JP4192804B2 - 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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Description

本発明は、CFD(Computational Fluid Dynamics)を利用して作動流体の運動を解析することにより、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。   The present invention relates to a predictive analysis method, a predictive analysis system, and a control program for predicting engine performance by analyzing the motion of a working fluid using CFD (Computational Fluid Dynamics).

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。   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.

そのようなシミュレーションの技術として、エンジンの吸排気の流れや燃焼ガスの運動を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、このシミュレーション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。   As such a simulation technique, it is generally performed to analyze engine intake / exhaust flow and combustion gas motion by applying CFD and to predict engine performance 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 simulation. As a result, it is possible to reduce the development man-hours spent on repeating trial productions and experiments, and to perform efficient design and development.

特に近年ではコンピュータの計算能力の目覚ましい進歩によって、吸気ポート等の複雑な形状やその内部における吸気の流れを3次元で模擬することもできるようになったので、実際にエンジンを試作せずとも、吸気ポート形状を変更したときの吸気の流通抵抗や気筒の体積効率の変化を予測することができる。   Especially in recent years, the remarkable progress in computer computing power has made it possible to simulate the complex shape of intake ports and the flow of intake air in three dimensions without actually prototyping the engine. It is possible to predict changes in intake flow resistance and cylinder volumetric efficiency when the intake port shape is changed.

とはいえ、エンジンの運転に伴う吸気や排気の流れを全て3次元で模擬できるようなシミュレーションシステムは存在しない。それは、如何にコンピュータの計算能力が向上したといっても、多気筒エンジンの各気筒毎に異なる吸排気通路の形状や燃焼室におけるガス交換の状況、さらには燃焼室から排気系に吹き出す既燃ガスの流れ等を全て3次元流として記述することは非現実的だからである。   Nonetheless, there is no simulation system that can simulate the flow of intake air and exhaust gas associated with engine operation in three dimensions. Even though the computer's computing power has improved, the shape of the intake / exhaust passage that differs for each cylinder of a multi-cylinder engine, the situation of gas exchange in the combustion chamber, and the burned gas that blows out from the combustion chamber to the exhaust system. This is because it is unrealistic to describe all gas flows and the like as three-dimensional flows.

従って、従来まで、エンジンの全体的な性能(出力、ドライバビリティ、エミッション等々)を予測するためには、例えば、まず、エンジンの種々の性能特性をそれぞれ調べた実験データを蓄積して、それら性能特性同士を統計的に関連付けたデータベースを構築する。これとともに、吸気や排気の流れを1次元流として模擬する簡易な物理モデル(解析モデル、数値計算モデル)を用いたシミュレーションを行う。そして、前記性能特性のデータベースから得られる知見と1次元のシミュレーション結果とを組み合わせて、エンジンの性能を予測するようにしている。   Therefore, in order to predict the overall performance of an engine (output, drivability, emissions, etc.), for example, first, experimental data obtained by investigating various performance characteristics of the engine are accumulated, and the performance Build a database that statistically correlates characteristics. At the same time, simulation is performed using a simple physical model (analysis model, numerical calculation model) that simulates the flow of intake and exhaust as a one-dimensional flow. The engine performance is predicted by combining knowledge obtained from the performance characteristic database and one-dimensional simulation results.

また、前記のような簡易なモデルを用いた1次元のシミュレーションとは別に、例えば吸気ポートの吸気の流れのみを3次元で模擬するシミュレーションも行い、両者の結果を組み合わせて考察することにより、解析の精度を向上することも行われている。しかし、そのような3次元流れのCFD解析プログラムは一般的に扱いが難しく、精度向上のための設定に必要なノウハウも多いことから、専任の解析技術者に負担が集中してしまい、マンパワーの不足によって開発の遅延を招くきらいがあった。   In addition to the one-dimensional simulation using the simple model as described above, for example, a simulation that simulates only the intake air flow in the intake port in three dimensions is also performed, and analysis is performed by considering both results in combination. Improvement of the accuracy is also carried out. However, such a three-dimensional CFD analysis program is generally difficult to handle and has a lot of know-how required for setting to improve accuracy, and the load is concentrated on a dedicated analysis engineer. There was a tendency to delay development due to lack.

