1

スーパーコンピューティング・ジャパン 2024
「最先端シミュレーションとAI、これからのスーパーコンピューティング」
2024.3.13

エンジン燃焼の大規模LES計算

本田技研工業（株）

高林 徹

はじめに自動車用エンジンに対する燃焼の計算は、一般的にRANSベースの数十並列の計算が行われており、弊社も同様である。
近年は、効率向上、排ガス低減などの観点で、燃焼などの非常に複雑な現象に対して「高い計算精度」が、また様々な運転条件に対応できるように「汎用的な手法」が求められるようになってきており、従来の手法では対応できなくなってきている。

一方、コンピュータの性能や計算手法は継続的に進化している。
燃焼解析ソフトウエアーHINOCAのLESの計算を自動車用エンジンに適用したので、その内容の紹介をさせていただきます。

2

目次

I. エンジン入門
II.AICEの紹介
III.HINOCAの紹介

IV.解析例① ガソリンエンジンの噴霧② 燃料分布のサイクル変動③ ディーゼルエンジンの噴霧④ ガソリンエンジンポートの定常流⑤ 副燃焼室3

目次

I. エンジン入門
II.AICEの紹介
III.HINOCAの紹介

IV.解析例① ガソリンエンジンの噴霧② 燃料分布のサイクル変動③ ディーゼルエンジンの噴霧④ ガソリンエンジンポートの定常流⑤ 副燃焼室4

エンジン燃焼エンジンでは空気（酸素）と燃料（ガソリン）が燃焼する• 空気• （Ｏ２）CO2
H2 O

サイクル毎の流動サイクル毎の流動（流速ベクトル）の計算結果

ガソリン（Ｈ、Ｃ）

燃焼効率
ガソリンエンジン燃焼効率ディーゼルエンジン燃焼効率

８０８０

エン ７０
ジン
出 ６０
力（ｐｓ） ５０７０６０５０４０４０

３０３０２０２０100km/h☆

１００１２３100km/h☆

１０４５

エンジン回転数 （×１０００） ｒｐｍ

０１２３４５×１０３

Ne （ｒｐｍ）

エンジンの吸排気系
T1Compress
or

T2
T3T4Turbine

エンジン燃焼の効率向上のための技術
点火方式
・多点点火・DCO

過給EGR

流動制御
・ｽﾜｰﾙｺﾝﾄﾛｰﾙﾊﾞﾙﾌﾞ
・ﾀﾝﾌﾞﾙﾌﾟﾚｰﾄ
・1ﾊﾞﾙﾌﾞ休止

直接噴射

伝熱
スイング材

目次

I. エンジン入門
II.AICEの紹介
III.HINOCAの紹介

IV.解析例① ガソリンエンジンの噴霧② 燃料分布のサイクル変動③ ディーゼルエンジンの噴霧④ ガソリンエンジンポートの定常流⑤ 副燃焼室9

AICEについて

10

エンジンの基盤技術を共同研究する組合（独占禁止法に気をつけながら・・・）
自動車用内燃機関技術研究組合（AICE:アイス）は、2014年に設立した自動車会社9社、研究機関2団体の組合員で構成する技術研究組合です。
CO2排出量削減やエミッション低減等が社会的に求められる状況の中で、自動車用エンジンの高効率化、低排ガス化の課題を共同で解決することを目的として、経済産業省等（官）からの支援をうけ、組合員・共同研究企業（産）、大学・研究機関（学）と共に研究を実施し、産学官で連携し事業を推進しております。
産はAICEに、学はゼロエミッションモビリティパワーソース研
究コンソーシアム（ZEMコンソ）に集まり、互いに連携することで、単独では達成し得ない大きな課題を解決するために、連携して活動しています。

共同研究企業
https://www.aice.or.jp/column/?id=1583219355-361771&ca=8

AICE研究の仕組み

組合員・共同研究企業（産）は、各社共通の基礎・応用領域の課題をAICEに持ち寄り、研究テーマとして設定したうえで、大学・研究機関（学）で研究を実施、研究成果は、産の全員で共有しております。
これにより、産は学の深い科学力を享受でき、開発リソースを削減、自社コア技術や価値創出課題に資源集中が可能となります。
学側では、産と共同で研究課題に取り組むことで、研究力の強化や、研究ニーズの収集、人材育成の好機につながると考えています。
このように、産側だけでなく、学側も含めて日本全体で好循環していくことを目指しています。

