JP4192803B2 - Engine performance prediction analysis method, prediction analysis system and control program thereof - Google Patents

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Description

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。   The present invention relates to a predictive analysis method, a predictive analysis system, and a control program for predicting engine performance by analyzing the motion of a working fluid using CFD (Computational Fluid Dynamics).

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。   Conventionally, in order to evaluate the performance of an engine, a transmission, etc., various measurement / test methods as disclosed in Patent Document 1, for example, have been proposed. Patent Document 2 discloses a simulation system that can evaluate powertrain performance without waiting for completion of engine development.

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。   As such a simulation technique, it is generally performed to analyze engine intake / exhaust flow and combustion gas motion by applying CFD and to predict engine performance based on the analysis result. That is, for example, a virtual experiment (simulation) for simulating a complicated flow of intake air sucked from the intake port into the combustion chamber by numerical calculation using a computer is performed, and for example, the shape of the intake port is determined based on the result of the simulation. As a result, it is possible to reduce the development man-hours spent on repeating trial productions and experiments, and to perform efficient design and development.

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。   Especially in recent years, the remarkable progress in computer computing power has made it possible to simulate the complex shape of intake ports and the flow of intake air in three dimensions without actually prototyping the engine. It is possible to predict changes in intake flow resistance and cylinder volumetric efficiency when the intake port shape is changed.

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。   Nonetheless, there is no simulation system that can simulate the flow of intake air and exhaust gas associated with engine operation in three dimensions. Even though the computer's computing power has improved, the shape of the intake / exhaust passage that differs for each cylinder of a multi-cylinder engine, the situation of gas exchange in the combustion chamber, and the burned gas that blows out from the combustion chamber to the exhaust system. This is because it is unrealistic to describe all gas flows and the like as three-dimensional flows.

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。   Therefore, in order to predict the overall performance of an engine (output, drivability, emissions, etc.), for example, first, experimental data obtained by investigating various performance characteristics of the engine are accumulated, and the performance Build a database that statistically correlates characteristics. At the same time, simulation is performed using a simple physical model (analysis model, numerical calculation model) that simulates the flow of intake and exhaust as a one-dimensional flow. The engine performance is predicted by combining knowledge obtained from the performance characteristic database and one-dimensional simulation results.

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。   In addition to the one-dimensional simulation using the simple model as described above, for example, a simulation that simulates only the intake air flow in the intake port in three dimensions is also performed, and analysis is performed by considering both results in combination. Improvement of the accuracy is also carried out. However, such a three-dimensional CFD analysis program is generally difficult to handle and has a lot of know-how required for setting to improve accuracy, and the load is concentrated on a dedicated analysis engineer. There was a tendency to delay development due to lack.

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。   In this regard, the inventors of the present application are based on a simple physical model that simulates the intake / exhaust flow of the engine as a one-dimensional flow as described above, and a part of this model is automatically three-dimensionally as necessary. We have developed a system that can be operated by replacing the model. In this system, the overall intake / exhaust flow of the engine is calculated using a simple one-dimensional model, and a three-dimensional model is used for parts that require particularly high analysis accuracy. A boundary condition is given from the obtained flow field data, and a three-dimensional CFD calculation is automatically performed.

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。
特表2002−526762号公報 特開2002−148147号公報
In addition, this system employs a user-friendly interface and automates troublesome settings unique to the three-dimensional CFD analysis program so that even a dedicated analysis engineer can easily handle it.
Japanese translation of PCT publication No. 2002-526762 JP 2002-148147 A

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。   However, in general, the flow of intake and exhaust of the engine is partially unsteady flow with very large fluctuations. For example, in the independent exhaust passage for each cylinder in the exhaust manifold, the exhaust valve of the corresponding cylinder is closed, From the state where the exhaust from the cylinder of the engine is flowing back relatively slowly from the downstream side to the upstream side, the exhaust valve of the corresponding cylinder opens and the burned gas of high temperature and high pressure blows out at a high speed. The flow condition changes in the range.

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。   Therefore, as in the system described above, only the flow of intake and exhaust at a predetermined part of the engine is simulated as a three-dimensional flow, and calculation is performed in parallel while transferring the flow field data by the one-dimensional and three-dimensional CFD calculations. When the process is advanced, numerical vibrations (vibrations in calculation of flow variable values) due to changes in boundary conditions occur in the three-dimensional CFD calculation, and there is a possibility that the calculation may diverge. The amplitude of such numerical vibration tends to be large when the calculation is performed in relatively coarse time increments in order to shorten the calculation time.

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。   In particular, when the simulation is started, the flow field that is spatially discretized in the three-dimensional analysis model is almost stationary, and the flow velocity at each calculation point is zero (0). When the flow field calculation is started under conditions, large numerical vibrations are likely to occur because the calculation is from the initial value 0, and the calculation often diverges and the system goes down.

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。   In general, to solve the problem of calculation divergence in the CFD, the time step of calculation is shortened, the discretization method (scheme) is set to a low-order with high stability, or a physical model. Although there is a known method of making the calculation grid (mesh) of the same shape as uniform as possible, if the time increment is shortened, the calculation time directly increases, and a low-order scheme In the case of adopting, a numerical error accompanying discretization acts as a so-called numerical viscosity, so that a reduction in analysis accuracy is inevitable.

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。   In addition, it is impossible to automatically generate a mesh so that all of them have a substantially uniform shape, such as an intake / exhaust passage of an engine. It takes a lot of work and time to do.

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。   The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to analyze the flow of intake and exhaust of the engine by at least one-dimensional and three-dimensional CFD calculations, thereby predicting the performance of the engine. In this case, the method of giving the boundary condition in the CFD calculation is devised to make the analysis accuracy sufficiently high, while suppressing the divergence of the calculation due to the numerical vibration and preventing the system from going down.

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。   In order to achieve the above object, in the present invention, when the CFD calculation is started for the first time at the start of the analysis, the run-up period in which the CFD calculation is performed preliminary while gradually changing the boundary condition in a preset manner. The original CFD calculation is started with the flow field data obtained by the calculation of the running period as an initial value.

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。   More specifically, the present invention relates to a one-dimensional and three-dimensional CFD program for simulating the flow of engine intake and exhaust using at least one-dimensional and three-dimensional CFD analysis models, respectively, and one of the programs. Based on the calculated flow field data, a data exchange program for providing a boundary condition for CFD calculation by the other program is prepared, and each of the programs is executed by a computer device to exhaust at least from a part of the intake system It is intended for a predictive analysis method that analyzes the flow of intake and exhaust air over a part of the system and thereby predicts engine performance.

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。   When at least one of the CFD programs is executed for the first time at the start of analysis, the CFD calculation is executed while gradually changing the boundary conditions in a preset manner, and the flow field thus obtained is set to the initial state. A new CFD calculation is started.

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。   By analyzing the flow of intake and exhaust using at least one-dimensional and three-dimensional CFD analysis models in a simulation for simulating the operating state of the engine by the above method, the physical characteristics of the engine, such as volume efficiency and loss factor, for example. Thus, performance characteristics such as engine output and fuel consumption can be predicted. At that time, if the entire flow of intake and exhaust is simulated as a one-dimensional flow, and only the part where the flow of intake and exhaust is particularly important in performance prediction is simulated as a three-dimensional flow, sufficient prediction accuracy is ensured. However, the calculation time can be shortened.

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)。   In such a case, when CFD calculation is performed by combining analysis models having different dimensions, the calculation result data is transferred so that the flow state matches at the boundary of each model. When the flow field in the analysis model is in a substantially stationary state as shown in FIG. 5, the CFD calculation is not started using the value of the flow variable given to the boundary surface of the model as the boundary condition, but the given value The CFD calculation is performed in a preliminary manner while gradually changing in a predetermined manner until it becomes (the period during which this calculation is performed is hereinafter also referred to as a run-up period).

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。   By doing so, since the change in the boundary condition for each calculation time step is reduced during the run-up period, it is possible to suppress the occurrence of large numerical vibrations and to prevent the divergence of the calculation. Then, if the flow field in the analysis model obtained by the calculation in the run-up period is set as an initial state and CFD calculation using this model is newly started, a highly accurate unsteady state using a higher-order scheme is obtained. Even if the flow calculation is performed, it is possible to suppress the numerical vibration caused by the sudden change of the boundary condition and prevent the system from going down.