この点について、本願の発明者らは、前記の如くエンジンの吸排気の流れを1次元流れとして模擬する簡易な物理モデルを基本としつつ、このモデルの一部分を必要に応じて、自動で3次元のモデルに置き換えて演算することのできるシステムを開発した。このシステムでは、エンジンの全体的な吸排気の流れは簡易な1次元モデルを用いて演算するとともに、特に高い解析精度の要求される部位については3次元のモデルを用い、前記1次元の演算により求めた流れ場のデータから境界条件を与えて、自動的に3次元のCFD演算を行うようになっている。   In this regard, the inventors of the present application are based on a simple physical model that simulates the intake / exhaust flow of the engine as a one-dimensional flow as described above, and a part of this model is automatically three-dimensionally as necessary. We have developed a system that can be operated by replacing the model. In this system, the overall intake / exhaust flow of the engine is calculated using a simple one-dimensional model, and a three-dimensional model is used for parts that require particularly high analysis accuracy. A boundary condition is given from the obtained flow field data, and a three-dimensional CFD calculation is automatically performed.

しかも、このシステムでは、ユーザフレンドリなインターフェースを採用するとともに、3次元のCFD解析プログラムに固有の面倒な設定も自動化しており、専任の解析技術者でなくても容易に扱えるようになっている。
特表2002−526762号公報 特開2002−148147号公報
In addition, this system employs a user-friendly interface and also automates troublesome settings specific to the three-dimensional CFD analysis program so that even a dedicated analysis engineer can easily handle it. .
Japanese translation of PCT publication No. 2002-526762 JP 2002-148147 A

ところで、前述のシステムのように1次元のCFD演算によって求めた流れ場のデータから3次元CFD演算の境界条件を与えるようにした場合、その1次元CFD演算によって求められるのは、3次元CFDモデルの入口側及び出口側境界面における流れ変数の平均値のみであるから、該各境界面においては流れが略一様で偏りがないものとみなして、前記の平均的な流れ変数値をそのまま境界面全体に展開することが考えられる。   By the way, when the boundary condition of the three-dimensional CFD calculation is given from the flow field data obtained by the one-dimensional CFD calculation as in the above-described system, the three-dimensional CFD model is obtained by the one-dimensional CFD calculation. Only the average values of the flow variables at the inlet side and outlet side boundary surfaces of the first and second flows are considered to be substantially uniform and unbiased at the respective boundary surfaces, and the average flow variable values are directly used as the boundary values. It is possible to develop the entire surface.

しかしながら、一般に、通路内の吸排気の流れはその横断面において一様ではなく、例えば通路壁面に近い所では粘性によって相対的に遅くなり、通路壁面から離れるほど速くなるという流速分布を示す。また、通路が湾曲している場合には、その湾曲する内側の部位に比べて外側の部位の流れが速くなる傾向がある。   However, in general, the flow of intake / exhaust air in the passage is not uniform in the cross-section, and shows a flow velocity distribution that becomes relatively slow due to viscosity, for example, near the passage wall surface, and becomes faster as the distance from the passage wall surface increases. Further, when the passage is curved, the flow of the outer portion tends to be faster than the curved inner portion.

さらに、エンジンの吸排気の流れは部分的には非常に変動の大きな非定常流であり、例えば排気マニホルドの独立排気通路では排気の流れを層流とみなせる比較的低速の状態から、気筒の排気弁が開いて既燃ガスが高速で吹出す乱流状態まで流れの状態が大幅に変化し、これに伴い通路の横断面における流れの速度分布が大きく変化することになる。   Further, the flow of intake and exhaust of the engine is partially unsteady flow with very large fluctuations. For example, in the independent exhaust passage of the exhaust manifold, the exhaust flow of the cylinder is changed from a relatively low speed state where the exhaust flow can be regarded as laminar flow. The flow state changes greatly to the turbulent flow state where the burned gas is blown out at a high speed with the valve opened, and the flow velocity distribution in the cross section of the passage greatly changes accordingly.

そして、例えば排気マニホルドにおける排気の流れを3次元で模擬する場合には、前記の如く通路横断面における排気の流速分布がエンジンの運転中に大きく変化するような部位に3次元モデルの境界面を設定せざるを得ず、このような場合にも境界面全体で排気流速が略一定であるとみなすと、そのモデルの境界面付近で隣り合う計算格子(メッシュ)間の速度差が過度に大きくなってしまい、これにより計算が発散して、システムダウンに至ることがあった。   For example, when the exhaust flow in the exhaust manifold is simulated in a three-dimensional manner, the boundary surface of the three-dimensional model is provided at a portion where the flow velocity distribution of the exhaust gas in the passage cross section changes greatly during engine operation as described above. In such a case, if the exhaust flow velocity is considered to be substantially constant over the entire boundary surface, the speed difference between adjacent calculation grids (mesh) near the boundary surface of the model is excessively large. As a result, the calculation is diverged and the system may be down.

