JP2003172198A - 燃焼状態シミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、内燃機関の燃焼室を対象とし、燃
焼室内の圧力と、燃焼室内の乱流強度と、燃焼室内の混
合気の当量比と、燃焼室内の温度とである各種状態値か
ら、火炎伝播過程における燃焼室内の混合気の燃焼速度
を求めて燃焼状態をシュミレートする燃焼状態シミュレ
ーション方法において、実際の燃焼状態に近い高精度な
シミュレーション結果を得ることができる技術を実現す
ることを目的とする。 【解決手段】 各種状態値から燃焼速度を求めるに、圧
力と当量比と温度とに依存する燃焼室内の混合気の層流
燃焼速度が与えられると燃焼室内の混合気の乱流燃焼速
度が圧力と乱流強度のみに依存して与えられる乱流燃焼
速度モデルを用いることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関等の燃焼
室内における燃焼状態をシミュレーションする燃焼状態
シミュレーション方法、及び、その方法をコンピュータ
に実行させるための燃焼状態シミュレーション用プログ
ラムに関する。

【従来の技術】従来の内燃機関の燃焼室における燃焼状
態解析においては、サイクルにおいて圧縮終了時に瞬時
に燃焼熱を与えていたように、非常に単純な燃焼熱を与
える燃焼解析を行なっていたのであるが、最近では、火
花点火後の火炎の拡がりかた等がある程度明らかにさ
れ、スーパーコンピュータ等を用いて燃焼室内形状等を
考慮した燃焼状態解析が可能であるＣＦＤ（Computed
Fluid Dynamics）の技術発達により、火炎伝播過程を
具体的にモデル化した燃焼状態のシミュレーションが実
現されてきた。そして、このような燃焼状態のシミュレ
ーションにより、燃焼室における平均有効圧、燃料消費
率、さらにはサイクルの各過程におけるガスの成分、温
度、圧力などの履歴が明らかになり、内燃機関の高効率
化等のための開発支援を行なうことができる。

【０００２】また、上記のような燃焼状態シミュレーシ
ョン方法は、火炎伝播パターンを仮定して微小クランク
角毎に燃焼速度と熱発生率を計算するように構成されて
いる。そして、実際の燃焼室内における燃焼では混合気
の乱れにより燃焼速度が大きく変化するため、上記のよ
うに混合気の燃焼速度としては、その混合気の乱流を考
慮した乱流燃焼速度を用いることが望ましく、従来、こ
の乱流燃焼速度を求める方法としては、混合気の組成
（当量比等）と温度と圧力等により決まる層流燃焼速度
をもとに、燃焼室の乱流強度のみに依存する流速の乱れ
成分を加えるなどして、乱流燃焼速度を予測する方法が
あった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように予
測した乱流燃焼速度は、特に高温高圧となる燃焼室にお
ける燃焼速度の実測値に対して誤差が生じるので、燃焼
状態シミュレーションの信頼性を向上することが困難で
ある。さらに、近年、メタンを主成分とする都市ガスを
燃料とするガスエンジン等の内燃機関を発電機の駆動源
としたコジェネレーションシステムが、省エネルギ対策
等の観点から注目されており、このようなコジェネレー
ションシステムの更なる高効率化を図るために、高精度
な燃焼状態シミュレーションが求められている。従っ
て、本発明は、上記の事情に鑑みて、内燃機関の燃焼室
を対象とした燃焼状態シミュレーション方法において、
実際の燃焼状態に近い高精度なシミュレーション結果を
得ることができる技術を実現することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】〔構成１〕本発明に係る
燃焼状態シミュレーション方法は、請求項１に記載した
ごとく、メタンを主成分とする燃料ガスと燃焼用空気と
の混合気を燃焼させる内燃機関の燃焼室を対象とし、前
記燃焼室内の圧力と、前記燃焼室内の乱流強度と、前記
燃焼室内の混合気の当量比と、前記燃焼室内の温度とで
ある各種状態値から、火炎伝播過程における前記燃焼室
内の混合気の燃焼速度を求めて燃焼状態をシミュレート
する燃焼状態シミュレーション方法であって、前記各種
状態値から前記燃焼速度を求めるに、前記圧力と前記当
量比と前記温度とに依存する前記燃焼室内の混合気の層
流燃焼速度が与えられると前記燃焼室内の混合気の乱流
燃焼速度が前記圧力と前記乱流強度のみに依存して与え
られる乱流燃焼速度モデルを用いることを特徴とする。

