JP2021139773A - 内燃機関の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直噴式の内燃機関について、設計に要する時間および工数を削減可能な設計方法を提供する。【解決手段】燃焼室内にインジェクタにより燃料を直接噴射する直噴式の内燃機関の設計方法であって、前記内燃機関の燃焼特性の目標値である目標燃焼特性を取得する目標燃焼特性取得ステップと、前記燃焼室内に生成される空気と燃料との混合気における当量比分布に対する前記燃焼特性の感度を定量化した燃焼特性感度関数に基づいて、前記目標燃焼特性を達成可能な前記当量比分布の目標値である目標当量比分布を算出する目標当量比分布算出ステップと、前記目標当量比分布を達成するために前記インジェクタの設計パラメータに求められる要件であるインジェクタ要件を算出するインジェクタ要件算出ステップと、を含む。【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の設計方法に関する。

特許文献１に、内燃機関の燃焼室へ燃料を直接噴射する直噴式の内燃機関が開示されている。この内燃機関では、内燃機関の膨張行程中に点火と燃料噴射を行う場合に、燃焼速度の低下を抑制して燃焼安定性を向上させる目的で、燃料を噴射する第１噴孔および第２噴孔が設定されている。具体的には、燃料の点火に伴って生じる火炎核が第１噴孔からの一対の燃料噴霧の間に引き込まれた後に、この火炎核に第２噴孔からの燃料噴霧が到達するように、各噴孔の位置、孔径、個数、噴射の向き等が設定されている。

特開２０１７−１６６３７９号公報

内燃機関を設計するに際しては、燃焼安定性の他にも、排気に含まれるエミッション量などの考慮すべき特性がある。特許文献１では、燃焼安定性を確保するために、各噴孔からの噴霧と点火プラグとの位置関係やペネトレーション等を考慮して、各噴孔の位置、孔径、個数、噴射の向き等が設定されるが、内燃機関が排出する排気におけるエミッションの低減については考慮していない。このため、燃焼安定性に基づいて設計した内燃機関の実機運転によりデータを取得し、試行を繰り返すことにより、エミッション量についても最適化する手順が必要となり、少なからず時間と工数とを要する。

上記の課題に鑑み、本発明は、直噴式の内燃機関について、設計に要する時間および工数を削減可能な設計方法を提供することを目的とする。

本発明者は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射することにより、燃焼室内に生成される空気と燃料との混合気における当量比分布に着目した。そして、内燃機関の設計に関わる各種パラメータを当量比分布に紐付けできることを見出し、下記の内燃機関の設計方法を発明するに至った。

本発明は、燃焼室内にインジェクタにより燃料を直接噴射する直噴式の内燃機関の設計方法として、第１〜第３の設計方法を提供する。第１の設計方法は、前記内燃機関の燃焼特性の目標値である目標燃焼特性を取得する目標燃焼特性取得ステップと、前記燃焼室内に生成される空気と燃料との混合気における当量比分布に対する前記燃焼特性の感度を定量化した燃焼特性感度関数に基づいて、前記目標燃焼特性を達成可能な前記当量比分布の目標値である目標当量比分布を算出する目標当量比分布算出ステップと、前記目標当量比分布を達成するために前記インジェクタの設計パラメータに求められる要件であるインジェクタ要件を算出するインジェクタ要件算出ステップと、を含む。

上記の第１の設計方法によれば、燃焼特性感度関数に基づいて、目標当量比分布算出ステップにおいて目標当量比分布を算出する。この燃焼特性感度関数は、当量比分布に対する燃焼特性の感度を定量化したものであるため、取得した目標燃焼特性に基づいて燃焼特性感度関数を参照することにより、目標燃焼特性を達成可能な当量比分布を算出できる。すなわち、燃焼特性感度関数を用いることにより、多様な目標燃焼特性を当量比分布に紐付して目標当量比分布というパラメータに収束させることができる。このため、目標当量比分布が達成可能となるようにインジェクタ要件を算出し、算出したインジェクタ要件に基づいて内燃機関を設計することにより、多様な目標燃焼特性が包括的に達成可能となるように内燃機関を設計できる。その結果、多様な目標燃焼特性を達成するために実行される実機での試行回数を削減でき、内燃機関の設計に要する時間および工数を削減できる。

本発明に係る第２の設計方法は、前記内燃機関の燃焼特性の目標値である目標燃焼特性を取得する目標燃焼特性取得ステップと、前記燃焼室内に生成される空気と燃料との混合気における当量比分布に対する前記燃焼室内に噴射された燃料の噴霧特性の感度を定量化した噴霧特性感度関数を燃焼シミュレーションにより作成する噴霧特性感度関数作成ステップと、前記噴霧特性感度関数に基づいて、前記目標燃焼特性を達成可能な前記当量比分布の目標値である目標当量比分布を達成するために前記インジェクタの設計パラメータに求められる要件であるインジェクタ要件を算出するインジェクタ要件算出ステップと、を含む。

上記の第２の設計方法によれば、噴霧特性感度関数作成ステップにおいて作成された噴霧特性感度関数に基づいて、インジェクタ要件算出ステップにおいてインジェクタ要件を算出する。この噴霧特性感度関数は、当量比分布に対する噴霧特性の感度を定量化したものであり、燃焼シミュレーションにより作成される。噴霧特性は、インジェクタの設計パラメータに依存して変化するものであるため、噴霧特性感度関数を参照することにより、目標当量比分布を達成するためのインジェクタ要件を算出できる。このため、算出したインジェクタ要件に基づいて内燃機関を設計することにより、目標当量比分布を達成でき、ひいては、目標燃焼特性を達成できる。燃焼シミュレーションにより作成された噴霧特性感度関数を用いることにより、多様なインジェクタの設計パラメータを変更して実行される実機での試行回数を削減でき、内燃機関の設計に要する時間および工数を削減できる。