そのような計算の発散を抑えるためには、例えば境界面付近においてメッシュを非常に細かく分割すればよく、また、基礎方程式の離散化手法(スキーム)に低次のものを採用すれば、いわゆる数値粘性の作用によって安定性が高くなることも知られているが、そのように細かなメッシュを用いることは直接的に計算時間の増大を招くという難があり、また、低次のスキームを採用すれば、解析精度の低下が避けられない。   In order to suppress the divergence of such calculation, for example, the mesh may be divided very finely in the vicinity of the boundary surface, and if a low-order one is adopted as the discretization method (scheme) of the basic equations, so-called numerical values are used. It is also known that stability is increased by the action of viscosity, but using such a fine mesh has the difficulty of directly increasing the calculation time, and a low-order scheme should be adopted. If this is the case, a decrease in analysis accuracy is inevitable.

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンの吸排気の流れを少なくとも1次元及び3次元のCFD演算によって解析し、これによりエンジンの性能を予測する場合に、1次元CFDにより求めた流れ変数値の3次元境界面への展開の仕方に工夫を凝らして、解析の精度を十分に高いものとし且つ計算時間の短縮を図りながら、計算の発散を抑えて、システムダウンを防止することにある。   The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to analyze the flow of intake and exhaust of the engine by at least one-dimensional and three-dimensional CFD calculations, thereby predicting the performance of the engine. Divergence of calculation while improving the accuracy of analysis and shortening the calculation time by devising the method of expanding the flow variable value obtained by one-dimensional CFD to the three-dimensional boundary surface. Is to prevent the system from going down.

前記の目的を達成するために、本願発明では、吸排気通路の寸法・形状や流れの状態等によって異なる境界面の流れの偏り分布を予め調べて設定しておき、1次元及び3次元のCFD演算を並行して行うときには、その1次元CFD演算の結果に基づいて適切な偏り分布を選択し、これにより3次元の境界面上において流れ変数値を適切に分布させた境界条件を得るようにした。   In order to achieve the above-described object, in the present invention, the flow uneven distribution of the boundary surface, which differs depending on the size / shape of the intake / exhaust passage, the flow state, etc., is previously examined and set, and the one-dimensional and three-dimensional CFD When performing calculations in parallel, an appropriate bias distribution is selected based on the result of the one-dimensional CFD calculation, thereby obtaining a boundary condition in which flow variable values are appropriately distributed on a three-dimensional boundary surface. did.

より具体的に、請求項1の発明は、エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを、1次元のCFD解析モデルを用いて模擬演算する1次元のCFDプログラムと、前記吸気系又は排気系の所定部位における吸排気の流れを、3次元のCFD解析モデルを用いて模擬演算する3次元のCFDプログラムと、少なくとも前記1次元のCFDプログラムにより演算された流れ場のデータに基づいて前記3次元のCFDプログラムによる演算の境界条件を与えるデータ授受プログラムと、を準備し、コンピュータ装置により前記各プログラムを並行して実行させて吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測する予測解析方法を対象とする。   More specifically, the invention of claim 1 is a one-dimensional CFD that simulates an intake / exhaust flow from at least a part of an intake system to a part of an exhaust system of an engine using a one-dimensional CFD analysis model. A program, a three-dimensional CFD program for simulating an intake / exhaust flow in a predetermined part of the intake system or exhaust system using a three-dimensional CFD analysis model, and a flow calculated by at least the one-dimensional CFD program A data exchange program for providing boundary conditions for computation by the three-dimensional CFD program based on the field data, and the computer program is executed in parallel to analyze the flow of intake and exhaust, The target is a predictive analysis method that predicts engine performance.

このような解析方法において、前記3次元CFD解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布をそれぞれ調べて、この偏り分布を少なくとも該各境界面の形状に対応付けて、予めデータベースとして設定しておく。そして、前記1次元CFD演算による流れ場のデータに基づき、前記データベースに設定されている各境界面の流れの偏り分布に従って該各境界面全体の流れ変数の値を求めて、これを3次元CFD演算の境界条件とする。   In such an analysis method, the uneven distribution of the intake and exhaust flows at the inlet side and outlet side boundary surfaces of the three-dimensional CFD analysis model is respectively examined, and this bias distribution is associated with at least the shape of each boundary surface in advance. Set as. Then, based on the flow field data obtained by the one-dimensional CFD calculation, the value of the flow variable of each boundary surface is obtained according to the flow distribution of each boundary surface set in the database, and this is obtained as a three-dimensional CFD. Boundary condition for operation.