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。   Here, as the degree of change of the boundary condition in the run-up period is more gradual, it is easier to suppress numerical vibrations and the divergence of the calculation can be prevented more reliably. On the other hand, the run-up period becomes longer and the calculation is delayed. In addition, whether the numerical vibration increases or not is greatly affected by the shape of the analysis model including the mesh.For example, when the shape of the passage through which intake and exhaust flows is complicated and the number of deformed meshes is large, The deviation of flow variables between the mesh and the mesh tends to increase, and the numerical vibration tends to increase.

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。   Focusing on this point, in the first aspect of the invention, the method of changing the boundary condition in the run-up period is set in advance in association with at least the analysis model. In other words, the boundary condition is changed relatively gently for a model that is likely to cause divergence of calculation, while it is changed relatively quickly for a model that is less likely to diverge. By doing so, it is possible to suppress the numerical vibration caused by the sudden change in the boundary condition and prevent the system from being down while shortening the run-up period for that purpose.

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。   On the other hand, in the invention of claim 2, in particular, the method of changing the boundary condition in the run-up period is not devised to change the condition uniformly over the entire period. In the latter half of the period, it is maintained at a substantially constant condition for a predetermined period.

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。   In this way, the CFD calculation is performed in the second half of the run-up period with the boundary condition maintained substantially constant, so that relatively small numerical vibrations generated in the first half of the period are quickly attenuated, and the entire analysis model The flow field becomes a steady state with little fluctuation. Then, by starting the original CFD calculation in such a state, the operational effect of suppressing the numerical vibration as described above and preventing the system from going down becomes more reliable.

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)。   In the predictive analysis method according to the first and second aspects of the present invention, the flow field variation obtained from the previous calculation results during the execution of the CFD calculation while changing the boundary conditions during the run-up period as described above. It is preferable to modify the change of the boundary condition based on the state (invention of claim 3).

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。   That is, even when the CFD calculation is actually being performed during the run-up period, if it is considered that there is a risk that the flow field variation obtained by this will cause the calculation to diverge, the method for changing the boundary condition should be relaxed. Modify to be. On the other hand, when the flow field fluctuation is small, the boundary condition is changed a little earlier so as to shorten the run-up period. Thereby, the method of changing the boundary conditions during the run-up period can be optimized, and the operational effects of the invention can be enhanced as much as possible. Note that only the CFD calculation in the run-up period may be repeated first, and the change condition of the boundary condition may be optimized in advance based on the calculation result.

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。   Next, the invention of claim 4 comprises a one-dimensional and three-dimensional CFD program for simulating the flow of engine intake and exhaust using at least one-dimensional and three-dimensional CFD analysis models, respectively. An object of the present invention is a predictive analysis system that executes and analyzes the flow of intake and exhaust air from at least a part of the intake system to a part of the exhaust system, thereby predicting the performance of the engine.

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。   Then, one of the two CFD programs is executed to calculate the flow field of intake / exhaust, and the flow field data calculated by the first CFD calculation means is used to calculate the CFD of the other CFD program. Boundary condition giving means for giving a calculation boundary condition, and when the other CFD program is executed for the first time at the start of the analysis, the boundary condition is set in advance in the condition given by the boundary condition giving means. And a second CFD calculation unit that executes the other CFD program using the flow field data calculated by the first calculation unit as an initial value. Furthermore, the approach mode setting means for setting the way of changing the boundary condition by the approach calculation means in association with at least the analysis model A configuration that includes a.

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。   According to the predictive analysis system described above, in the simulation for simulating the operating state of the engine, basically, the first CFD calculation unit executes either one-dimensional or three-dimensional CFD program, and the intake / exhaust gas calculated thereby is calculated. Based on the flow field data, a boundary condition for the CFD calculation by the other CFD program is given by the boundary condition giving means, and the other CFD program is executed by the second CFD calculation means using this boundary condition.

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。   At that time, when a boundary condition is first given to the other CFD calculation at the start of analysis, the other CFD program is executed while the boundary condition is gradually changed in a preset manner by the run-up calculation means. (Running period) The CFD calculation is started by the second CFD calculation means with the flow field data thus calculated as an initial value. Further, the way of changing the boundary condition by the approach calculation means is set in association with at least the analysis model by the approach mode setting means.

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。   Therefore, according to the prediction analysis system according to the invention of claim 4, the prediction analysis method according to the invention of claim 1 described above can be automatically executed, and the effects thereof can be easily obtained.

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)。   In the above system, the first and second CFD calculation means execute one-dimensional and three-dimensional CFD programs, respectively, and the run-up calculation means is initially set by the second CFD calculation means at the start of analysis. It is preferable that the three-dimensional CFD program is executed before (3).

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)。   That is, when the simulation is started, the flow field in the three-dimensional analysis model is substantially stationary. Therefore, when the CFD calculation is started by giving a boundary condition to this model, the initial value is obtained at each calculation point in the model. Since the value of the flow variable having a zero (0) changes greatly after the first time step, large numerical vibrations are likely to occur. Therefore, the effect of the invention of preventing the system from being down by providing a run-up period before starting the three-dimensional CFD calculation in such a situation is particularly effective. In this case, it is preferable that the way of changing the boundary condition by the running calculation means is set as the running mode setting means in association with the simulated operating condition of the engine (invention of claim 6).

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。   Further, as a method of changing the boundary condition in the run-up calculating means, it is preferable that the boundary condition is first changed at a predetermined degree of change and maintained substantially constant for a predetermined period thereafter. invention). In this way, as in the invention of claim 2 described above, the CFD calculation is performed with the boundary condition maintained substantially constant in the latter half of the run-up period, and the flow field in the entire analysis model is in a steady state. After that, the original CFD calculation is started, so that the operational effect of suppressing the numerical vibration and preventing the system from being down is further ensured.

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)。   Further, for the prediction analysis system having the same premise configuration as that of the invention of claim 4, the first and second CFD calculation means, boundary condition imparting means, and run-up calculation means, which are the same as those of the present invention, are provided. The approach condition setting means for setting the method of changing the boundary condition in the computing means is not provided, but the boundary condition is first changed at a predetermined degree of change in the approach computing means, and is maintained substantially constant for the subsequent predetermined period. (Invention of claim 8).

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。   According to the prediction analysis system having this configuration, the above-described prediction analysis method according to the invention of claim 2 can be automatically executed, and the operation effect can be easily obtained.

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。   In the predictive analysis system according to the invention of claim 8 as well, the approach of changing the boundary condition by the approach calculation means is set in association with at least one of the simulation operation condition defining the engine simulation operation state and the analysis model. Preferably, the mode setting means is provided (invention of claim 9), and the running mode setting means is arranged so that the fluctuation of the calculated flow field becomes relatively small during the CFD calculation by the running calculation unit. It is more preferable to modify the way of changing the boundary condition based on the calculation results up to this point (invention of claim 10). By doing so, it is possible to automatically execute the predictive analysis method according to the above-described invention of claim 3 and easily obtain the effects thereof.

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。   Next, the invention of claim 11 of the present application includes a one-dimensional and three-dimensional CFD program for simulating the flow of engine intake and exhaust using at least one-dimensional and three-dimensional CFD analysis models, respectively. The control program of the predictive analysis system that executes the program and analyzes the flow of intake and exhaust air from at least a part of the intake system to a part of the exhaust system and thereby predicts the engine performance is targeted.

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。   Then, one of the two CFD programs is executed to calculate the flow field of intake and exhaust, and based on the flow field data calculated by the first CFD calculation step, the CFD by the other CFD program is calculated. A boundary condition giving step for giving a boundary condition for the operation, and the condition given in the boundary condition giving step in a mode in which the boundary condition is set in advance when the other CFD program is first executed at the start of the analysis. A run-up calculation step for performing the CFD calculation while gradually changing to a second step, and a second CFD calculation step for executing the other CFD program using the flow field data calculated in the run-up calculation step as an initial value. In addition, at least the analysis module shows how to change the boundary condition in the run-up calculation step. It shall have a run-up mode setting step of setting in association with Le.

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。   By controlling the computer system with the control program, the computer system becomes an engine performance prediction analysis system according to the invention of claim 4, and thereby, the same effect as that of the invention of claim 4 can be obtained.

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。   In the first and second CFD calculation steps of the control program, one-dimensional and three-dimensional CFD programs are executed, respectively, and the run-up calculation step is first performed in the second CFD calculation step at the start of analysis. When the dimension CFD program is executed, it is preferably executed before the second CFD calculation step. Thus, the same effect as that attained by the 5th aspect can be attained.