本発明に係る第３の設計方法は、前記内燃機関の燃焼特性の目標値である目標燃焼特性を取得する目標燃焼特性取得ステップと、前記燃焼室内に生成される空気と燃料との混合気における当量比分布に対する前記燃焼特性の感度を定量化した燃焼特性感度関数に基づいて、前記目標燃焼特性を達成可能な前記当量比分布の目標値である目標当量比分布を算出する目標当量比分布算出ステップと、前記当量比分布に対する前記燃焼室内に噴射された燃料の噴霧特性の感度を定量化した噴霧特性感度関数を燃焼シミュレーションにより作成する噴霧特性感度関数作成ステップと、前記噴霧特性感度関数に基づいて、前記目標当量比分布を達成するために前記インジェクタの設計パラメータに求められる要件であるインジェクタ要件を算出するインジェクタ要件算出ステップと、を含む。

上記の第３の設計方法によれば、目標当量比分布算出ステップにおいては、燃焼特性感度関数に基づいて、目標燃焼特性を達成可能な目標当量比分布を算出する。そして、インジェクタ要件算出ステップにおいては、噴霧特性感度関数作成ステップにおいて作成された噴霧特性感度関数に基づいて、目標当量比分布算出ステップで算出した目標当量比分布を達成可能なインジェクタ要件を算出する。すなわち、当量比分布を介して燃焼特性と噴霧特性とを紐付けすることにより、目標燃焼特性を達成可能なインジェクタ要件を算出できる。このため、算出したインジェクタ要件に基づいて内燃機関を設計することにより、多様な目標燃焼特性が包括的に達成可能となるように内燃機関を設計できる。また、燃焼シミュレーションにより作成された噴霧特性感度関数を用いることにより、多様なインジェクタの設計パラメータを変更して実行される実機での試行回数を削減でき、内燃機関の設計に要する時間および工数を削減できる。

エンジン制御システムの概要図。 内燃機関の設計システムを示すブロック図。 内燃機関の設計処理を示すフローチャート。 ＰＮと、燃料温度および当量比分布との関係を示す図。 燃焼室内における当量比分布の一例を示す図。 当量比分布に対する着火性の感度を示す感度関数。 当量比分布に対するＮＯｘ量の感度を示す感度関数。 当量比分布に対するＰＮ量の感度を示す感度関数。 各燃焼特性について、当量比分布とアシスト量との関係を示す図。 各燃焼特性と、当量比分布とＳＭＤとの関係を示す図。 各燃焼特性と、当量比分布と噴射の初速との関係を示す図。 インジェクタ特性と、ＳＭＤおよび噴射の初速との関係を示す図。 目標Φ分布と、インジェクタ特性との関係を示す図。

本実施形態に係る内燃機関の設計方法は、例えば、図１に示す直噴式の多気筒４サイクルガソリンエンジンであるエンジン１０の設計に適用され、図２に示す設計システムにより実現することができる。

図１に示すエンジン制御システムは、エンジン１０と、制御装置としてのＥＣＵ４０とを備えている。エンジン１０は、４つの気筒を備える４気筒エンジンである。なお、図１では、１つの気筒のみを図示し、他の気筒については図示を省略している。

エンジン１０は、気筒が設けられたエンジン本体２０を備えている。このうち、燃焼室２１は、気筒において、シリンダ内壁とピストン２２の上面（頂部）とにより区画形成される空間である。

エンジン本体２０の上部に位置するシリンダヘッドには、燃焼室２１毎に点火プラグ２９が設けられている。点火プラグ２９には、図示しない点火コイル等を通じて、所望とする点火時期において点火パルスが印加される。この点火パルスの印加により、各点火プラグ２９の対向電極間に点火火花が発生する。

エンジン本体２０には燃焼室２１毎に燃料噴射弁としてのインジェクタ３０が設けられている。インジェクタ３０は、シリンダヘッドにおいて、点火プラグ２９の近傍に配置されており、かつ燃焼室２１の上側から下側に向けて燃料を燃焼室２１内に直接噴射するセンター噴射式のインジェクタである。インジェクタ３０は、電磁駆動式であり、不図示の駆動回路を通じて、所望とする噴射時期において駆動パルスが印加される。この駆動パルスの印加により、インジェクタ３０が開弁状態となり、燃料が噴射される。

インジェクタ３０は、燃料配管２４を介して燃料タンク２５に接続されている。燃料タンク２５内の燃料は、低圧ポンプ２６により汲み上げられた後、高圧ポンプ２７により加圧される。高圧ポンプ２７の駆動を制御することで、燃料に加圧される圧力を可変設定することが可能となる。高圧ポンプ２７により高圧化された高圧燃料は、デリバリパイプ２８に圧送され、デリバリパイプ２８から各気筒のインジェクタ３０に供給される。また、デリバリパイプ２８には、インジェクタ３０に供給される燃料の圧力を燃圧Ｐｆとして検出する燃圧センサ３５が設けられている。

エンジン本体２０の吸気ポート及び排気ポートには、それぞれ図示しないカム軸の回転に応じて開閉動作する吸気弁１８及び排気弁１９が設けられている。吸気弁１８の開動作により吸気通路１１を流れる吸入空気が燃焼室２１内に導入される。また、排気弁１９の開動作により燃焼後の排気が排気通路３３に排出される。吸気弁１８及び排気弁１９それぞれには、吸気弁１８及び排気弁１９の開閉タイミングを可変とする可変動弁機構１８Ａ，１９Ａが設けられている。可変動弁機構１８Ａ，１９Ａは、エンジン１０のクランク軸と吸排気の各カム軸との相対回転位相を調整するものであり、所定の基準位置に対して進角側及び遅角側への位相調整が可能となっている。

