(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ながら、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、この演算結果に基づいて境界条件を与えて、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、このシミュレーションの開始時に最初に３次元ＣＦＤ演算を実行するときには、境界条件を予め設定した態様で徐々に変更しながら、予備的に３次元ＣＦＤ演算を行い（助走期間）、これにより求めたモデル内の流れ場を初期状態として、本来の３次元ＣＦＤ演算を開始する。助走期間における境界条件の変更の仕方は、モデルの状態と模擬運転条件とに対応付けて設定する。【選択図】      図７
2005249418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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プログラムと、
前記の一方の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、他方のプログラムによるＣＦＤ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実行させて、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予測解析方法であって、
解析の開始時点で前記ＣＦＤプログラムの少なくとも一方を最初に実行するときに、境界条件を少なくとも前記解析モデル毎に予め設定した態様で徐々に変更しながら、ＣＦＤ演算を実行し、
そうして求めた流れ場を初期状態として新たにＣＦＤ演算を開始する
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プログラムと、
前記の一方の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、他方のプログラムによるＣＦＤ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実行させて、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予測解析方法であって、
解析の開始時点で前記ＣＦＤプログラムの少なくとも一方を最初に実行するときに、境界条件を予め設定した態様で、まず所定の変化度合いで変更した後に所定期間、略一定に維持しながら、ＣＦＤ演算を実行し、
そうして求めた流れ場を初期状態として新たにＣＦＤ演算を開始する
ことを特徴とするエンジン性能の予測解析方法。
【請求項３】
境界条件を予め設定した態様で変更しながらＣＦＤ演算を実行する途中で、それまでの演算結果により求められる流れ場の変動状態に基づいて、前記該境界条件の変更の態様を修正する、ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のエンジン性能の予測解析方法。
【請求項４】
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、
前記両ＣＦＤプログラムの一方を実行して、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、他方の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、
解析の開始時点で最初に前記他方のＣＦＤプログラムを実行するときに、境界条件を予め設定した態様で、前記境界条件付与手段により与えられた条件になるまで徐々に変更しながら、ＣＦＤ演算を行う助走演算手段と、
前記助走演算手段により演算された流れ場のデータを初期値として、前記他方のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算手段と、を備え、
さらに、前記助走演算手段による境界条件の変更の仕方を少なくとも前記解析モデルに対応付けて設定する助走態様設定手段を備える
ことを特徴とするエンジン性能の予測解析システム。
【請求項５】
第１及び第２ＣＦＤ演算手段がそれぞれ１次元及び３次元のＣＦＤプログラムを実行するものであり、
助走演算手段は、解析の開始時に前記第２ＣＦＤ演算手段により最初に３次元ＣＦＤプログラムが実行されるとき、その前に３次元ＣＦＤプログラムを実行するものであることを特徴とする請求項４に記載のエンジン性能の予測解析システム。
【請求項６】
助走態様設定手段は、助走演算手段による境界条件の変更の仕方をエンジンの模擬運転条件に対応付けて設定するものであることを特徴とする請求項５に記載のエンジン性能の予測解析システム。
【請求項７】
助走演算手段は、境界条件を、まず所定の変化度合いで変更し、その後の所定期間は略一定に維持するものであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１つに記載のエンジン性能の予測解析システム。
【請求項８】
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、
前記両ＣＦＤプログラムの一方を実行して、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、他方のＣＦＤのプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与手段と、
解析の開始時点で最初に前記他方のＣＦＤプログラムを実行するときに、境界条件を予め設定した態様で、前記境界条件付与手段により与えられた条件になるまで徐々に変更しながら、ＣＦＤ演算を行う助走演算手段と、
前記助走演算手段により演算された流れ場のデータを初期値として、前記他方のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算手段と、を備え、
前記助走演算手段は、境界条件を、まず所定の変化度合いで変更し、その後の所定期間は略一定に維持するものである
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９】
助走演算手段による境界条件の変更の仕方を、エンジンの模擬運転状態を規定した模擬運転条件及び解析モデルの少なくとも一方に対応付けて設定する助走態様設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のエンジン性能の予測解析システム。
【請求項１０】