【０００５】〔作用効果〕通常、燃焼室内の混合気の層
流燃焼速度は、混合気の組成である当量比と圧力と温度
とから簡単に求めることができる。さらに、燃焼室内の
でメタンを主成分とする燃料ガスと燃焼用空気との混合
気を燃焼させるときの乱流燃焼速度は、燃焼室内の混合
気の層流燃焼速度が与えられると、燃焼室内の圧力と燃
焼室内の乱流強度のみに依存した値として求めることが
できることを、本発明者らは鋭意研究により発見し、本
発明を完成した。

【０００６】即ち、コンピュータで実行される本構成の
燃焼状態シミュレーション方法によれば、上記のよう
に、層流燃焼速度が与えられると乱流燃焼速度が燃焼室
内における圧力及び乱流強度のみに依存して与えられる
乱流燃焼速度モデルを、コンピュータ内の記憶装置等に
予め格納しておき、例えば微小クランク角毎に、燃焼室
内における圧力、乱流強度、混合気の当量比、温度であ
る各種状態値から、上記乱流燃焼速度モデルを用いて、
その燃焼室内の混合気の燃焼速度を求めることができる
ので、そのシミュレーション結果としての、燃焼室にお
ける平均有効圧、燃料消費率、各サイクル過程における
ガスの成分、温度、圧力などを、実測値に近い信頼性の
あるものとすることができる。

【０００７】〔構成２〕本発明に係る燃焼状態シミュレ
ーション方法は、請求項２に記載したごとく、上記構成
１の燃焼状態シミュレーション方法の構成に加えて、前
記乱流燃焼速度モデルが、前記各種状態値と前記燃焼速
度との相関を示す燃焼速度データの複数からなる燃焼速
度データベースから導出されたものであることを特徴と
する。

【０００８】〔作用効果〕本構成の燃焼状態シミュレー
ション方法によれば、信頼性の高い燃焼速度データベー
スから導出された乱流燃焼速度モデルを用いて、各種状
態値からその燃焼室内の混合気の燃焼速度を求めること
ができるので、そのシミュレーション結果の信頼性を一
層向上することができる。

【０００９】〔構成３〕本発明に係る燃焼状態シミュレ
ーション方法は、請求項３に記載したごとく、上記構成
２の燃焼状態シミュレーション方法の構成に加えて、前
記燃焼速度データの複数が、定容積の計測用燃焼室にお
いて、前記計測用燃焼室内の混合気の当量比を、設定当
量比に設定する当量比設定工程と、前記計測用燃焼室内
の圧力を設定圧力に設定する圧力設定工程と、前記計測
用燃焼室内の温度を設定温度に設定する温度設定工程
と、前記計測用燃焼室内の乱流強度を設定乱流強度に設
定する乱流強度設定工程と、前記当量比設定工程、前記
圧力設定工程、前記温度設定工程、及び前記乱流強度設
定工程の後に、前記計測用燃焼室内の混合気を着火する
着火工程と、前記着火工程の後に、前記混合気を着火し
た時点から前記計測用燃焼室内の圧力が所定の設定割合
上昇した時点までの経過時間を用いて、前記経過時間か
ら前記計測用燃焼室内の燃焼速度を計測する燃焼速度計
測工程との各工程を、前記設定当量比と前記設定圧力と
前記設定温度と前記設定乱流強度との各種状態値を少な
くとも１つ変化させながら繰り返し実行することにより
生成されたものであることを特徴とする。

【００１０】〔作用効果〕本構成の燃焼状態シミュレー
ション方法によれば、実際の内燃機関のものと近似した
定容積の計測用燃焼室を用い、その計測用燃焼室に供給
された混合気の燃焼速度を計測するに、その計測用燃焼
室内における設定当量比と設定圧力と設定温度と設定乱
流強度との各種状態値を少なくとも１つ変化させなが
ら、上記各工程を繰り返し実行することで、前記各設定
工程で設定した上記各種状態値と、燃焼速度計測工程で
計測した燃焼速度との相関を示す燃焼速度データの複数
種を得て、圧力との相関をも含む実測値に近い燃焼速度
データベースを構築し、その燃焼速度データベースから
導出される乱流燃焼速度モデルを用いて各種状態値から
その計測用燃焼室内の混合気の燃焼速度を求めることが
できる。そして、このようにして得られた燃焼速度デー
タベースにおいては、定容積の燃焼室内の混合気の乱流
燃焼速度の層流燃焼速度に対する割合は、乱流強度の上
昇に伴って増加し、さらに、その割合の増加率は、温度
変化によっては殆ど変化しないが、圧力が高いほど大き
くなることがわかる。そして、このような燃焼速度デー
タベースから、層流燃焼速度が与えられると乱流燃焼速
度が定容積の燃焼室内における圧力及び乱流強度のみに
依存して与えられる信頼性の高い乱流燃焼速度モデルを
導出することができる。

