JP2004239131A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの運転状態を少なくとも作動ガスのＣＦＤ演算によりシミュレーションするコンピュータシステムＡにおいて、シミュレーションの精度を維持しながら、過渡状態も正確に模擬できるようにして、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上する。
【解決手段】エンジンの吸排気の流れの状態をＣＦＤ演算によって模擬するＣＦＤ演算プログラムと、エンジンの運転状態に応じてその制御ロジックに従って制御パラメータを演算する制御演算プログラムとを、コンピュータ装置によって並列に実行させる。過渡状態を模擬するときにはＣＦＤ演算と制御ロジックとの間でデータを交換し、制御ロジックに従って求められる例えばスロットル開度の変更指令に基づいて、ＣＦＤ演算におけるモデルのスロットル開度の過渡的な変更量を決定する（▲１▼）。そのスロットル開度の変化によって生じる吸気量の変化をＣＦＤ演算により求めて、制御ロジックに提供する（▲２▼）。これにより新たに求められるスロットル開度指令に基づいて、再びＣＦＤ演算におけるスロットル開度を更新する（▲３▼）。
【選択図】 図１０

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくともＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ：数値計算流体力学）の適用によりエンジンの作動ガスの状態を模擬するシミュレーションを行って、該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。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エンジンやトランスミッション等の性能を評価するために例えば特許文献１に開示されるような種々の計測・試験方法が提案されている。また、特許文献２には、エンジンの開発完了を待たずにパワートレインの性能を評価することのできるシミュレーションシステムが開示されている。
【０００３】
そのようなシミュレーションの技術として、作動ガスである吸気や排気の運動を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、この仮想実験の結果に基づいて例えば吸気ポートの形状を決定することにより、試作や実験の繰り返しに費やされる開発工数を削減して、効率の良い設計・開発を行うことができる。
【０００４】
また、気筒内の燃焼室における混合気の燃焼については、その混合気に含まれる多くのガス成分の反応をそれぞれ化学反応式によって記述するようにしたシミュレーションプログラムが存在する。これは、燃焼室の作動ガスを主に燃料として供給される炭化水素や空気中の窒素、酸素等により模擬するとともに、圧縮及び膨張行程における燃焼室の容積変化を容器モデルにより模擬して、その容器中での前記ガス成分や中間生成物の反応を逐次、記述することによって、燃焼の状態を模擬するものである。
【０００５】
【特許文献１】
特表２００２−５２６７６２号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４８１４７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のようなシミュレーションの技術を用いて、エンジン全体の過渡的な運転状態の変化を高い精度で模擬することのできるシミュレーションシステムは存在しない。それは、例えばスロットル弁等、吸排気の流れを変更する可変機構の作動を模擬しようとした場合に、そのスロットル弁の作動途中の過渡的な状態を再現することが非常に難しいからである。
【０００７】
詳しくは、実際のエンジンの制御を考慮すると、例えばアクセルペダルが大きく踏み込まれたときには、その踏み込み量に応じてスロットル弁の目標開度を決定し、この目標開度になるまでスロットル弁を開作動させる。或いは、アクセルペダルの踏み込み量に応じて目標吸気量を決定して、エアフローセンサにより検出される吸気量が前記目標吸気量になるまでスロットル弁を開作動させる。その際、スロットル弁のモータの制御は、スロットルポジションセンサやエアフローセンサからの信号に基づいて行われる。
【０００８】
すなわち、一般的に、エンジンが定常状態にあるときのスロットル弁の開度は例えばエンジン負荷や回転速度等の運転状態に応じて、所定の制御ロジックに従って特定することができるが、そのスロットル弁の作動途中の状態は弁の構造やモータの特性によって決まる固有の作動特性に従うものなので、これをそのまま再現するためには、該スロットル弁の作動特性を反映したモデルが必要になる。しかし、スロットル弁のような可変機構はエンジンには多数、備えられているので、これらのモデルを全て含めてエンジンのモデルを構成するのは現実的とはいえず、結局、エンジン全体についての過渡状態のシミュレーションはあまり行われていないのが実状である。
【０００９】
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、エンジンの運転状態を少なくとも作動ガスについてのＣＦＤ演算によりシミュレーションする場合に、そのシミュレーションの精度を維持しながら、過渡状態も模擬できるようにして、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明では、エンジンの作動ガスの状態を模擬する模擬演算プログラムと、エンジンの運転状態に対応する制御パラメータを演算する制御演算プログラムとを相互にデータ交換しながら並列に実行し、その制御演算プログラムによって求められる過渡時の制御パラメータの変化に基づいて、前記模擬演算に用いる演算要素の過渡的な変更量を決定するようにした。
【００１１】
具体的に、請求項１の発明は、エンジンの運転状態を少なくともＣＦＤの適用により模擬して、その性能を予測する予測解析方法を対象とする。そして、エンジンの吸気系から排気系に亘る作動ガスの状態を少なくともＣＦＤ演算によって模擬するための模擬演算プログラムと、前記エンジンの運転状態に応じて、所定の制御ロジックに従って当該エンジンの制御パラメータを演算する制御演算プログラムとを準備し、コンピュータ装置によって前記模擬演算プログラム及び制御演算プログラムを独立して並列に実行させるとともに、エンジンの運転状態が所定以上に変化する過渡状態を模擬するときには、前記模擬演算プログラムと制御演算プログラムとの間で相互にデータを交換させて、その制御演算プログラムにより演算される制御パラメータの変化に基づいて、模擬演算プログラムにおける前記制御パラメータに対応する演算要素の過渡変更量を決定するようにする。
【００１２】
前記の方法により、エンジンの運転状態が変化する過渡状態のシミュレーションにおいては、コンピュータ装置によって前記模擬演算プログラム及び制御演算プログラムを独立して並列に実行させ、その制御演算プログラムによりエンジンの運転状態の変化に応じて演算される制御パラメータの変化に基づいて、この制御パラメータに対応する演算要素の過渡的な変更量を決定する。こうして模擬演算プログラムにおける演算要素の過渡変更量を決定すれば、当該演算要素の変化する途中の過渡的な状態を再現することができるから、エンジンの過渡運転時においても作動ガスの状態を模擬するシミュレーションを行うことができる。これにより、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上できる。
【００１３】
ここで、前記の如く制御演算プログラムによって演算された制御パラメータの変化に基づいて過渡変更量を決定するときに、その決定方法が複雑であると、演算の負荷が大きくなって好ましくない。そこで、過渡変更量の初期値は制御パラメータの変化に対して所定の係数（＜１）を乗算する等して、大まかに決定すればよい。こうすると、その過渡変更量のデータを用いて行われた模擬演算の結果としてエンジンの運転状態の変化を表す物理量（例えば作動ガスの流れの状態）の変化が得られ、このデータが前記制御演算プログラムに提供されることによって新たに制御パラメータが演算されて、過渡変更量の値が変更される。つまり、模擬演算プログラムと制御演算プログラムとがあたかも実際のエンジンとそのコントローラのように協動して、過渡変更量が自ずと適切な値になっていき、このことによって、模擬演算における演算要素の過渡的な変化状態を正確に再現することができるのである。
