JP4175129B2 - Engine performance prediction analysis method, prediction analysis system and control program thereof - Google Patents

Engine performance prediction analysis method, prediction analysis system and control program thereof Download PDF

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【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、主に燃料として供給される炭化水素と空気中の酸素との反応や燃焼過程で生成される一酸化炭素等の中間生成物と酸素との反応、或いは高温下で空気中の窒素と酸素とが結びついて窒素酸化物が生成する反応等、燃焼に係る延べ３０００種類以上の化学素反応を逐次、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
【０００６】
【特許文献２】
特開２００２−１４８１４７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンの運転に伴う吸排気の流れのシミュレーションと燃焼を模擬する化学反応シミュレーションとを一体的に組み合わせて、エンジンの運転状態を模擬するようにしたシミュレーションシステムは存在しない。これは、吸排気の流れを模擬するＣＦＤ演算では、周知の流体力学の方程式を数値計算により解くことによって、作動ガスの流れの状態を表す圧力や温度等の変数の値を逐次、求めていくのに対し、燃焼を模擬する化学反応シミュレーションでは前記の如くガス成分の化学反応を記述するものであり、そのように演算の対象が大きく異なる２つのシミュレーションの結果を適切に組み合わせて、ダイナミックに解くことが難しいからである。
【０００８】
特に、エンジンの排気の一部を吸気系に還流させるようにした（Exhaust Gas Recirculation：以下、ＥＧＲと略記する）場合、吸気にはエンジンに外部から供給される新しい空気（新気ともいう）の他に、排気系から還流される排気（ＥＧＲガスともいう）が含まれ、このＥＧＲガスには燃料の未燃分、炭酸ガス、窒素酸化物、水蒸気等が新気よりもかなり多く含まれているから、その取り扱いが問題となる。すなわち、そのように分子量の大きく異なる複数のガス成分を含む吸気の流れは、厳密には個々のガス成分毎に個別に演算することが好ましいのであるが、これではＣＦＤ演算の量が著しく多くなってしまい時間がかかり過ぎるので、実用的とはいえない。
【０００９】
また、前記化学反応シミュレーションの演算だけでも、仮に、前記したように膨大な数の化学素反応の全てを記述するとすれば、そのための演算量は極めて多くなって、シミュレーションを徒に遅延させる虞れがある。
【００１０】
本発明は斯かる諸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、エンジンの性能を予測するためのシミュレーションにおいて、ＣＦＤ演算と化学反応式の演算とを組み合わせて両者をダイナミックに解くことによりシミュレーションの精度を向上しながら、演算に要する時間は短縮して、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。
【００１１】
【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、作動ガスの成分が精度にあまり大きな影響を及ぼさないＣＦＤ演算については、作動ガスを化学反応シミュレーションよりも少数のガス成分によって模擬するようにし、その上で、吸気過程での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を特定できるようにした。
【００１２】
具体的に、請求項１の発明は、多気筒エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る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予測解析方法を対象とする。そして、エンジンの燃焼サイクルを吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの過程に分けて、吸気系におけるサージタンクのうち、吸気過程にある気筒に対応する所定部分には３次元のＣＦＤ演算モデルを設定し、それ以外の部分には１次元のＣＦＤ演算モデルを設定するとともに、その１次元モデルを用いたＣＦＤ演算と３次元モデルを用いたＣＦＤ演算とを、所定のクランク角変化に対応する時間刻み毎に演算結果のデータを授受しながら並行して行い、吸気及び排気過程のそれぞれにおけるエンジンの作動ガスの流れを記述する一方、圧縮及び膨張過程では少なくとも燃焼室における作動ガスを前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述するとともに、少なくとも前記吸気過程におけるＣＦＤ演算の結果に基づいて、前記化学反応式の演算に用いる圧縮過程初期の作動ガスの成分を決定し、また、少なくとも前記膨張過程における化学反応式の演算結果に基づいて、前記ＣＦＤ演算における燃焼室からの排気の初期状態を決定するようにする。
【００１３】
前記の方法により、エンジンの運転をシミュレーションするときには、まず、そのエンジンの燃焼サイクルを吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの過程に分けて、吸気及び排気過程では１次元及び３次元のＣＦＤ演算を行い、一方、圧縮及び膨張過程では化学反応シミュレーションを行う。すなわち、例えば４サイクルエンジンの場合、ピストンの動作によって区別される吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの行程に対応して、吸気及び排気行程ではそれぞれ吸排気の流れの状態をＣＦＤ演算により記述する一方、圧縮及び膨張行程では少なくとも燃焼室に充填された吸気を前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、化学反応式の演算を行う。
【００１４】
その際、前記吸気過程におけるＣＦＤ演算の結果として、気筒内に充填される吸気の圧力や温度等、即ち圧縮過程初期の燃焼室における作動ガスの状態が正確に求められ、これにより、その作動ガスの成分を特定して化学反応シミュレーションを行うことが可能になる。一方、前記化学反応シミュレーションからは燃焼室からの既燃ガス、即ち排気の圧力や温度等の初期値が正確に求められるので、これに基づいて排気の正確なＣＦＤ演算を行うことが可能になる。
【００１５】
そのようにしてＣＦＤ演算の結果と化学反応式の演算結果とを相互に利用し、両者を適切に組み合わせてダイナミックに解くことができるようになれば、シミュレーションの精度を向上できる。しかも、ガス成分の化学反応を記述する化学反応シミュレーションでは、作動ガスを相対的に多くのガス成分により模擬することでシミュレーション精度を高めることができ、一方、流れの状態を記述するＣＦＤ演算では作動ガスを相対的に少ないガス成分により模擬することで、所要の精度を確保しながら、演算に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００１６】
尚、本願発明を２サイクルエンジンのシミュレーションに適用する場合は、例えば、ピストンの下降に伴い燃焼室に臨む掃気ポート（吸気ポート）が開いてから、該ピストンが下死点を過ぎて上昇に転じ、前記掃気ポートが閉じられるまでを吸気過程とし、その後、ピストンの上昇によって吸気が圧縮される期間を圧縮過程とし、次いで燃焼に伴うピストンの下降によって排気ポートが開くまでを膨張過程とし、最後に、それからさらにピストンが下降して前記掃気ポートが開くまでを排気過程とすればよい。或いは、前記掃気ポートが開いた後にそこから流入する新気によって燃焼ガスの排出が促進されることを考慮して、掃気ポートが開いてから所定期間が経過するまでを排気過程とし、それから前記の如く掃気ポートが閉じられるまでを吸気過程としてもよい。
【００１７】
次に、本願の請求項２の発明は、多気筒エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る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、エンジンの吸気系におけるサージタンクのうち、吸気過程にある気筒に対応する所定部分には３次元のＣＦＤ演算モデルを設定し、それ以外の部分には１次元のＣＦＤ演算モデルを設定して、その１次元モデルを用いたＣＦＤ演算と３次元モデルを用いたＣＦＤ演算とを、所定のクランク角変化に対応する時間刻み毎に演算結果のデータを授受しながら並行して行い、吸気及び排気過程のそれぞれにおけるエンジンの作動ガスの流れを模擬するＣＦＤ演算手段と、前記エンジンの圧縮及び膨張過程で少なくとも燃焼室における作動ガスを前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述する化学反応演算手段と、少なくとも前記ＣＦＤ演算手段による演算の結果に基づいて圧縮過程初期の燃焼室における作動ガスの成分を決定し、このガス成分のデータを前記化学反応演算手段に提供する第１のデータ提供手段と、少なくとも前記化学反応演算手段による演算の結果に基づいて燃焼室からの排気の初期状態を決定し、この排気状態のデータを前記ＣＦＤ演算手段に提供する第２のデータ提供手段と、を備えるものとする。
【００１８】
前記のシステムによれば、エンジンの運転シミュレーションの際に、吸気及び排気過程における作動ガスの流れが１次元及び３次元のＣＦＤ演算によって記述されるとともに、圧縮及び膨張過程では作動ガスが前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬されて、その反応が化学反応式の演算により記述される。また、少なくとも前記ＣＦＤ演算の結果に基づいて、第１のデータ提供手段により圧縮過程初期の燃焼室における作動ガスの成分が求められて、これが前記化学反応式の演算に提供される一方、その化学反応式の演算結果に基づいて、第２のデータ提供手段により排気の初期状態が求められて、これが前記ＣＦＤ演算に提供される。このようにして、前記請求項１の発明に係る予測解析方法が実行されて、その作用効果が得られる。
【００１９】
請求項３の発明では、請求項２の発明におけるＣＦＤ演算手段を、エンジンの吸気過程では作動ガスである吸気を空気とＥＧＲガスとにより模擬して、それぞれの流れの状態を表す変数を演算するものとし、また、化学反応演算手段は、エンジンの圧縮及び膨張過程における燃焼室の作動ガスを少なくとも窒素、酸素、炭化水素、炭酸ガス、窒素酸化物及び水蒸気により模擬して、それらの化学反応を記述するものとする。さらに、第１のデータ提供手段は、少なくとも前記ＣＦＤ演算手段による演算の結果に基づいて、圧縮過程初期の燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求めて、これにより当該燃焼室における前記各ガス成分の割合を決定するものとする。
【００２０】
このことで、吸気過程では吸気（作動ガス）を空気とＥＧＲガスとにより模擬して、それぞれの流れの状態を個別に演算することで、エンジンの運転条件の変化に伴い吸気に対するＥＧＲガスの割合が変化しても作動ガスそのものを変更する必要はなく、演算を容易に行うことができる。一方、圧縮及び膨張過程では作動ガスを少なくとも窒素、酸素、炭化水素、炭酸ガス、窒素酸化物及び水蒸気により模擬することで、燃焼に係る化学反応を正確に記述して、精度の高いシミュレーションを行うことができる。
【００２１】
請求項４の発明では、前記請求項３の発明において、エンジンの燃焼室に充填された吸気のガス成分を、少なくともその吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合と圧縮過程初期における燃焼室の状態とに対応付けて、予めグループ化した状態で格納したデータベースを設けておいて、第１のデータ提供手段は、少なくともＣＦＤ演算手段による演算の結果に基づいて圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求め、これらに対応するグループのガス成分データを前記データベースから読み込むものとする。
【００２２】
このことで、ＣＦＤ演算等により求められる吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合と圧縮過程初期における燃焼室の状態とに基づいて、これらに対応するガス成分データが第１のデータ提供手段によりデータベースから読み込まれ、これにより、化学反応演算における作動ガスの成分が特定される。
【００２３】
請求項５の発明では、請求項４の発明におけるデータベースに格納されている吸気のガス成分データは予め実験的に設定したものとする。このことで、予め実験的に求めたガス成分のデータに基づいて化学反応演算に用いる作動ガスの成分が求められるので、精度の高いシミュレーションを行うことができる。
【００２４】
請求項６の発明では、請求項４の発明において、化学反応演算手段による演算の結果に基づいて排気のガス成分を求め、これをＥＧＲガスの成分とみなしてデータベースに格納されたガス成分のデータを修正するデータベース更新手段を備えるものとする。このことで、ＣＦＤ演算及び化学反応演算の結果として求められるＥＧＲガスの成分によりデータベースに格納されているガス成分のデータを修正して、シミュレーションの精度をさらに向上することができる。
【００２５】
請求項７の発明では、請求項４において、エンジンの燃焼室の状態を表す複数の物理量の値を、当該エンジンの運転条件に対応付けて予め設定したマップを備え、第１のデータ提供手段は、シミュレーションにおけるエンジンの運転条件に対応する前記物理量の値を前記マップから読み込み、この物理量の値とＣＦＤ演算手段による演算の結果とに基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求めるものとする。
【００２６】
このことで、エンジンの燃焼室の状態を表す複数の物理量、即ち、例えば燃焼室の空燃比（或いは燃料供給量）、燃焼室に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量、燃焼室の壁温等の値が、第１のデータ提供手段により、シミュレーションにおけるエンジンの運転条件（例えばエンジン負荷と回転速度等）に応じて予め設定したマップから読み込まれる。そして、その複数の物理量の値と、ＣＦＤ演算により求められる吸気の圧力や温度、吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合等に基づいて、化学反応演算に用いる作動ガスの成分を正確に求めることができる。
【００２７】
請求項８の発明では、請求項７の発明におけるデータベースを、予めエンジンの諸元に対応付けて複数、準備し、第１のデータ提供手段は、前記エンジンの諸元を特定する諸元データに基づいて、その諸元に対応するデータベースからガス成分のデータを読み込むものとする。
【００２８】
すなわち、燃焼に係るガス成分とその化学素反応は延べ３０００種類以上にも及ぶものであるから、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、データベースが大きくなり過ぎて、例えば検索時間が長くなる等の不都合を生じる。そこで、シミュレーションするエンジンの諸元と燃焼室の状態との間にはある程度の関連があることに着目して、予めエンジンの諸元毎にデータベースを準備することで、演算量の増大を抑制し、個々のデータベースの大きさは適度なものとすることができる。
【００２９】
請求項９の発明では、請求項７の発明におけるデータベースに格納されているガス成分のデータは、エンジンの燃焼に関与する吸気中のガス成分のうちから、予めエンジンの運転条件に対応付けて所定数以下となるように抽出したものとする。
【００３０】