【００１１】〔構成４〕本発明に係る燃焼状態シミュレ
ーション方法は、請求項４に記載したごとく、上記構成
１から３の燃焼状態シミュレーション方法の構成に加え
て、前記乱流燃焼速度をＳＴ、前記圧力をＰ、前記乱流
強度に依存する流速の乱れ成分をＵ’、前記当量比、前
記圧力、及び前記温度から求められる層流燃焼速度をＳ
Ｌとした場合に、前記乱流燃焼速度モデルが、

【００１２】

【数２】 の式で構成されていることを特徴とする。

【００１３】〔作用効果〕本構成のごとく、例えば上記
構成３で得た燃焼速度データベースから導出された上記
乱流燃焼速度モデルは、上記のような式で示されるよう
になり、このような乱流燃焼速度モデルを用いることに
より、実測値に極めて近いシミュレーション結果を得る
ことができる。また、この乱流燃焼速度モデルの式は、
上記燃焼速度計測方法により得られた各種状態値及び燃
焼速度の実測値がきれいに整理されており、さらに、実
際の燃焼室内の燃焼状態における実用域において好適に
用いることができる。

【００１４】〔構成５〕本発明に係る燃焼状態シミュレ
ーション方法は、請求項５に記載したごとく、上記構成
１から４の何れかの燃焼状態シミュレーション方法の構
成に加えて、前記層流燃焼速度を求めるに、前記層流燃
焼速度と、前記圧力と、前記当量比と、前記温度との相
関を示す層流燃焼速度データベースを用いることを特徴
とする。

【００１５】〔作用効果〕本構成のごとく、層流燃焼速
度は、混合気を形成する燃料の組成が決まれば、その混
合気の当量比及び圧力及び温度により一義的に求めるこ
とができ、それらの相関を示す上記層流燃焼速度データ
ベースを予め記憶装置等に格納しておくことができる。
そして、燃焼状態シミュレーション方法において、乱流
燃焼速度モデルを用いて、上記層流燃焼速度データベー
スを用いて求めた層流燃焼速度と、各種状態値における
混合気の当量比と温度と圧力とから、混合気の燃焼速度
を簡単に求めることができる。

【００１６】〔構成６〕本発明に係る燃焼状態シミュレ
ーション方法は、請求項６に記載したごとく、燃料ガス
と燃焼用空気との混合気を燃焼させる内燃機関の燃焼室
を対象とし、前記燃焼室内の圧力と、前記燃焼室内の乱
流強度と、前記燃焼室内の混合気の当量比と、前記燃焼
室内の温度とである各種状態値から、火炎伝播過程にお
ける前記燃焼室内の混合気の燃焼速度を求めて燃焼状態
をシミュレートする燃焼状態シミュレーション方法であ
って、前記燃焼室内の圧力と、前記燃焼室内の乱流強度
と、前記燃焼室内の混合気の当量比と、前記燃焼室内の
温度とである各種状態値から、前記各種状態値と前記前
記燃焼室内の混合気の燃焼速度との相関を示す燃焼速度
データの複数からなる燃焼速度データベースに基づい
て、前記前記燃焼室内の混合気の燃焼速度を求めると共
に、前記燃焼速度データの複数が、定容積の燃焼室にお
いて、前記燃焼室内の混合気の当量比を、設定当量比に
設定する当量比設定工程と、前記燃焼室内の圧力を設定
圧力に設定する圧力設定工程と、前記燃焼室内の温度を
設定温度に設定する温度設定工程と、前記燃焼室内の乱
流強度を設定乱流強度に設定する乱流強度設定工程と、
前記当量比設定工程、前記圧力設定工程、前記温度設定
工程、及び前記乱流強度設定工程の後に、前記燃焼室内
の混合気を着火する着火工程と、前記着火工程の後に、
前記混合気を着火した時点から前記燃焼室内の圧力が所
定の設定割合上昇した時点までの経過時間を用いて、前
記経過時間から前記燃焼室内の燃焼速度を計測する燃焼
速度計測工程との各工程を、前記設定当量比と前記設定
圧力と前記設定温度と前記設定乱流強度との各種状態値
を少なくとも１つ変化させながら繰り返し実行すること
により生成されたものであることを特徴とする。