【００１４】
尚、エンジンの制御パラメータに対応する模擬演算の演算要素というのは、制御パラメータそのものであってもよいし、制御パラメータに対応する別のパラメータであってもよい。すなわち、例えば制御パラメータがスロットル弁の目標開度であるとすれば、演算要素は、模擬演算のモデルにおける実スロットル開度であってもよいし、或いはスロットル弁のモータの作動量であってもよい。また、制御パラメータが目標吸気量で、これに対応する演算要素がスロットル開度であってもよい。
【００１５】
そのような制御パラメータや演算要素の一例を挙げれば、前記スロットル開度の他に、気筒内の流動強さを調整するために吸気通路の下流側に設けられる吸気流動制御弁の開度、排気の還流量を調節するＥＧＲ弁の開度、可変吸気システムにおける吸気流の切換弁等の状態、さらには可変動弁機構によって変更される吸排気弁の作動タイミングや燃料噴射量、その噴射時期、点火時期等も挙げられる。
【００１６】
次に、本願の請求項２の発明は、エンジンの運転状態を少なくともＣＦＤの適用により模擬して、その性能を予測するためのコンピュータシステムを対象とする。そして、エンジンの吸気系から排気系に亘る作動ガスの状態を少なくともＣＦＤ演算によって模擬するための模擬演算プログラムを実行する模擬演算手段と、前記エンジンの運転状態に応じて、所定の制御ロジックに従って当該エンジンの制御パラメータを演算する制御演算プログラムを実行する制御演算手段と、前記エンジンの運転状態が所定以上に変化する過渡状態を模擬するときに前記模擬演算プログラムと制御演算プログラムとの間で相互にデータを交換させて、その制御演算プログラムにより演算される制御パラメータの変化に基づいて、模擬演算プログラムにおける前記制御パラメータに対応する演算要素の過度変更量を決定し、この過度変更量のデータを前記模擬演算手段に提供する過渡変更量提供手段と、を備えるものとする。
【００１７】
前記のシステムによれば、エンジンの運転状態が変化する過渡状態を模擬するときには、制御演算手段により実行される制御演算プログラムによってエンジンの運転状態の変化に応じて制御パラメータの変化が演算され、これに基づいて過渡変更量提供手段により、模擬演算プログラムにおける演算要素の過渡的な変更量が決定されて模擬演算手段に提供される。このことで、該模擬演算手段によるエンジン過渡状態の模擬演算において前記演算要素の変化する途中の過渡的な状態を再現することができるから、前記請求項１の発明に係る予測解析方法を実行して、その作用効果を得ることができる。
【００１８】
請求項３の発明では、請求項２の発明における模擬演算プログラムを、エンジンの少なくとも吸排気の流れをＣＦＤ演算により模擬するものとし、且つ、そのためのエンジンモデルには吸気及び排気の少なくとも一方の流れの状態を変更可能な可変機構のモデルが含まれているものとする。また、過渡変更量提供手段は、エンジンの過渡状態を模擬するときに前記制御演算プログラムによって求められる制御パラメータの変化に基づいて、この制御パラメータに対応する演算要素である前記可変機構の作動状態量の過渡変更量を決定するものとし、さらに、模擬演算手段は、前記の過度変更量のデータに基づいて可変機構のモデルを変更するものとする。
【００１９】
ここで、前記可変機構としては例えば、スロットル弁、吸気流動制御弁、ＥＧＲ弁、可変吸気システムの切換弁等があり、或いは、吸気弁や排気弁の開閉作動タイミングを変更する可変動弁機構であってもよい。そして、スロットル弁の場合には、そのモデルは１次元のＣＦＤならば吸気管のモデル同士の境界に設けられた絞りとすればよく、また、３次元のＣＦＤならばスロットルボディの内部に設けられた蝶弁とすればよい。
【００２０】
そのような可変機構のモデルを過度変更量に基づいて変更することで、エンジンの過渡状態における前記可変機構の作動途中の過渡的な状態を再現し、これによる吸排気の流れの変化を正確に模擬することができる。
【００２１】
請求項４の発明では、前記請求項３の発明における模擬演算プログラムを、エンジンの吸排気流の状態を所定クランク角毎に記述するものとし、また、過渡変更量提供手段は、制御演算プログラムにより演算される制御パラメータの変化に基づいて、予め設定した設定クランク角毎の過渡変更量を決定するものとする。
【００２２】
そのようにクランク角の変化に沿って吸排気の流れの状態を模擬する演算を行うことで、エンジン回転速度の変化による影響を軽減して正確な模擬演算を行うことができる。また、その模擬演算に用いるモデルにおける可変機構の作動状態量の過渡変更量については、模擬演算の実行間隔とは別に設定したクランク角毎に決定することで、過渡状態を模擬する上で必要な精度を得ながら、演算量を減らすことができる。
【００２３】
ここで、前記過渡変更量を決定する間隔（設定クランク角）は、例えばエンジンの運転状態に応じて低回転側ほど小さい値になるように、また、高回転側ほど大きな値になるように補正することが好ましい（設定クランク角補正手段：請求項５の発明）。すなわち、設定クランク角に対応する時間間隔はエンジン回転速度に反比例するので、全く同じクランク角に固定してしまうと、高回転側ではやや時間間隔が短かすぎ、一方、アイドル運転時等はやや時間間隔が長すぎる傾向がある。そこで、エンジン回転速度の変化に応じて設定クランク角を補正することで、エンジンの過渡状態における可変機構の作動を一層、適切に模擬することが可能になる。
【００２４】
また、前記設定クランク角は、可変機構の種類に応じて、例えばスロットル弁については相対的に大きな値とし、例えばＥＧＲ弁については相対的に小さな値とするのが好ましい（請求項６の発明）。これは、実際の可変機構の作動速度を考慮して、比較的遅いスロットル弁の作動状態はその分、長い間隔を空けても十分に正確に模擬することができ、そうすることによって演算量を減らすことができるからであり、一方、比較的速いＥＧＲ弁の作動状態はその分、短い間隔でもって模擬する必要があるからである。
【００２５】
次に、本願の請求項７の発明は、エンジンの運転状態を少なくともＣＦＤの適用により模擬して、その性能を予測するコンピュータシステムの制御プログラムを対象とする。そして、この制御プログラムは、エンジンの吸気系から排気系に亘る作動ガスの状態を少なくともＣＦＤ演算によって模擬するための模擬演算プログラムと、前記エンジンの運転状態に応じて、所定の制御ロジックに従って当該エンジンの制御パラメータを演算する制御演算プログラムと、これら制御演算プログラム及び模擬演算プログラムの間で相互にデータを交換するデータ交換プログラムとを備え、このデータ交換プログラムは、エンジンの運転状態が所定以上に変化する過渡状態を模擬するときに、前記制御演算プログラムにより演算される制御パラメータの変化に基づいて、前記模擬演算プログラムにおける前記制御パラメータに対応する演算要素の過度変更量を決定する過渡変更量決定ステップを有して、その過度変更量のデータを模擬演算プログラムに提供するものとする。
【００２６】
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前記請求項２の発明に係るエンジン性能の予測解析システムとなり、これにより、該請求項２の発明と同じ作用効果が得られる。
【００２７】
請求項８の発明では、請求項７の発明における模擬演算プログラムを、エンジンの少なくとも吸排気の流れをＣＦＤ演算により模擬するものとし、且つ、そのためのエンジンのモデルには吸気及び排気の少なくとも一方の流れの状態を変更可能な可変機構のモデルを含むものとする。また、データ交換プログラムの過渡変更量決定ステップでは、エンジンの過渡状態を模擬するときに前記制御演算プログラムによって求められる制御パラメータの変化に基づいて、この制御パラメータに対応する演算要素である前記可変機構の作動状態量の変更量を決定するものとする。そして、前記過度変更量のデータに基づいて、前記可変機構のモデルを変更するモデル変更ステップをさらに備えるものとする。
【００２８】
この制御プログラムにより、請求項３の発明と同じ作用効果が得られる。
【００２９】
請求項９の発明では、請求項８の発明における模擬演算プログラムを、エンジンのクランク角の変化に対応付けて吸排気の流れの状態を逐次、記述するものとし、データ交換プログラムの過渡変更量決定ステップでは、制御演算プログラムにより演算される制御パラメータの変化に基づいて、予め設定した設定クランク角毎の過渡変更量を決定するものとする。