すなわち、上述したように、燃焼に係る膨大なガス成分データを全て用いる場合には、種々の不都合を生じることになるから、この発明では、燃焼の状態を模擬する上で特に重要な（代表的な）ガス成分の反応のみに絞り込むようにする。その際、エンジンの運転条件によって代表的な化学反応の種類が変わることに鑑みて、ガス成分又は化学素反応を、その数がエンジンの運転条件に対応する所定数以下となるように抽出することで、演算量の増大を効果的に抑制し、また、データベースの大きさを適度のものとすることができる。
【００３１】
次に、本願の請求項１０の発明は、多気筒エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る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、このプログラムは、エンジンの吸気系におけるサージタンクのうち、吸気過程にある気筒に対応する所定部分には３次元のＣＦＤ演算モデルを設定し、それ以外の部分には１次元のＣＦＤ演算モデルを設定して、その１次元モデルを用いたＣＦＤ演算と３次元モデルを用いたＣＦＤ演算とを、所定のクランク角変化に対応する時間刻み毎に演算結果のデータを授受しながら並行して行い、吸気及び排気過程のそれぞれにおけるエンジンの作動ガスの流れを模擬するＣＦＤ演算ステップと、前記エンジンの圧縮及び膨張過程で少なくとも燃焼室における作動ガスを前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述する化学反応演算ステップと、少なくとも前記ＣＦＤ演算ステップにおける演算の結果に基づいて圧縮過程初期の燃焼室における作動ガスの成分を決定し、このガス成分のデータを前記化学反応演算ステップにおける演算の条件として提供する第１のデータ提供ステップと、少なくとも前記化学反応演算ステップにおける演算の結果に基づいて燃焼室からの排気の初期状態を決定し、この排気状態のデータを前記ＣＦＤ演算ステップにおける演算の条件として提供する第２のデータ提供ステップとを備えるものとする。
【００３２】
前記の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。
【００３３】
請求項１１の発明では、請求項１０の発明におけるＣＦＤ演算ステップで、エンジンの吸気過程で作動ガスである吸気を空気とＥＧＲガスとにより模擬して、それぞれの流れの状態を表す変数を演算し、化学反応演算ステップでは、エンジンの圧縮及び膨張過程における燃焼室の作動ガスを少なくとも窒素、酸素、炭化水素、炭酸ガス、窒素酸化物及び水蒸気により模擬して、それらの化学反応を記述し、第１のデータ提供ステップでは、少なくとも前記ＣＦＤ演算ステッップにおける演算の結果に基づいて、圧縮過程初期の燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求めて、これにより当該燃焼室における前記各ガス成分の割合を決定するようにする。
【００３４】
こうすれば、請求項３の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３５】
請求項１２の発明では、請求項１１の発明において、エンジンの燃焼室に充填された吸気のガス成分を、少なくともその吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合と圧縮過程初期における燃焼室の状態とに対応付けて予めグループ化した状態で格納したデータベースを準備しておいて、第１のデータ提供ステップでは、少なくとも前記ＣＦＤ演算ステップにおける演算の結果に基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求め、これらに対応するグループのガス成分データを前記データベースから読み込むものとする。
【００３６】
こうすれば、請求項４の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３７】
請求項１３の発明では、請求項１２の発明において、化学反応演算ステップにおける演算の結果に基づいて排気のガス成分を求め、これをＥＧＲガスの成分とみなして前記データベースにおけるガス成分のデータを修正するデータベース更新ステップを備えるものとする。
【００３８】
このことで、請求項６の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３９】
請求項１４の発明では、請求項１２の発明において、エンジンの燃焼室の状態を表す複数の物理量の値を、当該エンジンの運転条件に対応付けて予め設定したマップを準備して、第１のデータ提供ステップでは、シミュレーションにおけるエンジンの運転条件に対応する前記物理量の値を前記マップから読み込み、この物理量の値とＣＦＤ演算手段による演算の結果とに基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求めるようにする。
【００４０】
こうすれば、請求項７の発明と同じ作用効果が得られる。
【００４１】
請求項１５の発明では、請求項１４の発明におけるデータベースを、予めエンジンの諸元に対応付けて複数、準備しておいて、 第１のデータ提供ステップでは、前記エンジンの諸元を特定する諸元データに基づいて、その諸元に対応するデータベースからガス成分のデータを読み込むようにする。
【００４２】
こうすれば、請求項８の発明と同じ作用効果が得られる。
【００４３】
【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。
【００４４】
（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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
（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。
【００５４】
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す。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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条件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。
【００６１】
（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。
【００６２】
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条件（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条件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条件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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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、エンジンの運転条件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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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条件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。
【００６９】
（シミュレーションの手順）
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等をＰＣ端末５に入力させる。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。尚、前記３次元のＣＦＤモデルにおいて設計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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
そして、後述するが、前記ＣＦＤ演算の結果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た後に（Ｓ３４）、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）、その後、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、図の例ではスロットル弁の位置に対応する吸気流の境界条件（変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔ等）は定常運転状態では略一定であり、また、エンジンの運転条件が変化する過渡状態ではその変化に対応するように別途、エンジンの運転制御プログラムから与えられる。
【００７９】
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）。
【００８０】
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（Ｓ３４、Ｓ３５）、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。
【００８１】
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。
【００８２】
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、エンジン運転条件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。
【００８３】
前記図６に示すフローのステップＳ３におけるステップＳ３１〜３３，Ｓ４１〜４３が、エンジンの作動ガスである吸排気の流れをＣＦＤ演算により模擬するＣＦＤ演算ステップに対応している。また、ステップＳ５１〜５３が、気筒の圧縮及び膨張行程で該気筒内の燃焼室における作動ガスを吸排気に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述する化学反応演算ステップに対応している。
【００８４】
前記フローのステップＳ３４は、ＣＦＤ演算の結果に基づいて圧縮行程初期の燃焼室における作動ガスの成分を決定し、このガス成分のデータを化学反応演算の条件として提供する第１のデータ提供ステップと、その化学反応演算の結果に基づいて燃焼室からの排気の初期状態を決定し、この排気状態のデータを前記ＣＦＤ演算の条件として提供する第２のデータ提供ステップとに対応するとともに、さらに、前記化学反応演算により求められる排気のガス成分をＥＧＲガスの成分とみなして、化学反応ＤＢ１２におけるガス成分のデータを修正するデータベース更新ステップにも対応している。
【００８５】
そして、この実施形態の予測解析システムＡでは、演算サーバ１，１，…によって前記フローのステップＳ３１〜３３，Ｓ４１〜４３が実行されることにより、この演算サーバ１，１，…がＣＦＤ演算手段を構成する。また、同様にステップＳ５１〜５３を実行する演算サーバ１，１，…が化学反応演算手段を構成し、ステップＳ３４を実行する演算サーバ１，１，…が第１及び第２のデータ提供手段とデータベース更新手段とを構成する。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
また、ＥＧＲを行うようにした場合でも、吸気の流れをガス成分毎にＣＦＤ演算するのではなく、新気及びＥＧＲガスの２つの成分として演算するようにしており、このことによって、吸気中のＥＧＲガス割合の変化に柔軟に対応しながら、演算量を大幅に減らすことができる。一方、化学反応シミュレーションでは作動ガスを少なくとも窒素、酸素、炭化水素、炭酸ガス、窒素酸化物及び水蒸気により模擬することで、燃焼に係る化学反応を正確に記述して、精度の高いシミュレーションを行うことができる。
【００８９】
そして、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。
【００９０】
以上より、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、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することができる。
【００９１】
（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。
【００９２】
また、前記実施形態における化学反応ＤＢ１２を、例えば図８に示すように、エンジンの諸元に対応付けて複数、設けることもできる。すなわち、上述したように燃焼に係る化学素反応は膨大なものであるから、前記実施形態のようにエンジンの運転条件に対応する代表的なものだけを抽出したとしても、それらを運転条件毎にグループ化して１つのデータベースに格納すると、当該データベースが大きくなり過ぎて、例えば検索時間が長くなる等の不都合を生じる。
【００９３】
そこで、エンジンの諸元と燃焼室の状態との間にある程度の相関関係があることに着目して、図示の如く予めエンジンの諸元毎に複数のデータベースＤＢ１２ａ，ＤＢ１２ｂ，ＤＢ１２ｃ，…を設けておき、シミュレーション中のエンジンの諸元に対応するデータベースからガス成分のデータを読み込むようにすれば、個々のデータベースＤＢ１２ａ，ＤＢ１２ｂ，ＤＢ１２ｃ，…の大きさはそれぞれ適度なものとすることができる。
【００９４】
さらに、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。
【００９５】
【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、エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る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場合に、ＣＦＤと化学反応シミュレーションとを組み合わせてダイナミックに解くとともに、流れを模擬するＣＦＤ演算では作動ガスを相対的に少ないガス成分とし、一方、燃焼を模擬する化学反応式の演算では、その精度を確保できるように相対的に多くのガス成分を用いるようにしたので、従来までと比べてシミュレーションの精度を向上しながら、演算に要する時間は短縮して、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上することができる。
【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】 化学反応ＤＢを複数設けた他の実施形態に係る図１相当図。
【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（ＣＦＤ演算手段、化学反応演算手段、第１及び第２のデータ提供手段、データベース更新手段）
１２ 化学反応ＤＢ（データベース）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a predictive analysis method, a predictive analysis system, and a predictive analysis system for predicting the performance of an engine by performing a simulation that simulates the state of the working gas of the engine by applying at least CFD (Computational Fluid Dynamics) It relates to the control program.