助走態様設定手段は、助走演算手段によるＣＦＤ演算の途中で、演算される流れ場の変動が相対的に小さくなるように、それまでの演算結果に基づいて境界条件の変更の仕方を修正するものとすることを特徴とする請求項４〜７、９のいずれか１つに記載のエンジン性能の予測解析システム。
【請求項１１】
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、
前記両ＣＦＤプログラムの一方を実行して、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演算ステップにより演算された流れ場のデータに基づいて、他方の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、
解析の開始時点で最初に前記他方のＣＦＤプログラムを実行するときに、境界条件を予め設定した態様で、前記境界条件付与ステップにおいて与えられた条件になるまで徐々に変更しながら、ＣＦＤ演算を行う助走演算ステップと、
前記助走演算ステップにおいて演算された流れ場のデータを初期値として、前記他方のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算ステップと、を有し、
さらに、前記助走演算ステップにおける境界条件の変更の仕方を少なくとも前記解析モデルに対応付けて設定する助走態様設定ステップを有する
ことを特徴とするエンジン性能の予測解析システムの制御プログラム。
【請求項１２】
第１及び第２ＣＦＤ演算ステップでは、それぞれ１次元及び３次元のＣＦＤプログラムを実行し、
助走演算ステップは、解析の開始時に前記第２ＣＦＤ演算ステップにおいて最初に３次元ＣＦＤプログラムを実行するときに、その第２ＣＦＤ演算ステップの前に実行する、ことを特徴とする請求項１１に記載の制御プログラム。
【請求項１３】
助走態様設定ステップでは、助走演算ステップにおける境界条件の変更の仕方をエンジンの模擬運転条件に対応付けて設定する、ことを特徴とする請求項１１に記載の制御プログラム。
【請求項１４】
助走演算ステップでは、境界条件を、まず所定の変化度合いで変更し、その後の所定期間は略一定に維持する、ことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１つに記載の制御プログラム。
【請求項１５】
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、
前記両ＣＦＤプログラムの一方を実行して、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演算ステップにより演算された流れ場のデータに基づいて、他方の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、
解析の開始時点で最初に前記他方のＣＦＤプログラムを実行するときに、境界条件を予め設定した態様で、前記境界条件付与ステップにおいて与えられた条件になるまで徐々に変更しながら、ＣＦＤ演算を行う助走演算ステップと、
前記助走演算ステップにおいて演算された流れ場のデータを初期値として、前記他方のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算ステップと、を有し、
前記助走演算ステップでは、境界条件を、まず所定の変化度合いで変更し、その後の所定期間は略一定に維持する
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】
助走演算ステップにおける境界条件の変更の仕方を、エンジンの模擬運転状態を規定した模擬運転条件及び解析モデルの少なくとも一方に対応付けて設定する助走態様設定ステップをさらに有することを特徴とする請求項１５に記載の制御プログラム。
【請求項１７】
助走演算ステップにおけるＣＦＤ演算の途中で、演算される流れ場の変動が相対的に小さくなるように、それまでの演算結果に基づいて境界条件の変更の仕方を修正する助走態様修正ステップをさらに有することを特徴とする請求項１１〜１４、１６のいずれか１つに記載の制御プログラム。
【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、専任の解析技術者でなくても容易に扱えるようにしている。
【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】
しかしながら、一般に、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における気筒毎の独立排気通路では、対応する気筒の排気弁が閉じていて、他の気筒からの排気が下流側から上流側に向かって比較的ゆっくりと逆流している状態から、対応する気筒の排気弁が開いて高温高圧の既燃ガスが高速で吹出す状態まで、極めて広い範囲で流れの状態が変化する。
【００１１】
そのため、前記のシステムのように、エンジンの所定部位における吸排気の流れだけを３次元流として模擬し、１次元及び３次元のそれぞれのＣＦＤ演算による流れ場のデータを受け渡しながら、並行して演算を進めるようにした場合、その３次元のＣＦＤ演算において境界条件の変化に起因する数値振動（流れ変数値の計算上の振動）が発生し、計算が発散してしまう虞れがある。このような数値振動の振幅は計算時間の短縮のために比較的粗い時間刻みで計算を行う場合に、大きくなりやすい。
【００１２】
とりわけシミュレーションを開始するときには、３次元の解析モデル内において空間的に離散化された流れ場は略静止状態になっており、各計算点の流速は零（０）であるから、このモデルに境界条件を与えて流れ場の計算を開始するときには、初期値０からの計算であるために大きな数値振動が発生し易く、計算が発散してシステムダウンとなることが多い。
【００１３】
このようなＣＦＤにおける計算の発散という問題に対しては、一般的に、計算の時間刻みを短くしたり、離散化の手法（スキーム）を安定性の高い低次のものとしたり、或いは物理モデルの計算格子（メッシュ）をできるだけ均等な形状のものとする、といった対処方法が知られているが、時間刻みを短くすれば直接的に計算時間の増大を招くことになるし、低次のスキームを採用した場合には離散化に伴う数値誤差がいわゆる数値粘性として作用するので、解析精度の低下が避けられない。
【００１４】
また、エンジンの吸排気の通路のように複雑な形状を有するものにおいては、全てが略均等な形状となるようにして自動でメッシュを生成することは不可能であり、一方、これを手作業で行うことは多大な労力と時間を必要とする。