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)。   In that case, in the approach mode setting step, it is preferable to set the way of changing the boundary condition in the approach calculation step in association with the simulated operation condition of the engine (invention of claim 13).

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。   In the approach calculation step, it is preferable that the boundary condition is first changed at a predetermined degree of change, and is maintained substantially constant for a predetermined period thereafter (invention of claim 14). Thus, the same effect as that attained by the 7th aspect can be attained.

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)。   Further, the control program having the same premise configuration as that of the invention of claim 11 is provided, and has the same first and second CFD calculation steps as those of the present invention, a boundary condition assigning step, and a run-up calculation step, and the run-up calculation There is no run-up mode setting step for setting how to change the boundary condition in the step. In the run-up calculation step, the boundary condition is first changed at a predetermined change degree, and is maintained substantially constant for a predetermined period thereafter. (Invention of claim 15).

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。   By controlling the computer system with this control program, the computer system becomes an engine performance prediction analysis system according to the invention of claim 8, and the same operation effect as that of the invention of claim 8 is thereby obtained.

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。   In the control program according to the fifteenth aspect of the present invention, the method of changing the boundary condition in the approach calculation step is set in association with at least one of the simulated operation condition and the analysis model that defines the simulated operation state of the engine It is preferable to have an aspect setting step (invention of claim 16), and in the approach mode setting step, the flow field to be calculated is relatively reduced during the CFD calculation in the approach calculation step. It is more preferable to modify the way of changing the boundary condition based on the calculation results up to (invention of claim 17). If it does so, the same effect as each invention of Claims 9 and 10 will be obtained by the above-mentioned control program.

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。
As described above, according to the engine performance prediction analysis method, the prediction analysis system, and the control program thereof according to the present invention, the engine intake / exhaust flow is analyzed by at least one-dimensional and three-dimensional CFD computations. When predicting the engine performance based on this, especially when starting the CFD calculation at the start of the analysis, considering that the numerical vibration caused by the change of the boundary condition occurs and the calculation is likely to diverge, While the conditions were gradually changed, a preliminary run period for performing the CFD calculation was provided in advance, and the original CFD calculation was started using the flow field data obtained by the calculation during the run period as an initial value. Adopting a higher-order discretization scheme for calculation to sufficiently improve the prediction accuracy of engine performance, It can be prevented, and this makes it possible to improve the practicality of the design and development support tools.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the following description of the preferred embodiment is merely illustrative in nature, and is not intended to limit the present invention, its application, or its use.

(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。
(Overall system configuration)
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of an engine performance prediction analysis system A according to an embodiment of the present invention. This system simulates the flow of intake and exhaust, which are working fluids of the engine, by one-dimensional and three-dimensional CFD computations, and simulates combustion in a cylinder by a chemical reaction equation, and combines them, Driving simulation is performed. This system is characterized by automating data exchange between one-dimensional and three-dimensional CFD computations and data exchange between CFD computations and chemical reaction simulation (chemical reaction SIM), for example, a throttle valve The flow of intake and exhaust from the cylinder to the catalytic converter can be dynamically simulated, so that extremely high-precision analysis can be easily performed.

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。   Reference numerals 1, 1,... Shown are computer apparatuses that mainly execute CFD operations. In this embodiment, in particular, a plurality of high-speed server computers are arranged in parallel in order to cope with an enormous amount of operations of three-dimensional CFD. Connected and used (hereinafter referred to as “calculation server”). Each of these arithmetic servers 1 incorporates a storage device such as a hard disk drive and is connected to an image display device 10 such as a display. Further, although not shown, an output device such as a printer and a keyboard for accepting an input operation by an operator. An input device such as a mouse is also connected. The storage device includes at least one-dimensional and three-dimensional CFD programs for simulating the flow of intake and exhaust, a dedicated preprocessor for constructing a physical model (analysis model, numerical calculation model) therefor, and a combustion state Are stored, and a chemical reaction simulation program for simulating the image and an image processing program for displaying an image of a simulation result by each of the programs.

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。   The arithmetic servers 1, 1,... Can access the model database DB11 by a general method as needed during the operation. The model DB 11 stores a physical model of an engine used for one-dimensional and three-dimensional CFD calculations, and stores the model in a state classified for each part of the engine. A model newly constructed by the preprocessor is also stored. The model of the physical model is a basic part of a portion where intake or exhaust flows, such as an intake system surge tank, independent intake passage, intake port, exhaust system exhaust port, exhaust manifold, EGR passage, etc. A part model that simulates a shape and whose physical property values such as dimensions, shape and material, surface state, and thermal conductivity can be changed, and is hereinafter referred to as a template part in this embodiment.

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。   By providing the model DB 11 in which the data of the template part that can change the dimension, shape, and physical property value is stored, the dimension, shape, and the like of the template part read from the model DB 11 are corrected and combined. If a calculation grid (mesh) is generated inside, a physical model of the engine for CFD calculation can be constructed. In addition, since the model once constructed in this way is also stored in the model DB 11, the model can be corrected as necessary, and engine design changes can be easily handled.

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。   In the model DB 11, as will be described in detail later, when a three-dimensional CFD calculation is started under a predetermined situation where the boundary condition changes greatly, a run-up calculation performed to alleviate the change in the boundary condition is performed. A running mode map in which modes (how to change boundary conditions) are preset for each physical model of the engine is also stored.

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。   Further, the arithmetic servers 1, 1,... Can access the chemical reaction database DB12 by a general method as needed during the operation. This chemical reaction DB 12 is a representative of various gas components (chemical species) in the intake air that are filled in the in-cylinder combustion chamber of the engine and contribute to combustion. They are stored in a state of being grouped in advance in association with the set. Therefore, as will be described in detail later, according to the state in the cylinder obtained as a result of the CFD calculation, a corresponding group of gas components is read from the chemical reaction DB 12, and the chemical reactions of these gas components are respectively simulated. By this, the combustion state can be simulated.

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。   Reference numeral 2 shown in the figure is a computer device that is connected to an experimental data database DB 13 (experiment DB) that mainly stores engine specification values, physical characteristics and performance characteristics in association with each other and manages the data ( Hereinafter, it is referred to as an experimental DB server. In other words, the data accumulated in the past experiments and developments related to engines and transmissions are organized by well-known statistical analysis methods, and the engine specifications and their physical characteristics (for example, volumetric efficiency, combustion characteristics, loss factor, etc.) Etc.) and performance characteristics thereof (for example, output, fuel consumption, emission, etc.) are stored in the experiment DB 13 as empirical formulas associated with each other. Based on this empirical formula, for example, performance characteristics can be predicted from engine specification values and physical characteristics.

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。   Reference numeral 3 shown in the figure is a computer device of a three-dimensional CAD system for supporting engine design (hereinafter referred to as a design CAD server). The design CAD server 3 executes a general-purpose CAD program for machine design and structural analysis, and accesses the design database DB 14 (design DB) by a general method as necessary during the operation. The engine design CAD data can be called up or changed and stored in the design DB 14 anew. That is, the design DB 14 stores three-dimensional design CAD data of various engines in a state where they can be extracted and used individually for each part of the engine.

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。   Reference numerals 5, 5,... Are terminals (PC terminals) each formed of a personal computer, which are arranged in plural in the powertrain design department, development department, experimental department, etc. Are connected to the calculation servers 1, 1,..., The experiment DB server 2 and the design CAD server 3 so as to be capable of bidirectional communication. When the system control program is executed in accordance with the operation of the operator in each PC terminal 5, each PC terminal 5 is connected to the calculation servers 1, 1,... Via the network 6 (login). A so-called server / client environment is configured, and commands and files are exchanged mainly with the computing servers 1, 1,..., Thereby executing an engine operation simulation.

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。   The experiment DB server 2, the design CAD server 3, and the PC terminal 5 each have a built-in storage device such as a hard disk drive, as in the calculation server 1, and are connected to a display 10, an output device, an input device, and the like. Yes.

(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。
(CFD calculation)
Next, the operation simulation of a 4-cycle 4-cylinder gasoline engine will be described as a specific example of the one-dimensional and three-dimensional CFD.