[0002]
[Prior art]
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.
[0003]
As such a simulation technique, it is a general practice to analyze the motion of intake and exhaust gas, which are working gases, by applying CFD and predict the performance of the engine 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 virtual experiment. By doing so, it is possible to reduce the development man-hours spent on repeating trial productions and experiments, and to perform efficient design and development.
[0004]
For combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber in the cylinder, there is a simulation program in which reactions of many gas components contained in the air-fuel mixture are described by chemical reaction equations. This is mainly due to the reaction between hydrocarbons supplied as fuel and oxygen in the air, intermediate products such as carbon monoxide produced in the combustion process and oxygen, or nitrogen in the air at high temperatures. The state of combustion is simulated by sequentially describing a total of more than 3000 kinds of chemical reactions related to combustion, such as a reaction in which nitrogen oxides are combined with oxygen.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese translation of PCT publication No. 2002-526762
[0006]
[Patent Document 2]
JP 2002-148147 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is no simulation system that simulates the operating state of the engine by integrally combining the simulation of the flow of intake and exhaust air accompanying the operation of the engine and the chemical reaction simulation that simulates combustion. This is because, in the CFD calculation that simulates the flow of intake and exhaust, values of variables such as pressure and temperature that represent the state of the working gas flow are sequentially obtained by solving a well-known hydrodynamic equation by numerical calculation. On the other hand, the chemical reaction simulation that simulates combustion describes the chemical reaction of the gas component as described above, and dynamically solves it by appropriately combining the results of two simulations that differ greatly in the calculation target. Because it is difficult.
[0008]
In particular, when a part of the exhaust of the engine is recirculated to the intake system (Exhaust Gas Recirculation: hereinafter abbreviated as EGR), new air supplied to the engine from the outside (also referred to as fresh air) In addition, exhaust gas recirculated from the exhaust system (also referred to as EGR gas) is included, and this EGR gas contains much more fuel unburned, carbon dioxide, nitrogen oxides, water vapor, etc. than fresh air. Therefore, the handling becomes a problem. That is, it is preferable that the flow of intake air including a plurality of gas components having greatly different molecular weights be calculated individually for each gas component, but this significantly increases the amount of CFD calculation. It takes too much time and is not practical.
[0009]
In addition, if only the calculation of the chemical reaction simulation is described as described above, if all of the enormous number of chemical reactions are described, the amount of calculation for that is extremely large, and the simulation may be delayed. There is.
[0010]
The present invention has been made in view of such various points, and an object of the present invention is to solve both of them dynamically by combining CFD calculation and calculation of a chemical reaction formula in a simulation for predicting engine performance. Thus, while improving the accuracy of simulation, the time required for calculation is shortened, and the practicality as a design / development support tool is improved.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, for the CFD calculation in which the component of the working gas does not significantly affect the accuracy, the working gas is simulated by a smaller number of gas components than the chemical reaction simulation. Thus, the component of the working gas used for the chemical reaction simulation can be specified from the result of the CFD calculation in the intake process.
[0012]
Specifically, the invention of claim 1 Multi-cylinder A prediction analysis method for predicting the performance of an engine by performing a simulation that simulates a state of a working gas from at least a part of an intake system to a part of an exhaust system of the engine is an object. The engine combustion cycle is divided into four processes: intake, compression, expansion, and exhaust. Among the surge tanks in the intake system, a three-dimensional CFD calculation model is set for a predetermined portion corresponding to a cylinder in the intake process, and a one-dimensional CFD calculation model is set for the other portions. A CFD calculation using a model and a CFD calculation using a three-dimensional model are performed in parallel while exchanging calculation result data for each time step corresponding to a predetermined crank angle change, Intake and exhaust process of Respectively In Engine gas flow Write On the other hand, in the compression and expansion processes, at least the working gas in the combustion chamber is simulated by a larger number of gas components than in the intake and exhaust processes, and the state is described by the calculation of a chemical reaction equation, and at least the intake process The component of the working gas at the initial stage of the compression process used for the calculation of the chemical reaction formula is determined based on the result of the CFD calculation in the above, and at least in the CFD calculation based on the calculation result of the chemical reaction formula in the expansion process. The initial state of the exhaust from the combustion chamber is determined.
[0013]
When simulating engine operation by the above method, first, the combustion cycle of the engine is divided into four processes of intake, compression, expansion and exhaust. 1D and 3D A CFD operation is performed, while a chemical reaction simulation is performed in the compression and expansion processes. That is, for example, in the case of a four-cycle engine, the intake and exhaust flow states are described by CFD calculation in the intake and exhaust strokes corresponding to the four strokes of intake, compression, expansion, and exhaust, which are distinguished by piston operation. On the other hand, in the compression and expansion strokes, the chemical reaction equation is calculated by simulating at least the intake gas filled in the combustion chamber with a larger number of gas components than in the intake and exhaust processes.
[0014]
At that time, as a result of the CFD calculation in the intake process, the pressure and temperature of the intake gas charged in the cylinder, that is, the state of the working gas in the combustion chamber at the initial stage of the compression process is accurately obtained. It is possible to perform chemical reaction simulation by specifying the components. On the other hand, the chemical reaction simulation accurately calculates the initial values of the burned gas from the combustion chamber, that is, the pressure and temperature of the exhaust, and based on this, accurate CFD calculation of the exhaust can be performed. .
[0015]
If the result of the CFD calculation and the calculation result of the chemical reaction equation are mutually used in such a manner and can be solved dynamically by appropriately combining the two, the accuracy of the simulation can be improved. Moreover, in the chemical reaction simulation describing the chemical reaction of gas components, the simulation accuracy can be improved by simulating the working gas with a relatively large number of gas components, while in the CFD operation describing the flow state, the operation is activated. By simulating the gas with relatively few gas components, it is possible to significantly reduce the time required for calculation while ensuring the required accuracy.
[0016]
When the present invention is applied to the simulation of a two-cycle engine, for example, after the scavenging port (intake port) facing the combustion chamber is opened as the piston descends, the piston goes up after passing through the bottom dead center. The period until the scavenging port is closed is taken as the intake process, and then the period during which the intake air is compressed by the rise of the piston is taken as the compression process. Then, the exhaust process may be performed until the piston is further lowered and the scavenging port is opened. Alternatively, considering that the exhaust of combustion gas is promoted by fresh air flowing in after the scavenging port is opened, the exhaust process is performed until a predetermined period elapses after the scavenging port is opened. Thus, the intake process may be performed until the scavenging port is closed.
[0017]
Next, the invention of claim 2 of the present application is Multi-cylinder A computer system for predicting the performance of an engine by simulating the state of the working gas from at least part of the intake system to part of the exhaust system of the engine is an object. And the engine Among the surge tanks in the intake system, a three-dimensional CFD calculation model is set for a predetermined portion corresponding to a cylinder in the intake process, and a one-dimensional CFD calculation model is set for the other portions. A CFD calculation using a model and a CFD calculation using a three-dimensional model are performed in parallel while exchanging calculation result data for each time step corresponding to a predetermined crank angle change, Intake and exhaust process of Respectively In Engine gas flow Imitate Simulating CFD calculation means, and at least the working gas in the combustion chamber in the compression and expansion processes of the engine is simulated by a larger number of gas components than in the intake and exhaust processes, and the state is described by the calculation of the chemical reaction formula First, a chemical reaction calculating means and a component of the working gas in the combustion chamber at the initial stage of the compression process are determined based on at least a result of the calculation by the CFD calculating means, and data of the gas component is provided to the chemical reaction calculating means. Data providing means, and second data providing means for determining an initial state of exhaust from the combustion chamber based on at least a result of the calculation by the chemical reaction calculating means, and providing the exhaust state data to the CFD calculating means .
[0018]
According to the above-described system, the flow of the working gas during the intake and exhaust processes is simulated during the engine operation simulation. 1D and 3D In addition to being described by the CFD calculation, the working gas is simulated by a larger number of gas components in the compression and expansion processes than in the intake and exhaust processes, and the reaction is described by the calculation of the chemical reaction equation. In addition, based on at least the result of the CFD calculation, the first data providing means obtains the component of the working gas in the combustion chamber at the initial stage of the compression process, and this is provided to the calculation of the chemical reaction formula. Based on the calculation result of the reaction formula, the initial state of the exhaust is obtained by the second data providing means, and this is provided to the CFD calculation. In this way, the predictive analysis method according to the first aspect of the present invention is executed, and the effects thereof are obtained.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, the CFD calculating means in the second aspect of the invention simulates intake air, which is a working gas in the intake process of the engine, with air and EGR gas, and calculates variables representing respective flow states. In addition, the chemical reaction calculation means simulates the combustion chamber working gas in the compression and expansion processes of the engine with at least nitrogen, oxygen, hydrocarbons, carbon dioxide, nitrogen oxides and water vapor, and performs the chemical reaction. Shall be described. Further, the first data providing means determines at least the state of the combustion chamber at the initial stage of the compression process and the ratio of the air and EGR gas in the intake air filled in the combustion chamber based on the result of the calculation by the CFD calculating means. The ratio of each gas component in the combustion chamber is determined by this.