11

目次

I. エンジン入門
II.AICEの紹介
III.HINOCAの紹介

IV.解析例① ガソリンエンジンの噴霧② 燃料分布のサイクル変動③ ディーゼルエンジンの噴霧④ ガソリンエンジンポートの定常流⑤ 副燃焼室12

AICEとSIPの連携

13

HINOCA体制 （SIP HPより）

14

HINOCAは、SIP「革新的燃焼技術」の制御チーム（研究責任者：東京大学 金子 成彦）とガソリン燃焼チーム（研究責任者：慶應義塾大学 飯田 訓正）の連携で研究開発されている、自動車エンジンの3次元燃焼解析ソフトウェアです

HINOCA関連資料｜革新的燃焼技術｜報戦略的イノベーション創造プログラム（SIP） (jgo.jp)

HINOCAの計算格子

15

直交格子法＋Immersed Boundary法の併用により形状データからメッシュ作成を経ずに直ちに燃焼計算が可能
形状データ

自動形状認識自動条件設定青：流体セル
赤：IBセル• メッシュ作成なし• リードタイム０で計算開始• MPIとOpenMPのハイブリッド並列

HINOCAの計算手法【サイクル変動】
RANS

LES【排気高速流】
圧縮性解法
排気ポート

Shock wave

16

HINOCAの燃焼計算• 燃料：X_iC8H18=0.9, X_nC7H17=0.1• 混合気：λ~１• インジェクタ：6噴孔• 過給なし放電点火

温度

吸気⇒燃料噴射⇒混合気形成⇒火炎伝播⇒排気

火炎と発熱

17

HINOCA機能カタログ（1/2）
プラットフォーム機能

SIP終了時に実装
SIP後のAICE研究で実装

SIP後のAICE研究で実装（FY22)
実装中（FY23以降)
熱伝達モデル
Han&Reitz熱伝達モデル
解析的壁関数モデル
Rakopoulosモデル

Immersed Boundary法
静的AMR
並列計算負荷分散
ピストン周り動的AMR
バルブ周り動的AMR
陰解法高速化GUI
ポストファイル制御
実行中プログラム制御等
セルベースAMR
CutCell
計算からSTL排除

遷移状態表現モデル
MTS乱流熱伝達モデル

ケーキカット疑似3次元（1次元モデル適用）

疑似3次元詳細化

乱流モデル
RANS: RNGモデル etc.
LES: WALE モデル etc.

JAXAと共同で高速化や使い勝手の向上を実施

18

HINOCA機能カタログ（2/2）

19

SIP終了時に実装

噴霧モデル

SIP後のAICE研究で実装

KH-RT噴霧分裂モデル
減圧沸騰モデルSIP後のAICE研究で実装（FY22)

噴霧変動モデル

実装中（FY23)

ポート噴霧モデル
e-fuel噴霧（噴霧ユーザ会）

液膜モデル

反応/ノックモデル

壁面衝突モデルLivengood-Wuノックモデル
詳細化学反応高速化
類似反応まとめ計算
反応陽解法
反応スキームのリダクション

液膜蒸発モデル

液膜再飛散モデル（WG活動）

点火モデル

燃焼モデル

火炎核成長／放電パーセル点火モデル

G方程式火炎伝播モデル

最小点火エネルギー遷移点火モデル

Keck+Gulder層流燃焼速度モデル
S5R層流燃焼速度モデル

SootモデルPitsch乱流燃焼速度モデル

モーメント法PMモデル

FDSGS乱流燃焼速度モデル

セクショナル法PNモデル

詳細化学反応消炎モデル

AICE内の研究活動から産まれた最新のモデルを実装

HINOCAに関する情報➢ 目次〇エンジン計算〇燃料噴霧計算〇燃焼計算〇ガス流れ計算〇GIエンジン計算 【実施中】

20

目次

I. エンジン入門
II.AICEの紹介
III.HINOCAの紹介

IV.解析例① ガソリンエンジンの噴霧② 燃料分布のサイクル変動③ ディーゼルエンジンの噴霧④ ガソリンエンジンポートの定常流⑤ 副燃焼室21

噴霧モデルの問題点

22

1. HINOCAで予測された噴霧の到達距離が、実測値よりも大きくなっており、実測値の再現ができていない。

2. モデル定数の変更に対して、噴霧形状の変化がみられない。
実測Calc.

計算

Exp.