前記の方法により、まず基本的に、エンジンの運転状態を模擬するシミュレーションにおいて、少なくとも1次元及び3次元のCFD解析モデルを用いて吸排気の流れを解析することにより、例えば体積効率や損失係数等のエンジンの物理特性を求めて、エンジン出力や燃費等の性能特性を予測することができる。その際、吸排気の全体的な流れを1次元流として模擬し、性能予測において吸排気の流れが特に重要な所定部位のみを3次元流として模擬することで、十分な予測精度を確保しながら、計算時間の短縮が図られる。   According to the above method, first, in the simulation for simulating the operating state of the engine, by analyzing the flow of intake and exhaust using at least one-dimensional and three-dimensional CFD analysis models, for example, volume efficiency, loss factor, etc. The engine's physical characteristics can be obtained and performance characteristics such as engine output and fuel consumption can be predicted. At that time, the entire flow of intake and exhaust is simulated as a one-dimensional flow, and only a predetermined part where the flow of intake and exhaust is particularly important in performance prediction is simulated as a three-dimensional flow, while ensuring sufficient prediction accuracy. The calculation time can be shortened.

そのように次元の異なる解析モデルを組み合わせてCFD演算を行う場合、3次元解析モデルの入口側及び出口側境界面において各々流れの状態が1次元の演算結果と一致するように、その1次元の演算結果のデータを境界条件として受け渡すことになるが、1次元の演算によって求められるのは3次元モデルの各境界面における流れ変数の平均値であるから、これを基に該各境界面全体に分布する流れ変数の値を決定する必要がある。   When CFD calculation is performed by combining analysis models with different dimensions, the one-dimensional calculation results are matched so that the flow states coincide with the one-dimensional calculation results at the inlet side and outlet side boundary surfaces of the three-dimensional analysis model. The calculation result data is passed as a boundary condition. Since the one-dimensional calculation requires the average value of the flow variables at each boundary surface of the three-dimensional model, the entire boundary surface is based on this. It is necessary to determine the value of the flow variable distributed in

そこで、少なくとも前記各境界面の形状によって異なる流れの基本的な偏り分布を予め調べて設定しておいて、前記の如く1次元及び3次元のCFD演算を並行して行うときには、その1次元のCFD演算によって求めた各境界面上の流れ変数(例えば吸排気の圧力、密度、流速、温度等)の平均値に基づき、前記データベースに設定されている流れの偏り分布に従って、当該境界面全体の流れ変数の値を決定する。   In view of this, at least a basic deviation distribution of a flow that differs depending on the shape of each boundary surface is previously examined and set, and when the one-dimensional and three-dimensional CFD operations are performed in parallel as described above, the one-dimensional Based on the average value of the flow variables (for example, the pressure, density, flow velocity, temperature, etc. of intake / exhaust) on each boundary surface obtained by CFD calculation, the entire boundary surface is determined according to the flow bias distribution set in the database. Determine the value of the flow variable.

こうすれば、吸排気通路の形状や流れの状態等によって大幅に異なる流れの偏り具合が反映された境界条件を3次元のCFD演算に与えることができるので、このCFD演算において境界面付近で隣接するメッシュ間の流れ変数の偏差が大きくなることを抑制することができ、メッシュを特に細かく分割したり、低次のスキームを用いたり、或いは緩和係数の値を変更したりしなくても、計算の発散を防止することができる。   In this way, a boundary condition reflecting a greatly different flow deviation depending on the shape of the intake / exhaust passage and the flow state can be given to the three-dimensional CFD calculation. Large deviations in the flow variables between meshes can be suppressed, and calculation can be done without dividing the mesh particularly finely, using a low-order scheme, or changing the value of the relaxation coefficient. Can be prevented from diverging.

次に、本願の請求項2の発明は、エンジンの吸排気の流れを、1次元及び3次元のCFD解析モデルを用いて、それぞれ模擬演算する1次元及び3次元のCFDプログラムを備え、それらのプログラムを並行して実行して、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測するようにした予測解析システムを対象とする。   Next, the invention of claim 2 of the present application includes a one-dimensional and three-dimensional CFD program for simulating the intake and exhaust flow of the engine using a one-dimensional and three-dimensional CFD analysis model, respectively. The object of the present invention is a predictive analysis system in which a program is executed in parallel to analyze an intake / exhaust flow from at least a part of an intake system to a part of an exhaust system, thereby predicting engine performance.