【００３０】
この制御プログラムにより、請求項４の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３１】
請求項１０の発明では、請求項９の発明において、設定クランク角をエンジンの運転状態に応じて、低回転側ほど小さい値になる一方、高回転側ほど大きな値になるように補正する設定クランク角補正ステップをさらに備えるものとする。
【００３２】
この制御プログラムにより、請求項５の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３３】
請求項１１の発明では、請求項９の発明における設定クランク角を、可変機構がスロットル弁であるときには相対的に大きな値とし、可変機構がＥＧＲ弁であるときには相対的に小さな値とする。このことで、請求項６の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００３５】
（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、エンジンの作動ガスである吸気や排気等の流れを１次元又は３次元のＣＦＤ演算により記述するとともに、気筒内の燃焼を化学反応式により記述し、それらを組み合わせることによって、エンジンの運転を模擬する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受け渡しと、ＣＦＤ演算及び化学反応シミュレーション（化学反応ＳＩＭ）の間のデータの受け渡しとをいずれも自動化して、例えばスロットル弁から触媒コンバータに至る吸排気の流れをダイナミックに解析することにより、極めて精度の高いシミュレーションを容易に行えるようにしたことにある。
【００３６】
図示の符号１，１，…は、主にＣＦＤ及び化学反応シミュレーションの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が接続されている。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演算プログラム（模擬演算プログラム）と、そのための物理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（模擬演算プログラム）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。
【００３７】
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部品データベースＤＢ１１にアクセスすることができる。この部品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の雛形がエンジンの各部位毎に種別された状態で予め格納されており、さらに、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ものとする。
【００３８】
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ベースＤＢ１１を備えることで、この部品ＤＢ１１から読み込んだテンプレート部品に寸法等を入力して組み合わせるだけで、極めて容易に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、構築したモデルを新たに部品ＤＢ１１に格納しておけば、必要に応じてそのモデルの修正も容易に行うことができ、エンジンの設計変更にも容易に対応することができる。
【００３９】
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記述することによって、燃焼状態を模擬することができる。
【００４０】
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、エンジンの例えば圧縮比や吸気管長さ等の諸元値、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。
【００４１】
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、それらを変更して新たに格納したりすることができるようになっている。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、その吸気系、気筒、排気系等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。
【００４２】
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、各ＰＣ端末５における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ながら、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。
【００４３】
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。
【００４４】
（ＣＦＤ演算）
次に、前記１次元及び３次元のＣＦＤ演算について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。この実施形態では、ＣＦＤ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を基本として必要な部分と行程のみを３次元のＣＦＤで置き換えるようにしている。すなわち、例えば図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、エンジンの吸気通路上流のスロットル弁（図示せず）から第１〜第４気筒ｃ１〜ｃ４の燃焼室を経て触媒コンバータ（図示せず）に至る１次元ＣＦＤ用の物理モデルＭｂを基本として、該各気筒ｃ１，ｃ２，…毎に、それぞれが吸気行程にあるときに当該気筒ｃ１，ｃ２，…に対応するサージタンクの一部分ｓ１〜ｓ４のみを３次元のモデルで置換するようにする。
【００４５】
より具体的に、図示の１次元のモデルＭｂでは、基本的には、サージタンクから各気筒までの独立の吸気通路と、スロットル弁からサージタンクまでの各気筒に共通の吸気通路とをそれぞれ管路（図に矢印で示す）の集合体として表し、同様に、各気筒から排気マニホルドの集合部までの独立の排気通路と、その排気集合部から触媒コンバータ入口までの共通の排気通路とをそれぞれ管路の集合体として表す。さらに、前記排気集合部からサージタンクの上流に排気の一部を還流させるＥＧＲ通路やサージタンク自体もそれぞれ管路の集合体として表す。また、第１〜第４気筒ｃ１〜ｃ４はそれぞれ容量可変の容器として表し、スロットル弁やＥＧＲ弁、或いは吸排気弁等、吸排気の流れの状態を変更するもの（可変機構）については、管路同士や管路と容器との境界に設けた絞りとして表す。
【００４６】
このような１次元のモデルＭｂにおいて、管路を流れる吸気や排気の流れはいずれも圧縮性流体の１次元流であるとみなして、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式を数値計算により解くことによって、時間的及び空間的に変化する流れの状態を記述することができる。また、容器についてはその内部の状態は一様で、管路から流入した流体は瞬時に均一に分布すると仮定し、さらに、管路同士や管路と容器との接合部分では適当な境界条件の下で前記保存式を解くようにする。尚、各保存式においては管路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。
【００４７】
そして、例えば第１気筒ｃ１が吸気行程にあるときには、同図（ａ）に示すように、当該第１気筒ｃ１に対応するサージタンクから独立吸気通路の入口までの部位を３次元のモデルｓ１に置き換えて、その部分の吸気の流れは３次元流として模擬するようにする。すなわち、サージタンクの一部ｓ１とそこから第１気筒ｃ１に向かう独立吸気通路の入口部分との内壁の形状を３次元のモデルで表し、その壁面に沿うようにして流れる吸気の流れについては３次元流として前記各保存式を解くのである。
【００４８】