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。   In this example, in order to shorten the time required for the CFD calculation as much as possible, a part of the engine is replaced with a three-dimensional CFD as necessary while basically using a one-dimensional CFD. That is, for example, as shown in FIG. 2A, a one-dimensional CFD physical model M1 from the throttle valve thv upstream of the intake passage of the engine to the catalytic converter cat through the combustion chambers of the first to fourth cylinders c1 to c4 is obtained. Basically, for example, when the main purpose of the analysis is to examine the deviation of the exhaust flow flowing into the catalytic converter cat, the exhaust manifold exm is replaced with a three-dimensional model M3 as shown in FIG. is there.

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。   More specifically, in the illustrated one-dimensional model M1, an independent intake passage from the surge tank st to each of the cylinders c1 to c4 and a common intake passage from the throttle valve thv to the surge tank st are basically provided. Are respectively represented as a collection of pipes, and similarly, an independent exhaust passage from each cylinder c1 to c4 to a collection portion of the exhaust manifold exm, and a common exhaust passage from the exhaust collection portion to the inlet of the catalytic converter cat, respectively. Expressed as a collection of tubes. The surge tank st and the first to fourth cylinders c1 to c4 are represented as containers. Although not shown in the figure, the EGR passage for returning a part of the exhaust from the collection portion of the exhaust manifold exm to the upstream of the surge tank st may be represented as a collection of pipes.

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。   In such a one-dimensional model M1, the flow of intake and exhaust flowing in the pipe is regarded as a one-dimensional flow of a compressible viscous fluid, and pressure p, density ρ, velocity u, and temperature T representing the state of the flow. Each equation of well-known mass conservation, momentum conservation, and energy conservation is solved by numerical calculation. That is, the value of the flow variable is calculated using a characteristic equation obtained by, for example, the characteristic curve method based on each of the conservation equations, and the intake / exhaust flow from the throttle downstream to the catalyst upstream is calculated in predetermined time increments (for example, crank Describe each angle. At this time, it is assumed that the internal state of the container is uniform and the fluid flowing in from the pipe is instantaneously and uniformly distributed. Further, an appropriate boundary condition is given at the joint portion between the tubes or between the tube and the container. Further, it is preferable to consider the influence of the bending condition of the pipe, friction on the wall surface, heat loss, and the like.

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。   On the other hand, the three-dimensional model M3 of the exhaust manifold exm simulates the shapes of the independent exhaust passages s1 to s4 and the downstream common exhaust passages s5 for each cylinder, for example, on the inner wall surface of these passages. A layer mesh of a predetermined size is pasted, and the mesh is cut into a space in the passage and divided into calculation grids. In the three-dimensional CFD, the exhaust flow in the passage is regarded as a three-dimensional flow of a compressible viscous fluid, and the respective conservation equations are solved as in the case of the one-dimensional case. That is, the flow field in the passage is calculated under the boundary condition given by the one-dimensional CFD calculation or the chemical reaction SIM described later, using, for example, a difference equation that is discretely expressed in time and space. By repeating this calculation at predetermined time intervals, the state of the flow in the exhaust manifold that changes from time to time can be described in three dimensions.

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。   When combining 1-dimensional and 3-dimensional CFD in this way, the part where the flow of intake and exhaust gas is switched between 1-dimensional and 3-dimensional, that is, the boundary surface of the 3-dimensional model, is based on the calculation result of the 1-dimensional CFD. A boundary condition (a value of a flow variable on the boundary surface) of a three-dimensional CFD is given. Generally, in a one-dimensional flow, the flow variables p, ρ, u, T are equal in the cross section of the flow. The boundary surface is set at a part where the flow is substantially uniform over the entire cross section so that accurate simulation can be performed even if it is passed to the three-dimensional boundary surface as it is. preferable.

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。   Then, while passing the calculation data in this way, the overall intake / exhaust flow is calculated using the simple one-dimensional model M1, and the part requiring particularly high accuracy (in this case, the exhaust manifold) is automatically selected. Since the calculation is performed by replacing the model with the three-dimensional model M3, the 1 + 3-dimensional CFD simulation can be realized very easily, and the calculation amount for the analysis is reduced while ensuring the accuracy of the analysis. The time required can be shortened.

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。   Further, the exhaust manifold three-dimensional model M3 can be divided into, for example, the independent intake passages s1 to s4 and the common exhaust passage s5, so that the entire exhaust manifold is not replaced with the three-dimensional model M3, but each cylinder. If only the independent exhaust passages s1 to s4 corresponding to each of c1, c2,... in the exhaust stroke are replaced with a three-dimensional model, the amount of calculation can be further reduced.

(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。
(Chemical reaction simulation)
As described above, the flow of the intake and exhaust of the engine is simulated by CFD. In this embodiment, the combustion state of the air-fuel mixture and combustion gas in the cylinder in the compression and expansion strokes is ignored while ignoring the motion. The chemical reaction simulation is done. Specifically, first, the state of intake air charged in the combustion chamber in the cylinder, that is, the pressure p, the density ρ, the speed u, and the temperature T is obtained by the one-dimensional or three-dimensional CFD calculation as described above. At that time, considering that the bottom dead center of the cylinder is different from the closing timing of the intake valve, the cylinder is filled by simulating the return of the intake air after flowing into the cylinder once. The state of inspiration can be obtained accurately.

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。   In this way, the pressure p and temperature T of the combustion chamber at the initial stage of the compression stroke are obtained, and the strength of the in-cylinder flow is obtained from the intake flow velocity u. On the other hand, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture (or the amount of fuel supplied to the cylinder), the amount of burnt gas (internal EGR gas) remaining in the combustion chamber, the cylinder wall temperature, etc. The rotation speed, etc.). That is, in this embodiment, a map in which physical values such as the air-fuel ratio, the internal EGR gas amount, and the cylinder wall temperature are set in advance in association with the operating state of the engine is provided, and based on the operating state of the engine being simulated. A plurality of physical quantity values are read from the map.

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。   Then, as described above, if a plurality of physical quantity values representing the state of the combustion chamber in the initial stage of the compression stroke are obtained based on the result of the CFD calculation and the engine operating conditions, as schematically shown in FIG. By reading the group of gas components corresponding to the set of physical quantities from the chemical reaction DB 12, the components of the working gas used for the chemical reaction simulation are made to reflect the flow simulation by CFD and the engine operating conditions. be able to.

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。   As shown in FIG. 3, the data of the gas component group in the chemical reaction DB 12 includes various hydrocarbons mainly supplied as fuel, nitrogen and oxygen in the air, and hydrocarbons contained in the EGR gas. A representative one corresponding to a set of physical quantities representing the state of the cylinder is stored together with its reaction formula among carbon dioxide, water vapor, and the like. That is, in general, if all the chemical species related to engine combustion and their reaction formulas are listed, this is more than about 3000 types, and if all of them are to be calculated, the amount of calculation will increase significantly. This will prolong the simulation time.

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。   In this regard, if we focus on not only all the chemical reactions but also those that are particularly important in simulating the state of combustion, that is, typical ones that simulate combustion, it is at most tens to hundreds. Therefore, in this embodiment, only representative chemical reactions that change depending on the operating state of the engine are extracted so as to be a predetermined number (for example, 100) or less, and only representative gas components corresponding thereto are extracted. It is made to store in chemical reaction DB12. As a result, the number of gas components used in the chemical reaction simulation becomes appropriate, and the amount of calculation can be greatly reduced while ensuring the required accuracy. Further, the size of the chemical reaction DB 12 can be made moderate.

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。   Then, based on the gas components (chemical species) of the group extracted as described above, first, in the compression stroke of the cylinder, the pressure p of the combustion chamber rises as the piston rises, and the temperature T rises accordingly. And the reaction of each gas component under such conditions will be sequentially described in consideration of heat being taken away by heat exchange with the cylinder wall surface. By the chemical reaction simulation in the compression stroke, it is possible to reproduce the pre-flame reaction before the spark ignition is performed in the cylinder, the occurrence of preignition, and the like.

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。   Also, in the vicinity of the compression top dead center of the cylinder, the ignition of the air-fuel mixture by spark ignition is simulated, and the progress of the chemical reaction (combustion) is taken into account when the expansion stroke ends while taking into account the increase in the combustion chamber volume in the cylinder expansion stroke Describe sequentially. And the composition of burned gas in the cylinder obtained as a result of the chemical reaction simulation in the expansion stroke, the total calorific value and heat exchange with the cylinder wall surface, the work applied to the piston, the lowering of the piston The state of burned gas (exhaust gas) discharged from the combustion chamber when the cylinder moves to the exhaust stroke is obtained based on the expansion of the combustion chamber volume accompanying the above. This data is the initial value of the exhaust flow in the CFD program described above.