[0020]
Thus, in the intake process, the intake air (working gas) is simulated by air and EGR gas, and the respective flow states are individually calculated, so that the ratio of EGR gas to intake air in accordance with changes in engine operating conditions Even if is changed, it is not necessary to change the working gas itself, and the calculation can be easily performed. On the other hand, in the compression and expansion processes, the working gas is simulated with at least nitrogen, oxygen, hydrocarbons, carbon dioxide, nitrogen oxides, and water vapor, so that the chemical reaction related to combustion is accurately described and a highly accurate simulation is performed. be able to.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, the gas component of the intake air filled in the combustion chamber of the engine includes at least the ratio of air and EGR gas in the intake air and the state of the combustion chamber in the initial stage of the compression process. The first data providing means provides at least the result of the calculation by the CFD calculation means and the state of the combustion chamber in the initial stage of the compression process and the combustion. It is assumed that the ratio of the air and EGR gas in the intake air filled in the chamber is obtained, and the gas component data of the corresponding group is read from the database.
[0022]
Thus, based on the ratio of air and EGR gas in the intake air determined by CFD calculation or the like and the state of the combustion chamber in the early stage of the compression process, the corresponding gas component data is obtained from the database by the first data providing means. Is read, and the component of the working gas in the chemical reaction calculation is specified.
[0023]
In the fifth aspect of the present invention, it is assumed that the intake gas component data stored in the database of the fourth aspect of the invention is set experimentally in advance. Thus, since the component of the working gas used for the chemical reaction calculation is obtained based on the data of the gas component obtained experimentally in advance, a highly accurate simulation can be performed.
[0024]
In the invention of claim 6, in the invention of claim 4, the gas component of the exhaust gas is obtained based on the result of the calculation by the chemical reaction calculating means, and the gas component data stored in the database is regarded as the component of the EGR gas. It is assumed that database update means for correcting the above is provided. As a result, the data of the gas component stored in the database can be corrected with the component of the EGR gas obtained as a result of the CFD calculation and the chemical reaction calculation, and the simulation accuracy can be further improved.
[0025]
According to a seventh aspect of the present invention, in the fourth aspect, the first data providing means comprises a map in which a plurality of physical quantity values representing the state of the combustion chamber of the engine are preset in association with the operating conditions of the engine. Then, the physical quantity value corresponding to the engine operating condition in the simulation is read from the map, and based on the physical quantity value and the calculation result by the CFD calculation means, the state of the combustion chamber in the initial stage of the compression process and the combustion chamber It is assumed that the ratio of air and EGR gas in the filled intake air is obtained.
[0026]
Thus, a plurality of physical quantities representing the state of the combustion chamber of the engine, for example, the air-fuel ratio (or fuel supply amount) of the combustion chamber, the amount of burnt gas (internal EGR gas) remaining in the combustion chamber, Values such as wall temperature are read from a map set in advance according to the engine operating conditions (for example, engine load and rotational speed) in the simulation by the first data providing means. Then, based on the values of the plurality of physical quantities, the pressure and temperature of the intake air determined by the CFD operation, the ratio of air and EGR gas in the intake air, etc., the component of the working gas used for the chemical reaction operation can be accurately determined. it can.
[0027]
In the invention of claim 8, a plurality of databases according to the invention of claim 7 are prepared in advance in association with the specifications of the engine, and the first data providing means uses the specification data for specifying the specifications of the engine. Based on the data, gas component data is read from a database corresponding to the specifications.
[0028]
That is, since there are over 3000 kinds of gas components and chemical reactions involved in combustion, if you try to calculate all of them, the amount of calculations will increase significantly, and the simulation time will be prolonged. I will let you. Also, if all these data are stored in groups according to the state of the combustion chamber, etc., the database becomes too large, causing problems such as an increase in search time. Therefore, paying attention to the fact that there is a certain degree of relationship between the specifications of the engine to be simulated and the state of the combustion chamber, by preparing a database for each of the engine specifications in advance, an increase in the amount of computation is suppressed. The size of individual databases can be moderate.
[0029]
According to the ninth aspect of the present invention, the gas component data stored in the database of the seventh aspect of the invention is determined in advance in association with engine operating conditions from among the gas components in the intake air involved in engine combustion. It is assumed that the number is extracted so that it is less than a few.
[0030]
That is, as described above, when all the enormous amount of gas component data related to combustion is used, various inconveniences occur. Therefore, the present invention is particularly important in simulating the state of combustion (typical) N) Try to narrow down to only gas component reactions. At that time, considering that the type of typical chemical reaction varies depending on the operating condition of the engine, the number of gas components or chemical reactions should be extracted so that the number thereof is less than or equal to the predetermined number corresponding to the operating condition of the engine. Therefore, it is possible to effectively suppress an increase in the calculation amount and to make the database size appropriate.
[0031]
Next, the invention of claim 10 of the present application is Multi-cylinder A control program for a computer system for predicting the performance of an engine by simulating the state of the working gas from at least part of the intake system to part of the exhaust system of the engine is targeted. And this program is engine Among the surge tanks in the intake system, a three-dimensional CFD calculation model is set for a predetermined portion corresponding to a cylinder in the intake process, and a one-dimensional CFD calculation model is set for the other portions. A CFD calculation using a model and a CFD calculation using a three-dimensional model are performed in parallel while exchanging calculation result data for each time step corresponding to a predetermined crank angle change, Intake and exhaust process of Respectively In Engine gas flow Imitate Simulates the CFD calculation step, and at least the working gas in the combustion chamber in the compression and expansion processes of the engine with more gas components than in the intake and exhaust processes, and describes the state by calculating the chemical reaction formula The component of the working gas in the combustion chamber in the early stage of the compression process is determined based on the chemical reaction calculation step and at least the result of the calculation in the CFD calculation step, and the data of this gas component is provided as the calculation condition in the chemical reaction calculation step And determining an initial state of exhaust from the combustion chamber based on at least a result of the calculation in the chemical reaction calculation step and providing the exhaust state data as a calculation condition in the CFD calculation step And a second data providing step.
[0032]
By controlling the computer system with the program, the computer system becomes an engine performance prediction analysis system according to the invention of claim 2, and thereby, the same operation effect as that of the invention of claim 2 can be obtained.
[0033]
In the eleventh aspect of the invention, in the CFD calculating step in the tenth aspect of the invention, intake air, which is a working gas, is simulated by air and EGR gas in the intake process of the engine, and variables representing the respective flow states are calculated. In the chemical reaction calculation step, the working gas in the combustion chamber in the compression and expansion processes of the engine is simulated by at least nitrogen, oxygen, hydrocarbons, carbon dioxide, nitrogen oxides and water vapor, and their chemical reactions are described. In the data providing step 1, at least based on the calculation result in the CFD calculation step, the state of the combustion chamber at the initial stage of the compression process and the ratio of air and EGR gas in the intake air filled in the combustion chamber are obtained. Thereby, the ratio of each gas component in the combustion chamber is determined.
[0034]
Thus, the same effect as that attained by the 3rd aspect can be attained.
[0035]
According to the invention of claim 12, in the invention of claim 11, the gas component of the intake gas filled in the combustion chamber of the engine is changed to at least the ratio of air and EGR gas in the intake air and the state of the combustion chamber in the initial stage of the compression process. A database stored in a state of being grouped in advance is prepared, and in the first data providing step, at least based on the result of the calculation in the CFD calculation step, the state of the combustion chamber in the initial stage of the compression process and the state It is assumed that the ratio of the air and EGR gas in the intake air filled in the combustion chamber is obtained, and the gas component data of the corresponding group is read from the database.
[0036]
Thus, the same effect as that attained by the 4th aspect can be attained.
[0037]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the twelfth aspect of the present invention, the exhaust gas component is obtained based on the calculation result in the chemical reaction calculation step, and this is regarded as the EGR gas component, and the gas component data in the database is corrected. A database update step is provided.
[0038]
Thus, the same effect as that attained by the 6th aspect can be attained.
[0039]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the twelfth aspect of the invention, a map is prepared in which a plurality of physical quantity values representing the state of the combustion chamber of the engine are set in advance in association with the operating conditions of the engine. In the data providing step, the value of the physical quantity corresponding to the engine operating condition in the simulation is read from the map, and based on the value of the physical quantity and the calculation result by the CFD calculation means, the state of the combustion chamber in the initial stage of the compression process The ratio of air and EGR gas in the intake air filled in the combustion chamber is obtained.
[0040]
Thus, the same effect as that attained by the 7th aspect can be attained.
[0041]
According to the fifteenth aspect of the present invention, a plurality of databases according to the fourteenth aspect of the present invention are prepared in advance in association with the engine specifications, and in the first data providing step, the specifications for specifying the engine specifications are prepared. Based on the original data, the gas component data is read from the database corresponding to the specifications.
[0042]
Thus, the same effect as that attained by the 8th aspect can be attained.
[0043]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0044]
(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 describes the flow of intake and exhaust, which are working gases of the engine, by one-dimensional or three-dimensional CFD calculation, and describes the combustion in the cylinder by a chemical reaction formula, and combines them, A simulation that simulates driving is performed. The feature of this system is that both data transfer between one-dimensional and three-dimensional CFD calculations and data transfer between CFD calculation and chemical reaction simulation (chemical reaction SIM) are both automated. By analyzing the flow of intake / exhaust gas from the engine to the catalytic converter dynamically, an extremely accurate simulation can be easily performed.
[0045]
Reference numerals 1, 1,... Shown are computer apparatuses that mainly perform CFD and chemical reaction simulation operations. In this embodiment, a high-speed server computer is used in order to cope with a particularly large calculation amount of three-dimensional CFD. A plurality of units are connected in parallel and used (hereinafter referred to as a 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 connected. The storage device includes at least one-dimensional and three-dimensional CFD calculation programs for simulating intake and exhaust flows, a dedicated preprocessor for constructing a physical model therefor, and a chemical reaction simulation program for simulating a combustion state And an image processing program for displaying an image of a result of simulation by each of the programs.
[0046]
The arithmetic servers 1, 1,... Can access the component database DB11 by a general method as needed during the operation. In the component DB 11, models of engine physical models used for one-dimensional and three-dimensional CFD calculations are stored in advance in a state classified for each part of the engine, and are newly constructed by the preprocessor. Model 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. This is a part model that simulates the shape and whose physical property values such as dimensions, shape and material, surface state, and thermal conductivity can be changed, and will be referred to as a template part in this embodiment.