ここで、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）が行われる場合には、吸気にはエンジンに外部から供給される新しい空気（新気）と排気系から還流される排気（ＥＧＲガス）とが含まれており、特にＥＧＲガスには水蒸気や炭酸ガスの他に未燃状態でそれぞれ分子量の異なる種々の炭化水素分子も含まれているから、厳密にはそのようなガスの種類毎に個別に流れの演算を行うことが好ましいとも考えられる。しかし、吸気が輸送される途中でガス成分が変化するわけではないので、この実施形態では、吸気は、新気とＥＧＲガスの２つに分けてそれぞれ流れの変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔを計算し、その計算結果のデータを他のプログラムに受け渡すときには、２つのガス成分の計算結果を合算することで、吸気全体としての流れの変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔを求めるようにしている。
【００４９】
例えば、吸気の流れが１次元流から３次元流に変わる場合、１次元流においては前記の如く合算して求めた吸気の変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔはその吸気流の横断面において一様であるから、これをそのまま３次元ＣＦＤ演算の初期条件或いは境界条件として与えればよい。一方、吸気の流れが３次元流から１次元流に変わるときには、前記の如く新気及びＥＧＲガスについて合算して求めた３次元の吸気流の変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔをその流れの横断面全体について平均化してから、１次元ＣＦＤ演算の初期条件或いは境界条件として与えればよい。換言すれば、そのように変数を変換しても十分に正確なシミュレーションが行えるように、流れの変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔがその横断面全体についてある程度一様な状態でＣＦＤ演算の次元を切換えるようにすればよい。
【００５０】
そのように、エンジンの吸気系から排気系に亘る部位のうちの特定の部位のみについて３次元のモデルを用いるとともに、吸気、圧縮、膨張及び排気の各行程のうちから予め選択した行程のみについて３次元のＣＦＤ演算を行い、それ以外は０次元又は１次元とみなすようにしたことで、この実施形態では、シミュレーションの精度を十分に確保しながら、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。具体的には、図３に一例を示すようにサージタンク全体を３次元で表したモデルを用いて、各気筒の吸気、圧縮、膨張及び排気の全行程に亘って１次元及び３次元のＣＦＤ演算を行う従来までのシステムと比較すると、この実施形態のシステムでは演算量は略４分の１にすることができる。
【００５１】
また、多数のガス成分を含む吸気の流れをその全てのガス成分毎にＣＦＤ演算するのではなく、これを新気及びＥＧＲガスの２つの成分毎に演算するようにしているので、換言すれば、作動ガスを後述する化学反応シミュレーションと比較してかなり少ないガス成分により模擬するようにしているので、この点でも演算量を大幅に減少させて、解析の時間を短縮することができる。尚、ＣＦＤ演算により求めるのは作動ガスである吸気の流れの状態であり、これは新気とＥＧＲガスとに分けてそれぞれ演算するようにすれば、十分に高い精度が得られる。また、仮にエンジンの運転状態の変化に伴い新気及びＥＧＲガスの割合が変化しても、これに対して作動ガスそのものを変更する必要はないから、シミュレーションを容易に行える。
【００５２】
（化学反応シミュレーション）
上述の如く、各気筒のの吸気及び排気行程における吸排気の流れをそれぞれＣＦＤ演算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についてはその内部の混合気や燃焼ガス等の運動を無視して、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（新気及びＥＧＲガス）の状態、即ち新気及びＥＧＲガスのそれぞれの圧力ｐ，密度ρ，速度ｕ及び温度Ｔを合算したものを求める。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、前記ＣＦＤ演算では一度、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。
【００５３】
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。また、吸気中のＥＧＲガスの割合も求められる。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。
【００５４】
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、吸気中のＥＧＲガス量等を含め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ると、図４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。
【００５５】
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４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、主にＥＧＲガスに含まれる炭化水素、炭酸ガス、窒素酸化物、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抽出して、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素反応を全て挙げれば、これは約３０００種類以上にも上るものであり（図５参照）、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。また、それら全てのデータを燃焼室の状態等に応じてグループ化して格納しようとすれば、化学反応ＤＢ１２は大きくなり過ぎて、例えば検索時間が長くなる等、種々の不都合を生じる。
【００５６】
この点について、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。
【００５７】
そうして、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。
【００５８】
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焼室から排出される既燃ガス（排気）の状態を表す変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔを求める。これらの変数が上述したＣＦＤ演算プログラムにおける排気流の境界条件として与えられる。尚、排気の密度ρは、気筒内の既燃ガスの組成により求めることができる。また、圧縮及び膨張行程における気筒内の流動は零とみなすことから、排気流速ｕの初期値は零になる。
【００５９】
前記のように化学反応シミュレーションにより求められた気筒内の既燃ガスの組成は、化学反応ＤＢ１２の更新にも用いられる。すなわち、化学反応ＤＢ１２に格納されているガス成分グループのデータは、上述したように、気筒内の圧力ｐ、温度Ｔや吸気中のＥＧＲガスの割合等に対応付けて決定されているが、このデータの基になるＥＧＲガスの組成は、予め実験等によって求めたものである。この実施形態では、上述の如く化学反応シミュレーションの結果として求められる排気の組成に基づいて、所定の手法により前記データのガス成分を修正する。例えば、シミュレーションによって得られた排気をそのままＥＧＲガスとみなして、化学反応ＤＢ１２における対応する運転状態のガス成分グループのデータのいて、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物等の割合を適当な重み付けでもって修正するようにすればよい。このような修正を行うことにより、ガス成分のデータがＣＦＤ演算及び化学反応演算の結果に基づいて修正されることになるので、化学反応シミュレーションの精度がさらに向上する。
【００６０】