【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、そのＣＦＤ演算における境界条件の与え方に工夫を凝らして、解析の精度を十分に高いものとしながら、数値振動による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、解析の開始時点で最初にＣＦＤ演算を開始するときには、境界条件を予め設定した態様で徐々に変更しながら、予備的にＣＦＤ演算を行う助走期間を設け、この助走期間の演算によって求めた流れ場のデータを初期値として、本来のＣＦＤ演算を開始するようにした。
【００１７】
より具体的に、本願発明は、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プログラムと、そのうちの一方の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、他方のプログラムによるＣＦＤ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実行させて、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予測解析方法を対象とする。
【００１８】
そして、解析の開始時点で前記ＣＦＤプログラムの少なくとも一方を最初に実行するときには、境界条件を予め設定した態様で徐々に変更しながら、ＣＦＤ演算を実行し、そうして求めた流れ場を初期状態として新たにＣＦＤ演算を開始する。
【００１９】
前記の方法により、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部位のみを３次元流として模擬するようにすれば、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、各モデルの境界において流れの状態が一致するように、演算結果のデータを受け渡すことになるが、この際、解析の開始時点のように解析モデル内の流れ場が略静止状態になっているときには、モデルの境界面に与えられた流れ変数の値をそのまま境界条件としてＣＦＤ演算を開始するのではなく、その与えられた値になるまで所定の態様で徐々に変更しながら、予備的にＣＦＤ演算を実行する（この演算を行う期間を以下、助走期間ともいう）。
【００２１】
こうすることで、前記助走期間では計算の時間刻み毎の境界条件の変化が小さくなるので、大きな数値振動の発生を抑えることができ、計算の発散を防止することができる。そして、その助走期間における演算により求めた解析モデル内の流れ場を初期状態として、このモデルを用いたＣＦＤ演算を新たに開始するようにすれば、高次のスキームを用いた高精度の非定常流動計算を実施していても、境界条件の急変に起因する数値振動を抑えて、システムダウンを防止することができる。
【００２２】
ここで、前記助走期間において境界条件の変更の度合いが緩やかであるほど数値振動を抑えやすく、計算の発散をより確実に防止できるが、一方で助走期間が長くなり、計算の遅延を招く。また、数値振動が大きくなるかかどうかについてはメッシュを含む解析モデルの形状等の影響が大きく、例えば吸排気の流れる通路の形状が複雑で異形のメッシュの個数が多いときには、このメッシュと周囲のメッシュとの間で流れ変数の偏差が大きくなり、数値振動が大きくなりやすい。
【００２３】
この点に着目して、請求項１の発明では、前記助走期間における境界条件の変更の仕方を、少なくとも前記解析モデルに対応付けて予め設定した態様とする。すなわち、計算の発散が起きやすいモデルに対しては、境界条件を比較的緩やかに変更するようにし、一方、発散が起きにくいモデルに対しては比較的早く変更するするようにする。こうすることで、境界条件の急変に起因する数値振動を抑えて、システムダウンを防止しながら、そのための助走期間を短くすることができる。
【００２４】
一方、請求項２の発明では、特に前記助走期間における境界条件の変更の仕方に工夫を凝らして、期間全体に亘って条件を一様に変化させるのではなく、まず期間の前半で条件を所定の変化度合いで変更し、期間の後半では所定期間、概略一定の条件に維持するようにしている。
【００２５】
こうすれば、助走期間の後半に境界条件が略一定に維持された状態でＣＦＤ演算が行われることで、期間の前半に生じた比較的小さな数値振動も速やかに減衰し、解析モデル内の全体で流れ場が変動の少ない定常的な状態になる。そして、このような状態で本来のＣＦＤ演算を開始することにより、前記の如く数値振動を抑えて、システムダウンを防止する、という作用効果がより確実なものとなる。
【００２６】
前記請求項１、２の発明に係る予測解析方法において、さらに、前記の如く助走期間において境界条件を変更しながらＣＦＤ演算を実行する途中で、それまでの演算結果により求められた流れ場の変動状態に基づいて、前記該境界条件の変更の態様を修正することが好ましい（請求項３の発明）。
【００２７】
すなわち、実際に助走期間でＣＦＤ演算を行っている途中でも、これにより求められた流れ場の変動が大きくて、計算が発散する虞れがあると考えられるときには、境界条件の変更の仕方を緩やかになるように修正する。一方、流れ場の変動が小さいときには、境界条件をもう少し早く変更するようにして、助走期間の短縮を図る。これにより、助走期間における境界条件の変更の仕方を最適化して、発明の作用効果を可及的に高めることができる。尚、前記助走期間でのＣＦＤ演算のみを先に繰り返し行って、その演算結果に基づいて予め境界条件の変更の態様を最適化するようにしてもよい。
【００２８】
次に、請求項４の発明は、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。
【００２９】
そして、前記両ＣＦＤプログラムの一方を実行して、吸排気の流れ場を演算する第１ＣＦＤ演算手段と、該第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、他方の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、解析の開始時点で最初に前記他方のＣＦＤプログラムを実行するときに、境界条件を予め設定した態様で、前記境界条件付与手段により与えられた条件になるまで徐々に変更しながら、ＣＦＤ演算を行う助走演算手段と、該助走演算手段により演算された流れ場のデータを初期値として、前記他方のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算手段と、を備え、さらに、前記助走演算手段による境界条件の変更の仕方を少なくとも前記解析モデルに対応付けて設定する助走態様設定手段を備える構成とする。
【００３０】