[0047]
By providing the template part database DB11 that can change dimensions, shapes, and physical property values in this way, it is extremely easy to perform CFD computations simply by inputting dimensions and combining the template parts read from the part DB11. A physical model of the engine can be built. Moreover, once the model thus constructed is newly stored in the parts DB 11, the model can be easily corrected as necessary, and the engine design can be easily changed. Can do.
[0048]
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. The information is stored in a grouped state in association with a set. Therefore, as will be described in detail later, depending on 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 described respectively. By this, the combustion state can be simulated.
[0049]
Reference numeral 2 shown in the figure is a computer device that is connected to an experimental data database DB 13 (experiment DB) that correlates engine specification values, physical characteristics, and performance characteristics with each other, and manages the data (hereinafter, referred to as “data base”). Called experimental DB server). In other words, data accumulated in the course of past experiments and developments related to engines and transmissions are organized by well-known statistical analysis methods, such as engine values such as compression ratio and intake pipe length, and their physical characteristics ( For example, volume efficiency, combustion characteristics, loss coefficient, 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.
[0050]
Reference numeral 3 shown in the figure is a three-dimensional CAD computer device 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 needed during its operation, The design CAD data can be called or changed and newly stored. That is, three-dimensional design CAD data of various engines is stored in the design DB 14 in a state where it can be extracted and used for each part of the intake system, cylinder, exhaust system, and the like.
[0051]
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 at each PC terminal 5, each PC terminal 5 is connected to the calculation servers 1, 1,... A client environment is configured, and an engine operation simulation is executed while exchanging commands and files mainly with the arithmetic servers 1, 1,.
[0052]
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.
[0053]
(CFD calculation)
Next, an operation simulation of a four-cycle four-cylinder gasoline engine will be described as a specific example for the one-dimensional and three-dimensional CFD calculations. In this embodiment, in order to shorten the time required for the CFD calculation as much as possible, basically only a necessary part and process are replaced with a three-dimensional CFD based on the one-dimensional CFD. That is, for example, as shown in FIGS. 2 (a) to (d), a catalytic converter (not shown) passes through a combustion chamber of the first to fourth cylinders c1 to c4 from a throttle valve (not shown) upstream of the intake passage of the engine. )), A portion s1 of the surge tank corresponding to each cylinder c1, c2,... Corresponding to the cylinder c1, c2,. Only ~ s4 is replaced with a three-dimensional model.
[0054]
More specifically, in the illustrated one-dimensional model Mb, basically, an independent intake passage from the surge tank to each cylinder and an intake passage common to each cylinder from the throttle valve to the surge tank are respectively piped. In the same way, an independent exhaust passage from each cylinder to the exhaust manifold assembly and a common exhaust passage from the exhaust assembly to the catalytic converter inlet are respectively shown. Expressed as a collection of pipes. Further, an EGR passage that recirculates a part of the exhaust from the exhaust collection part to the upstream of the surge tank and the surge tank itself are also represented as a collection of pipes. The first to fourth cylinders c1 to c4 are each represented as a variable capacity container.
[0055]
In such a one-dimensional model Mb, it is assumed that the flow of intake and exhaust flowing through the pipe is a one-dimensional flow of a compressible fluid, and the pressure p, density ρ, velocity u, and By solving the well-known mass conservation, momentum conservation, and energy conservation equations for each variable of temperature T by numerical calculation, it is possible to describe the state of the flow that changes temporally and spatially. In addition, it is assumed that the internal state of the container is uniform, and the fluid flowing in from the pipes is instantaneously and uniformly distributed. The conservation equation is solved below. In each storage type, the influence of the bending of the pipe line, friction on the wall surface, heat loss and the like is also taken into consideration.
[0056]
For example, when the first cylinder c1 is in the intake stroke, the part from the surge tank corresponding to the first cylinder c1 to the inlet of the independent intake passage is made into a three-dimensional model s1 as shown in FIG. Instead, the flow of the intake air in that portion is simulated as a three-dimensional flow. That is, the shape of the inner wall of a part s1 of the surge tank and the inlet portion of the independent intake passage from the first cylinder c1 to the first cylinder c1 is represented by a three-dimensional model, and the flow of intake air flowing along the wall surface is 3 Each of the conservation equations is solved as a dimensional flow.
[0057]
Here, when EGR (Exhaust Gas Recirculation) is performed, the intake air includes new air (new air) supplied from the outside to the engine and exhaust gas (EGR gas) recirculated from the exhaust system. In particular, EGR gas contains various hydrocarbon molecules with different molecular weights in the unburned state in addition to water vapor and carbon dioxide gas. Strictly speaking, the flow calculation is performed individually for each type of such gas. It may be preferable to do so. However, since the gas component does not change during the transportation of the intake air, in this embodiment, the intake air is divided into two parts, fresh air and EGR gas, and the flow variables p, ρ, u, and T are respectively set. When calculating and transferring the calculation result data to another program, the flow variables p, ρ, u, and T of the entire intake air are obtained by adding the calculation results of the two gas components. .
[0058]
For example, when the intake flow changes from a one-dimensional flow to a three-dimensional flow, the intake variables p, ρ, u, and T obtained by adding together as described above are uniform in the cross-section of the intake flow in the one-dimensional flow. Therefore, this may be given as an initial condition or boundary condition for the three-dimensional CFD calculation as it is. On the other hand, when the intake flow changes from a three-dimensional flow to a one-dimensional flow, the three-dimensional intake flow variables p, ρ, u, and T obtained by adding together the fresh air and the EGR gas as described above are traversed. After averaging over the entire surface, it may be given as an initial condition or boundary condition for the one-dimensional CFD calculation. In other words, the flow variables p, ρ, u, and T have a certain degree of uniformity over the entire cross-section so that a sufficiently accurate simulation can be performed even if such variables are converted. What is necessary is just to make it switch.
[0059]
As described above, a three-dimensional model is used only for a specific part of the part extending from the intake system to the exhaust system of the engine, and only for a process selected in advance from the processes of intake, compression, expansion, and exhaust. By performing CFD computation of dimensions and assuming that the other dimensions are 0-dimension or 1-dimension, in this embodiment, while ensuring sufficient simulation accuracy, the computation amount for that is greatly reduced and analysis is performed. Can be shortened. Specifically, as shown in FIG. 3, a one-dimensional and three-dimensional CFD is used over the entire stroke of intake, compression, expansion, and exhaust of each cylinder using a model that represents the entire surge tank in three dimensions. Compared with the conventional system that performs the calculation, the amount of calculation can be reduced to about one fourth in the system of this embodiment.
[0060]
In addition, since the flow of the intake air containing a large number of gas components is not calculated for every gas component, it is calculated for every two components of fresh air and EGR gas. Since the working gas is simulated with considerably smaller gas components than the chemical reaction simulation described later, the calculation amount can be greatly reduced in this respect, and the analysis time can be shortened. It should be noted that the flow of intake air, which is a working gas, is obtained by CFD calculation. If this is calculated separately for fresh air and EGR gas, sufficiently high accuracy can be obtained. Also, even if the ratio of fresh air and EGR gas changes with changes in engine operating conditions, it is not necessary to change the working gas itself, so that simulation can be performed easily.
[0061]
(Chemical reaction simulation)
As described above, the flow of intake and exhaust in the intake and exhaust strokes of each cylinder is simulated by CFD calculation, and in this embodiment, the cylinders in the compression and expansion strokes, such as the air-fuel mixture and combustion gas inside thereof, Ignore the motion and perform a chemical reaction simulation that simulates the combustion state. Specifically, first, by the one-dimensional or three-dimensional CFD calculation as described above, the state of the intake air (fresh air and EGR gas) filled in the combustion chamber in the cylinder, that is, the respective pressures of the fresh air and EGR gas. The sum of p, density ρ, velocity u and temperature T is obtained. At that time, considering that the bottom dead center of the cylinder is different from the closing timing of the intake valve, the CFD calculation also simulates the blow-back of the intake air once flowing into the cylinder.
[0062]
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. Further, the ratio of EGR gas in the intake air is also obtained. 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 engine operating conditions is provided, and based on the engine operating conditions during the simulation. A plurality of physical quantity values are read from the map.
[0063]
As described above, when a plurality of physical quantity values representing the state of the combustion chamber in the initial stage of the compression stroke including the EGR gas amount in the intake air and the like are obtained based on the result of the CFD calculation and the engine operating conditions, As schematically shown in FIG. 4, by reading a 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 can be simulated by CFD flow simulation and engine operating conditions. And can be made appropriate.
[0064]
As shown in FIG. 4, the data of the gas component group in the chemical reaction DB 12 is mainly included in various hydrocarbons supplied as fuel, nitrogen and oxygen in the air, and mainly EGR gas. From hydrocarbons, carbon dioxide, nitrogen oxides, water vapor, and the like, representative ones corresponding to a set of physical quantities representing the state of the cylinder are extracted and stored together with their reaction formulas. That is, generally speaking, if all of the chemical species related to engine combustion and their elementary reactions are listed, this is more than about 3000 types (see FIG. 5). Will significantly increase the simulation time. Further, if all these data are to be grouped and stored in accordance with the state of the combustion chamber, etc., the chemical reaction DB 12 becomes too large, causing various inconveniences such as a long search time.
[0065]
In this respect, if we narrow down to not only all the chemical reactions but only 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 according to engine operating conditions are extracted to be a predetermined number (for example, 100) or less, and only representative gas components corresponding thereto are extracted. Is stored in the chemical reaction DB 12. 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.
[0066]
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 increases as the piston rises, and the temperature T increases accordingly. The reaction of each gas component under such conditions will be described sequentially, taking into account the fact that heat is 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.
[0067]
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 variables p, ρ, u, and T representing the state of burned gas (exhaust gas) discharged from the firing chamber when the cylinder moves to the exhaust stroke are obtained based on the expansion of the combustion chamber volume accompanying the above. These variables are given as exhaust flow boundary conditions in the above-described CFD calculation program. The exhaust density ρ can be obtained from the composition of burned gas in the cylinder. Further, since the flow in the cylinder in the compression and expansion strokes is regarded as zero, the initial value of the exhaust flow velocity u is zero.