(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。
(Simulation overview)
Next, a simulation procedure by the engine performance prediction analysis system A according to this embodiment will be described. As shown schematically in FIG. 4, first, an operator performs a predetermined input operation according to a screen display or the like on any of the PC terminals 5, 5,. ) Is input (S1). This is an identification code for specifying the engine model stored in the model DB 11, an operating condition (simulated operating condition) of the engine to be simulated, and the like when the engine model has already been constructed. If is not constructed, information necessary for constructing the model is further included.

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。   For example, the model of the four-cylinder engine shown in FIG. 2 will be described. Geometric data representing dimensions and shapes of the engine intake and exhaust systems, combustion chambers, etc., physical data representing physical characteristics such as heat transfer coefficient thereof, or Instead of the detailed data, a code for designating engine data stored in the experiment DB 13 or the design DB 14 is input to the PC terminal 5.

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。   Further, for which part of the engine the three-dimensional model is used is selected, and further, in which stroke of the cylinder the three-dimensional calculation is selected for that part. That is, for example, if the purpose of analysis is to support engine exhaust system design and development, the operator selects and sets the exhaust manifold to use a three-dimensional model M3 as shown in FIG. Furthermore, it is preferable to set so that the three-dimensional CFD calculation is performed only when the corresponding cylinders in the independent exhaust passages s1 to s4 are in the exhaust stroke.

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。   Subsequently, in step S2, an engine model is constructed based on the simulation data input in step S1, or is read from the model DB 11 and stored in the internal storage device (memory) of the arithmetic servers 1, 1,. Store. For example, as shown in FIG. 2 (a), it is divided into a one-dimensional CFD model M1 extending from a part of the intake system to a part of the exhaust system, and independent exhaust passages s1 to s4 for each cylinder c1 to c4. Possible exhaust manifold 3D models M3 are stored in memory.

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。   In the case of newly constructing a three-dimensional model M3, for example, based on the simulation data, three-dimensional design CAD data representing the shape of the exhaust manifold is read from the design DB 14 into the PC terminal 5. A model creation command attached with data designating boundary surface and mesh information is created and transmitted to the calculation servers 1, 1,. Upon receiving this command, the preprocessor is activated in the arithmetic servers 1, 1,..., And a layer mesh is pasted on the inner wall surface of the exhaust manifold passage, and the mesh is cut into the internal space.

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。   Alternatively, when another model creation command is transmitted from the PC terminal 5 to the calculation servers 1, 1,... Based on the initial setting data, the calculation servers 1, 1,. By reading template part data representing the basic shape of the tank and changing the dimensions and shape of the part, a three-dimensional model having a mesh for CFD calculation is constructed.

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。   In addition, regarding the chemical reaction simulation, a container model that defines a change in the cylinder volume with respect to a change in the crank angle, a change in heat transfer coefficient according to the cylinder wall temperature, and the like is used. This container model is a zero-dimensional physical model in the sense that there is no motion of the gas mixture or combustion gas inside.

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。   As described above, using the models stored in the memory of the calculation servers 1, 1,..., In step S3, a simulation calculation is performed to simulate the flow of intake and exhaust during engine operation and the state of combustion in the combustion chamber. To give an example of details of the arithmetic processing, in this embodiment, while the PC terminal 5 and the arithmetic servers 1, 1,... 1, 1,..., One-dimensional and three-dimensional CFD operations and chemical reaction simulation are executed simultaneously.

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。   For example, as a processing procedure of the CFD calculation, first, boundary conditions (flow variables p, ρ, u, T, etc.) at the beginning of the simulation and simulated engine operating conditions are input to the one-dimensional CFD calculation model M1 (S31). : Condition input), based on this, a one-dimensional flow characteristic equation is calculated (S32: CFD calculation). That is, in the model M1 shown in FIG. 2A, the boundary values of the flow variables at the throttle valve thv that is the boundary on the inlet side of the flow and the catalytic converter cat that is the boundary on the outlet side are given based on the simulation data. As a result, the flow fields of the intake and exhaust air from the downstream of the throttle valve thv to the catalytic converter cat through the combustion chambers of the cylinders c1 to c4 are obtained.

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。   In the subsequent step S33, the flow field data is stored, and boundary conditions of the three-dimensional CFD are given based on the data. That is, the data of the one-dimensional flow field is transferred as a data file from the calculation servers 1, 1,... To the PC terminal 5, and the PC terminal 5 that has received the data file receives a predetermined value from the data of the one-dimensional flow field. The values (boundary values) of the flow variables p, ρ, u, and T (boundary values) at the boundary surfaces of the three-dimensional model (in this embodiment, the inlets and outlets of any of the independent exhaust passages s1 to s4) are determined by the method. Is created and returned to the calculation servers 1, 1,...

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)。   Subsequently, the calculation servers 1, 1,... That have received the execution file start a three-dimensional CFD program, and input predetermined calculation conditions including the boundary conditions to the three-dimensional model M3 of the exhaust manifold (S34: Based on this, a difference equation for a three-dimensional flow is calculated (S35: CFD calculation). That is, among the exhaust manifold model M3 shown in FIG. 2B, a three-dimensional model of the independent exhaust passages s1 to s4 in which the corresponding cylinder is in the exhaust stroke is used, and the flow variables at the inlet and outlet (boundary surface) thereof. Of the exhaust gas flowing in the passage (flow variables p, ρ, u, T), that is, the flow field of the exhaust gas is obtained in three dimensions. Then, the three-dimensional flow field data thus obtained is stored in the memory of the arithmetic servers 1, 1,... (S36: data storage).

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。   Of the flow field data at the beginning of the simulation thus obtained in 1 + 3 dimensions, for example, the data related to combustion in the cylinder and the state of burned gas discharged from the cylinder will be described later. The data is rewritten based on the result of the chemical reaction simulation (data conversion, provision and rewriting: S37). Thereafter, the crank angle of the engine is advanced by a minute crank angle (time increment) set in advance (increment: S38), and it is determined whether or not the crank angle position set as the end of the simulation is reached (S39). If so, the process returns to step S31, and the one-dimensional and three-dimensional CFD calculations (S31 to S36) are repeatedly executed for each minute crank angle.

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。   In this way, 1 + 3 dimensional CFD calculation is repeatedly performed for each minute crank angle from the beginning to the end of the simulation, so that the flow of the intake / exhaust flow field of the engine changes from moment to moment in time series. Are stored in the internal storage of the calculation servers 1, 1,. Although not shown, the intake flow boundary conditions (variables p, ρ, u, T, etc.) adjusted by the engine throttle valve are considered to be substantially constant when the engine is in a steady operation state. Further, in a transient state in which the operating state changes, a change amount (transient change amount) of the throttle opening for each set crank angle is separately provided by a control program that simulates the engine control logic so as to correspond to the change.

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)。   In parallel with the above-described 1 + 3-dimensional CFD calculation, the calculation of the chemical reaction simulation (chemical reaction SIM) is performed for each cylinder in the compression stroke and the expansion stroke. That is, when one of the cylinders (hereinafter, for example, described as the first cylinder c1) shifts from the intake stroke to the compression stroke as the simulation progresses, the CFD calculation described above is performed as schematically shown in FIG. Calculation result data is transmitted from the calculation servers 1, 1,... To the PC terminal 5. The PC terminal 5 that has received this data obtains the pressure p, temperature T, etc. of the intake air charged in the first cylinder c1 and the ratio of EGR gas in the intake air based on the data, and determines the current operating conditions of the engine. Based on this, the values of physical quantities such as air-fuel ratio and cylinder wall temperature are read from the map, a set of physical quantities representing the state in the cylinder is specified, and a chemical reaction simulation program including an identification code corresponding to the set of physical quantities is executed The file is transmitted to the arithmetic servers 1, 1,... (Data exchange between the programs is shown as result processing * 1 in the figure).