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次元又は３次元のいずれか一方のＣＦＤプログラムが実行され、これにより演算された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他方の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演算手段により他方のＣＦＤプログラムが実行される。
【００３１】
その際、解析の開始時点において前記他方のＣＦＤ演算に最初に境界条件が与えられるときには、助走演算手段により、境界条件を予め設定した態様で徐々に変更しながら、前記他方のＣＦＤプログラムが実行され（助走期間）、そうして演算された流れ場のデータを初期値として、第２ＣＦＤ演算手段によりＣＦＤ演算が開始される。また、前記助走演算手段による境界条件の変更の仕方は、助走態様設定手段により少なくとも前記解析モデルに対応付けて設定される。
【００３２】
従って、この請求項４の発明に係る予測解析システムによれば、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。
【００３３】
前記のシステムにおいて、第１及び第２ＣＦＤ演算手段は、それぞれ１次元及び３次元のＣＦＤプログラムを実行するものとし、助走演算手段は、解析の開始時に前記第２ＣＦＤ演算手段により最初に３次元ＣＦＤプログラムが実行されるとき、その前に３次元ＣＦＤプログラムを実行するものとするのが好ましい（請求項５の発明）。
【００３４】
すなわち、シミュレーションを開始するときには３次元の解析モデル内の流れ場が略静止状態になっているので、このモデルに境界条件を与えてＣＦＤ演算を開始すると、このモデル内の各計算点において初期値が零（０）である流れ変数の値が最初の時間刻みの後に大きく変化することから、大きな数値振動が発生し易い。そこで、このような状況で３次元のＣＦＤ演算を開始する前に助走期間を設けることによってシステムダウンを防止する、という前記発明の作用効果が特に有効なものとなる。そして、その場合には、助走態様設定手段として、前記助走演算手段による境界条件の変更の仕方を、エンジンの模擬運転条件に対応付けて設定するのが好ましい（請求項６の発明）。
【００３５】
また、前記助走演算手段における境界条件の変更の仕方としては、境界条件を、まず所定の変化度合いで変更し、その後の所定期間は略一定に維持するものとするのが好ましい（請求項７の発明）。こうすれば、上述した請求項２の発明の如く、助走期間の後半に境界条件を略一定に維持した状態でＣＦＤ演算が行われて、解析モデル内の全体で流れ場が定常的な状態になった後に、本来のＣＦＤ演算が開始されることになるので、数値振動を抑えて、システムダウンを防止する、という作用効果がより確実なものとなる。
【００３６】
さらに、前記請求項４の発明と同じ前提構成の予測解析システムを対象として、この発明と同じ第１及び第２ＣＦＤ演算手段と、境界条件付与手段と、助走演算手段と、を備えるとともに、その助走演算手段における境界条件の変更の仕方を設定する助走態様設定手段は備えずに、助走演算手段において境界条件を、まず所定の変化度合いで変更し、その後の所定期間は略一定に維持するものとしてもよい（請求項８の発明）。
【００３７】
この構成の予測解析システムによれば、上述した請求項２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。
【００３８】
前記請求項８の発明に係る予測解析システムにおいても、助走演算手段による境界条件の変更の仕方を、エンジンの模擬運転状態を規定した模擬運転条件及び解析モデルの少なくとも一方に対応付けて設定する助走態様設定手段を備えることが好ましく（請求項９の発明）、その助走態様設定手段は、助走演算手段によるＣＦＤ演算の途中で、演算される流れ場の変動が相対的に小さくなるように、それまでの演算結果に基づいて境界条件の変更の仕方を修正するものとするのが、さらに好ましい（請求項１０の発明）。そのようにすれば、上述した請求項３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。
【００３９】
次に、本願の請求項１１の発明は、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。
【００４０】
そして、前記両ＣＦＤプログラムの一方を実行して、吸排気の流れ場を演算する第１ＣＦＤ演算ステップと、該第１ＣＦＤ演算ステップにより演算された流れ場のデータに基づいて、他方の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、解析の開始時点で最初に前記他方のＣＦＤプログラムを実行するときに、境界条件を予め設定した態様で、前記境界条件付与ステップにおいて与えられた条件になるまで徐々に変更しながら、ＣＦＤ演算を行う助走演算ステップと、該助走演算ステップにおいて演算された流れ場のデータを初期値として、前記他方のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算ステップと、を有し、さらに、前記助走演算ステップにおける境界条件の変更の仕方を少なくとも前記解析モデルに対応付けて設定する助走態様設定ステップを有するものとする。
【００４１】
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４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４の発明と同じ作用効果が得られる。
【００４２】
また、前記の制御プログラムの第１及び第２ＣＦＤ演算ステップにおいては、それぞれ１次元及び３次元のＣＦＤプログラムを実行するものとし、助走演算ステップは、解析の開始時に前記第２ＣＦＤ演算ステップにおいて最初に３次元ＣＦＤプログラムが実行されるときに、その第２ＣＦＤ演算ステップの前に実行するようにするのが好ましい（請求項１２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。
【００４３】
その場合には、前記助走態様設定ステップでは、前記助走演算ステップにおける境界条件の変更の仕方を、前記エンジンの模擬運転条件に対応付けて設定するのが好ましい（請求項１３の発明）。
【００４４】
また、前記助走演算ステップにおいて、境界条件を、まず所定の変化度合いで変更し、その後の所定期間は略一定に維持するようにするのが好ましい（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。
【００４５】
さらに、前記請求項１１の発明と同じ前提構成の制御プログラムを対象とし、この発明と同じ第１及び第２ＣＦＤ演算ステップと、境界条件付与ステップと、助走演算ステップと、を有するとともに、その助走演算ステップにおける境界条件の変更の仕方を設定する助走態様設定ステップは有さず、前記助走演算ステップにおいて、境界条件を、まず所定の変化度合いで変更し、その後の所定期間は略一定に維持するようにしてもよい（請求項１５の発明）。