[0068]
The composition of the burned gas in the cylinder obtained by the chemical reaction simulation as described above is also used for updating the chemical reaction DB 12. That is, as described above, the data of the gas component group stored in the chemical reaction DB 12 is determined in association with the pressure p in the cylinder, the temperature T, the ratio of EGR gas in the intake air, and the like. The composition of the EGR gas that is the basis of the data is obtained in advance by experiments or the like. In this embodiment, the gas component of the data is corrected by a predetermined method based on the exhaust composition obtained as a result of the chemical reaction simulation as described above. For example, the exhaust gas obtained by the simulation is regarded as EGR gas as it is, and the ratio of hydrocarbon, carbon monoxide, nitrogen oxide, etc. is appropriately weighted in the gas component group data of the corresponding operation condition in the chemical reaction DB 12. Just fix it. By performing such correction, the data of the gas component is corrected based on the results of the CFD calculation and the chemical reaction calculation, thereby further improving the accuracy of the chemical reaction simulation.
[0069]
(Simulation procedure)
Next, a simulation procedure by the engine performance prediction analysis system A according to this embodiment will be specifically described. As shown in the outline of the main program in FIG. 6, first, initial setting data for engine simulation is input by an operator performing a predetermined input operation according to a screen display or the like at any of the PC terminals 5, 5,. (S1). For example, the four-cylinder engine shown in FIG. 2 will be described. Physical data representing physical characteristics such as specification values, geometric data representing dimensions and shapes of intake and exhaust systems, combustion chambers, etc., and heat transfer coefficient thereof. Instead of the data or the detailed data, a code for designating engine data stored in the experiment DB 13 or the design DB 14, and further, the operating conditions of the engine to be simulated are input to the PC terminal 5.
[0070]
Further, it is selected which part of the engine is to use the three-dimensional model, and further, which one part or three-dimensional CFD calculation is to be performed for the part in the intake stroke and the exhaust stroke of the cylinder. That is, for example, if the purpose of analysis is to support the design and development of the intake system of the engine, the operator uses a three-dimensional model for the surge tank as shown in FIG. What is necessary is just to select performing a three-dimensional CFD calculation in a process. In this way, by analyzing the intake air flow from the surge tank toward the independent intake passage as a three-dimensional flow, the physical characteristics of the engine, such as volumetric efficiency, can be accurately determined regardless of changes in the engine load state and rotational speed. This makes it possible to accurately predict performance characteristics such as engine output.
[0071]
Subsequently, in step S2, a model for simulation is constructed according to the initial setting data input in step S1, and is temporarily stored. That is, for example, as shown in FIG. 2, a one-dimensional CFD model Mb extending from a part of the intake system to a part of the exhaust system, and a three-dimensional CFD model s1 in which a surge tank is divided for each cylinder c1 to c4. ... S4 are constructed and stored in the internal storage devices of the calculation servers 1, 1,. As for the chemical reaction simulation, a container model that defines changes in the cylinder volume with respect to changes in the crank angle, changes in the heat transfer coefficient according to the cylinder wall temperature, and the like is constructed. 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.
[0072]
More specifically, when the three-dimensional CFD model is constructed, for example, three-dimensional design CAD data representing the shape of the surge tank is read from the design DB 14 into the PC terminal 5 based on the initial setting data, and a boundary surface or A model creation command attached with data specifying mesh information is created and transmitted to the calculation servers 1, 1,. Upon receiving this command, the computation server 1, 1,... Starts the preprocessor, attaches a layer mesh of a predetermined size to the inner wall surface of each part of the surge tank, and cuts the internal mesh. Become.
[0073]
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,. A template part data representing a basic shape is read, and the dimensions, shape, etc. of the part are changed to construct a three-dimensional model having a mesh for CFD calculation. In the three-dimensional CFD model, a mesh of design CAD data can be used as it is.
[0074]
Using the model constructed as described above, in step S3, simulation is performed to simulate the flow of intake and exhaust during engine operation and the state of combustion in the combustion chamber in a predetermined dimension for each of the intake, compression, expansion, and exhaust strokes. Perform the operation. To give an example of the details of the arithmetic processing, in this embodiment, while the PC terminal 5 and the arithmetic servers 1, 1,... , 1,..., 1D and 3D CFD operations and chemical reaction simulation are executed simultaneously in parallel.
[0075]
For example, as a processing procedure of the CFD calculation, first, a one-dimensional CFD calculation model Mb is read (step S31), and initial conditions at the beginning of the simulation, that is, intake and exhaust flow variables p, ρ, u, T, and engine operation are read. A condition or the like is input (S32), and based on this, a numerical calculation of a one-dimensional flow conservation formula is performed (S33). That is, the intake and exhaust states (p, ρ, u, T) from the downstream of the throttle valve through the combustion chambers of the cylinders c1 to c4 to the exhaust passage at the time when the minute crank angle has changed from the beginning of the simulation, Calculate along the flow.
[0076]
At this time, as shown in FIG. 2 (a), if the first cylinder c1 is in the intake stroke, the flow at the boundary portion from the one-dimensional flow to the three-dimensional flow in the portion s1 of the surge tank corresponding to the cylinder c1. When the state (p, ρ, u, T) is obtained, the one-dimensional calculation is temporarily stopped, and the calculation result is transferred to the PC terminal 5 as a data file. Upon receiving this file, the PC terminal 5 converts the one-dimensional flow data into three-dimensional flow data, creates an execution file of the three-dimensional CFD program, and returns it to the arithmetic servers 1, 1,. Upon receiving the execution file, the arithmetic servers 1, 1,... Start the three-dimensional CFD program, first read the three-dimensional model s1 of the surge tank corresponding to the first cylinder c1 (S41), (Boundary condition) is input (S42), a numerical calculation is performed with respect to a three-dimensional flow storage formula, and the calculation result is stored (S43). Among the calculation results, the data of the flow variables p, ρ, u, and T at the boundary between the surge tank and the downstream independent intake passage are transferred to the PC terminal 5, and this time, the three-dimensional data is converted into one-dimensional data. It is converted into data and sent back to the calculation servers 1, 1,.
[0077]
Then, based on the returned data, the one-dimensional CFD program is restarted, and the flow of intake and exhaust from the independent intake passage to the combustion chamber of the first cylinder c1 and further to the exhaust passage downstream thereof is calculated. The calculation result is stored (S33). In this way, the intake and exhaust states (p, ρ, u, T) after a slight change in the crank angle from the beginning of the simulation are calculated over the entire engine model Mb, and the calculation results are stored. .
[0078]
As will be described later, after rewriting the result of the CFD calculation based on the result of the chemical reaction simulation (S34), the crank angle of the engine is advanced by a minute crank angle (increment: S35), and then the end of the simulation. It is determined whether or not the set crank angle position has been reached (S36), and the process returns to step S33 until the end of the simulation, and the above-described one-dimensional and three-dimensional CFD operations are repeatedly executed. Thus, the intake / exhaust flow of the engine is stored in association with the change in the crank angle. In the example in the figure, the boundary conditions (variables p, ρ, u, T, etc.) of the intake air flow corresponding to the position of the throttle valve are substantially constant in the steady operation state, and the transient state in which the engine operation condition changes. Then, it is given separately from the engine operation control program so as to respond to the change.
[0079]
In parallel with the CFD calculation as described above, 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, as the simulation proceeds, for example, when the first cylinder c1 shifts from the intake stroke to the compression stroke, as shown schematically in FIG. 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, physical values such as air-fuel ratio and cylinder wall temperature are read from the map, a set of physical quantities representing the state in these cylinders is specified, and a chemical reaction simulation program is executed together with an identification code corresponding to the set of physical quantities The file is transmitted to the calculation servers 1, 1,... (Data exchange between the calculation programs is shown as result processing * 1 in the figure).
[0080]
Then, a chemical reaction simulation program is started in the arithmetic servers 1, 1,... That have received the execution file, and as shown in the flow of FIG. 6, the container model of the first cylinder c1 is read from the storage device (S51), The gas component group data corresponding to the identification code is read from the chemical reaction DB 12 (chemical species reading: S52), and the chemical reaction of these gas components in a preset minute crank angle range is described and stored (chemical). Reaction calculation: S53). Such calculation of the chemical reaction formula is repeatedly performed at each minute crank angle from the initial stage of the compression stroke to the end of the expansion stroke of the cylinder c1 (S34, S35), thereby the combustion chamber in the cylinder c1. Is stored in the storage device as a result of the chemical reaction calculation.
[0081]
Then, 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. The result data of the reaction calculation is transmitted from the calculation servers 1, 1,... To the PC terminal 5. In the PC terminal 5 receiving this data, the variable p representing the initial state of the exhaust flow based on the composition of burned gas (exhaust gas) discharged from the combustion chamber of the first cylinder c1, the heat generated by combustion, the work amount, and the like. , Ρ, u, T are obtained, and a command for rewriting the operation result data of the CFD operation is created based on this, and returned to the operation servers 1, 1,. Receiving this command, the computation server 1, 1,... Rewrites the combustion portion, that is, the compression stroke and expansion stroke portions in the computation result data of the one-dimensional CFD computation in step S34 of the flow of FIG. The data of the initial state of the exhaust flow is used as the boundary condition of the exhaust flow in the calculation. Further, the gas component data in the chemical reaction DB 12 is corrected based on the composition of the exhaust gas.
[0082]
As described above, in step S3 of the main program, the CFD calculation and the chemical reaction simulation calculation are performed 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 and input as the end of the simulation is reached (YES in S36), the process proceeds to step S4 to output the result of the simulation, and then the control ends (end). As the output of the simulation result in the step S4, the required 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. A predetermined evaluation value relating to engine performance may be output based on the data. That is, for example, the engine output characteristics, fuel consumption characteristics, changes in volumetric efficiency of each cylinder accompanying changes in engine operating conditions, and the like may be graphed and displayed on the display of the server 1, 1,. In particular, for the flow of intake air in the surge tank, the result of the three-dimensional CFD calculation may be visualized and displayed as an image.
[0083]
Steps S31-33 and S41-43 in step S3 of the flow shown in FIG. 6 correspond to CFD calculation steps for simulating the flow of intake and exhaust, which are engine working gases, by CFD calculation. Further, in steps S51 to S53, the working gas in the combustion chamber in the cylinder is simulated with a larger number of gas components than the intake and exhaust in the compression and expansion strokes of the cylinder, and the state is described by the calculation of the chemical reaction formula. It corresponds to the chemical reaction calculation step.
[0084]
Step S34 of the flow is a first data providing step of determining a component of the working gas in the combustion chamber at the initial stage of the compression stroke based on the result of the CFD calculation, and providing data of the gas component as conditions for the chemical reaction calculation; And a second data providing step of determining an initial state of exhaust from the combustion chamber based on the result of the chemical reaction calculation and providing the exhaust state data as a condition for the CFD calculation, and It corresponds to the database update step of correcting the gas component data in the chemical reaction DB 12 by regarding the exhaust gas component obtained by the chemical reaction calculation as an EGR gas component.