【００１７】〔作用効果〕コンピュータで実行される本
構成の燃焼状態シミュレーション方法によれば、実際に
計測して得た燃焼速度データの複数からなる、圧力との
相関をも含む実測値に近い燃焼速度データベースを用い
て、例えば微小クランク角毎に、燃焼室内における圧
力、乱流強度、混合気の当量比、温度である各種状態値
からその燃焼室内の混合気の燃焼速度を求めることがで
きるので、そのシミュレーション結果としての、燃焼室
における平均有効圧、燃料消費率、各サイクル過程にお
けるガスの成分、温度、圧力などを、実測値に近い信頼
性のあるものとすることができる。また、実際の内燃機
関のものと近似した定容積の燃焼室を用い、その燃焼室
に供給された混合気の燃焼速度を計測するに、その燃焼
室内における設定当量比と設定圧力と設定温度と設定乱
流強度との各種状態値を少なくとも１つ変化させなが
ら、上記各工程を繰り返し実行することで、前記各設定
工程で設定した上記各種状態値と、燃焼速度計測工程で
計測した燃焼速度との相関を示す燃焼速度データの複数
を得ることができ、圧力との相関をも含む実測値に近い
燃焼速度データベースを構築し、その燃焼速度データベ
ースに基づいて、各種状態値からその燃焼室内の混合気
の燃焼速度を求めることができる。そして、このように
して得られた燃焼速度データベースにおいては、燃焼室
内の混合気の乱流燃焼速度の層流燃焼速度に対する割合
は、乱流強度の上昇に伴って増加することがわかり、さ
らに、その割合の増加率は、温度変化によっては殆ど変
化しないが、圧力が高いほど大きくなることがわかり、
このような燃焼速度データベースにおいて、乱流燃焼速
度は、層流燃焼速度が与えられると燃焼室内における圧
力及び乱流強度のみに依存した値となる。

【００１８】〔構成７〕本発明に係る燃焼状態シミュレ
ーション方法は、請求項７に記載したごとく、上記構成
１から６の何れかの燃焼状態シミュレーション方法の構
成に加えて、各ステップ毎に、前記圧力、前記当量比、
及び前記温度から前記層流燃焼速度を求める第１工程
と、前記圧力、前記乱流強度、及び前記第１工程で求め
た前記層流燃焼速度から、前記乱流燃焼速度を求める第
２工程とを実行することを特徴とする。

【００１９】〔作用効果〕本構成の燃焼状態シミュレー
ション方法によれば、微小クランク角毎又は微小時間毎
等の各ステップ毎に、層流燃焼速度を求める上記第１工
程と、その求めた層流燃焼速度と圧力及び温度とから乱
流燃焼速度を求める上記第２工程とを実行し、この乱流
燃焼速度を燃焼室内の混合気の燃焼速度としてシミュレ
ーション結果を生成すると共に、このように求めた乱流
燃焼速度から求められる各種状態値を用いて上記各ステ
ップを逐次実行することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明に係る燃焼状態シミュレー
ション方法（以下、本燃焼状態シミュレーション方法と
呼ぶ。）の実施の形態について図面に基づいて説明す
る。本燃焼状態シミュレーション方法は、後述する燃焼
速度計測方法により生成された燃焼速度データベース及
びその燃焼速度データベースから導出される乱流燃焼速
度モデルを用いて、内燃機関の燃焼室における燃焼状態
のシミュレーションを行なうように構成されており、そ
の燃焼速度データベースは、以下に示す燃焼速度計測方
法を実行することにより構築することができる。

【００２１】〔燃焼速度計測方法〕上記の燃焼速度デー
タベースを構築するための燃焼速度計測方法は、図１に
示す計測装置５０を用いて実行される。計測装置５０に
は、定容積型の計測用燃焼室１を内部に形成する本体２
が設けられ、前記本体２には、内部の計測用燃焼室１を
目視するための窓部材４が設けられている。また、本体
２は、メタンを主成分とする天然ガス系の都市ガス１３
Ａである燃料ガスを加圧貯留しているガスボンベや、乾
燥空気を加圧貯留している空気ボンベ等に接続された供
給管５と、真空ポンプ９に接続された排気管８とが接続
されている。また、供給管５には、供給管５内の圧力を
検出する圧力計６と供給管７の流路の開閉を行なうため
のバルブ７が設けられ、排気管８には、排気管８の流路
の開閉を行なうためのバルブ７が設けられている。さら
に、本体２には、計測用燃焼室１内に火花を発生可能な
点火プラグ１２が設けられている。

【００２２】そして、この測定装置５０は、バルブ７を
開状態として、供給管５から計測用燃焼室１に燃料ガス
及び乾燥空気を供給して計測用燃焼室１に混合気を形成
し、そして、バルブ７及びバルブ１０を閉状態として、
計測用燃焼室１内に形成された混合気を点火プラグ１２
を働かせて着火して燃焼させ、そして、バルブ１０を開
状態として計測用燃焼室１内の燃焼後の排ガスを真空ポ
ンプ９を働かせて排気管８を介して外部に排出すること
ができる。また、計測用燃焼室１内に形成される混合気
の当量比は、上記供給管５からの燃料ガス及び乾燥空気
の供給量を調整することにより、任意の設定当量比に設
定することができ、このように計測用燃焼室１内に形成
する混合気の当量比を任意の設定当量比に設定する手段
を当量比設定手段Ａと呼ぶ。