エンジン本体２０には、エンジン１０の運転時に所定クランク角ごとに矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ３４が設けられている。ＥＣＵ４０は、クランク角信号に基づいて、出力軸２３の回転速度を回転速度ＮＥとして検出することができる。

吸気通路１１には、吸入空気量を検出するためのエアフロメータ１２が設けられている。エアフロメータ１２の下流側には、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１３によって開度調節されるスロットルバルブ１４が設けられている。スロットルバルブ１４の下流側にはサージタンク１５が設けられている。また、サージタンク１５には、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１７が接続されており、吸気マニホールド１７において各気筒の吸気ポートに接続されている。排気通路３３には、排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒等の触媒３１が設けられている。

上述した各種センサの出力は、ＥＣＵ４０に入力される。ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを備え、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じたインジェクタ３０の燃料噴射量の制御、点火プラグ２９の点火時期の可変設定、及び高圧ポンプ２７による燃料圧力の可変制御を行う。

図２に示す設計システム５３は、入力部５１と、出力部５２とに接続されている。入力部５１は、例えば、キーボードやポインティングデバイス等で構成されるユーザインタフェース等により構成されていてもよい。出力部５２は、例えば、液晶ディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷機により構成されていてもよい。

設計システム５３は、周知のパーソナルコンピュータと同様に、各種演算処理を行うＣＰＵと、プログラム等を記憶するＲＯＭと、プログラム実行時に作業領域として使用されるＲＡＭと、各種プログラム・データを記憶するハードディスク装置等により構成されている。設計システム５３は、ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、エンジン１０に例示される内燃機関の設計方法を実行可能に構成されている。

本発明者は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射することにより、燃焼室内に生成される空気と燃料との混合気における当量比Φを、その数値範囲と、面積率とにおいて可視化した当量比分布（Φ分布）を、内燃機関の設計に関わる各種パラメータに紐づけすることを着想した。例えば、内燃機関の燃焼特性（排気中のエミッション量や燃料の着火性等）の目標値（目標燃焼特性）を達成可能なΦ分布を、目標Φ分布として、Φの数値範囲（目標Φ範囲）と、その面積率（目標Φ面積）とにより表現して設計に利用することにより、設計に要する時間および工数を削減できることを見出した。

なお、Φは、エンジン１０の燃焼室２１内に生成される空気と燃料との混合気における当量比を意味する。Φは、理論空燃比Ａと実空燃比Ｆとの比であり、Φ＝Ａ／Ｆにより算出できる。また、Φ分布は、点火プラグ２９が設置されている燃焼室２１を頭頂部から見た状態で可視化されることが好ましく、例えば、Φの数値範囲に対応して色が変化した状態で表示されてもよい。

燃焼室２１内のΦ分布は、エンジン１０を実際に駆動して計測することができる。具体的には、燃焼室２１内に燃料を噴射して点火し、火炎面のラジカル発光を分光分析することにより、計測できる。Φ分布は、例えば、燃料の噴射量や燃圧を変更することにより変化する。このため、実機での試行により、燃料の噴射量や燃圧を変更することによりΦ分布を変化させて計測し、併せてエミッション量や着火性等の燃焼特性を検出することにより、Φ分布と、燃焼特性との関係を計測により求めることができる。

なお、設計システム５３が設計対象とする内燃機関は、燃焼室内にインジェクタにより燃料を直接噴射する直噴式の内燃機関であればよく、図１に示すエンジン１０の具体的構成に限定されない。例えば、インジェクタと点火プラグとの位置関係は、点火プラグの周囲のΦ分布を設計可能な位置関係であればよい。エンジン１０は、燃焼室２１の上面に配置されたインジェクタ３０から燃料を噴射するセンター直噴式であるが、燃焼室２１の側面にインジェクタが配置されたサイド直噴式であってもよい。

設計システム５３は、算出部６０と、データベース（ＤＢ）部７０とを備えている。ＤＢ部７０は、燃焼特性／Φ分布ＤＢ７１と、Φ分布／噴霧特性ＤＢ７２と、噴霧特性／インジェクタ要件ＤＢ７３と、インジェクタ要件／インジェクタ諸元ＤＢ７４とを備えている。

燃焼特性／Φ分布ＤＢ７１には、燃焼特性とΦ分布との関係がデータベースとして記憶されている。燃焼特性／Φ分布ＤＢ７１は、Φ分布に対する燃焼特性の感度を定量化した燃焼特性感度関数ｆａがデータベースとして記憶されている。燃焼特性としては、エンジン１０が排出する排気に含まれるエミッション量や、エンジン１０における燃料の着火性を例示できる。エミッション量とは、排気に含まれる環境有害物質等の量であり、例えば、排気に含まれる窒素酸化物量（ＮＯｘ量）や、粒子状物質（ＰＭ）の個数である固体粒子数（ＰＮ量）を例示できる。

より具体的には、燃焼特性／Φ分布ＤＢ７１には、各燃焼特性について、目標燃焼特性を達成するために要求される目標Φ範囲および目標Φ面積が燃焼特性感度関数ｆａとして記憶されている。すなわち、目標Φ分布は、目標Φ範囲および目標Φ面積という２種のパラメータによって表現されている。燃焼特性感度関数ｆａは、実機による試行によって予め求められ、燃焼特性／Φ分布ＤＢ７１にデータベースとして記憶されている。

Φ分布／噴霧特性ＤＢ７２には、噴霧特性とΦ分布との関係がデータベースとして記憶されている。Φ分布／噴霧特性ＤＢ７２には、Φ分布に対する噴霧特性の感度を定量化した噴霧特性感度関数ｆｂがデータベースとして記憶されている。なお、噴霧特性とは、噴霧の物理量であり、例えば、着火時の燃料アシスト量、噴霧の初速、噴霧のザウタミーン径（Ｓａｕｔｅｒ ｍｅａｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ：ＳＭＤ）等を例示できる。

