JP2005249418A - 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
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Abstract
【解決手段】 吸排気の全体的な流れを1次元CFD演算によって模擬するとともに、この演算結果に基づいて境界条件を与えて、流れの一部については3次元CFD演算を行うようにしたエンジンシミュレーションにおいて、このシミュレーションの開始時に最初に3次元CFD演算を実行するときには、境界条件を予め設定した態様で徐々に変更しながら、予備的に3次元CFD演算を行い(助走期間)、これにより求めたモデル内の流れ場を初期状態として、本来の3次元CFD演算を開始する。助走期間における境界条件の変更の仕方は、モデルの状態と模擬運転条件とに対応付けて設定する。
【選択図】 図7
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
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