[0085]
In the predictive analysis system A of this embodiment, the computation servers 1, 1,... Are executed by the computation servers 1, 1,. Configure. Similarly, the calculation servers 1, 1,... That execute steps S51 to 53 constitute chemical reaction calculation means, and the calculation servers 1, 1,... That execute step S34 include first and second data providing means. And database update means.
[0086]
Therefore, according to the engine performance prediction analysis system A according to this embodiment, for example, when analyzing the flow of intake and exhaust of a four-cycle engine by applying CFD, basically using the one-dimensional engine model Mb. In addition, since the one-dimensional or three-dimensional calculation can be selected for the intake and exhaust strokes for each cylinder by using the three-dimensional models s1 to s4 for the part selected in advance, the accuracy of the CFD calculation is sufficiently high. While the cost is high, the calculation amount for that can be greatly reduced.
[0087]
On the other hand, for the compression and expansion strokes of each cylinder, at least the gas flow in the combustion chamber is ignored, and the combustion state is simulated by a chemical reaction simulation. By selecting only one, it is possible to significantly reduce the amount of computation for that purpose while ensuring the necessary simulation accuracy.
[0088]
Even when EGR is performed, the flow of the intake air is not calculated for each gas component, but is calculated as two components of fresh air and EGR gas. The amount of computation can be greatly reduced while flexibly responding to changes in the EGR gas ratio. On the other hand, in chemical reaction simulation, the working gas is simulated with at least nitrogen, oxygen, hydrocarbons, carbon dioxide, nitrogen oxides, and water vapor, so that the chemical reaction related to combustion is accurately described and a highly accurate simulation is performed. Can do.
[0089]
Then, the component and state of the working gas used for the chemical reaction simulation are obtained from the result of the CFD calculation, and the initial state of the exhaust gas in the CFD calculation is obtained from the result of the chemical reaction simulation. The simulation accuracy can be improved by appropriately combining simulations and solving them dynamically.
[0090]
From the above, the accuracy of simulation for predicting engine performance can be made sufficiently high, and the amount of computation for that can be reduced as much as possible, reducing the time required for analysis. Therefore, it is possible to improve the practicality as a design / development support tool.
[0091]
(Other embodiments)
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Other various embodiment is included. Ie ,in front In the CFD calculation of the embodiment, the intake air is made up of two components, air and EGR gas. However, the present invention is not limited to this, and it may be made up of three or more gas components, and conversely, as intake air containing EGR gas. It can also be regarded as one component.
[0092]
Also, a plurality of chemical reaction DBs 12 in the above embodiment can be provided in association with the engine specifications, for example, as shown in FIG. That is, since the chemical reactions related to combustion are enormous as described above, even if only representative ones corresponding to the engine operating conditions are extracted as in the above-described embodiment, they are extracted for each operating condition. If the data is grouped and stored in one database, the database becomes too large, causing problems such as an increase in search time.
[0093]
Accordingly, paying attention to the fact that there is a certain degree of correlation between the engine specifications and the combustion chamber state, a plurality of databases DB12a, DB12b, DB12c,... If the gas component data is read from the database corresponding to the specifications of the engine being simulated, the sizes of the individual databases DB12a, DB12b, DB12c,... Can be made appropriate.
[0094]
Furthermore, in the above-described embodiment, the case of performing a simulation for a four-cylinder four-cycle engine has been described. However, for example, a single-cylinder engine can be simulated, or a two-cycle engine or a rotary engine can be simulated. Needless to say.
[0095]
【The invention's effect】
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 state of the working gas extending from at least a part of the intake system to a part of the exhaust system of the engine. When predicting the performance of the engine by performing simulation to simulate, the CFD and chemical reaction simulation are combined to solve dynamically, and the CFD calculation that simulates the flow makes the working gas a relatively small gas component, In the calculation of the chemical reaction formula that simulates combustion, a relatively large number of gas components are used so that the accuracy can be ensured, so the time required for the calculation is improved while improving the accuracy of the simulation compared to the conventional one. It can be shortened to improve the utility as a design / development support tool.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of an engine performance prediction analysis system A according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of an engine model for CFD calculation.
FIG. 3 is a view corresponding to FIG. 2 showing a conventional model simulating a surge tank in three dimensions.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a correspondence between a set of physical quantities representing a state in a cylinder and group data of gas components in a chemical reaction DB.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of a chemical reaction related to combustion.
FIG. 6 is a flowchart showing an outline of a simulation procedure.
FIG. 7 is an explanatory view schematically showing switching between CFD and chemical reaction simulation and accompanying data transfer.
FIG. 8 is a view corresponding to FIG. 1 according to another embodiment in which a plurality of chemical reaction DBs are provided.
[Explanation of symbols]
A Engine performance prediction analysis system
1, 1,... Computation server (CFD computing means, chemical reaction computing means, first and second data providing means, database updating means)
12 Chemical reaction DB (database)

Claims (15)

多気筒エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る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予測解析方法であって、
エンジンの燃焼サイクルを吸気、圧縮、膨張及び排気の４つの過程に分けて、吸気系におけるサージタンクのうち、吸気過程にある気筒に対応する所定部分には３次元のＣＦＤ演算モデルを設定し、それ以外の部分には１次元のＣＦＤ演算モデルを設定するとともに、その１次元モデルを用いたＣＦＤ演算と３次元モデルを用いたＣＦＤ演算とを、所定のクランク角変化に対応する時間刻み毎に演算結果のデータを授受しながら並行して行い、吸気及び排気過程のそれぞれにおけるエンジンの作動ガスの流れを記述する一方、
前記圧縮及び膨張過程では少なくとも燃焼室における作動ガスを前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述し、
少なくとも前記吸気過程におけるＣＦＤ演算の結果に基づいて、前記化学反応式の演算に用いる圧縮過程初期の作動ガスの成分を決定し、
少なくとも前記膨張過程における化学反応式の演算結果に基づいて、前記ＣＦＤ演算における燃焼室からの排気の初期状態を決定する
ことを特徴とするエンジン性能の予測解析方法。A prediction analysis method for predicting the performance of a multi-cylinder engine by performing a simulation that simulates a state of working gas ranging from at least a part of an intake system to a part of an exhaust system,
The combustion cycle of the engine is divided into four processes of intake, compression, expansion and exhaust, and a three-dimensional CFD calculation model is set for a predetermined portion corresponding to a cylinder in the intake process among the surge tanks in the intake system, A one-dimensional CFD calculation model is set for the other portions, and CFD calculation using the one-dimensional model and CFD calculation using the three-dimensional model are performed for each time step corresponding to a predetermined crank angle change. performed in parallel while exchanging data of the operation results, while that describes the flow of the working gas of the engine in each of the intake and exhaust processes,
In the compression and expansion processes, at least the working gas in the combustion chamber is simulated by a larger number of gas components than in the intake and exhaust processes, and the state is described by calculation of a chemical reaction formula ,
Based on at least the result of the CFD calculation in the intake process, the component of the working gas at the initial stage of the compression process used for the calculation of the chemical reaction equation is determined
A method for predictive analysis of engine performance, wherein an initial state of exhaust from a combustion chamber in the CFD calculation is determined based on at least a calculation result of a chemical reaction formula in the expansion process. 多気筒エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る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コンピュータシステムであって、
エンジンの吸気系におけるサージタンクのうち、吸気過程にある気筒に対応する所定部分には３次元のＣＦＤ演算モデルを設定し、それ以外の部分には１次元のＣＦＤ演算モデルを設定して、その１次元モデルを用いたＣＦＤ演算と３次元モデルを用いたＣＦＤ演算とを、所定のクランク角変化に対応する時間刻み毎に演算結果のデータを授受しながら並行して行い、吸気及び排気過程のそれぞれにおけるエンジンの作動ガスの流れを模擬するＣＦＤ演算手段と、
前記エンジンの圧縮及び膨張過程で少なくとも燃焼室における作動ガスを前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述する化学反応演算手段と、
少なくとも前記ＣＦＤ演算手段による演算の結果に基づいて、圧縮過程初期の燃焼室における作動ガスの成分を決定し、このガス成分のデータを前記化学反応演算手段に提供する第１のデータ提供手段と、
少なくとも前記化学反応演算手段による演算の結果に基づいて、燃焼室からの排気の初期状態を決定し、この排気状態のデータを前記ＣＦＤ演算手段に提供する第２のデータ提供手段と、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。A computer system for predicting the performance of a multi-cylinder engine by performing a simulation that simulates a state of working gas ranging from at least a part of an intake system to a part of an exhaust system,
Among the surge tanks in the engine intake system, a three-dimensional CFD calculation model is set for a predetermined portion corresponding to a cylinder in the intake process, and a one-dimensional CFD calculation model is set for the other portions. The CFD calculation using the one-dimensional model and the CFD calculation using the three-dimensional model are performed in parallel while exchanging calculation result data for each time step corresponding to a predetermined change in the crank angle . and CFD calculation means likened simulating the flow of the working gas of the engine in each,
Chemical reaction calculation means for simulating the working gas in the combustion chamber at least in the combustion and compression processes of the engine with a larger number of gas components than in the intake and exhaust processes, and describing the state by calculation of a chemical reaction formula
A first data providing means for determining a component of the working gas in the combustion chamber at the initial stage of the compression process based on at least a result of the calculation by the CFD calculating means and providing data of the gas component to the chemical reaction calculating means;
A second data providing means for determining an initial state of exhaust from the combustion chamber based on at least a result of the calculation by the chemical reaction calculating means, and for providing data on the exhaust state to the CFD calculating means. Engine performance prediction analysis system. 請求項２において、
ＣＦＤ演算手段は、エンジンの吸気過程では作動ガスである吸気を空気とＥＧＲガスとにより模擬して、それぞれの流れの状態を表す変数を演算するものであり、
化学反応演算手段は、エンジンの圧縮及び膨張過程における燃焼室の作動ガスを少なくとも窒素、酸素、炭化水素、炭酸ガス、窒素酸化物及び水蒸気により模擬して、それらの化学反応を記述するものであり、
第１のデータ提供手段は、少なくとも前記ＣＦＤ演算手段による演算の結果に基づいて、圧縮過程初期の燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求めて、これにより当該燃焼室における前記各ガス成分の割合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。In claim 2,
The CFD calculating means simulates intake air, which is a working gas in the intake process of the engine, with air and EGR gas, and calculates variables representing respective flow states.