噴霧特性感度関数ｆｂは、実機による試行によって求めることも可能だが、噴霧特性に基づいて、ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）等の燃焼シミュレーションを実行することによって求めることも可能である。噴霧特性に基づいて、燃焼シミュレーションを実行することによっても、燃焼室内に生成される空気と燃料との混合気における当量比Φを、その数値範囲と、面積率とにおいて可視化した当量比分布（Φ分布）を作成できる。

噴霧特性／インジェクタ特性ＤＢ７３には、噴霧特性とインジェクタ特性との関係がデータベースとして記憶されている。より具体的には、噴霧特性とインジェクタ特性との関係がマップや数式として記憶されている。なお、インジェクタ特性とは、インジェクタの設計パラメータであり、インジェクタ要件とは、目標噴霧特性を達成するためにインジェクタの設計パラメータに求められる要件である。インジェクタ特性としては、噴射量の増減、噴孔出口における燃圧、噴射率等を例示できる。

インジェクタ特性／インジェクタ諸元ＤＢ７４には、インジェクタ特性とインジェクタ諸元との関係がデータベースとして記憶されている。より具体的には、インジェクタ特性とインジェクタ諸元との関係がマップや数式として記憶されている。インジェクタ諸元としては、噴射する燃料の燃圧、噴孔の孔径やテーパ角等を例示できる。

算出部６０は、目標燃焼特性取得部６１と、エンジン諸元取得部６２と、目標Φ分布算出部６３と、感度関数作成部６４と、インジェクタ要件算出部６５と、インジェクタ諸元設定部６６とを備えている。

目標燃焼特性取得部６１は、エンジン１０の各種の燃焼特性の目標値である目標燃焼特性を取得する。目標燃焼特性は、例えば、入力部５１として機能するユーザインタフェースから入力されてもよい。例えば、排気中のＮＯｘ量やＰＮ量の上限値により規定された目標ＰＮ量や目標ＮＯｘ量を目標燃焼特性として取得できる。また、均質燃焼により定義した着火要件を目標燃焼特性として取得できる。

エンジン諸元取得部６２は、エンジン１０の諸元を取得する。エンジン諸元は、例えば、入力部５１として機能するユーザインタフェースから入力されてもよい。

目標Φ分布算出部６３は、燃焼特性／Φ分布ＤＢ７１から燃焼特性感度関数ｆａを取得し、この燃焼特性感度関数ｆａに基づいて、目標Φ分布を算出する。目標Φ分布とは、目標燃焼特性を達成可能なΦ分布の目標値である。

具体的には、目標Φ分布算出部６３は、燃焼特性感度関数ｆａから、目標燃焼特性を達成可能な目標Φ分布を決定する。より具体的には、目標Φ分布として、目標Φ範囲および目標Φ面積を決定する。目標Φ範囲は、目標燃焼特性を達成するために充足すべきΦの数値範囲として設定されてもよいし、回避すべきΦの数値範囲として設定されてもよい。

例えば、燃焼特性として着火性を考慮する場合、燃焼特性感度関数ｆａから、充足すべき目標Φ範囲としてΦ＞Φｆを取得できる。Φ＞Φｆという目標Φ範囲は、均質燃焼を仮定して定義された着火要件である。そして、エンジン１０の実機における着火時のばらつきを考慮して設定された目標Φ面積としてＳｆ≧Ｓ１を取得する。すなわち、着火性を確保できるΦ分布の要件として、Φの数値範囲がΦ＞Φｆである領域の面積率ＳｆについてＳｆ≧Ｓ１であるという要件を算出できる。

感度関数作成部６４は、ＣＦＤ等の燃焼シミュレーションにより、Φ分布に対する噴霧特性の感度を定量化した噴霧特性感度関数ｆｂを作成する。具体的には、目標値を設定した燃焼特性に影響する噴霧特性を抽出し、抽出した噴霧特性に基づいて燃焼室２１内について燃焼シミュレーションを実行することにより、噴霧特性に対応するΦ分布を作成する。燃焼シミュレーションを用いる場合にも、エンジン１０を実際に駆動して計測した場合と同様に、数値範囲と、面積率とにおいて可視化した当量比分布（Φ分布）を得ることができる。そして、燃焼シミュレーションにより算出されたΦ分布に基づいて、Φ分布に対する噴霧特性の感度を定量化することにより、噴霧特性感度関数ｆｂを作成できる。感度関数作成部６４により作成された噴霧特性感度関数ｆｂは、Φ分布／噴霧特性ＤＢ７２に記憶される。

インジェクタ要件算出部６５は、目標燃焼特性に影響する噴霧特性を抽出し、抽出した噴霧特性について、Φ分布／噴霧特性ＤＢ７２から噴霧特性感度関数ｆｂを取得する。さらに、インジェクタ要件算出部６５は、噴霧特性／インジェクタ特性ＤＢ７３から、噴霧特性とインジェクタ特性との関係を示すマップや数式等を読み出す。そして、取得した噴霧特性感度関数ｆｂと、読み出した噴霧特性とインジェクタ特性との関係を示すマップ等に基づいて、目標Φ分布を達成可能なインジェクタ要件を算出する。

インジェクタ諸元設定部６６は、インジェクタ特性／インジェクタ諸元ＤＢ７４から、インジェクタ特性とインジェクタ諸元との関係を示すマップや数式等を読み出し、算出したインジェクタ要件を達成できるように、インジェクタ諸元を設定する。