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。   Upon receiving the execution file, a chemical reaction simulation program is started in the arithmetic servers 1, 1,..., And as shown in the flow of FIG. 4, group data of gas components corresponding to the set of physical quantities of the identification code is stored in the chemical reaction DB 12. (S41: reading of chemical species), and describes the chemical reaction of the gas component at a preset small crank angle (time increment) while simulating the expansion of the combustion chamber volume by the container model of the first cylinder c1. (S42: Chemical reaction calculation), and the result is stored (S43: Data storage). Such calculation of the chemical reaction formula is repeatedly performed for each minute crank angle from the initial stage of the compression stroke to the end of the expansion stroke of the cylinder c1, and thereby the compression and expansion strokes in the combustion chamber in the cylinder c1. Data describing the state of the working gas in chronological order is stored in the storage device as a result of the chemical reaction calculation.

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。   When the first cylinder c1 finishes the expansion stroke and shifts to the exhaust stroke, the chemical reaction simulation for the cylinder c1 is finished, and as shown in FIG. Data such as the composition of burned gas (exhaust gas) discharged from the combustion chamber, the heat generated by combustion, and the work amount are transmitted from the calculation servers 1, 1,. In the PC terminal 5 receiving this data, the initial state of the exhaust flow blown out from the cylinder based on the composition of the burned gas (exhaust gas) discharged from the combustion chamber of the first cylinder c1, the heat generated by the combustion, the work amount, etc. , P, ρ, u, and T are obtained, and a data file of this variable and a predetermined command for rewriting the operation result data of the CFD operation based on the data file are created, and the operation servers 1, 1,. Return to

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。   Then, the calculation servers 1, 1,... That have received the command and the file are portions of the compression stroke and expansion stroke of the first cylinder c1 in the calculation result data of the one-dimensional CFD calculation in step S37 of the flow of FIG. Will be rewritten. Further, the gas component data in the chemical reaction DB 12 is corrected based on the composition of the exhaust gas in consideration of EGR.

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)。   As described above, in step S3 of the main program, the CFD calculation and the chemical reaction simulation calculation are performed in parallel in synchronization with the change of the crank angle of the engine from the start to the end of the simulation. When the crank angle position set as the end of the simulation is reached (determination is YES in S39), the process proceeds to step S4, the simulation result is output, and then the control ends (end).

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。   As the output of the simulation result in the step S4, the necessary data is read out from the data of the time series calculation results stored in the storage device of the calculation servers 1, 1,... And transferred to the PC terminal 5, Based on this data, a predetermined evaluation value relating to engine performance may be output. For example, the output characteristics of the engine, the fuel consumption characteristics, the change in volumetric efficiency of each cylinder accompanying the change in the engine operating state, etc. may be graphed and displayed on the display of the server 1, 1,. In addition, for example, the result of the three-dimensional CFD calculation regarding the flow of exhaust gas in the exhaust manifold may be visualized and displayed as an image.

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。   Step S32 of the flow shown in FIG. 4 corresponds to a first CFD calculation step of calculating the flow field of intake and exhaust of the engine by executing a one-dimensional CFD program, and similarly, step S35 is a three-dimensional CFD program. To correspond to the second CFD calculation step of calculating the flow field of intake and exhaust. Steps S33 and S34 correspond to a boundary condition applying step for providing a boundary condition for the three-dimensional CFD calculation in the second calculation step based on the flow field data calculated in the first CFD calculation step. .

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。   In the prediction analysis system A of this embodiment, the calculation servers 1, 1,... Are executed in the calculation servers 1, 1,. A first CFD computing unit 1a that executes a program and a second CFD computing unit 1c that executes a three-dimensional CFD program are configured. .. And the PC terminals 5, 5,... Execute the steps S33, S34 of the flow, so that the calculation servers 1, 1,. The boundary condition providing means 1b for providing boundary conditions for the three-dimensional CFD calculation is configured based on the flow field data calculated by the one-dimensional CFD program.

(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。
(Running period in CFD calculation)
By the way, as described above, when the engine intake / exhaust flow is only partially simulated as a three-dimensional flow, flow field data obtained by one-dimensional CFD calculation is automatically given as a boundary condition of the three-dimensional CFD. Due to the significant change in the boundary condition, numerical vibration (vibration in the calculation of the flow variable value) may occur in the three-dimensional CFD calculation, and the calculation may diverge.

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。   For example, in each independent exhaust passage of the exhaust manifold, when the corresponding cylinder shifts from the expansion stroke to the exhaust stroke and the exhaust valve opens, from which high-temperature and high-pressure burned gas blows out at a high speed, the exhaust flow rate suddenly increases. To rise. More specifically, FIG. 6 shows the change in the exhaust flow velocity at a predetermined portion of the exhaust manifold observed over one combustion cycle of the first cylinder. According to FIG. 6, as shown as * 1, * 2. In addition, it can be seen that the flow velocity increases every time the exhaust flow from each cylinder reaches the observation point.

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。   Therefore, as described above, when only one of the independent exhaust passages of the exhaust manifold is simulated by a three-dimensional model, the pressure p, density ρ, velocity u of the exhaust flow at the exhaust inlet side boundary surface of this model, The temperature, etc. T, that is, the boundary condition given as a result of the one-dimensional CFD calculation changes very greatly, which causes a large numerical vibration.

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。   In particular, at the start of the simulation shown as * 1 in the figure, the spatially discrete flow field in the three-dimensional physical model is in a substantially stationary state, and the flow velocity u at each calculation point is zero (0 Therefore, when the boundary condition is suddenly given to the model and the calculation of the unsteady flow field as shown in Fig. 7 (a) is started, after one time step at each calculation point in the model The exhaust flow velocity rapidly increases from the initial value 0, and as a result, a large numerical vibration is generated as schematically shown in FIG. 5B, and the calculation is diverged and the system is often down.

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。   On the other hand, if, for example, a highly stable low-order scheme is adopted so that the numerical error due to discretization acts as a so-called numerical viscosity, the numerical vibration is suppressed and the stability is increased. In some cases, the accuracy is inevitably lowered.

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。   In view of such a point, in the prediction analysis system A of this embodiment, when the three-dimensional CFD calculation is first started at the start of the simulation as described in * 1, the boundary condition given from the calculation result of the one-dimensional CFD Is used as it is, for example, as schematically shown in FIG. 7 (c), the boundary condition is given from the condition before the change (exhaust flow velocity value 0 in the example in the figure) to the condition after the change (in the example in the figure). In addition, a run-up period during which CFD calculation (hereinafter also referred to as run-up calculation) is performed in advance is provided while gradually changing the exhaust flow rate value).

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。   That is, as shown by the solid line in the figure, first, in the first half of the run-up period, the boundary condition is changed with a preset gradient so that the boundary condition has a predetermined degree of change with respect to the change in time (or crank angle). A three-dimensional CFD operation is executed based on the conditions. If the boundary condition is gradually changed in this way, the change at each time step is reduced, and the numerical vibration at each calculation point in the model is small as schematically shown by the broken line in FIG. Further, in the second half of the period, the three-dimensional CFD calculation is executed while maintaining the boundary condition substantially constant for a predetermined period. By doing so, small numerical vibrations generated in the first half of the period are also quickly damped, and the flow field becomes almost steady throughout the model.

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。   Then, if the flow field in the model in such a steady state is set as an initial state and a new CFD calculation is started, a highly accurate unsteady flow using a high-order differential scheme is used. Even if the calculation is performed, the calculation does not diverge and the system can be prevented from being down.

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。   Below, the said approach calculation is demonstrated concretely based on the flow of FIG. This flow is executed before the three-dimensional CFD calculation is performed in steps S34 to S36 of the main program (FIG. 4) at the beginning of the simulation. First, in step S340 after the start, the start of the simulation is performed. If it is not the start time, the control is terminated and the process proceeds to step S34 of the main program. On the other hand, if the determination is YES and the simulation is the start time, the process proceeds to step S341.

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。   In this step S341, referring to the running condition map read from the model DB 11, the running conditions corresponding to the models s1 to s4 of the independent exhaust passages used for the three-dimensional CFD calculation are selected. The reason why the running condition is set in association with the model is as follows. In other words, the milder the degree of change in the boundary condition during the run-up period, the easier it is to suppress numerical vibrations and more reliably prevent the divergence of calculations, but on the other hand, the longer the run-up period, the more calculation This is not preferable because it causes a delay. In addition, whether or not the numerical vibration actually increases is greatly affected by the shape of the model including the mesh.For example, when the shape of the passage through which intake and exhaust flows is complex and the number of deformed meshes is large, The deviation of flow variables between the mesh and the mesh tends to increase, and the numerical vibration tends to increase.