（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概要を具体的に説明する。図６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初期設定データが入力される（Ｓ１）。例えば、前記図２に示す４気筒エンジンについて説明すると、このエンジンの諸元値や吸排気系、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、さらにはシミュレーションするエンジンの運転条件の範囲等をＰＣ端末５に入力させる。
【００６１】
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吸気行程及び排気行程においてはそれぞれ１次元又は３次元の何れのＣＦＤ演算を行うか選択させる。すなわち、例えばエンジンの吸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に示すようにサージタンクに３次元のモデルを用いるとともに、その部位について各気筒毎に吸気行程で３次元のＣＦＤ演算を行うことを選択すればよい。こうすれば、サージタンクから独立吸気通路に向かう吸気の流れを３次元流として解析することによって、エンジンの運転状態、即ち負荷状態や回転速度の変化に拘わらず、体積効率等、エンジンの物理特性値を正確に求めることができ、これによりエンジン出力等の性能特性を正確に予測することができる。
【００６２】
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初期設定データに従ってシミュレーションのためのモデルを構築し、これを一旦、保存する。すなわち、例えば図２に示すように、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Ｍｂと、各気筒ｃ１〜ｃ４毎にサージタンクを分割した３次元のＣＦＤモデルｓ１〜ｓ４とを構築して、それぞれ演算サーバ１，１，…の内部記憶装置に格納する。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構築する。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。
【００６３】
より詳しくは、前記３次元ＣＦＤモデルを構築するときには、例えば、前記初期設定データに基づいて設計ＤＢ１４からサージタンクの形状を表す３次元の設計ＣＡＤデータをＰＣ端末５に読み込み、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を作成して、演算サーバ１，１，…に送信する。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を起動して、サージタンク各部の内壁面にその形状に応じて所定寸法のレイヤーメッシュを貼り付け、また、内部メッシュを切っていくことになる。
【００６４】
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をＰＣ端末５から演算サーバ１，１，…に送信すると、このコマンドを受け取った演算サーバ１，１，…では、部品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。
【００６５】
尚、前記３次元のＣＦＤモデルにおいては設計ＣＡＤデータのメッシュをそのまま使うこともできるようになっている。また、例えばスロットル弁等の可変機構の３次元のモデルにおいては、その弁体に形成したメッシュを移動、追加及び削除等することによって、該弁体の作動状態を模擬することができるようになっている。
【００６６】
前記の如く構築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吸気、圧縮、膨張及び排気の各行程毎に所定の次元で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させるようにしている。
【００６７】
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Ｍｂを読み込み（ステップＳ３１）、シミュレーションの始期における初期条件、即ち吸排気の流れの変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔやエンジンの運転条件等を入力し（Ｓ３２）、これに基づいて１次元流れの保存式の数値計算を行う（Ｓ３３）。すなわち、シミュレーションの始期から微小クランク角（所定クランク角：例えば０．１°くらいとすればよい）だけ変化した時点における、スロットル弁下流から各気筒ｃ１〜ｃ４の燃焼室を経て排気通路に至る吸気及び排気の状態（ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）を、その流れに沿って計算する。
【００６８】
その際、図２（ａ）に示すように第１気筒ｃ１が吸気行程にあれば、当該気筒ｃ１に対応するサージタンクの一部分ｓ１においては、１次元流から３次元流への境界部分の流れの状態（ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）を求めたところで一旦、１次元の演算を中止し、その演算結果をデータファイルとしてＰＣ端末５に転送する。このファイルを受け取ったＰＣ端末５では１次元流のデータを３次元流のデータに変換して、３次元ＣＦＤプログラムの実行ファイルを作成した上で、演算サーバ１，１，…に返送する。そ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、まず、第１気筒ｃ１に対応するサージタンクの３次元モデルｓ１を読み込み（Ｓ４１）、これに初期条件（前記境界条件）を入力して（Ｓ４２）、３次元の流れの保存式について数値計算を行い、計算の結果を保存する（Ｓ４３）。この演算結果のうち、サージタンクと下流側の独立吸気通路との境界部分における流れの変数ｐ，ρ，ｕ，ＴのデータはＰＣ端末５に転送され、今度は３次元のデータから１次元のデータに変換されて、演算サーバ１，１，…に返送される。
【００６９】
そうして、前記の返送されたデータに基づいて１次元ＣＦＤプログラムが再開され、独立吸気通路から第１気筒ｃ１の燃焼室、さらにその下流の排気通路へ至る吸排気の流れを計算して、その演算結果を保存する（Ｓ３３）。このようにして、シミュレーションの始期から微小クランク角変化した後の吸気及び排気の状態（ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）がエンジンのモデルＭｂ全体に亘って演算されて、この演算結果が保存される。
【００７０】
そして、後述するが、所定のタイミングで前記ＣＦＤ演算の結果データの一部を化学反応シミュレーションの結果に基づいて書き換え（データの変換、提供及び書換：Ｓ３４）、その後、エンジンのクランク角を微小クランク角だけ進めて（インクリメント：Ｓ３５）、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（Ｓ３６）、シミュレーション終期に至るまでは前記ステップＳ３３にリターンして、前記した１次元及び３次元のＣＦＤ演算を繰り返し実行する。こうして、エンジンの吸排気の流れがクランク角の変化に対応付けて記憶される。尚、図には示さないが、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）は定常運転状態では略一定である。また、詳しくは後述するが、エンジンの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演算プログラムにより与えられる。
【００７１】
上述の如き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例えば第１気筒ｃ１が吸気行程から圧縮行程に移行したときには、図７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、こに物理量の組に対応する識別コードとともに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（この演算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）。
【００７２】