図３に、図２に示す設計システム５３が実行する内燃機関の設計処理のフローチャートを示す。

ステップＳ１０１では、目標燃焼特性取得ステップを実行する。具体的には、目標燃焼特性として、エミッションおよび着火性の目標値を取得するとともに、エンジン諸元を取得する。その後、ステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、目標Φ分布算出ステップを実行する。具体的には、燃焼特性感度関数ｆａを読み出し、ステップＳ１０１で取得したエミッションおよび着火性の目標値に基づいて、燃焼特性感度関数ｆａから目標Φ分布を算出する。目標Φ分布は、目標Φ範囲および目標Φ面積として算出される。

燃焼特性感度関数ｆａは、実機による試行に基づいて得られるΦ分布と、燃焼特性とΦとの関係とに基づいて作成され、予めデータベースとして設計システム５３に記憶されている。なお、燃焼特性とΦとの関係は、予め理論的または実験的に求められ、設計システム５３に記憶されている。例えば、燃焼特性の一例である排気中のＮＯｘ量とΦとの関係については、各ＮＯｘの生成機構を示す化学反応式における量論比から理論的に算出できる。より具体的には、プロンプトＮＯｘ生成機構に基づいて、Φｎａ＜Φ＜Φｎｂにおいて、許容量を超えるＮＯｘ量が生成することを理論的に導くことができる。

また、例えば、燃焼特性の一例である排気中のＰＮ量とΦとの関係については、図４に示す関係を実験的に得ることができる。燃料の燃焼温度を横軸とし、Φの値を縦軸とする図４において、斜線領域において、許容量を超えるＰＮが発生することが実験により予め求められている。図４に示す斜線領域におけるΦの値の下限値をΦｐと設定すれば、Φ＞Φｐの範囲では、ＰＮ量が許容量を超える。

図５に、燃焼室２１内のΦ分布の一例を示す。図５に示すΦ分布は、エンジン１０の燃焼室２１内に燃料を噴射して点火し、火炎面のラジカル発光を分光分析することにより計測されたものである。図５に示すように、燃焼室２１を頭頂部から見た状態で可視化され、Φの数値範囲によって区画された領域Ａ０〜Ａ４が表示されたΦ分布を作成できる。領域Ａ０〜Ａ４の各領域の面積率は、全領域の面積に対する各領域の面積の割合によって表すことができる。なお、図５では、Φ分布はΦの数値範囲ごとに区画されているが、Φの数値の変化に対応して色が変化した状態でΦ分布が表示されてもよい。

図５において、領域Ａ０は、Φの数値範囲がΦ＞Φｐの領域であり、領域Ａ１は、Φの数値範囲がΦｎｂ≦Φ≦Φｐの領域であり、領域Ａ２は、Φの数値範囲がΦｎａ＜Φ＜Φｎｂの領域であり、領域Ａ３は、Φの数値範囲がΦｆ＜Φ≦Φｎａの領域であり、領域Ａ４は、Φの数値範囲がΦ≦Φｆの領域である。各領域のΦの値は、Ａ０が最も大きく，Ａ４が最も小さい。

領域Ａ０は、ＰＮ量が増大するＰＮ発生ゾーンであり、ＰＮ量の目標値を達成するために回避すべきΦの数値範囲の領域である。領域Ａ０の面積率Ｓｐが小さいほどＰＮ量を抑制できる。領域Ａ２は、ＮＯｘ量が増大するＮＯｘ発生ゾーンであり、ＮＯｘ量の目標値を達成するために回避すべきΦの数値範囲の領域である。領域Ａ２の面積率Ｓｎが小さいほどＮＯｘ量を抑制できる。領域Ａ０〜Ａ３を含む領域は、着火性を確保できる着火安定ゾーンであり、着火性の目標値を達成するために充足すべきΦの数値範囲の領域である。領域Ａ０〜Ａ３の面積率Ｓｆが大きいほど着火性が向上する。なお、図５においては、ΦｎｂとΦｐとが近接した値となり領域Ａ１が非常に小さくなる等により、領域Ａ１が隣接する領域と明確に区別できない場合がある。このため、領域Ａ１は、ＰＮ発生ゾーンでもＮＯｘ発生ゾーンでもない領域であるが、ＰＮ発生ゾーン等と同様に、回避すべきΦの数値範囲の領域として取り扱ってもよい。例えば、領域Ａ０の面積と領域Ａ１の面積との合計が、ＰＮ量について設定された目標面積率の条件を満たすように設計を進めてもよい。

図５に示すような燃焼室２１内のΦ分布に基づいて、図６〜８に示すような、目標Φ範囲となる面積率に対する各燃焼特性（着火性、排気中のＮＯｘ量、排気中のＰＮ量）の感度を定量化した燃焼特性感度関数ｆａが作成され、設計システム５３に記憶されている。

ステップＳ１０２では、図６〜８に示す燃焼特性感度関数ｆａに基づいて、着火性、ＮＯｘ量、ＰＮ量についての目標値（目標燃焼特性）を満たすための目標Φ分布を取得する。図６の縦軸は着火が悪化する頻度を示しており、着火性の目標値を達成するために充足すべき目標Φ範囲の面積率Ｓｆが増加するほど、着火の悪化率は減少する。図７の縦軸は排気中のＮＯｘ量を示しており、ＮＯｘ量の目標値を達成するために回避すべき目標Φ範囲となる面積率Ｓｎが減少するほど、ＮＯｘ量は減少する。図８の縦軸は排気中のＰＮ量を示しており、ＰＮ量の目標値を達成するために回避すべき目標Φ範囲となる面積率Ｓｐが減少するほど、ＰＮ量は減少する。