【００２３】さらに、計測用燃焼室１内の圧力は、圧力
計６の指針値を確認しながら、供給管５から乾燥空気等
を計測用燃焼室１内に供給することで、任意の設定圧力
に設定することができ、このように計測用燃焼室１内の
圧力を任意の設定圧力に設定する手段を圧力設定手段Ｂ
と呼ぶ。

【００２４】また、本体２には、計測用燃焼室１内を加
熱可能な電気式のヒータ１４と、計測用燃焼室１内の温
度を検出する温度計１５が設けられており、この温度計
により計測用燃焼室１内の温度を検出しながらヒータ１
４の出力を調整することで、計測用燃焼室１内の温度を
任意の設定温度に設定することができ、このように計測
用燃焼室１内の温度を任意の設定温度に設定する手段を
温度設定手段Ｃと呼ぶ。

【００２５】さらに、本体２には、計測用燃焼室１内に
設けられた翼部材１７ａを回転させ、その回転速度を調
整可能なファン装置１７が設けられており、このファン
装置１７により、翼部材１７ａの回転速度を設定して、
計測用燃焼室１に発生する流速の乱れ成分である乱流強
度を任意の設定乱流強度に設定することができ、このよ
うに計測用燃焼室１内の乱流強度を任意の乱流強度に設
定する手段を乱流強度設定手段Ｄと呼ぶ。尚、翼部材１
７ａの前面には整流板１７ｂが設けられている。

【００２６】さらに、本体２には、計測用燃焼室１内の
圧力を瞬間的に検出可能な圧力センサ１８が設けられて
おり、その圧力センサ１８の検出結果はオシロスコープ
等の出力装置１９から表示される。そして、出力された
圧力センサ１８の検出結果に基づいて、計測用燃焼室１
内の混合気を点火プラグ１２によって着火した時点か
ら、計測用燃焼室１内の圧力が所定の設定割合（例えば
５％）上昇した時点までの経過時間を求めることがで
き、そして、計測用燃焼室１の圧力が所定の設定割合上
昇するための燃料ガスの燃焼量と、その経過時間とか
ら、計測用燃焼室１内で燃焼した混合気の燃焼速度を求
めることができ、このように計測用燃焼室１内の混合気
の燃焼速度を求めることができる。

【００２７】次に、本計測装置５０を用いて実施され
る、定容積の計測用燃焼室１における混合気の燃焼速度
を計測するための燃焼速度計測方法の処理フローについ
て説明する。燃焼速度計測方法の処理フローにおいて、
先ず、計測用燃焼室１に燃料ガス及び乾燥空気を供給し
て混合気を形成すると共に、前述の当量比設定手段Ａに
より、計測用燃焼室１に形成する混合気の当量比を予め
決定した設定値に設定し、さらに、圧力設定手段Ｂ及び
温度設定手段Ｃにより、計測用燃焼室１に形成された混
合気の温度及び圧力を予め決定した設定値に設定する
（工程１０１）（当量比設定工程、圧力設定工程、温度
設定工程の一例）。

【００２８】次に、ファン装置１７の運転を開始して、
計測用燃焼室１内に形成された混合気を攪拌した後に、
乱流強度設定Ｄにより、ファン装置１７の出力を調整し
て、前記計測用燃焼室１内における乱流強度を予め決定
した設定値に設定する（工程１０２）（乱流強度設定工
程の一例）。

【００２９】このように計測用燃焼室１内の混合気の当
量比、圧力、温度、及び乱流強度である各種状態値を上
記のように設定した後に、圧力センサ１８による計測用
燃焼室１内の圧力検出を開始し、点火プラグ１２を働か
せて、計測用燃焼室１内の混合気を着火する（工程１０
３）（着火工程の一例）。

【００３０】そして、出力装置１９から出力された圧力
センサ１８の検出結果から、計測用燃焼室１内の混合気
を着火した時点から計測用燃焼室１内の圧力が５％上昇
した時点までの経過時間を計測し（工程１０４）、この
計測した経過時間と、計測用燃焼室１の圧力が初期圧力
から５％上昇するための燃料ガスの燃焼量とから、計測
用燃焼室１内で燃焼した混合気の燃焼速度を求め（工程
１０５）（燃焼速度計測工程の一例）、このように求め
た燃焼速度と各種設定値とを関連付けた燃焼速度データ
を記録装置等に記録する（工程１０６）。