噴霧が飛びすぎている
噴霧が細い

計算条件

23

✓ 噴射終了後の挙動までが観察できている高圧雰囲気場を対象とした。
Fuel injection
FueliC8H18：イソオクタン

Injected fuel mass, minj

2.52 mg

Injection duration, Δtinj

1.04 ms

Injection pressure, Pinj

35 MPaAmbient
Ambient pressure, Pamb

1 Mpa

Ambient temperature, Tamb300 K

計算結果（格子サイズの影響）

24✓ Δxを0.25mm,0.5mm,1mmの3条件で解析を実施した。

✓ Δxを0.25mmとすることで、tasoi=0.5ms付近から到達距離の増加が抑制される。
Δx

Penetration [mm]8060Fuel: iC8H18

Tamb=300K

Pinj=35MPa

Pamb=1MPa

0.25mm

Dtinj=1ms

Δx=0.5mm,1mmでは到達距離が直線的に増加

4020Dx0.25 mm
0.50 mm
1.00 mm

Model constants
B0=0.61 C3=0.5
B1=60.0 C=5.000.00.5

1.01.5Time after start of injection [ms]2.00.5mm

1.0mm

計算結果（モデル定数の影響）

25✓ RT分裂の液滴径を調整するC3を変更して解析を実施した。

✓ Δx=0.5mmでは見られなかった到達距離に与えるモデル定数の効果がΔx=0.25mmでは確認される。
C3

Penetration [mm]8060

Fuel: iC8H18

Tamb=300K

Pinj=35MPa

Pamb=1MPa

0.50.20.1

Dtinj=1ms40

20

C30.5
0.20.1Model constants
B0=0.61 C=5.0
B1=60.000.00.5

1.01.5Time after start of injection [ms]大2.0

RT分裂後の液滴径

小計算結果（計測値との比較）

26✓ B0=0.61, B1=60, C3=0.5, C=5として解析を実施した。

✓ 分裂モデル定数を調整することで、実測された噴霧の飛翔挙動が再現できた。
Exp.

60

Fuel: iC8H18

Tamb=300K

Pinj=35MPa

Pamb=1MPa

Dtinj=1ms

80 mm

Penetration [mm]

80

40

20

Model constants
B0=0.61 C3=0.5

Calc.
Exp.

B1=60.0 C=5.000.00.5

1.01.5Time after start of injection [ms]2.030 mmCalc.

横風を与えた際の噴霧計算結果

27

Pa=101.3kPa
Ta=300K
Calc.

100mm

Exp.

50m/s

120mm

まとめ：LESを使いメッシュを細かくすると、噴霧周りの細かい渦が解像でき、噴霧の広がりやペネトレーションが予測できるようになった。⇒ 見えないものが見えるようになった。

目次

I. エンジン入門
II.AICEの紹介
III.HINOCAの紹介

IV.解析例① ガソリンエンジンの噴霧② 燃料分布のサイクル変動③ ディーゼルエンジンの噴霧④ ガソリンエンジンポートの定常流⑤ 副燃焼室28

富岳でのLESサイクル変動解析

29

【狙い】
✓ HINOCAを用いたサイクル変動計算の可能性の検討と知見の蓄積➀平均値の比較②変動幅の比較
サイクル毎の流動（流速ベクトル）【エンジン実験】
PFI/DIの切り替えが可能な単気筒エンジンを用いて、負荷・噴射量の異なる運転条件でプラグ近傍λと筒内圧力を計測※エンジン実験データは慶応大学横森先生よりご提供

＠鴨居ベンチ

Displaced volume [cc]563.3

Stroke [mm]127.5

Bore [mm]75.0Compression ratio [-]15.0

Number of valves [-]4

Fuel Injection System

PFI / DI

＃IMEP

123400 kPa

燃料噴射

燃料濃度

PFI

ストイキ

DIストイキリーン

CFDによる燃焼変動要因解析
0.7

プラグ断面当量比

EX側

当量比

1.3

Plug IN側
ｲﾝｼﾞｪｸﾀｰ

プラグ付近の当量比がリーン

BASE,仕様(9MPa, SOI=-65deg.)