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。   Therefore, for models that tend to diverge with such large numerical oscillations, it is necessary to change the boundary conditions sufficiently gently.For example, in the first half of the run-up period, the boundary condition change gradient is moderated. Or make the second half of the time longer. On the other hand, for models in which divergence is unlikely to occur, it is preferable to change the boundary conditions relatively quickly by making the gradient relatively steep or by shortening the latter half of the period. For this reason, in this embodiment, appropriate run-up conditions corresponding to each model are obtained in advance by experiments or the like, and stored in the model DB as a boundary condition map. The approach condition corresponding to is read from the map and set.

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。   Furthermore, in the step S341, the approach condition read out as described above is changed in accordance with the simulated operation condition of the engine (for example, the simulated load state, rotation speed, temperature, etc.). That is, for example, when the simulated operating condition of the engine is in a high load state, the exhaust gas temperature is high and the flow rate is high, it is preferable to change the boundary condition more gently than in the case of simulating a low load state. For example, when simulating engine cold, high-temperature and high-pressure exhaust flows in a state where the temperature in the wall and passage of the exhaust manifold is relatively low, so that the temperature difference between the two is relatively small. It is preferable to change the boundary conditions more slowly than the above.

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。   Then, in accordance with the approach condition set by correction as described above, in step S342, the boundary condition is slightly changed and input to the three-dimensional model, and in step S343, the CFD calculation is performed in the same manner as in step S35 of the main program. . Subsequently, in step S344, the flow field data is stored in the memory in the same manner as in step S36, and in the subsequent step S345, the crank angle is incremented in the same manner as in step S38. Then, in the following step S346, it is determined whether or not the crank angle range corresponding to the run-up period has passed (run-up period has passed?). If this determination is NO, the process returns to step S342, and the run-up calculation (S342-S342). On the other hand, if the determination is YES, the run-up calculation is terminated, the process proceeds to step S35 of the main program, and the original CFD calculation is started.

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。   In other words, while the boundary conditions of the three-dimensional model are gradually changed during the run-up period, a preliminary three-dimensional CFD calculation is performed, so that the flow field becomes almost steady throughout the model. By starting a new three-dimensional CFD calculation as an initial state, even if the CFD calculation is a high-precision three-dimensional unsteady flow calculation using a higher-order scheme, it is possible to prevent the calculation from diverging.

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。   In the run-up calculation flow shown in FIG. 8, step S341 is a run-up mode setting step in which the run-up conditions, that is, how to change the boundary conditions during the run-up period are set in association with the simulated operating conditions of the engine and the three-dimensional model. It corresponds to.

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。   In addition, considering that steps S342 to 346 execute the three-dimensional CFD calculation for the first time at the start of the simulation, the boundary condition given based on the result of the one-dimensional CFD calculation changes more than a predetermined value. Thus, the boundary condition is gradually changed in a preset manner, and this corresponds to a run-up calculation step for executing a three-dimensional CFD program.

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。   Moreover, in this embodiment, the calculation server 1, 1, ... comprises the run-up mode setting means 1d and the run-up calculation means 1e by performing the said run-up mode setting step and the said run-up calculation step, respectively.

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)。   In the middle of the approach calculation, the approach condition may be corrected based on the flow field fluctuation state obtained from the previous calculation results. That is, when NO is determined in step S346 of the flow of FIG. 8 and the process returns to step S342, whether or not the fluctuation state of the flow field increases with time based on the flow field data stored in the memory. If it is determined that the fluctuation of the flow field is large, for example, the change gradient of the boundary condition in the first half of the run-up period is reduced by a predetermined value, and the change is corrected so as to be relatively gentle. On the other hand, if the fluctuation is not large, for example, the change gradient is increased by the predetermined value, and the boundary condition is corrected so as to be changed earlier (step S347 indicated by a virtual line in the figure).

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。   If the steps S342 to 345 are repeated according to the corrected approach condition after correcting the approach condition as described above, the method of changing the boundary condition in the approach period can be optimized. Therefore, the step S347 includes a running mode correction step for correcting the change of the boundary condition based on the calculation result so far, so that the fluctuation of the calculated flow field becomes relatively small during the CFD calculation. Corresponding to

(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。
(Function and effect)
Therefore, according to the engine performance prediction analysis system A according to this embodiment, when analyzing the flow of the intake and exhaust of the engine by the application of CFD, a one-dimensional engine model M1 is basically used. Since the CFD calculation is performed and the three-dimensional model M3 is used for the preselected part under the boundary condition given by the one-dimensional CFD calculation, the engine output Performance characteristics such as fuel efficiency and fuel efficiency can be predicted with sufficiently high accuracy, and the amount of calculation for that can be greatly reduced, thereby shortening the time required for analysis.

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。   In addition, when starting the three-dimensional CFD calculation for the first time at the start of the simulation, the boundary condition obtained by the one-dimensional CFD is not used as it is, but the CFD calculation (running calculation) is preliminarily changed while gradually changing the boundary condition. Since the original CFD calculation is started with the initial run time of the flow field with less fluctuation required by this run-up calculation as the run-up period to be performed, high-precision three-dimensional unsteady flow using a higher-order scheme By executing the calculation and sufficiently increasing the prediction accuracy of the engine performance, it is possible to suppress the numerical vibration caused by the sudden change of the boundary condition in the calculation and to prevent the system from being down due to the divergence of the calculation.

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。   In addition, in the run-up period, the boundary conditions are not uniformly changed over the whole period, but the conditions are gradually changed in the first half of the period, and then maintained at a substantially constant condition for a predetermined period. Therefore, after the relatively small numerical vibration generated in the first half of the period is also attenuated and the flow field becomes a substantially steady state as a whole in the model, the original CFD calculation can be started. As described above, the effect that the system down can be prevented is more certain.

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。   Furthermore, the method of changing the boundary condition during the run-up period (run-up condition) is appropriately set in association with the state of the three-dimensional model. Since the model that is difficult to diverge can be changed relatively quickly and even the run-up period can be shortened, the utility as a design / development support tool is extremely high.

(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。
(Other embodiments)
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Other various embodiment is included. In other words, in the above-described embodiment, the run-up calculation for reducing the change in the boundary condition is performed in the three-dimensional CFD calculation. However, this run-up calculation can also be applied to the one-dimensional CFD calculation.

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。   In the above embodiment, the approach condition is set in association with the CFD model and the simulated engine operation condition. However, the present invention is not limited to this, and it may be set in association with only one of them. Good.

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。   In the above embodiment, the boundary condition is gradually changed in the first half of the run-up period and kept constant in the second half. However, the present invention is not limited to this, and the boundary condition may be gradually changed over the entire period. Good.

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。   Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the three-dimensional CFD calculation is performed on the exhaust manifold of the engine has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the shape of the intake system surge tank, the entire intake port, and the combustion chamber Even when the shape near the intake port opening is simulated in three dimensions, a run-up period can be provided before the three-dimensional CFD calculation.

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。   In the above embodiment, the chemical reaction simulation is performed for the compression and expansion strokes of each cylinder. However, this is not performed, and the flow of the intake and exhaust of the engine is simulated only by one-dimensional and three-dimensional CFD. You may make it do.

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。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the simulation about a 4-cycle engine was performed, it cannot be overemphasized that a 2-cycle engine and a rotary engine can also be simulated.

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。   As described above, the engine performance prediction analysis system or the like according to the present invention has a sufficiently high engine performance prediction accuracy by high-precision CFD calculation, while preventing the system down caused by that, and the automation rate. Therefore, it has sufficient practicality as a design / development support tool, and is particularly useful for the design / development of automobile engines.

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。1 is an overall configuration diagram of an engine performance prediction analysis system A according to an embodiment of the present invention. CFD演算のための物理モデルの一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the physical model for CFD calculation. 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。It is explanatory drawing which shows a response | compatibility with the group of the physical quantity showing the state in a cylinder, and the group data of the gas component in chemical reaction DB. 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。It is a main flowchart which shows the outline of the procedure of simulation. 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。It is explanatory drawing which shows typically switching of CFD and chemical reaction simulation, and transmission / reception of the data accompanying this. 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。It is a graph which shows the change of the exhaust gas flow velocity in the predetermined part of an exhaust manifold. 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。(A) At the start of the simulation, (a) how to give conventional boundary conditions, (b) the state of numerical vibrations generated by this, and (c) the case of the present invention for performing a run-up calculation, respectively, are schematically shown. It is explanatory drawing. 助走演算の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of run-up calculation.