【００４６】
こ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８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８の発明と同じ作用効果が得られる。
【００４７】
前記請求項１５の発明に係る制御プログラムにおいても、前記助走演算ステップにおける境界条件の変更の仕方を、エンジンの模擬運転状態を規定した模擬運転条件及び解析モデルの少なくとも一方に対応付けて設定する助走態様設定ステップを有することが好ましく（請求項１６の発明）、その助走態様設定ステップでは、助走演算ステップにおけるＣＦＤ演算の途中で、演算される流れ場の変動が相対的に小さくなるように、それまでの演算結果に基づいて境界条件の変更の仕方を修正するのがより好ましい（請求項１７の発明）。そうすれば、前記の制御プログラムによって請求項９、１０の各発明と同じ作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００４８】
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、これに基づいてエンジン性能を予測する場合に、特に解析の開始時点でＣＦＤ演算を始めるときに境界条件の変化に起因する数値振動が発生して、計算が発散しやすいことを考慮して、このときには境界条件を徐々に変更しながら、予備的にＣＦＤ演算を行う助走期間を設け、この助走期間の演算によって求めた流れ場のデータを初期値として、本来のＣＦＤ演算を開始するようにしたので、数値計算のための離散化スキームに高次のものを採用して、エンジン性能の予測精度を十分に高めながら、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、これにより、設計・開発支援ツールとしての実用性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
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。
【００５０】
（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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、エンジンの設計変更にも容易に対応することができる。
【００５４】
尚、前記モデルＤＢ１１には、詳しくは後述するが、境界条件が大きく変化する所定の状況下で３次元のＣＦＤ演算を開始するときに、その境界条件の変化を緩和するために行う助走演算の態様（境界条件の変更の仕方）を前記エンジンの物理モデル毎に予め設定した助走態様マップも格納されている。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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、それらに変更を加えて新たに設計ＤＢ１４に格納したりすることができる。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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
（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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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各方程式を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。
【００６４】
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。
【００６５】
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次元モデルの境界面においては、１次元ＣＦＤの演算結果に基づいて、３次元ＣＦＤの境界条件（境界面上の流れ変数の値）を与えることになるが、一般的に、１次元流においては流れ変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔがその流れの横断面において一様であるとみなすので、これをそのまま３次元の境界面に受け渡しても正確なシミュレーションが行えるように、流れがその横断面全体で概ね一様になっている部位に境界面を設定するのが好ましい。
【００６６】
そして、そのように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に置き換えて演算が行われることで、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。
【００６７】
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、各気筒ｃ1，ｃ2，…毎に、それが排気行程にあるときに対応する独立排気通路ｓ1〜ｓ4のみを３次元モデルに置き換えるようにすれば、計算量をさらに削減することができる。
【００６８】
（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。
【００６９】
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。
【００７０】
そして、前記したようにＣＦＤ演算の結果とエンジン運転条件とに基づいて、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ＤＢ１２から読み込むことで、化学反応シミュレーションに用いる作動ガスの成分を、ＣＦＤによる流れのシミュレーションとエンジンの運転条件とを反映させた適切なものとすることができる。
【００７１】
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。
【００７２】
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ＤＢ１２に格納するようにしている。これにより、化学反応シミュレーションに用いるガス成分の数が適切なものになり、所要の精度をを確保しながら演算量を大幅に減らすことができる。また、化学反応ＤＢ１２の大きさも適度のものとすることができる。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