The chemical reaction calculation means describes the chemical reaction by simulating at least nitrogen, oxygen, hydrocarbons, carbon dioxide, nitrogen oxides and water vapor in the combustion chamber working gas during the compression and expansion processes of the engine. ,
The first data providing means obtains the state of the combustion chamber at the initial stage of the compression process and the ratio of air and EGR gas in the intake air filled in the combustion chamber based on at least the result of the calculation by the CFD calculating means. Thus, the engine performance prediction analysis system is characterized in that the ratio of each gas component in the combustion chamber is determined. 請求項３において、
エンジンの燃焼室に充填された吸気のガス成分を、少なくともその吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合と圧縮過程初期における燃焼室の状態とに対応付けて、予めグループ化した状態で格納したデータベースが設けられ、
第１のデータ提供手段は、少なくともＣＦＤ演算手段による演算の結果に基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求め、これらに対応するグループのガス成分データを前記データベースから読み込む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。In claim 3,
There is a database in which the gas components of the intake air filled in the combustion chamber of the engine are stored in a grouped state in advance in association with at least the ratio of air and EGR gas in the intake air and the state of the combustion chamber in the early stage of the compression process. Provided,
The first data providing means obtains the state of the combustion chamber in the early stage of the compression process and the ratio of the air and EGR gas in the intake air filled in the combustion chamber based on at least the result of the calculation by the CFD calculating means. A system for predicting and analyzing engine performance, which reads gas component data of a group corresponding to the above from the database. 請求項４において、
データベースに格納されている吸気のガス成分データは、予め実験的に設定した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。In claim 4,
A system for predicting and analyzing engine performance, wherein the gas component data of intake air stored in a database is experimentally set in advance. 請求項４において、
化学反応演算手段による演算の結果に基づいて排気のガス成分を求め、これをＥＧＲガスの成分とみなしてデータベースに格納されたガス成分のデータを修正するデータベース更新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。In claim 4,
An engine comprising database update means for obtaining a gas component of exhaust gas based on a result of a calculation by a chemical reaction calculation means, and regarding the gas component as an EGR gas component and correcting gas component data stored in the database. Performance prediction analysis system. 請求項４において、
エンジンの燃焼室の状態を表す複数の物理量の値を、当該エンジンの運転条件に対応付けて予め設定したマップを備え、
第１のデータ提供手段は、シミュレーションにおけるエンジンの運転条件に対応する前記物理量の値を前記マップから読み込み、この物理量の値とＣＦＤ演算手段による演算の結果とに基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求め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。In claim 4,
Provided with a map in which a plurality of physical quantity values representing the state of the combustion chamber of the engine are preset in association with the operating conditions of the engine,
The first data providing means reads the value of the physical quantity corresponding to the operating condition of the engine in the simulation from the map, and based on the value of the physical quantity and the calculation result by the CFD calculation means, the combustion chamber at the initial stage of the compression process And a ratio of the air and EGR gas in the intake air filled in the combustion chamber, and a predictive analysis system for engine performance. 請求項４において、
データベースは、予めエンジンの諸元に対応付けて複数、準備されており、
第１のデータ提供手段は、前記エンジンの諸元を特定する諸元データに基づいて、その諸元に対応するデータベースからガス成分のデータを読み込む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。In claim 4,
A plurality of databases are prepared in advance in association with engine specifications.
Engine performance characterized in that the first data providing means is configured to read gas component data from a database corresponding to the specifications based on the specification data specifying the specifications of the engine. Prediction analysis system. 請求項４において、
データベースに格納されているガス成分のデータは、エンジンの燃焼に関与する吸気中のガス成分のうちから、予めエンジンの運転条件に対応付けて所定数以下となるように抽出した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。In claim 4,
The gas component data stored in the database is extracted in advance from the gas components in the intake air involved in engine combustion so as to be equal to or less than a predetermined number in association with the engine operating conditions. Characteristic engine performance prediction analysis system. 多気筒エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る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、
エンジンの吸気系におけるサージタンクのうち、吸気過程にある気筒に対応する所定部分には３次元のＣＦＤ演算モデルを設定し、それ以外の部分には１次元のＣＦＤ演算モデルを設定して、その１次元モデルを用いたＣＦＤ演算と３次元モデルを用いたＣＦＤ演算とを、所定のクランク角変化に対応する時間刻み毎に演算結果のデータを授受しながら並行して行い、吸気及び排気過程のそれぞれにおけるエンジンの作動ガスの流れを模擬するＣＦＤ演算ステップと、
前記エンジンの圧縮及び膨張過程で少なくとも燃焼室における作動ガスを前記吸気及び排気過程に比べて多数のガス成分により模擬して、その状態を化学反応式の演算により記述する化学反応演算ステップと、
少なくとも前記ＣＦＤ演算ステップにおける演算の結果に基づいて圧縮過程初期の燃焼室における作動ガスの成分を決定し、このガス成分のデータを前記化学反応演算ステップにおける演算の条件として提供する第１のデータ提供ステップと、
少なくとも前記化学反応演算ステップにおける演算の結果に基づいて燃焼室からの排気の初期状態を決定し、この排気状態のデータを前記ＣＦＤ演算ステップにおける演算の条件として提供する第２のデータ提供ステップ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の制御プログラム。A computer system control program for predicting the performance of a multi-cylinder engine by performing a simulation that simulates a state of a working gas ranging from at least a part of an intake system to a part of an exhaust system,
Among the surge tanks in the engine intake system, a three-dimensional CFD calculation model is set for a predetermined portion corresponding to a cylinder in the intake process, and a one-dimensional CFD calculation model is set for the other portions. The CFD calculation using the one-dimensional model and the CFD calculation using the three-dimensional model are performed in parallel while exchanging calculation result data for each time step corresponding to a predetermined change in the crank angle . and CFD calculation step likened simulating the flow of the working gas of the engine in each,
A chemical reaction calculation step that simulates at least the working gas in the combustion chamber in the compression and expansion processes of the engine with a larger number of gas components than in the intake and exhaust processes, and describes the state by calculation of a chemical reaction formula;
First data provision for determining a component of the working gas in the combustion chamber in the early stage of the compression process based on at least a result of the calculation in the CFD calculation step and providing data of the gas component as a calculation condition in the chemical reaction calculation step Steps,
A second data providing step of determining an initial state of exhaust from the combustion chamber based on at least a result of the calculation in the chemical reaction calculation step, and providing data of the exhaust state as a calculation condition in the CFD calculation step; A control program for an engine performance prediction analysis system comprising: 請求項１０において、
ＣＦＤ演算ステップでは、エンジンの吸気過程で作動ガスである吸気を空気とＥＧＲガスとにより模擬して、それぞれの流れの状態を表す変数を演算し、
化学反応演算ステップでは、エンジンの圧縮及び膨張過程における燃焼室の作動ガスを少なくとも窒素、酸素、炭化水素、炭酸ガス、窒素酸化物及び水蒸気により模擬して、それらの化学反応を記述し、
第１のデータ提供ステップでは、少なくとも前記ＣＦＤ演算ステッップにおける演算の結果に基づいて、圧縮過程初期の燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求めて、これにより当該燃焼室における前記各ガス成分の割合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。In claim 10,
In the CFD calculation step, the intake air, which is a working gas in the intake process of the engine, is simulated by air and EGR gas, and variables representing the respective flow states are calculated.
In the chemical reaction calculation step, the working gas in the combustion chamber in the compression and expansion processes of the engine is simulated with at least nitrogen, oxygen, hydrocarbons, carbon dioxide, nitrogen oxides and water vapor, and their chemical reactions are described.
In the first data providing step, the state of the combustion chamber at the initial stage of the compression process and the ratio of air and EGR gas in the intake air filled in the combustion chamber are obtained based on at least the result of the calculation in the CFD calculation step. A control program for an engine performance prediction analysis system, which determines the ratio of each gas component in the combustion chamber. 請求項１１において、
エンジンの燃焼室に充填された吸気のガス成分を、少なくともその吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合と圧縮過程初期における燃焼室の状態とに対応付けて予めグループ化した状態で格納したデータベースを準備しておいて、
第１のデータ提供ステップでは、少なくとも前記ＣＦＤ演算ステップにおける演算の結果に基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求め、これらに対応するグループのガス成分データを前記データベースから読み込むものと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。In claim 11,
Prepare a database that stores the gas components of the intake air filled in the combustion chamber of the engine in a grouped state in advance in association with at least the ratio of air and EGR gas in the intake air and the state of the combustion chamber at the beginning of the compression process Keep it
In the first data providing step, at least based on the result of the calculation in the CFD calculation step, the state of the combustion chamber in the initial stage of the compression process and the ratio of air and EGR gas in the intake air filled in the combustion chamber are obtained. A control program for an engine performance prediction analysis system, which reads gas component data of groups corresponding to these from the database. 請求項１２において、
化学反応演算ステップにおける演算の結果に基づいて排気のガス成分を求め、これをＥＧＲガスの成分とみなして前記データベースにおけるガス成分のデータを修正するデータベース更新ステップ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の制御プログラム。In claim 12,
The engine performance is characterized by comprising a database update step for obtaining an exhaust gas component based on the result of the calculation in the chemical reaction calculation step, and regarding this as an EGR gas component and correcting the gas component data in the database. Control program for predictive analysis system. 請求項１２において、
エンジンの燃焼室の状態を表す複数の物理量の値を、当該エンジンの運転条件に対応付けて予め設定したマップを準備しておいて、
第１のデータ提供ステップでは、シミュレーションにおけるエンジンの運転条件に対応する前記物理量の値を前記マップから読み込み、この物理量の値とＣＦＤ演算手段による演算の結果とに基づいて、圧縮過程初期における燃焼室の状態と該燃焼室に充填された吸気中の空気及びＥＧＲガスの割合とを求め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。In claim 12,
Prepare a map in which a plurality of physical quantity values representing the state of the combustion chamber of the engine are set in advance in association with the operating conditions of the engine,
In the first data providing step, the value of the physical quantity corresponding to the engine operating condition in the simulation is read from the map, and based on the value of the physical quantity and the result of computation by the CFD computing means, the combustion chamber at the initial stage of the compression process And a ratio of the air and EGR gas in the intake air filled in the combustion chamber, and a control program for a predictive analysis system for engine performance. 請求項１２において、
データベースは、予めエンジンの諸元に対応付けて複数、準備しておいて、
第１のデータ提供ステップでは、前記エンジンの諸元を特定する諸元データに基づいて、その諸元に対応するデータベースからガス成分のデータを読み込む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。In claim 12,
A plurality of databases are prepared in advance in association with engine specifications.
In the first data providing step, the control of the engine performance prediction analysis system is characterized in that the gas component data is read from the database corresponding to the specifications based on the specification data specifying the specifications of the engine. program.
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