符号の説明Explanation of symbols

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
A Engine performance prediction analysis system M1 One-dimensional CFD analysis model M3, s1 to s5 Three-dimensional CFD analysis model 1, 1,... Operation server 1a First CFD calculation means 1b Boundary condition giving means 1c Second CFD calculation means 1d Running mode setting means 1e Run-up calculation means

Claims (17)

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。
A one-dimensional and three-dimensional CFD program for simulating the flow of engine intake and exhaust using a one-dimensional and three-dimensional CFD analysis model, respectively;
A data exchange program for providing boundary conditions for CFD computations by the other program based on the flow field data computed by the one program,
A predictive analysis method for causing the computer program to execute the programs and analyzing the flow of intake and exhaust gas from at least a part of the intake system to a part of the exhaust system, thereby predicting engine performance,
When executing at least one of the CFD programs for the first time at the start of analysis, the CFD calculation is executed while gradually changing the boundary conditions in a manner preset in advance for each analysis model,
A method for predicting and analyzing engine performance, wherein a CFD calculation is newly started with the flow field thus obtained as an initial state.
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。
A one-dimensional and three-dimensional CFD program for simulating the flow of engine intake and exhaust using a one-dimensional and three-dimensional CFD analysis model, respectively;
A data exchange program for providing boundary conditions for CFD computations by the other program based on the flow field data computed by the one program,
A predictive analysis method for causing the computer program to execute the programs and analyzing the flow of intake and exhaust gas from at least a part of the intake system to a part of the exhaust system, thereby predicting engine performance,
When executing at least one of the CFD programs for the first time at the start of analysis, the boundary conditions are set in advance in a manner that is set in advance, and then the CFD calculation is performed while maintaining a substantially constant period for a predetermined period. Run,
A method for predicting and analyzing engine performance, wherein a CFD calculation is newly started with the flow field thus obtained as an initial state.
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。   In the middle of executing the CFD calculation while changing the boundary condition in a preset manner, the change condition of the boundary condition is corrected based on the flow field fluctuation state obtained from the previous calculation result. 3. The engine performance prediction analysis method according to claim 1, wherein the engine performance is predicted and analyzed. 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。
1D and 3D CFD programs that simulate the intake and exhaust flow of the engine using 1D and 3D CFD analysis models, respectively. A predictive analysis system that analyzes the flow of intake and exhaust air over a part of the exhaust system and thereby predicts engine performance,
First CFD calculation means for executing one of the CFD programs to calculate the flow field of intake and exhaust;
Boundary condition giving means for giving a boundary condition for CFD calculation by the other CFD program based on flow field data calculated by the first CFD calculation means;
When the other CFD program is executed for the first time at the start of analysis, CFD computation is performed in a manner in which boundary conditions are set in advance, gradually changing until the conditions given by the boundary condition applying means are satisfied. An approach calculation means,
Second flow CFD calculation means for executing the other CFD program using the flow field data calculated by the run-up calculation means as an initial value,
The engine performance prediction analysis system further comprises a running mode setting unit that sets at least how the boundary condition is changed by the running calculation unit in association with the analysis model.
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。
The first and second CFD computing means execute one-dimensional and three-dimensional CFD programs, respectively;
5. The run-up calculation means executes the three-dimensional CFD program before the first execution of the three-dimensional CFD program by the second CFD calculation means at the start of analysis. Engine performance prediction analysis system.
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。   6. The engine performance prediction / analysis system according to claim 5, wherein the approach mode setting means sets the way of changing the boundary condition by the approach calculation means in association with the simulated operation condition of the engine. 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。   The engine according to any one of claims 4 to 6, wherein the run-up calculating means changes the boundary condition at a predetermined degree of change first, and maintains it for a predetermined period thereafter. Performance prediction analysis system. 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。
1D and 3D CFD programs that simulate the intake and exhaust flow of the engine using 1D and 3D CFD analysis models, respectively. A predictive analysis system that analyzes the flow of intake and exhaust air over a part of the exhaust system and thereby predicts engine performance,
First CFD calculation means for executing one of the CFD programs to calculate the flow field of intake and exhaust;
Boundary condition giving means for giving a boundary condition for CFD calculation by the program of the other CFD based on flow field data calculated by the first CFD calculation means;
When the other CFD program is executed for the first time at the start of analysis, CFD computation is performed in a manner in which boundary conditions are set in advance, gradually changing until the conditions given by the boundary condition applying means are satisfied. An approach calculation means,
Second flow CFD calculation means for executing the other CFD program using the flow field data calculated by the run-up calculation means as an initial value,
The engine performance predicting and analyzing system according to claim 1, wherein the run-up calculating means changes the boundary condition at a predetermined degree of change, and maintains the boundary condition for a predetermined period thereafter.
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。   9. The method according to claim 8, further comprising: a running mode setting unit that sets a method of changing the boundary condition by the running calculation unit in association with at least one of a simulated driving condition that defines a simulated driving state of the engine and an analysis model. The engine performance prediction analysis system described in 1. 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。   The approach mode setting means corrects the method of changing the boundary condition based on the previous calculation results so that the fluctuation of the calculated flow field becomes relatively small during the CFD calculation by the approach calculation means. The engine performance prediction analysis system according to any one of claims 4 to 7, wherein the engine performance prediction analysis system. 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。
1D and 3D CFD programs that simulate the intake and exhaust flow of the engine using 1D and 3D CFD analysis models, respectively. A control program for a predictive analysis system that analyzes the flow of intake and exhaust air over a part of the exhaust system and thereby predicts engine performance,
A first CFD calculation step of executing one of the two CFD programs to calculate a flow field of intake and exhaust;
A boundary condition giving step for giving a boundary condition for CFD calculation by the other CFD program based on the flow field data calculated by the first CFD calculation step;
When the other CFD program is executed for the first time at the start of analysis, the boundary conditions are set in advance, and the CFD calculation is performed while gradually changing until the conditions given in the boundary condition applying step are satisfied. A run-up calculation step;
A second CFD calculation step of executing the other CFD program using the flow field data calculated in the run-up calculation step as an initial value,
The engine performance prediction analysis system control program further includes a running mode setting step for setting a method of changing the boundary condition in the running calculation step in association with at least the analysis model.
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。
In the first and second CFD calculation steps, one-dimensional and three-dimensional CFD programs are executed, respectively.
12. The control according to claim 11, wherein the run-up calculation step is executed before the second CFD calculation step when the three-dimensional CFD program is first executed in the second CFD calculation step at the start of analysis. program.
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。   The control program according to claim 11, wherein in the approach mode setting step, the method of changing the boundary condition in the approach calculation step is set in association with the simulated operation condition of the engine. 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。   The control program according to any one of claims 11 to 13, wherein in the approach calculation step, the boundary condition is first changed at a predetermined change degree, and is maintained substantially constant thereafter. 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。
1D and 3D CFD programs that simulate the intake and exhaust flow of the engine using 1D and 3D CFD analysis models, respectively. A control program for a predictive analysis system that analyzes the flow of intake and exhaust air over a part of the exhaust system and thereby predicts engine performance,
A first CFD calculation step of executing one of the two CFD programs to calculate a flow field of intake and exhaust;
A boundary condition giving step for giving a boundary condition for CFD calculation by the other CFD program based on the flow field data calculated by the first CFD calculation step;
When the other CFD program is executed for the first time at the start of analysis, the boundary conditions are set in advance, and the CFD calculation is performed while gradually changing until the conditions given in the boundary condition applying step are satisfied. A run-up calculation step;
A second CFD calculation step of executing the other CFD program using the flow field data calculated in the run-up calculation step as an initial value,
In the approach calculation step, the boundary condition is first changed at a predetermined degree of change, and is maintained substantially constant for a predetermined period thereafter.
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。   16. The approach mode setting step of setting the way of changing the boundary condition in the approach calculation step in association with at least one of the simulated operation condition and the analysis model that defines the simulated operation state of the engine. The control program described in 1. 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。   In the course of the CFD computation in the run-up computation step, the vehicle further includes a run-up mode modification step that modifies the method of changing the boundary condition based on the computation results so far, so that the fluctuation of the computed flow field becomes relatively small. The control program according to any one of claims 11 to 14, and 16.
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