そして、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、前記図６のフローに示すように、第１気筒ｃ１の容器モデルを記憶装置から読み出し（Ｓ５１）、前記識別コード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（化学種の読込み：Ｓ５２）、予め設定した微小クランク角範囲におけるそれらガス成分の化学反応を記述して、保存する（化学反応演算：Ｓ５３）。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。
【００７３】
そうして、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７に結果処理＊２として示すように、前記化学反応演算の結果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、排気流の初期状態を表す変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔを求め、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コマンドを作成して、演算サーバ１，１，…に返送する。このコマンドを受け取った演算サーバ１，１，…により、図６のフローのステップＳ３４において、１次元ＣＦＤ演算の演算結果データにおける燃焼部分、即ち圧縮行程及び膨張行程の部分が書き換えられ、１次元ＣＦＤ演算における排気流の境界条件として、前記排気流の初期状態のデータが用いられるようになる。また、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。
【００７４】
上述の如く、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行われる。そして、シミュレーションの終期として設定入力されたクランク角位置になれば（Ｓ３６で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）。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。すなわち、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、特にサージタンク内の吸気の流れ等については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。
【００７５】
前記図６のフローチャートに示す手順が全体として、１次元及び３次元のＣＦＤ演算プログラムを実行して、エンジンの吸気系から排気系に亘る吸排気の流れの状態を模擬するとともに、化学反応シミュレーションプログラムを実行して、気筒内の燃焼の状態を模擬する模擬演算手段に対応している。即ち、この実施形態では前記ＣＦＤ演算プログラム及び化学反応シミュレーションプログラムを実行する演算サーバ１，１，…が模擬演算手段を構成する。
【００７６】
（過渡状態のシミュレーション）
次に、エンジンの運転状態が所定以上に大きく変化する過渡状態のシミュレーションについて説明する。まず、実際のエンジンの制御について説明すると、図８（ａ）に模式的に示すようにエンジンが低負荷低回転の運転状態（Ｉ）から中負荷中回転の運転状態（ＩＩ）に移行するときには、アクセルペダルの踏み込みに応じてスロットル弁を開き、且つＥＧＲ弁を閉じることによって新気の吸入量を増大させ、この吸気量の増大に応じて燃料噴射量を増量させるようにする。また、その増大する吸気流の抵抗にならないよう吸気流動制御弁（ＴＳＣＶ）を開き、さらに、可変動弁機構（ＶＶＴ）により吸気弁の作動タイミングを進角させる。
【００７７】
より具体的には、同図（ｂ）に示すように、前記運転状態（Ｉ）において目標スロットル開度が１／８開度であり、吸気流動制御弁の目標開度（目標ＴＳＣＶ開度）が０／８開度であり、目標ＶＶＴ進角が０°であって、一方、運転状態（ＩＩ）における目標スロットル開度が４／８開度であり、目標ＴＳＣＶ開度が３／８開度であり、目標ＶＶＴ進角が１０°であるとする。そうすると、アクセルペダルが踏み込まれてエンジンの運転状態が前記（Ｉ）から（ＩＩ）に移行するときに、実際のエンジン制御では前記スロットル開度の偏差（４／８−１／８）、ＴＳＣＶ開度の偏差（３／８−０／８）及びＶＶＴ進角の偏差（１０−０°）に応じて、スロットル弁、ＴＳＣＶ及びＶＶＴに対しそれぞれ制御指令が出力されて、それらが新しい目標値になるまで作動することになる。その際、ＥＧＲ弁は閉じられる。
【００７８】
そのようなスロットル弁、ＥＧＲ弁、ＴＳＣＶ、ＶＶＴ等、即ち、エンジンの吸気や排気の流れの状態を変更する可変機構の作動途中の状態は、それら弁の構造やモータの特性によって決まるものであり、これを上述したＣＦＤ演算において再現するのが難しいことから、従来、エンジン全体としての過渡状態のシミュレーションは実質的に行うことができなかった。
【００７９】
この点について、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では、本発明の特徴部分として、前記ＣＦＤ演算等のためのシミュレーションプログラムとは別に、エンジンの運転状態に対応するスロットル開度やＥＧＲ弁開度等の制御パラメータを実際の制御ロジックに従って演算する制御演算プログラムを備える。そして、過渡状態を模擬するときには、前記制御演算プログラムをシミュレーションプログラムと並行して実行し、且つ相互にデータを交換させて、制御演算プログラムによって演算される制御パラメータの変化に基づいて、ＣＦＤ演算等におけるスロットル弁等、可変機構のモデルの過渡的な作動状態、即ちそれら各可変機構量の過渡変更量を決定するようにした。こうして、シミュレーションのモデルにおけるスロットル弁等、可変機構の過渡的な変更量を決定することができれば、これにより、過渡状態のシミュレーションを正確に行うことができる。
【００８０】
以下、エンジンの過渡状態を模擬する際の具体的な手順を、図９及び図１０に基づいて説明する。尚、図９に示すフローでは、説明の便宜のために、エンジンの吸気量を変更する代表的な可変機構としてスロットル弁の作動のみについて説明するが、それ以外の可変機構、例えばＴＳＣＶ、ＥＧＲ弁、ＶＶＴ、或いは可変吸気システムの切換弁等についても同様である。
【００８１】
図９に示すフローのスタート後のステップＴ１では、まず、エンジンの過渡運転状態を模擬するのかどうか判定する。これは、例えばシミュレーションの初期設定で予め入力されているエンジン運転条件の変化が所定以上に大きいときに、その運転条件の変化に基づいて過渡状態と判定され（ＹＥＳ）、このときにはステップＴ２に進んで、まず、前記運転条件の変化に応じて制御演算プログラムにより演算される制御パラメータ（ここではスロットル弁への開度指令）の変化に基づいて、ＣＦＤ演算において設定クランク角毎に変更するスロットル弁の開度、即ち、スロットル弁のモデルの作動状態量の過渡的な変更量（過渡変更量）を設定する。
【００８２】
前記スロットル開度の過渡変更量の設定については、例えば図８に示すような目標スロットル開度の偏差（４／８−１／８）に予め設定した係数α（α＜１）を乗算して求めるようにすればよい。尚、この係数αの値は、エンジンの種々の可変機構のそれぞれによって異なり、また、シミュレーションの実行サイクル（設定クランク角）によっても異なる。そして、図１０に仮想線の矢印▲１▼として示すように、前記過渡変更量のデータ（変更データ）をＣＦＤ演算プログラムに提供して、このプログラムのモデル上でスロットル弁が適量、動くようにスロットル弁のモデルを変更する（図９のフローのステップＴ３）。例えばスロットル弁の３次元モデルであれば、その弁体の位置が前記過渡変更量に応じて変更するようにメッシュを移動、追加及び削除する。また、１次元の絞りのモデルであれば、その絞り量の数値を変更する。
【００８３】
そして、前記変更後のモデルを用いて、ＣＦＤ演算プログラムによって上述の如きＣＦＤ演算が実行され（ステップＴ４：図６のフローを参照）、このＣＦＤ演算の結果として、前記スロットル開度の変化に起因する吸気量の変化等、エンジンの運転状態の変化を表すデータが得られる。そこで、その吸気量等のデータを読み込んで図１０に仮想線の矢印▲２▼として示すように制御演算プログラムに提供し（ステップＴ５）、変化した運転状態（運転条件）に対応する新たな制御パラメータを演算させるとともに、図９に示すフローのステップＴ６に進んで、前記ＣＦＤ演算により得られた吸気量が目標スロットル開度（４／８）に見合うものかどうか判定する。
【００８４】