【００３１】また、これまで説明した各工程は、各種状
態値の内少なくとも１つを変更しながら繰り返し実行さ
れ（工程１０７）、このように繰り返して実行すること
で、複数の燃焼速度データからなる燃焼速度データベー
スを生成し出力することができる（工程１０８）。

【００３２】そして、このようにして得られた燃焼速度
データベースにおいて、計測用燃焼室１内の混合気の乱
流燃焼速度の層流燃焼速度に対する割合は、乱流強度の
上昇に伴って増加することがわかり、さらに、その割合
の増加率は、温度変化によっては殆ど変化しないが、圧
力が高いほど大きくなることがわかった。そして、この
ような燃焼速度データベースから、計測用燃焼室１内の
混合気の乱流燃焼速度Ｓ_Tに関する乱流燃焼速度モデル
を求めると、次式のようになる。

【００３３】

【数３】

【００３４】尚、Ｐは計測用燃焼室１の圧力、Ｕ’は流
速の乱れ成分、Ｓ_Lは層流燃焼速度であり、層流燃焼速
度Ｓ_Lは、上記燃焼速度データベースにおいて、上記燃
焼速度データベースにおいて乱流強度Ｕ’を０として、
計測用燃焼室１内の圧力と当量比と前記温度とから求め
ることができる。即ち、上記燃焼速度データベースの各
燃焼速度データは、図３に示すように、例えば圧力Ｐが
ｘ，ｙ，ｚ（ｘ＞ｙ＞ｚ）の各状態において、きれいに
整理された状態となっており、上記のような乱流燃焼速
度モデルとして簡単な式をえることができる。

【００３５】また、メタンを主成分とした都市ガス１３
Ａの層流燃焼速度は、温度が高いほど大きく、圧力が高
くなるほど小さくなり、従来においては、乱流燃焼速度
も同様であると考えられていた。しかし、上記のような
燃焼速度計測方法で求めた燃焼速度データベースにおい
て、混合気の乱流燃焼速度の層流燃焼速度に対する割合
は、乱流強度の上昇に伴って増加し、さらに、その割合
の増加率は、圧力が高いほど大きくなることを見出すこ
とができる。そして、この燃焼速度データベースから導
出された乱流燃焼速度モデルは、上記の数１に示すよう
に、層流燃焼速度Ｓ_Lが与えられると、乱流燃焼速度Ｓ_T
の層流燃焼速度Ｓ_Lに対する割合（Ｓ_T／Ｓ_L）が圧力Ｐ
と乱流強度Ｕ’のみに依存して与えられるものとなって
おり、この乱流燃焼速度モデルを用いて求めた燃焼室内
の燃焼速度は、極めて実測値に近い信頼性のあるものと
なる。

【００３６】尚、上記の燃焼速度モデルは、メタンを主
成分とした燃料ガスを燃焼させる内燃機関を対象とする
ものであるが、その他の燃料を燃焼させる内燃機関を対
象とする燃焼速度モデルにおいても、メタンを主成分と
する燃料ガスのときと同様に、層流燃焼速度が与えられ
ると乱流燃焼速度が圧力と乱流強度のみに依存して与え
られるものとなることが考えられる。

【００３７】次に、このような燃焼速度計測方法により
生成された燃焼速度データベース及びその燃焼速度デー
タベースから導出される乱流燃焼速度モデルを用いて、
内燃機関の燃焼室における燃焼状態のシミュレーション
を行なう燃焼状態シミュレーション方法の実施例を説明
する。

【００３８】〔燃焼状態シミュレーション方法〕本燃焼
状態シミュレーション方法は、コンピュータが燃焼状態
シミュレーション用プログラムを実行することで実施さ
れるもので、上記燃焼速度計測方法により生成された燃
焼速度データベースに基づいて、燃焼室内の圧力と、燃
焼室内の乱流強度と、燃焼室内の混合気の当量比と、燃
焼室内の温度とである各種状態値から、火炎伝播過程に
おける燃焼室内の混合気の燃焼速度を求めるように構成
され、燃焼室における燃焼状態をシミュレートするもの
である。また、本燃焼状態シミュレーション方法を実施
するコンピュータは、シミュレーション結果として、内
燃機関の各サイクル過程における燃焼室内の圧力や平均
有効圧力等を出力する。

【００３９】詳しくは、本燃焼状態シミュレーション方
法においては、図４に示すように、先ず、シミュレーシ
ョン対象である燃焼室の容量や、クランク軸の回転数、
燃焼室に形成する混合気の当量比、吸気圧力温度等の各
種初期条件を入力し（工程１１１）、そして、燃焼室内
を上死点直前の着火時まで圧縮したときの燃焼室におけ
る圧力及び温度等の各種状態値の変化状態を、公知の数
値解析手法（例えばＣＦＤ）を用いてシミュレーション
する（工程１１２）。