燃焼変動の主要因は、プラグ近傍の燃料濃度がリーンの為である

燃焼変動の要因解析と分割噴射による低減案
0.7

プラグ断面当量比@-350deg(θIG)

当量比

プラグ周りA/Fの濃淡が激しい

プラグ周りA/Fが均質

プラグ周りA/Fが均質

単発噴射

分割噴射

別エンジン

A/F大きく揺IGれる→変動※5m/s以下で着火吹き飛びなし

GoodGood
分割噴射はA/F安定単発噴射分割噴射別エンジン

プラグ付近流速@TDC

Good

プラグ近傍当量比（プラグギャップを中心にΦ4）

1.3

着火領域

単発噴射 分割噴射

別エンジン

単発噴射 分割噴射

別エンジン「別エンジン」は全体的に流速が遅いため、プラグ付近も流速が小さい

インジェクターからの燃料噴射を分割にすることで、プラグ近傍の当量比を均質にすることができ燃焼変動を低減できたが、当量比の変動幅が分かれば、もっと攻めることができた。

解析設定・結果

32

吸気

基本メッシュ

排気AMR Lv.1メッシュ

低解像度計算高解像度計算・基本メッシュ：1.0mm
・バルブ近傍AMR Lv.1
・流体セル252万・プロセス数：204, スレッド数：12 富岳
・計算時間：1日/cycle

・基本メッシュ：0.5mm
・バルブ近傍AMR Lv.1
・流体セル2372万・プロセス数：1858, スレッド数：6 富岳
・計算時間：5日/cycle

33

プラグ近傍の燃料濃度【プラグ近傍λ（空気過剰率）の予実検証：低解像度計算 vs. 高解像度計算】〇低解像度計算
PFI, ストイキ

DI, ストイキDI, リーン〇高解像度計算

プラグ近傍λについて、高解像度計算では実験の挙動の傾向を表現できる．

解析結果 平均値の比較
高解像度計算PFI、 ストイキ

BD10-90：
BD10-90：10。6 deg。CA
10.6 deg.CA

吸気
DI、 ストイキ

35

DI、 リーン

BD10-90：
9.9 deg.CA

主燃焼期間の予測精度は十分だが初期燃焼が課題

排気BD10-90：17.0 deg.CA

解析結果 変動幅の比較
プラグ近傍λ :高解像度計算
PFI、 ストイキ

プラグ近傍λDI、 ストイキ36

DI、 リーン

IMEP

まとめ：LESを使いメッシュを細かくすると、流動や燃料分布の動きが正確になって、着火性の予測ができるようになった。⇒ばらつきの大小が分かるようになり、制御がやりやすくなった。

目次

I. エンジン入門
II.AICEの紹介
III.HINOCAの紹介

IV.解析例① ガソリンエンジンの噴霧② 燃料分布のサイクル変動③ ディーゼルエンジンの噴霧④ ガソリンエンジンポートの定常流⑤ 副燃焼室37

ディーゼル噴霧(1)
目的：ディーゼル用インジェクターの計算に必要なメッシュ数を検証し、ノウハウ化する。

実験装置

38

噴射率

ノズルチップ

7011ノズルチップ

Φ50

噴孔位置
噴射方向

dx=0.0625mm

ガラス窓内面（Φ50×4面）

噴射圧:200[MPa]70

計算空間中心断面dx=0.25mm＜計算手法＞
乱流モデル
：LES
時間発展
：陽解法

dx=0.0125mm

dx=0.125mm

dx：最小メッシュサイズ

dx=0.25mm＜計算条件＞
噴射圧：200[MPa]
燃料：軽油
雰囲気圧力 ：4.0MPa
雰囲気温度 ：900K

dx=0.25mm

dx=0.125mm

dx=0.0625mm

ディーゼル噴霧(2)実測

dx=0.25mm

dx=0.125mm

dx=0.0625mm

39dx：最小メッシュサイズ

dx=0.25mm
dx=0.125mm

0.12msdx=0.0625mm
実測

結論：ノズル近傍だけでも詳細メッシュにすることで、非常に精度の高い結果が得られることが分かった。ディーゼル計算の場合は、基本的にこの設定で計算を行う。

0.28ms

メッシュ数：380万
プロセス数：116
スレッド数：1
計算時間：2.2h

メッシュ数：1874万
プロセス数：572
スレッド数：1
計算時間：7.7h

メッシュ数：4678万
プロセス数：564
スレッド数：1
計算時間：38h

まとめ：LESを使いメッシュを細かくすると、噴霧周りの細かい渦が解けて、噴霧の広がりやペネトレーションが予測できるようになり、燃焼室の仕様が検討できるようになった。

目次

I. エンジン入門
II.AICEの紹介
III.HINOCAの紹介

IV.解析例① ガソリンエンジンの噴霧② 燃料分布のサイクル変動③ ディーゼルエンジンの噴霧④ ガソリンエンジンポートの定常流⑤ 副燃焼室40定常流計算(1)41