図６〜８において、目標Φ範囲は、斜線で示す範囲に相当する。図６に示す着火性については、充足すべき目標Φ範囲：Φ＞Φｆについて、目標面積率：Ｓｆ≧Ｓ１と算出できる。図７に示す排気中のＮＯｘ量については、回避すべき目標Φ範囲：Φｎａ＜Φ＜Φｎｂについて、目標面積率：Ｓｎ≦Ｓ２と算出できる。図８に示す排気中のＰＮ量については、回避すべき目標Φ範囲：Φ＞Φｐについて、目標面積率：Ｓｐ≦Ｓ３と算出できる。その後、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、噴霧特性感度関数作成ステップを実行する。具体的には、ステップＳ１０１で取得した目標燃焼特性に影響する噴霧特性を抽出し、抽出した噴霧特性について、エンジン諸元に基づいて、ＣＦＤ等の燃焼シミュレーションを実行し、燃焼室２１内に燃料を噴射して点火した際のΦ分布を算出する。燃焼シミュレーションにより算出することにより、図５と同様に、Φの数値範囲と面積率とを可視化したΦ分布を作成できる。ステップＳ１０３では、燃焼シミュレーションにより作成したΦ分布に基づいて、Φ分布に対する噴霧特性の感度を定量化した噴霧特性感度関数ｆｂを作成する。

噴霧特性感度関数ｆｂの一例として、それぞれ図９〜１１に、Φ分布に対する各噴霧特性の感度を定量化した感度関数を示す。図９〜１１の縦軸は、燃焼特性（着火性、ＮＯｘ量、ＰＮ量）について目標Φ範囲となる面積率を示し、横軸は、各噴霧特性（アシスト量、ＳＭＤ、噴霧の初速）を示す。

図９に示すように、着火性について目標Φ範囲となる面積率は、アシスト量の増加に対して対数関数的に変化し、アシスト量が大きくなるほど面積率の増加量が減少する。また、ＮＯｘ量およびＰＮ量については、目標Φ範囲となる面積率は、アシスト量の増加に対して略比例して増加する。

図１０に示すように、着火性およびＮＯｘ量については、目標Φ範囲となる面積率は、ＳＭＤの変化に対して殆ど増減しない。ＰＮ量については、目標Φ範囲となる面積率は、ＳＭＤが大きくなるほど、これに略比例して増加する。

図１１に示すように、着火性およびＮＯｘ量については、目標Φ範囲となる面積率は、噴霧の初速の変化に対して殆ど増減しない。ＰＮ量については、目標Φ範囲となる面積率は、噴霧の初速が速くなるほど、これに略比例して減少する。これらの噴霧特性感度関数ｆｂは、設計システム５３にデータベースとして記憶される。ステップＳ１０３の後、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、インジェクタ要件算出ステップを実行する。具体的には、まず、ステップＳ１０３で抽出した噴霧特性について、その噴霧特性とインジェクタ特性（インジェクタの設計パラメータ）との関係を示すマップを読み出し、このマップの関係に基づいて、噴霧特性感度関数ｆｂにおける噴霧特性をインジェクタ特性に置き換える。これにより、インジェクタ特性と目標Φ分布との関係を求めることができ、この関係に基づいて、目標Φ分布を達成可能なインジェクタ特性であるインジェクタ要件を算出できる。

図１２に、抽出した噴霧特性とインジェクタ特性との関係を示す図を例示する。図１２の縦軸および横軸に示す噴霧初速とＳＭＤは、いずれも噴霧特性に相当する。図１２に示す点Ｐ１〜Ｐ３は、インジェクタの噴孔出口燃圧（インジェクタ特性の一例である）を相違させて実験により得られた値であり、噴孔出口燃圧は、Ｐ１、Ｐ２，Ｐ３の順に高い。図１２に示す実線は、噴孔出口燃圧に依存して、噴霧初速とＳＭＤが変化することを示している。具体的には、噴孔出口燃圧が高いほど、噴霧初速は速くなり、ＳＭＤは小さくなる。そして、噴孔出口燃圧が低いほど、噴霧初速は遅くなり、ＳＭＤは大きくなる。

図１２に例示されるような噴霧特性とインジェクタ特性との関係は、マップ化されて、設計システム５３にデータベースとして記憶されている。ステップＳ１０４では、図１２に示すような噴霧特性とインジェクタ特性との関係を示すマップをデータベースから読み出し、図９〜１１に示すようなΦ分布と噴霧特性との関係に基づいて、図１３に例示されるようなインジェクタ要件と目標Φ分布との関係を求める。

図１３に示す図は、燃料のアシスト量を横軸とし、噴孔出口燃圧を縦軸として、各燃焼特性の目標値を達成可能な領域Ｒを示したものである。図９に示す燃料のアシスト量は、そのままインジェクタ特性としてのアシスト量に置き換えられている。図１０，１１に示す２つの噴霧特性としての噴霧の初速およびＳＭＤは、図１２に示す関係に基づいて、１つのインジェクタ特性としての噴孔出口燃圧に置き換えられている。

Ｌ１は、着火性に基づいて設定された目標Φ分布を規定する着火性制約線である。着火性制約線Ｌ１よりもアシスト量が多い領域（着火性制約線Ｌ１の右側の領域）において、着火性の目標値に基づいて設定された目標Φ分布（目標Φ範囲：Φ＞Φｆかつ目標面積率：Ｓｆ≧Ｓ１）を達成できる。

Ｌ２は、排気中のＮＯｘ量に基づいて設定された目標Φ分布を規定するＮＯｘ量制約線である。ＮＯｘ量制約線Ｌ２よりもアシスト量が少ない領域（ＮＯｘ量制約線Ｌ２の左側の領域）において、ＮＯｘ量の目標値に基づいて設定された目標Φ分布（目標Φ範囲：Φｎａ＜Φ＜Φｎｂかつ目標面積率：Ｓｎ≦Ｓ２）を達成できる。