（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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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等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。
【００７９】
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ＤＢ１４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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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）とエンジンの模擬運転条件を入力し（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境界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。
【００８４】
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所定の方法で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の入り口及び出口）における流れ変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔの値（境界値）を求めて、この境界条件を含んだ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。
【００８５】
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に前記境界条件を含む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の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、そのようにして求めた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）。
【００８６】
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。
【００８７】
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。尚、図示しないが、エンジンのスロットル弁により調整される吸気の流れの境界条件（変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔ等）は、エンジンが定常運転状態にあるときには略一定であるとみなされる。また、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設定クランク角毎のスロットル開度の変更量（過渡変更量）が別途、エンジンの制御ロジックを模擬する制御プログラムにより与えられる。
【００８８】
上述のした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）。
【００８９】
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ＤＢ１２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。
【００９０】
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。
【００９１】
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ＤＢ１２におけるガス成分のデータが修正される。
【００９２】
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）。
【００９３】
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。
【００９４】
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。また、ステップＳ３３，Ｓ３４は、前記第１ＣＦＤ演算ステップにより演算された流れ場のデータに基づいて、前記第２演算ステップによる３次元のＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与ステップに対応している。
【００９５】
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１ｃをそれぞれ構成する。また、前記演算サーバ１，１，…及びＰＣ端末５，５，…において前記フローのステップＳ３３，Ｓ３４が実行されることにより、これら演算サーバ１，１，…及びＰＣ端末５，５，…が、前記１次元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、３次元ＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与手段１ｂを構成する。
【００９６】
（ＣＦＤ演算における助走期間）
ところで、上述の如く、エンジンの吸排気の流れを一部分だけ３次元流として模擬し、１次元のＣＦＤ演算により求めた流れ場のデータを自動的に３次元ＣＦＤの境界条件として与えるようにした場合、その境界条件が大きく変化することに起因して、３次元のＣＦＤ演算において数値振動（流れ変数値の計算上の振動）が発生し、計算が発散してしまうことがある。
【００９７】
例えば、排気マニホルドの各独立排気通路では、対応する気筒が膨張行程から排気行程に移行して排気弁が開き、そこから高温高圧の既燃ガスが高速で吹出すときに、排気流速が急激に上昇する。より具体的に、図６は、排気マニホルドの所定部位における排気流速の変化を第１気筒の１燃焼サイクルに亘って観測したものであり、同図によれば、＊１、＊２として示すように、観測地点に各気筒からの排気流が到達する度に流速が上昇する様子が見て取れる。
【００９８】