【００４０】そして、その着火時後の火炎伝播過程にお
ける混合気の燃焼状態をシミュレーションするために、
まず、着火時点における燃焼室内の圧力及び温度の各種
状態値を算出する（工程１１３）。そして、この工程１
１３以降においては、予め設定されている微小クランク
角毎に以下に説明する各工程を含む各ステップを繰り返
し実行する。即ち、先ず、現時点で求められている燃焼
室内の温度及び圧力と、燃焼室内の混合気の当量比とか
ら、その混合気の層流燃焼速度を導出する（工程１１
４）（第１工程の一例）。このように層流燃焼速度を導
出するには、上記燃焼速度計測方法により生成された燃
焼速度データベースの内、乱流強度が０のときの燃焼速
度データをデータベース化した層流燃焼速度データベー
スを予めコンピュータに格納しておくことで、その層流
燃焼速度データベースを用いて上記各種状態値から層流
燃焼速度を求めることができる。

【００４１】次に、上記燃焼速度計測方法で生成した燃
焼速度データベースから導出され、層流燃焼速度が与え
られると乱流燃焼速度が圧力と乱流強度のみに依存して
与えられる上記の数１に示す乱流燃焼速度モデルに基づ
いて、上記工程１１４で導出した層流燃焼速度と、上記
の燃焼室内の圧力とから、燃焼室内の混合気の乱流燃焼
速度を求め（工程１１５）（第２工程の一例）、上記工
程１１５で求めた乱流燃焼速度から、クランク角を所定
の微小角進めた時の、燃焼室における圧力及び温度等の
各種状態値を、公知の数値解析手法（例えばＣＦＤ）を
用いて求めるのである（工程１１６）。

【００４２】そして、上記の工程１１４から工程１１６
までの各工程からなるステップを、上記クランク角が下
死点に対応する角度になるまで行なって、各クランク角
毎に求められた圧力等の上記各種状態値をシミュレーシ
ョン結果として出力する（工程１１７）。

【００４３】このように本燃焼状態シミュレーション方
法を実施することで得られるシミュレーション結果とし
て、各クランク角における燃焼室内の圧力値は、図５に
示すように実際の燃焼室において計測した実測値に極め
て近い値となり、信頼性が高いものとなる。また、比較
例として、従来のように、圧力の変化を考慮しない乱流
燃焼速度モデル、即ち、Ｓ_T＝Ｓ_L＋Ｕ’（夫々の記号
は、前述の数１の記号と同じものを示す。）に示す乱流
燃焼速度モデルを用いて燃焼状態シミュレーションを行
なった場合における、各クランク角における燃焼室内の
圧力値は、図５に示すように、実測値とかけ離れた値を
示し、信頼性が低いことがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本燃焼速度計測方法を実施するための計測装置
の概略構成図