Ｌ３は、排気中のＰＮ量に基づいて設定された目標Φ分布を規定するＰＮ量制約線である。ＰＮ量制約線Ｌ３よりも噴孔出口燃圧が高い領域（ＰＮ量制約線Ｌ３の上側の領域）において、ＰＮ量の目標値に基づいて設定された目標Φ分布（目標Φ範囲：Φ＞Φｐかつ目標面積率：Ｓｐ≦Ｓ３）を達成できる。

領域Ｒは、Ｌ１〜Ｌ３により囲まれた斜線領域である。領域Ｒにおいては、着火性、ＮＯｘ量およびＰＮ量についての各目標値に基づいて設定された目標Φ分布を達成することができる。ステップＳ１０４では、図１３に斜線で示す領域Ｒの範囲内で、インジェクタ要件を設定する。これによって、着火性、ＮＯｘ量およびＰＮ量についての各目標値を達成できるようにインジェクタ要件を設定できる。ステップＳ１０４の後、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、インジェクタ諸元設定ステップを実行する。具体的には、インジェクタ特性とインジェクタ諸元との関係を示すマップを読み出し、このマップに基づいて、算出したインジェクタ要件を達成できるように、インジェクタ諸元を設定する。例えば、インジェクタ特性としての噴孔出口燃圧は、噴射する燃料の燃圧、噴孔径、噴孔形状（テーパ角等）等のインジェクタ諸元に置き換えることができる。より具体的には、噴射する燃料の燃圧を高くし、噴孔径を小さくし、噴孔のテーパ角を広角化することにより、噴孔出口燃圧を高くすることができる。逆に、噴射する燃料の燃圧を低くし、噴孔径を大きくし、噴孔のテーパ角を狭角化することにより、噴孔出口燃圧を低くすることができる。また、インジェクタ特性としてのアシスト噴射量は、噴射する燃料の噴射量に置き換えることができる。設定したインジェクタ諸元は、出力部５２に出力される。ステップＳ１０５の後、図３に示す一連の処理を終了する。

上記のとおり、本実施形態によれば、ステップＳ１０２において燃焼特性感度関数ｆａに基づいて目標燃焼特性をΦ分布に紐付して目標Φ分布を設定する。そして、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３で燃焼シミュレーションにより算出した噴霧特性感度関数ｆｂに基づいて、目標Φ分布を達成するためにインジェクタ特性に求められる要件であるインジェクタ要件を算出する。このため、ステップＳ１０５において、ステップＳ１０４で算出したインジェクタ要件を満たすように、インジェクタ諸元を設定することにより、目標燃焼特性を達成できる範囲でインジェクタ諸元を設定できる。目標燃焼特性が複数であっても、燃焼特性感度関数ｆａおよび噴霧特性感度関数ｆｂを用いてΦ分布と紐づけすることにより、一連の処理により各目標燃焼特性を達成可能なインジェクタ諸元を設定できる。このため、特定の目標燃焼特性を達成できるようにエンジン１０を設計した後で、他の目標燃焼特性を達成できるように実機で試行を繰り返す必要がなく、エンジン１０の設計に要する時間および工数を削減できる。さらに、噴霧特性感度関数ｆｂは、燃焼シミュレーションにより作成されるため、噴霧特性感度関数ｆｂを作成するために実機で計測を行う必要がなく、設計のための費用や工数、時間を削減できる。

なお、設計システム５３は、入力部５１から入力された目標燃焼特性に基づいて、目標Φ分布を設定した後に設計処理を終了する設計方法を実行可能に構成されていてもよい。この設計方法では、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３の各処理を実行した後、設定した目標Φ分布を出力部５２に出力し、処理を終了する。

また、設計システム５３は、目標燃焼特性に基づく目標Φ分布の設定処理を実行しないで、入力部５１から入力された目標Φ分布に基づいて、インジェクタ諸元を設定する設計方法を実行可能に構成されていてもよい。この場合、ステップＳ１０４よりも前のステップで、目標Φ分布を取得する目標Φ分布取得ステップを実行した後、ステップＳ１０４の処理に移行する。目標Φ分布取得ステップは、ステップＳ１０１のタイミングで実行してもよいし、ステップＳ１０３とステップＳ１０４との間となるタイミングで実行してもよい。さらには、設計システム５３は、入力部５１により上記の３種の設計方法を選択可能に構成されていてもよい。

上記の各実施形態によれば、下記の効果を得ることができる。

設計システム５３は、燃焼室２１内にインジェクタ３０により燃料を直接噴射する直噴式の内燃機関であるエンジン１０を設計する第１の設計方法を実行可能に構成されている。この設計方法は、目標燃焼特性取得ステップと、目標Φ分布算出ステップと、インジェクタ要件算出ステップと、を含む。目標燃焼特性取得ステップでは、エンジン１０の燃焼特性の目標値である目標燃焼特性を取得する。目標Φ分布算出ステップでは、Φ分布に対して燃焼特性の感度を定量化した燃焼特性感度関数ｆａに基づいて、目標燃焼特性を達成可能なΦ分布の目標値である目標Φ分布を算出する。インジェクタ要件算出ステップでは、目標Φ分布を達成するためにインジェクタの設計パラメータに求められる要件であるインジェクタ要件を算出する。なお、エンジン１０の燃焼室２１内に生成される空気と燃料との混合気におけるΦ分布である。

上記の第１の設計方法によれば、燃焼特性感度関数ｆａを用いることにより、例えばエミッション量および着火性というような多様な目標燃焼特性をΦ分布に紐付けして目標Φ分布というパラメータに収束させることができる。このため、目標Φ分布を達成できるようにインジェクタ要件を算出し、算出したインジェクタ要件に基づいてエンジン１０を設計することにより、多様な目標燃焼特性が包括的に達成可能となるようにエンジン１０を設計できる。すなわち、一連の設計処理によって、エミッション量と着火性との双方を達成可能なエンジン１０を設計できる。その結果、目標燃焼特性を達成するための実機での試行を削減でき、エンジン１０の設計に要する時間および工数を削減できる。