前記ステップＴ６における判定がＮＯであれば、前記ステップＴ２にリターンし、前記制御演算プログラムにより新たに演算された制御パラメータ（スロットル開度指令）の変化に基づいて新たにスロットル開度の過渡変更量を設定し、図１０に仮想線の矢印▲３▼として示すように、この過渡変更量のデータをＣＦＤ演算プログラムに提供して、スロットル弁が適量、動くようにそのモデルを変更する（ステップＴ３）。そして、再びＣＦＤ演算を行って（ステップＴ４）、その演算結果のデータを制御演算プログラムに提供する。
【００８５】
そのようにして、ＣＦＤ演算プログラム及び制御演算プログラムが並行して実行され、且つそれらの間で相互にデータが交換されることによって、それらＣＦＤ演算プログラム及び制御演算プログラムはあたかも実際のエンジンとそのコントローラのように機能し、これにより、ＣＦＤ演算のエンジンモデルにおけるスロットル弁の開度が設定クランク角毎に徐々に変更されていく。そして、そのスロットル開度の増大に伴い徐々に増大する吸気量が目標スロットル開度（４／８）に見合うものとなれば（ステップＴ６でＹＥＳ）、過渡状態のシミュレーションは終了する（エンド）。
【００８６】
尚、前記フローに示す制御演算及び過渡変更量の設定は、スロットル弁の場合であればその作動が比較的遅いことから、比較的長い間隔を空けて実行すればよく、従って、スロットル弁に対しては設定クランク角は比較的大きな値とすればよい。より具体的には、例えばエンジン回転速度が６０００ｒｐｍの高回転状態であっても、ＣＦＤ演算におけるスロットル開度の変更はクランク角が５°変化する毎で十分である。一方、比較的動作の速いＥＧＲ弁の作動状態はその分、短い間隔でもって模擬する必要があり、例えばエジン回転速度が１５００ｒｐｍと低いときであっても、ＥＧＲ弁の開度はクランク角が１°変化する間に大きく変化してしまうので、この場合には設定クランク角を約０．５°に設定するのが好ましい。つまり、種々の可変機構の現実の作動特性（作動速度）を考慮して、比較的動作の遅いものについてはその分、制御演算の間隔を長くすることによって、シミュレーションの精度を十分に確保しながら、演算量はできるだけ減らすようにしている。
【００８７】
前記図９に示すフローが全体として、制御演算プログラムとＣＦＤ演算プログラムとの間で相互にデータを交換させるデータ交換プログラムに対応しており、そのうちのステップＴ２は、過渡状態を模擬するときに制御演算プログラムにより演算される制御パラメータの変化に基づいて、ＣＦＤ演算プログラムにおける可変機構の作動状態量（演算要素）の過度変更量を決定する過渡変更量決定ステップに対応する。
【００８８】
また、前記フローのステップＴ３は、前記ステップＴ２において決定された過度変更量のデータに基づいて、ＣＦＤ演算における可変機構のモデルを設定クランク角毎に変更するモデル変更ステップに対応している。
【００８９】
そして、この実施形態では、例えば、前記制御演算プログラムを演算サーバ１，１，…により実行することで、この演算サーバ１，１，…により制御演算手段を構成する。尚、制御演算プログラムをＰＣ端末５，５，…により実行するようにしてもよく、こうすれば、制御演算手段はＰＣ端末５，５，…により構成される。また、前記データ交換プログラムのステップＴ２はＰＣ端末５，５，…により実行するようにしており、このことで、該ＰＣ端末５，５，…が過渡変更量提供手段を構成する。
【００９０】
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、例えば４サイクル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Ｍｂを用いつつ、予め選択した部位については３次元のモデルｓ１〜ｓ４を用いて、各気筒毎の吸気及び排気行程についてそれぞれ１次元又は３次元の演算を選択できるようにしたので、ＣＦＤ演算の精度を十分に高いものとしながら、そのための演算量は大幅に減らすことができる。
【００９１】
一方、各気筒毎の圧縮及び膨張行程については少なくとも燃焼室のガス流動を無視して、化学反応シミュレーションにより燃焼状態を模擬するようにしており、その際、膨大な化学反応のうちから代表的なもののみを選択することで、必要なシミュレーション精度を確保しながら、そのための演算量は大幅に減らすことができる。
【００９２】
また、前記ＣＦＤ演算の結果から化学反応シミュレーションに用いる作動ガスの成分及び状態を求めるとともに、化学反応シミュレーションの結果からはＣＦＤ演算における排気の初期状態を求めるようにしており、このように２種類のシミュレーションを適切に組み合わせて、両者をダイナミックに解くことによって、シミュレーションの精度を向上できる。
【００９３】
さらに、この実施形態では、エンジンの運転状態が変化する過渡状態を模擬するときには、前記ＣＦＤ演算等と並行して制御演算プログラムを実行し、且つ相互にデータを交換させて、そのＣＦＤ演算等により模擬されるエンジンの運転状態に応じて、実際のエンジン制御ロジックに従ってスロットル弁等（可変機構）の作動を模擬するようにしているので、過渡状態でエンジンの各可変機構が作動する途中の状態をＣＦＤシミュレーションにおいて正確に再現することができ、これにより、過渡状態のシミュレーションも正確に行うことができる。
【００９４】
しかも、前記過渡状態のシミュレーションにおいては、可変機構の作動状態をＣＦＤ演算の実行サイクルよりも長い設定クランク角毎に変更するようにしており、その設定クランク角を可変機構の種類に応じてそれぞれ適切な値とすることによって、シミュレーションの精度を十分に確保しながら、ＣＦＤ演算量を減らすことができる。
【００９５】
以上より、この実施形態の予測解析システムＡによれば、エンジンの性能を予測するためのシミュレーションの精度を十分に高くすることができるとともに、そのための演算量は可及的に減少させて、解析に要する時間を短縮することができ、しかも、エンジンの過渡的な運転状態を模擬することもできるから、設計・開発の支援ツールとしての実用性は極めて高い。
【００９６】
（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、前記実施形態では、ＣＦＤ演算を１次元のモデルと３次元のモデルとを組み合わせて行うようにしているが、これに限らず、１次元のＣＦＤ演算のみを行うものとしてもよい。
【００９７】
また、前記実施形態のＣＦＤ演算では吸気を空気及びＥＧＲガスの２つの成分としているが、これに限るものではなく、３つ以上のガス成分からなるものとしてもよいし、反対にＥＧＲガスを含む吸気として１つの成分とみなすことも可能である。
【００９８】
さらに、前記実施形態では、エンジンの過渡状態を模擬するときに、ＣＦＤ演算においてスロットル弁等の可変機構の作動状態をＣＦＤ演算の実行間隔とは別の設定クランク角毎に模擬するようにしており、この設定クランク角を可変機構の種類によって異ならせるようにしているが、さらに、設定クランク角をエンジンの運転条件に応じて、低回転側ほど小さい値になる一方、高回転側ほど大きな値になるように補正するようにしてもよい（設定クランク角補正ステップ）。
【００９９】
すなわち、設定クランク角に対応する時間間隔はエンジン回転速度に反比例するので、エンジン回転速度の変化に依らず同じクランク角に固定してしまうと、高回転側ではやや時間間隔が短かすぎ、一方、アイドル運転時等はやや時間間隔が長すぎる傾向がある。そこで、エンジン回転速度の変化に応じて設定クランク角を補正するようにすれば、エンジンの過渡状態における可変機構の作動を一層、適切に模擬することができる。
【０１００】
さらにまた、前記実施形態では、４気筒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、例えば単気筒エンジンのシミュレーションを行うこともできるし、２サイクルエンジンやロータリエンジンについてのシミュレーションを行うこともできることは言うまでもない。
【０１０１】
【発明の効果】
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、エンジンの作動ガスの状態をＣＦＤ演算プログラム等により模擬するシミュレーションにおいて、エンジンの運転状態に対応する制御パラメータを実際の制御ロジックに従って演算する制御演算プログラムを備え、過渡状態を模擬するときには、前記制御演算プログラムをＣＦＤ演算プログラム等と並行して実行し、且つ相互にデータを交換させて、制御演算プログラムによって演算される制御パラメータの変化に基づいて、ＣＦＤ演算等における前記制御パラメータに対応する演算要素の過渡変更量を決定するようにしたので、過渡状態における前記演算要素の過渡的な変化を模擬することができ、これにより、過渡状態のシミュレーションを正確に行うことができる。よって、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジン性能の予測解析システムＡの全体構成図。