【図２】本燃焼速度計測方法の処理フロー図

【図３】本燃焼速度計測方法の計測結果である燃焼速度
データをプロットしたグラフ図

【図４】本燃焼状態シミュレーション方法の処理フロー
図

【図５】本燃焼速度シミュレーション方法の結果とその
信頼性を説明するグラフ図

【符号の説明】

１ 燃焼室 ２ 本体 １２ 点火プラグ １５ 圧力センサ １８ 温度センサ Ａ 当量比設定手段 Ｂ 圧力設定手段 Ｃ 温度設定手段 Ｄ 乱流強度設定手段

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 メタンを主成分とする燃料ガスと燃焼用
   空気との混合気を燃焼させる内燃機関の燃焼室を対象と
   し、前記燃焼室内の圧力と、前記燃焼室内の乱流強度
   と、前記燃焼室内の混合気の当量比と、前記燃焼室内の
   温度とである各種状態値から、火炎伝播過程における前
   記燃焼室内の混合気の燃焼速度を求めて燃焼状態をシミ
   ュレートする燃焼状態シミュレーション方法であって、 前記各種状態値から前記燃焼速度を求めるに、前記圧力
   と前記当量比と前記温度とに依存する前記燃焼室内の混
   合気の層流燃焼速度が与えられると前記燃焼室内の混合
   気の乱流燃焼速度が前記圧力と前記乱流強度のみに依存
   して与えられる乱流燃焼速度モデルを用いることを特徴
   とする燃焼状態シミュレーション方法。
2. 【請求項２】 前記乱流燃焼速度モデルが、前記各種状
   態値と前記燃焼速度との相関を示す燃焼速度データの複
   数からなる燃焼速度データベースから導出されたもので
   ある請求項１に記載の燃焼状態シミュレーション方法。
3. 【請求項３】 前記燃焼速度データの複数が、 定容積の計測用燃焼室において、 前記計測用燃焼室内の混合気の当量比を、設定当量比に
   設定する当量比設定工程と、 前記計測用燃焼室内の圧力を設定圧力に設定する圧力設
   定工程と、 前記計測用燃焼室内の温度を設定温度に設定する温度設
   定工程と、 前記計測用燃焼室内の乱流強度を設定乱流強度に設定す
   る乱流強度設定工程と、 前記当量比設定工程、前記圧力設定工程、前記温度設定
   工程、及び前記乱流強度設定工程の後に、前記計測用燃
   焼室内の混合気を着火する着火工程と、 前記着火工程の後に、前記混合気を着火した時点から前
   記計測用燃焼室内の圧力が所定の設定割合上昇した時点
   までの経過時間を用いて、前記経過時間から前記計測用
   燃焼室内の燃焼速度を計測する燃焼速度計測工程との各
   工程を、前記設定当量比と前記設定圧力と前記設定温度
   と前記設定乱流強度との各種状態値を少なくとも１つ変
   化させながら繰り返し実行することにより生成されたも
   のである請求項２に記載の燃焼状態シミュレーション方
   法。
4. 【請求項４】 前記乱流燃焼速度をＳ_T、前記圧力を
   Ｐ、前記乱流強度に依存する流速の乱れ成分をＵ’、前
   記当量比、前記圧力、及び前記温度から求められる層流
   燃焼速度をＳ_Lとした場合に、前記乱流燃焼速度モデル
   が、 【数１】 の式で構成されている請求項１から３の何れか１項に記
   載の燃焼状態シミュレーション方法。
5. 【請求項５】 前記層流燃焼速度を求めるに、前記層流
   燃焼速度と、前記圧力と、前記当量比と、前記温度との
   相関を示す層流燃焼速度データベースを用いる請求項１
   から４の何れか１項に記載の燃焼状態シミュレーション
   方法。
6. 【請求項６】 燃料ガスと燃焼用空気との混合気を燃焼
   させる内燃機関の燃焼室を対象とし、前記燃焼室内の圧
   力と、前記燃焼室内の乱流強度と、前記燃焼室内の混合
   気の当量比と、前記燃焼室内の温度とである各種状態値
   から、火炎伝播過程における前記燃焼室内の混合気の燃
   焼速度を求めて燃焼状態をシミュレートする燃焼状態シ
   ミュレーション方法であって、 前記燃焼室内の圧力と、前記燃焼室内の乱流強度と、前
   記燃焼室内の混合気の当量比と、前記燃焼室内の温度と
   である各種状態値から、前記各種状態値と前記前記燃焼
   室内の混合気の燃焼速度との相関を示す燃焼速度データ
   の複数からなる燃焼速度データベースに基づいて、前記
   前記燃焼室内の混合気の燃焼速度を求めると共に、 前記燃焼速度データの複数が、 定容積の燃焼室において、 前記燃焼室内の混合気の当量比を、設定当量比に設定す
   る当量比設定工程と、 前記燃焼室内の圧力を設定圧力に設定する圧力設定工程
   と、 前記燃焼室内の温度を設定温度に設定する温度設定工程
   と、 前記燃焼室内の乱流強度を設定乱流強度に設定する乱流
   強度設定工程と、 前記当量比設定工程、前記圧力設定工程、前記温度設定
   工程、及び前記乱流強度設定工程の後に、前記燃焼室内
   の混合気を着火する着火工程と、 前記着火工程の後に、前記混合気を着火した時点から前
   記燃焼室内の圧力が所定の設定割合上昇した時点までの
   経過時間を用いて、前記経過時間から前記燃焼室内の燃
   焼速度を計測する燃焼速度計測工程との各工程を、前記
   設定当量比と前記設定圧力と前記設定温度と前記設定乱
   流強度との各種状態値を少なくとも１つ変化させながら
   繰り返し実行することにより生成されたものであること
   を特徴とする燃焼状態シミュレーション方法。
7. 【請求項７】 各ステップ毎に、前記圧力、前記当量
   比、及び前記温度から前記層流燃焼速度を求める第１工
   程と、 前記圧力、前記乱流強度、及び前記第１工程で求めた前
   記層流燃焼速度から、前記乱流燃焼速度を求める第２工
   程とを実行する請求項１から６の何れか１項に記載の燃
   焼状態シミュレーション方法。
8. 【請求項８】 コンピュータにより読み取り可能で、請
   求項１から７の何れか１項に記載の燃焼状態シミュレー
   ション方法を前記コンピュータに実行させる燃焼状態シ
   ミュレーション用プログラム。