そのため、上述の如く、排気マニホルドのいずれかの独立排気通路のみを３次元のモデルで模擬するようにした場合、このモデルの排気入口側境界面において排気流の圧力ｐ、密度ρ、速度ｕ、温度等Ｔ等、即ち１次元のＣＦＤ演算の結果として与えられる境界条件が非常に大きく変化することになり、このことに起因して大きな数値振動が発生するものである。
【００９９】
特に、同図に＊１として示すシミュレーションの開始時点では、３次元の物理モデル内において空間的に離散化された流れ場が略静止状態になっており、各計算点の流速ｕは零（０）であるから、そのモデルにいきなり境界条件を与えて、図７(a)に示すような非定常な流れ場の計算を開始すると、当該モデル内の各計算点において１回の時間刻みの後に排気流速が初期値０から急増することになり、このことによって、同図(b)に模式的に示すように大きな数値振動が発生し、計算が発散してシステムダウンに至ることが多い。
【０１００】
これに対し、例えば安定性の高い低次のスキームを採用して、離散化に伴う数値誤差がいわゆる数値粘性として作用するようにすれば、数値振動が抑えられて安定性は高くなるが、この場合には精度が大幅に低下することが避けられない。
【０１０１】
斯かる点に鑑みて、この実施形態の予測解析システムＡでは、前記＊１のようなシミュレーションの開始時点で最初に３次元のＣＦＤ演算を始めるときには、１次元ＣＦＤの演算結果から与えられる境界条件をそのまま用いるのではなく、例えば図７(c)に模式的に示すように、境界条件を変化前の条件（図の例では排気流速値０）から変化後の条件（図の例では与えられた排気流速値）まで徐々に変更しながら、予備的にＣＦＤ演算（以下、助走演算ともいう）を行う助走期間を設けるようにした。
【０１０２】
すなわち、同図に実線で示すように、まず助走期間の前半では、境界条件が時間（又はクランク角）の変化に対して所定の変化度合いとなるよう予め設定した勾配で変更しながら、この境界条件に基づいて３次元のＣＦＤ演算を実行する。このように境界条件を徐々に変更すれば、時間刻み毎の変化は小さくなるので、同図に模式的に破線で示すように、モデル内の各計算点における数値振動が小さなものとなる。また、期間の後半では、境界条件を所定期間、概略一定に維持して、３次元ＣＦＤ演算を実行する。こうすることで、前記期間の前半に生じた小さな数値振動も速やかに減衰し、モデル内の全体で流れ場が概ね定常的な状態になる。
【０１０３】
そして、そのようにして定常的な状態となったモデル内の流れ場を初期状態として、新たにＣＦＤ演算を開始するようにすれば、たとえ高次の差分スキームを用いた高精度の非定常流動計算を実施していても、計算が発散することはなくなり、システムダウンを防止することができる。
【０１０４】
以下に、前記の助走演算について図８のフローに基づいて具体的に説明する。このフローは、シミュレーションの始期において、上述したメインプログラム（図４）のステップＳ３４〜３６により３次元のＣＦＤ演算を行う前に、実行するものであり、まず、スタート後のステップＳ３４０でシミュレーションの始期であるかどうか判定し、始期でなければ制御を終了して前記メインプログラムのステップＳ３４に進む一方、判定がＹＥＳでシミュレーションの始期であれば、ステップＳ３４１に進む。
【０１０５】
このステップＳ３４１では、モデルＤＢ１１から読み込んだ助走条件マップを参照して、３次元のＣＦＤ演算に用いる各独立排気通路のモデルs1〜s4に対応する助走条件を選択する。このように助走条件をモデルに対応付けて設定するのは、次のような理由による。すなわち、助走期間における境界条件の変更の度合いは緩やかであるほど数値振動を抑えやすく、計算の発散をより確実に防止することができるが、その一方で、助走期間が長くなると、その分だけ計算の遅延を招くことになり、好ましくない。また、実際に数値振動が大きくなるかどうかについてはメッシュを含むモデルの形状等の影響が大きく、例えば吸排気の流れる通路の形状が複雑で異形のメッシュの個数が多いときには、このメッシュと周囲のメッシュとの間で流れ変数の偏差が大きくなり、数値振動が大きくなりやすい。
【０１０６】
従って、そのように数値振動が大きくなって、計算が発散しやすいモデルに対しては、境界条件を十分に緩やかに変更する必要があるから、例えば助走期間の前半で境界条件の変化勾配を緩やかにしたり、或いは後半の時間を長くしたりするのがよい。一方で、発散が起きにくいモデルに対しては、前記勾配を比較的急にしたり、或いは後半の期間を短めにして、境界条件を比較的早く変更するのが好ましい。そのために、この実施形態では、予め実験等により各モデルに対応する適切な助走条件を求めて、これを境界条件マップとしてモデルＤＢに格納しておき、助走演算を行う際には、各モデル毎に対応する助走条件を前記マップから読み出して、設定するようにしている。
【０１０７】
さらに、前記ステップＳ３４１では、前記の如く読み出した助走条件を、エンジンの模擬運転条件（例えば模擬する負荷状態、回転速度、温度等）に応じて変更する。すなわち、例えば、エンジンの模擬運転条件が高負荷状態であって、排気の温度が高く且つ流量が多いときには、低負荷状態を模擬するときに比べて境界条件を緩やかに変更するのが好ましい。また、例えばエンジン冷間を模擬するときには、排気マニホルドの壁部や通路内の温度が比較的低い状態で、高温高圧の排気が流通することになるから、両者の温度差が比較的小さい温間に比べて境界条件を緩やかに変更するのが好ましい。
【０１０８】
そして、そのように補正して設定した助走条件に従って、ステップＳ３４２において境界条件を少しだけ変更して３次元のモデルに入力し、続くステップＳ３４３において、メインプログラムのステップＳ３５と同様にＣＦＤ演算を行う。続いて、ステップＳ３４４において同ステップＳ３６と同様に流れ場のデータをメモリに保存し、続くステップＳ３４５では同ステップＳ３８と同様にクランク角をインクリメントする。そして、続くステップＳ３４６において、助走期間に対応するクランク角範囲が経過したかどうか判定して（助走期間経過？）、この判定がＮＯであれば、前記ステップＳ３４２に戻って、助走演算（Ｓ３４２〜Ｓ３４５）を続ける一方、判定がＹＥＳであれば、助走演算を終了して、前記メインプログラムのステップＳ３５に進み、本来のＣＦＤ演算を開始する。
【０１０９】
つまり、助走期間において３次元モデルの境界条件を徐々に変更しながら、予備的に３次元ＣＦＤ演算を行い、これによりモデル内の全体で流れ場が概ね定常的な状態になった後に、これを初期状態として新たに３次元ＣＦＤ演算を開始することで、そのＣＦＤ演算が高次のスキームを用いた高精度の３次元非定常流動計算であっても、計算が発散することを防止できる。
【０１１０】
前記図８に示す助走演算のフローにおいて、ステップＳ３４１が、助走条件、即ち助走期間における境界条件の変更の仕方を、エンジンの模擬運転条件及び３次元のモデルに対応付けて設定する助走態様設定ステップに対応している。