【図２】ＣＦＤ演算のためのエンジンモデルの一例を示す図。
【図３】サージタンクを３次元で模擬した従来までのモデルを示す図２相当図。
【図４】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。
【図５】燃焼に関する化学反応の例を示す説明図。
【図６】シミュレーションの手順の概略を示すフローチャート図。
【図７】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。
【図８】エンジンの運転状態が低負荷から中負荷へと移行する過渡状態の一例を示す概念図（ａ）と、そのときの制御パラメータの変化を示す説明図（ｂ）。
【図９】過渡状態のシミュレーションにおいてＣＦＤ演算プログラムと制御演算プログラムとの間でデータを交換する手順を示すフローチャート図。
【図１０】過渡状態のシミュレーションにおけるＣＦＤ演算プログラムと制御演算プログラムとの間でのデータの授受を模式的に示す説明図。
【符号の説明】
Ａ エンジン性能の予測解析システム
１，１，… 演算サーバ（模擬演算手段、制御演算手段）
５，５，… ＰＣ端末（過渡変更量提供手段）

Claims (11)

1. エンジンの運転状態を少なくともＣＦＤの適用により模擬して、その性能を予測する予測解析方法であって、
   エンジンの吸気系から排気系に亘る作動ガスの状態を少なくともＣＦＤ演算によって模擬するための模擬演算プログラムと、
   前記エンジンの運転状態に応じて、所定の制御ロジックに従って当該エンジンの制御パラメータを演算する制御演算プログラムと、を準備し、
   コンピュータ装置によって前記模擬演算プログラム及び制御演算プログラムを独立して並列に実行させるとともに、
   エンジンの運転状態が所定以上、大きく変化する過渡状態を模擬するときには前記模擬演算プログラムと制御演算プログラムとの間で相互にデータを交換させて、その制御演算プログラムにより演算される制御パラメータの変化に基づいて、模擬演算プログラムにおける前記制御パラメータに対応する演算要素の過渡変更量を決定する、ことを特徴とするエンジン性能の予測解析方法。
2. エンジンの運転状態を少なくともＣＦＤの適用により模擬して、その性能を予測するためのコンピュータシステムであって、
   エンジンの吸気系から排気系に亘る作動ガスの状態を少なくともＣＦＤ演算によって模擬するための模擬演算プログラムを実行する模擬演算手段と、
   前記エンジンの運転状態に応じて、所定の制御ロジックに従って当該エンジンの制御パラメータを演算する制御演算プログラムを実行する制御演算手段と、
   前記エンジンの運転状態が所定以上に変化する過渡状態を模擬するときに、前記模擬演算プログラムと制御演算プログラムとの間で相互にデータを交換させて、その制御演算プログラムにより演算される制御パラメータの変化に基づいて、模擬演算プログラムにおける前記制御パラメータに対応する演算要素の過度変更量を決定し、この過度変更量のデータを前記模擬演算手段に提供する過渡変更量提供手段と、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。
3. 請求項２において、
   模擬演算プログラムは、エンジンの少なくとも吸排気の流れをＣＦＤ演算により模擬するものであって、そのためのエンジンモデルには吸気及び排気の少なくとも一方の流れの状態を変更可能な可変機構のモデルが含まれており、
   過渡変更量提供手段は、エンジンの過渡状態を模擬するときに制御演算プログラムによって求められる制御パラメータの変化に基づいて、この制御パラメータに対応する演算要素である前記可変機構の作動状態量の過渡変更量を決定するものであり、
   模擬演算手段は、前記過渡変更量提供手段により提供される過度変更量のデータに基づいて、前記可変機構のモデルを変更するように構成されていることを特徴とするエンジン性能の予測解析システム。
4. 請求項３において、
   模擬演算プログラムは、エンジンの吸排気流の状態を所定のクランク角毎に記述するものであり、
   過渡変更量提供手段は、制御演算プログラムにより演算される制御パラメータの変化に基づいて、予め設定した設定クランク角毎の過渡変更量を決定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。
5. 請求項４において、
   設定クランク角をエンジンの運転状態に応じて、低回転側ほど小さい値になる一方、高回転側ほど大きな値になるように補正する設定クランク角補正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。
6. 請求項４において、
   設定クランク角は、可変機構がスロットル弁であるときには相対的に大きな値とされ、可変機構がＥＧＲ弁であるときには相対的に小さな値とされることを特徴とするエンジン性能の予測解析システム。
7. エンジンの運転状態を少なくともＣＦＤの適用により模擬して、その性能を予測するコンピュータシステムの制御プログラムであって、
   エンジンの吸気系から排気系に亘る作動ガスの状態を少なくともＣＦＤ演算によって模擬するための模擬演算プログラムと、
   前記エンジンの運転状態に応じて、所定の制御ロジックに従って当該エンジンの制御パラメータを演算する制御演算プログラムと、
   前記制御演算プログラムと模擬演算プログラムとの間で相互にデータを交換させるデータ交換プログラムとを備え、
   前記データ交換プログラムは、エンジンの運転状態が所定以上に変化する過渡状態を模擬するときに、前記制御演算プログラムにより演算される制御パラメータの変化に基づいて、前記模擬演算プログラムにおける前記制御パラメータに対応する演算要素の過度変更量を決定する過渡変更量決定ステップを有し、その過度変更量のデータを模擬演算プログラムに提供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の制御プログラム。
8. 請求項７において、
   模擬演算プログラムは、エンジンの少なくとも吸排気の流れをＣＦＤ演算により模擬するものであって、そのためのエンジンのモデルには吸気及び排気の少なくとも一方の流れの状態を変更可能な可変機構のモデルが含まれており、
   過渡変更量決定ステップでは、エンジンの過渡状態を模擬するときに制御演算プログラムによって求められる制御パラメータの変化に基づいて、この制御パラメータに対応する演算要素である前記可変機構の作動状態量の変更量を決定し、
   前記過度変更量のデータに基づいて、前記可変機構のモデルを変更するモデル変更ステップをさらに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の制御プログラム。
9. 請求項８において、
   模擬演算プログラムは、エンジンの吸排気の流れの状態を所定のクランク角毎に記述するものであり、
   過渡変更量決定ステップでは、制御演算プログラムにより演算される制御パラメータの変化に基づいて、予め設定した設定クランク角毎の過渡変更量を決定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。
10. 請求項９において、
    設定クランク角をエンジンの運転状態に応じて、低回転側ほど小さい値になる一方、高回転側ほど大きな値になるように補正する設定クランク角補正ステップをさらに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の制御プログラム。
11. 請求項９において、
    設定クランク角は、可変機構がスロットル弁であるときには相対的に大きな値とされ、可変機構がＥＧＲ弁であるときには相対的に小さな値とされてい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。

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