目的：最近のタンブル強化ポートに対する定常流計算に必要なメッシュサイズを検証し、ノウハウ化する。

ポート燃焼室評価面:
ﾍｯﾄﾞｶﾞｽｹｯﾄ面からBore/2の下方位置

シリンダー100,000[Pa]297[K]

104,000[Pa]297[K]

下向き方向の流速のコンター図エンジンポートの定常流計算の境界条件

タンブル流動の評価

定常流計算(2)ﾊﾞﾙﾌﾞﾘﾌﾄ 3mm

42ﾊﾞﾙﾌﾞﾘﾌﾄ 6mm

ﾊﾞﾙﾌﾞﾘﾌﾄ 9mm

排気側

実測

PIV計測
吸気側

AMRレベル1LES

AMRレベル2LES

AMRレベル3LES

AMRレベル3
RANS(RNG)

最小メッシュサイズ：0.5mm
メッシュ数：715万
プロセス数：201
スレッド数：1
計算時間：29時間
最小メッシュサイズ：0.25mm
メッシュ数：904万
プロセス数：297
スレッド数：1
計算時間：50時間
最小メッシュサイズ：0.125mm
メッシュ数：2910万
プロセス数：538
スレッド数：1
計算時間：106時間
最小メッシュサイズ：0.125mm
メッシュ数：2910万
プロセス数：538
スレッド数：1
計算時間：105時間

まとめ：LESを使いメッシュを細かくすると、剥離や再付着が正しく計算できて、流動が正確に計算できるようになり、タンブル強化ポートのような新たなコンセプトのポートの仕様検討ができるようになった。計算時間は課題なので、短縮化の検討を行っている。

目次

I. エンジン入門
II.AICEの紹介
III.HINOCAの紹介

IV.解析例① ガソリンエンジンの噴霧② 燃料分布のサイクル変動③ ディーゼルエンジンの噴霧④ ガソリンエンジンポートの定常流⑤ 副燃焼室43

副室燃焼(1)44

エンジン試験の前にHINOCAで予備検討を実施

エンジン条件✓ 圧縮比： 13, 20✓ 燃料： イソオクタン✓ 主室A/F ： A/F = 35（λ≒2.4）の予混合吸気✓ 副室A/F ： A/F = 20狙いで燃料噴射（-90deg.ATDCで、0.9mgを副室内に噴射）✓ 点火時期 ： -20deg.ATDC（MBTではない）✓ NMEP： 10bar狙い（吸排気境界条件で調整）
バルブリフト1210

圧縮比13になるようピストン位置を変更

8642

ベースメッシュ1mm

0-360 -300 -240 -180 -120 -60
Valve Lift In mm

060120 180 240 300 360
Valve Lift EX mm

吸気リフト：-24～301deg
排気リフト：-233～52deg

AMR2段0.25mm

AMR1段0.5mm

副室燃焼(2)設定モデル✓ 乱流モデル✓ 火炎伝播モデル✓ 壁面熱損失モデル✓ 点火モデル✓ 噴霧モデル： LES（WALE）： G方程式モデル（SL：Gulder、ST：Pitsch）： Han-Reitz： Lucchini： KH-RT45

点火時期の影響調査

46✓ ２サイクル目のリスタートファイルを用いて点火時期パラスタを実施✓ 点火時期： 338(-22)、 340(-20)、 342(-18)、 344(-16)、 346(-14) deg.CA
点火時期BD10-90
[deg]

MFB50
[deg.ATDC]

燃焼効率[%]

338deg.CA

17.6

0.9

97.7

340deg.CA

12.4

4.297.0342deg.CA

11.7

5.3

96.7344deg.CA

11.2

7.5

96.6346deg.CA

12.7

10.695.8

まとめ：詳細な反応計算を実施することにより、副室燃焼の自着火プロセスを計算することができ、副室の仕様検討に使っている。

まとめ

今回、富岳のような並列数の大きな計算機を使い、変動を再現できるLESを使うことによって、今まで計算ができていなかった現象を再現できるようになった。
最先端のコンピュータの能力をエンジンの研究開発に活用することにより、更なる効率向上、排ガス低減が期待できる。
将来的には、計算手法にLESや圧縮性を採用し、モデル規模を拡大し、メッシュを詳細化して、リアルワールドに近づけていく。

48

エンジンの吸排気系
T1

Compressor

T2
T3

T4TurbineV6エンジン

50

V6エンジン

51

V6エンジン

52