なお、燃焼特性は、特に限定されないが、エンジン１０が排出する排気に含まれるエミッション量と、エンジン１０における燃料の着火性とを含むことが好ましい。少ない工数で、エミッション量と着火性との双方について良好な性能となるエンジン１０を設計できる。

設計システム５３は、また、目標燃焼特性取得ステップと、噴霧特性感度関数作成ステップと、インジェクタ要件算出ステップとを含むエンジン１０の第２の設計方法を実行可能に構成されている。噴霧特性感度関数作成ステップでは、Φ分布に対する噴霧特性の感度を定量化した噴霧特性感度関数ｆｂを燃焼シミュレーションにより作成する。インジェクタ要件算出ステップでは、噴霧特性感度関数ｆｂに基づいて、目標Φ分布を達成可能なインジェクタ特性であるインジェクタ要件を算出する。

上記の第２の設計方法によれば、噴霧特性感度関数ｆｂを用いることにより、Φ分布を多様な噴霧特性に紐付することができ、ひいては、インジェクタ特性に紐付することができる。すなわち、噴霧特性感度関数ｆｂを用いることにより、目標Φ分布を達成できるようなインジェクタ要件を算出できる。そして、算出したインジェクタ要件に基づいてエンジン１０を設計することにより、目標Φ分布が達成可能となるようにエンジン１０を設計できる。また、燃焼シミュレーションにより作成された噴霧特性感度関数を用いることにより、多様なインジェクタの設計パラメータを変更して実行される実機での試行回数を削減できる。その結果、目標Φ分布を達成するための実機での試行を削減でき、エンジン１０の設計に要する時間および工数を削減できる。

設計システム５３は、また、目標燃焼特性取得ステップと、目標Φ分布算出ステップと、噴霧特性感度関数作成ステップと、インジェクタ要件算出ステップと、を含むエンジン１０の第３の設計方法を実行可能に構成されている。上記の第３の設計方法によれば、Φ分布を介して燃焼特性と噴霧特性とを紐付けすることにより、目標燃焼特性を達成可能なインジェクタ要件を算出できる。このため、算出したインジェクタ要件に基づいてエンジン１０を設計することにより、多様な目標燃焼特性が包括的に達成可能となるようにエンジン１０を設計できる。また、燃焼シミュレーションにより作成された噴霧特性感度関数を用いることにより、多様なインジェクタの設計パラメータを変更して実行される実機での試行回数を削減できる。その結果、実機での試行を削減でき、エンジン１０の設計に要する時間および工数を削減できる。

本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

１０…エンジン、２１…燃焼室、３０…インジェクタ

Claims (4)

1. 燃焼室（２１）内にインジェクタ（３０）により燃料を直接噴射する直噴式の内燃機関（１０）の設計方法であって、
   前記内燃機関の燃焼特性の目標値である目標燃焼特性を取得する目標燃焼特性取得ステップ（Ｓ１０１）と、
   前記燃焼室内に生成される空気と燃料との混合気における当量比分布に対する前記燃焼特性の感度を定量化した燃焼特性感度関数に基づいて、前記目標燃焼特性を達成可能な前記当量比分布の目標値である目標当量比分布を算出する目標当量比分布算出ステップ（Ｓ１０２）と、
   前記目標当量比分布を達成するために前記インジェクタの設計パラメータに求められる要件であるインジェクタ要件を算出するインジェクタ要件算出ステップ（Ｓ１０４）と、を含む内燃機関の設計方法。
2. 燃焼室内にインジェクタにより燃料を直接噴射する直噴式の内燃機関の設計方法であって、
   前記内燃機関の燃焼特性の目標値である目標燃焼特性を取得する目標燃焼特性取得ステップ（Ｓ１０１）と、
   前記燃焼室内に生成される空気と燃料との混合気における当量比分布に対する前記燃焼室内に噴射された燃料の噴霧特性の感度を定量化した噴霧特性感度関数を燃焼シミュレーションにより作成する噴霧特性感度関数作成ステップ（Ｓ１０３）と、
   前記噴霧特性感度関数に基づいて、前記目標燃焼特性を達成可能な前記当量比分布の目標値である目標当量比分布を達成するために前記インジェクタの設計パラメータに求められる要件であるインジェクタ要件を算出するインジェクタ要件算出ステップ（Ｓ１０４）と、を含む内燃機関の設計方法。
3. 燃焼室内にインジェクタにより燃料を直接噴射する直噴式の内燃機関の設計方法であって、
   前記内燃機関の燃焼特性の目標値である目標燃焼特性を取得する目標燃焼特性取得ステップ（Ｓ１０１）と、
   前記燃焼室内に生成される空気と燃料との混合気における当量比分布に対する前記燃焼特性の感度を定量化したに基づいて、前記目標燃焼特性を達成可能な前記当量比分布の目標値である目標当量比分布を算出する目標当量比分布算出ステップ（Ｓ１０２）と、
   前記当量比分布に対する前記燃焼室内に噴射された燃料の噴霧特性の感度を定量化した噴霧特性感度関数を燃焼シミュレーションにより作成する噴霧特性感度関数作成ステップ（Ｓ１０３）と、
   前記噴霧特性感度関数に基づいて、前記目標当量比分布を達成するために前記インジェクタの設計パラメータに求められる要件であるインジェクタ要件を算出するインジェクタ要件算出ステップ（Ｓ１０４）と、を含む内燃機関の設計方法。
4. 前記燃焼特性は、前記内燃機関が排出する排気に含まれるエミッション量と、前記内燃機関における燃料の着火性とを含む請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の設計方法。

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