そして、前記1次元のCFD解析モデルを用いて、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れ場を演算する第1CFD演算手段と、この第1CFD演算手段により演算された流れ場のデータに基づいて、前記3次元のCFDプログラムによるCFD演算の境界条件を与える境界条件付与手段と、この境界条件付与手段によって与えられた境界条件に基づいて、前記3次元のCFDプログラムを実行する第2CFD演算手段と、前記3次元CFD解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を少なくとも該境界面の形状に基づいて設定する偏り分布設定手段と、を備える構成とし、その上で、前記境界条件付与手段を、前記第1CFD演算手段により演算された流れ場のデータに基づき、前記偏り分布設定手段により設定された各境界面の流れの偏り分布に従って該各境界面全体の流れ変数の値を求めて、これを3次元CFD演算の境界条件とするものとした。   Then, using the one-dimensional CFD analysis model, a first CFD calculation means for calculating a flow field of intake / exhaust from at least a part of the intake system to a part of the exhaust system, and the first CFD calculation means Based on the flow field data, boundary condition providing means for giving a boundary condition for CFD calculation by the three-dimensional CFD program, and based on the boundary condition given by the boundary condition giving means, the three-dimensional CFD program is Second CFD calculation means to be executed, and bias distribution setting means for setting the bias distribution of the intake and exhaust flows at the inlet and outlet side boundary surfaces of the three-dimensional CFD analysis model based on at least the shape of the boundary surfaces. In addition, based on the flow field data calculated by the first CFD calculating means, the boundary condition applying means is configured to apply the bias distribution. Seeking the value of the respective boundary surfaces overall flow variable according biased distribution of the flow of the boundary surface set by the constant section, and shall be the boundary conditions of the three-dimensional CFD operation this.

前記の予測解析システムによれば、エンジンの運転状態を模擬するシミュレーションにおいて、基本的に第1CFD演算手段により1次元のCFDプログラムが実行され、これにより演算された全体的な吸排気の流れ場のデータに基づいて、境界条件付与手段により3次元のCFDプログラムによるCFD演算の境界条件が与えられ、この境界条件を用いて第2CFD演算手段により3次元のCFDプログラムが実行される。   According to the predictive analysis system described above, in the simulation for simulating the operating state of the engine, a one-dimensional CFD program is basically executed by the first CFD calculating means, and the calculated flow field of the entire intake and exhaust is calculated. Based on the data, a boundary condition for the CFD calculation by the three-dimensional CFD program is given by the boundary condition providing means, and the three-dimensional CFD program is executed by the second CFD calculation means using this boundary condition.

その際、前記3次元CFD解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布が、少なくとも該境界面の形状に基づいて偏り分布設定手段により設定され、そうして設定された流れの偏り分布に従って、前記第1CFD演算手段により演算された流れ場のデータに基づき、前記境界条件付与手段により当該境界面全体の流れ変数値が求められて、これが3次元CFD演算の境界条件として前記第2CFD演算手段に与えられる。つまり、上述した請求項1の発明に係る予測解析方法を自動的に実行して、その作用効果を容易に得ることができる。   At that time, the bias distribution of the intake and exhaust flows at the inlet side and outlet side boundary surfaces of the three-dimensional CFD analysis model is set by the bias distribution setting means based on at least the shape of the boundary surfaces, and the flow of the flow thus set is set. According to the bias distribution, based on the flow field data calculated by the first CFD calculating means, the boundary condition providing means obtains a flow variable value of the entire boundary surface, and this is used as the boundary condition of the three-dimensional CFD calculation. 2 CFD calculation means. That is, it is possible to automatically execute the predictive analysis method according to the first aspect of the present invention and easily obtain the effects thereof.