【０１１１】
また、ステップＳ３４２〜３４６が、シミュレーションの開始時に最初に３次元のＣＦＤ演算を実行するときに、１次元のＣＦＤ演算の結果に基づいて与えられる境界条件が所定以上に大きく変化することを考慮して、この境界条件を予め設定した態様で徐々に変更しながら、３次元のＣＦＤプログラムを実行する助走演算ステップに対応している。
【０１１２】
また、この実施形態では、前記助走態様設定ステップ及び前記助走演算ステップをそれぞれ実行することで、演算サーバ１，１，…が助走態様設定手段１ｄ及び助走演算手段１ｅを構成する。
【０１１３】
尚、前記の助走演算の途中で、それまでの演算結果により求められた流れ場の変動状態に基づいて、助走条件を修正するようにしてもよい。すなわち、前記図８のフローのステップＳ３４６においてＮＯと判定してステップＳ３４２に戻るときに、メモリに保存した流れ場のデータに基づいて、時間の経過とともに流れ場の変動状態が大きくなっているかどうか判定し、流れ場の変動が大きくなっていれば、例えば助走期間の前半における境界条件の変化勾配を予め設定した所定値だけ小さくして、その変化が相対的に緩やかになるように修正する。一方、変動が大きくなっていなければ、例えば前記変化勾配を前記所定値だけ大きくして、境界条件をより早く変更するように修正する（図に仮想線で示すステップＳ３４７）。
【０１１４】
そのように助走条件を修正した上で、この修正後の助走条件に従って前記ステップＳ３４２〜３４５を実行することを繰り返せば、助走期間における境界条件の変更の仕方を最適化することができる。従って、前記ステップＳ３４７が、ＣＦＤ演算の途中で、演算される流れ場の変動が相対的に小さくなるように、それまでの演算結果に基づいて境界条件の変更の仕方を修正する助走態様修正ステップに対応する。
【０１１５】
（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を用いて、前記１次元のＣＦＤ演算により与えられる境界条件の下で、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。
【０１１６】
また、シミュレーションの開始時点で最初に３次元のＣＦＤ演算を始めるときには、１次元のＣＦＤにより求められる境界条件をそのまま用いるのでなく、これを徐々に変更しながら予備的にＣＦＤ演算（助走演算）を行う助走期間を設けて、この助走演算により求められる変動の少ない流れ場を初期状態として、本来のＣＦＤ演算を開始するようにしたので、高次のスキームを用いた高精度の３次元非定常流動計算を実行して、エンジン性能の予測精度を十分に高めながら、その計算において境界条件の急変に起因する数値振動を抑えて、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。
【０１１７】
しかも、前記助走期間においては、その期間全体に亘って境界条件を一様に変更するのではなく、期間の前半で条件を徐々に変更した後に所定期間、概略一定の条件に維持するようにしたので、期間の前半に生じた比較的小さな数値振動も減衰して、モデル内の全体で流れ場が略定常的な状態になった後に、本来のＣＦＤ演算を開始することができ、これにより、前記の如くシステムダウンを防止できる、という効果がより確実なものとなる。
【０１１８】
さらに、前記助走期間における境界条件の変更の仕方（助走条件）を３次元モデルの状態に対応付けて適切に設定し、計算の発散しやすいモデルでは境界条件を比較的緩やかに変更する一方、計算の発散し難いモデルでは比較的早く変更するようにして、助走期間さえも短縮することができるので、設計・開発支援ツールとしての実用性は極めて高い。
【０１１９】
（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次元のＣＦＤ演算において境界条件の変化を緩和するための助走演算を行うようにしているが、この助走演算は１次元のＣＦＤ演算にも適用できる。
【０１２０】
また、前記実施形態では、助走条件をＣＦＤのモデル及びエンジンの模擬運転条件に対応付けて設定するようにしているが、これに限らず、それらの一方のみに対応付けて設定するようにしてもよい。
【０１２１】
また、前記実施形態では、助走期間の前半で境界条件を徐々に変更し、後半では一定に維持するようにしているが、これに限らず、全期間に亘って徐々に変更するようにしてもよい。
【０１２２】
さらにまた、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でも、その３次元ＣＦＤ演算の前に助走期間を設けることができる。
【０１２３】
また、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。
【０１２４】
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】
【０１２５】
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、そのことに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・開発に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【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】排気マニホルドの所定部位における排気流速の変化を示すグラフ図である。
【図７】シミュレーションの開始時における(a)従来までの境界条件の与え方と、(b)これにより発生する数値振動の様子と、(c)助走演算を行う本願発明の場合と、をそれぞれ模式的に示す説明図である。
【図８】助走演算の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１２７】
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
１，１，…  演算サーバ
１ａ        第１ＣＦＤ演算手段
１ｂ        境界条件付与手段
１ｃ        第２ＣＦＤ演算手段
１ｄ        助走態様設定手段
１ｅ        助走演算手段
【図１】
2005249418.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】
2005249418.tif 000008
【図７】
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【図８】
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