれぞれ実行されることにより、このＰＣ端末５，５，…が、３次元ＣＦＤモデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を設定する偏り分布設定手段５ａ、及び、第１ＣＦＤ演算手段１ａにより演算された流れ場のデータに基づいて３次元ＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与手段５ｂをそれぞれ構成する。
【０１１０】
（作用効果）
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、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Ｍ１を用いた１次元のＣＦＤ演算を行うとともに、予め選択した部位については３次元のモデルＭ３,s1〜s5を用いて、前記１次元のＣＦＤ演算により与えられた境界条件の下で、３次元の演算を行うようにしたので、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て、解析に要する時間を短縮することができる。
【０１１１】
また、前記のように１次元の流れ場のデータから３次元モデルの境界面上の流れ変数の値（境界条件）を求めるときに、該境界面の形状や吸排気通路の湾曲形状の影響が織り込まれた適切な偏り分布データに従って、前記１次元の流れ変数値を３次元の境界面全体に展開するようにしたので、３次元で演算される流れ変数の値が境界面付近のメッシュ間で過度に大きく異なるものとなることがなく、このことから、３次元ＣＦＤ全体としては高次のスキームを用いた高精度の演算とし、しかも、比較的粗い時間刻みで計算することによって時間短縮を図りつつ、同時に計算の発散によるシステムダウンを防止することができる。
【０１１２】
さらに、この実施形態では、エンジンの運転中に部分的には吸排気の流速が大きく変化し、流れの状態が層流状態と乱流状態との間で繰り返し遷移することに伴い、流れの偏り分布自体が大きく変化することを考慮して、１次元ＣＦＤ演算により求められた流れ変数値から流れが層流状態であるか乱流状態であるか判定し、これに応じて流れの偏り分布を変更するようにしたので、例えば排気マニホルドの独立排気通路のように流速が非常に大きく変化する部位を３次元で模擬する場合でも、前記の作用効果を得ることができる。
【０１１３】
加えて、この実施形態では、前記の如く３次元モデルの各境界面毎に適切な流れの偏り分布を設定したデータがＣＦＤ演算ＤＢ１２に格納されていて、１＋３次元のシミュレーションの途中でそのＤＢ１２を参照することにより、前記のような適切な境界条件の付与が自動で行われるようになっているので、設計・開発支援ツールとしての実用性は極めて高い。
【０１１４】
（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、前記の実施形態では、３次元ＣＦＤのための物理モデルＭ３,s1〜s5の各境界面毎に、その形状や通路の湾曲度合いを反映する適切な流れの偏り分布を、流れの状態（層流・乱流）に対応付けて別々にＤＢ１２に設定しているが、これに限らず、例えば、図７に示すような境界面形状に対応する基本的な偏り分布パターンと、図６(b),(c)に示すような流れの状態に対応する偏り度合いのパターン乃至計算式と、吸排気通路の湾曲形状を流れの偏り分布に反映させるための計算式とをそれぞれ設定しておき、それらを適宜組み合わせて、個々の境界面毎の流れの偏り分布を求めるようにしてもよい。
【０１１５】
或いは、前記各境界面における流れの偏り分布を流れの状態（層流・乱流）に対応付けて別々に設定するのではなく、これに代えてエンジンの模擬運転条件に対応付けて設定することもできる。
【０１１６】
また、前記実施形態では、エンジンの排気マニホルドについて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、例えば吸気系のサージタンク、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た場合にも本発明を適用できる。
【０１１７】
さらに、前記実施形態では、各気筒の圧縮及び膨張行程については化学反応シミュレーションを行うようにしているが、これは行わずに、１次元及び３次元のＣＦＤのみによってエンジンの吸排気の流れを模擬するようにしてもよい。
【０１１８】
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もシミュレーションを行えることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
以上のように、本発明に係るエンジン性能の予測解析システム等は、高精度のＣＦＤ演算によってエンジン性能の予測精度を十分に高くしながら、計算時間の短縮を図りつつ、そのこと由来するシステムダウンを防止して、自動化率を向上することができるので、設計・開発の支援ツールとして十分な実用性を有し、特に自動車用エンジンの設計・開発に好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【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の全体構成図である。
【図２】ＣＦＤ演算のための物理モデルの一例を示す模式図である。
【図３】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である。
【図４】シミュレーションの手順の概略を示すメインフローチャートである。
【図５】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である。
【図６】(a)は、独立排気通路の入口側境界面において流れが略一様とみなしたときの排気流速分布であり、(b),(c)は、管路内の一般的な流速分布である。
【図７】境界面の形状に応じた流れの基本的な偏り分布パターンの説明図である。
【図８】(a)は、適切な偏り分布を与えた場合の図６(a)相当図であり、(b)は、入口側流路形状依存係数の一例を示すグラフである。
【図９】(a)排気通路の湾曲に因る出口側境界面の流れの偏りと、(b)それを求めるための出口側局所直交座標を示す説明図である。
【図１０】(a)は、出口側境界面における流れの偏り具合を求める方法の一例を示す説明図であり、(b)は、それに応じて流れの中心位置をずらすイメージ図である。
【図１１】３次元ＣＦＤの境界条件付与手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１２１】
Ａ          エンジン性能の予測解析システム
Ｍ１        １次元ＣＦＤ解析モデル
Ｍ３，ｓ1〜ｓ5    ３次元ＣＦＤ解析モデル
Ｇin，Ｇout 境界面重心
１，１，…  演算サーバ
１ａ        第１ＣＦＤ演算手段
１ｂ        第２ＣＦＤ演算手段
５，５，…  ＰＣ端末
５ａ        偏り分布設定手段
５ｂ        境界条件付与手段
【図１】
2005249420.tif 000003
【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】
2005249420.tif 000009
【図８】
2005249420.tif 000010
【図９】
2005249420.tif 000011
【図１０】
2005249420.tif 000012
【図１１】
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