ここで、前記流れの偏り分布の設定については、基本的には管路内の圧縮性粘性流体の流れであるから、3次元解析モデルの各境界面においてその重心寄りで流れが相対的に速くなる一方、通路壁寄りで相対的に遅くなるように吸排気の流速を層状に分布させるのが好ましい(請求項3の発明)。また、解析モデルの模擬する吸排気通路が入口側境界面付近で湾曲している場合には、その入口側境界面において流れの最も速い部位を通路の湾曲外側にずらすのが好ましく(請求項4の発明)、さらに解析モデルの模擬する吸排気通路が湾曲している場合には、これにより出口側境界面において生じる流れの偏りを該出口側境界面の流れの偏り分布に反映させるのが好ましい(請求項5の発明)。   Here, since the flow bias distribution is basically set based on the flow of a compressible viscous fluid in the pipe, the flow is relatively fast near the center of gravity at each boundary surface of the three-dimensional analysis model. On the other hand, it is preferable to distribute the flow rate of the intake and exhaust air in a layered manner so as to be relatively slow near the passage wall (invention of claim 3). Further, when the intake / exhaust passage simulated by the analysis model is curved in the vicinity of the inlet-side boundary surface, it is preferable to shift the fastest flow portion of the inlet-side boundary surface to the outside of the curved passage. In addition, when the intake / exhaust passage simulated by the analysis model is curved, it is preferable to reflect the flow deviation generated at the outlet side boundary surface in the flow deviation distribution of the outlet side boundary surface. (Invention of Claim 5).

また、前記のような流れの速度分布は、流れが層流状態であるか乱流状態であるかによって大きく変化することを考慮し、第1CFD演算手段により演算された流れ場のデータに基づいて各境界面における流れが層流状態であるか乱流状態であるかを判定して、この判定結果に応じて流れの偏り分布を変更設定するのがさらに好ましい(請求項6の発明)。こうすれば、解析の途中で流れが層流状態と乱流状態との間で遷移する場合でも、そのことによらず適切に境界条件を与えることができる。   Further, the flow velocity distribution as described above is based on the flow field data calculated by the first CFD calculation means, taking into consideration that the flow varies greatly depending on whether the flow is laminar or turbulent. More preferably, it is determined whether the flow at each boundary surface is in a laminar flow state or a turbulent flow state, and the flow bias distribution is changed and set according to the determination result (invention of claim 6). In this way, even when the flow transitions between the laminar flow state and the turbulent flow state in the middle of the analysis, the boundary condition can be appropriately given regardless of this.

より具体的に、前記の予測解析システムには、各境界面における吸排気流の偏り分布を少なくとも該各境界面の形状に対応付けて且つ流れが層流状態のときと乱流状態のときとで別々に設定したデータベースを備えることが好ましい。こうすれば、偏り分布の設定は、第1CFD演算手段により演算された流れ場のデータに基づいて前記各境界面における流れの状態を求め、これに対応する流れの偏り分布を前記データベースから読み出すことによって行うことができる(請求項7の発明)。   More specifically, in the predictive analysis system, the distribution distribution of the intake and exhaust flows at each boundary surface is associated with at least the shape of each boundary surface, and the flow is laminar and turbulent. It is preferable to provide a separately set database. In this way, the bias distribution is set by obtaining the flow state at each boundary surface based on the flow field data calculated by the first CFD calculating means and reading out the corresponding flow bias distribution from the database. (Invention of claim 7).

或いは、前記予測解析システムに、各境界面における吸排気流の偏り分布を少なくとも該各境界面の形状とエンジンの模擬運転条件とに対応付けて設定したデータベースを備え、偏り分布設定手段は、前記データベースから前記模擬運転条件に対応する流れの偏り分布を読み出して設定するものとすることもできる(請求項8の発明)。   Alternatively, the predictive analysis system includes a database in which the bias distribution of the intake and exhaust flows at each boundary surface is set in association with at least the shape of each boundary surface and the simulated operation condition of the engine, and the bias distribution setting means includes the database It is also possible to read and set the flow bias distribution corresponding to the simulated operation condition from the above (invention of claim 8).

次に、本願の請求項9の発明は、エンジンの吸排気の流れを、1次元及び3次元のCFD解析モデルを用いて、それぞれ模擬演算する1次元及び3次元のCFDプログラムを備え、それらのプログラムを並行して実行して、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測するようにした予測解析システムの制御プログラムを対象とする。   Next, the invention of claim 9 of the present application includes a one-dimensional and three-dimensional CFD program for simulating the intake and exhaust flow of the engine using a one-dimensional and three-dimensional CFD analysis model, respectively. Targeting the control program of the predictive analysis system that executes the program in parallel and analyzes the flow of intake and exhaust from at least part of the intake system to part of the exhaust system, thereby predicting the engine performance And

そして、前記1次元のCFD解析モデルを用いて、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れ場を演算する第1CFD演算ステップと、この第1CFD演算ステップで演算された流れ場のデータに基づいて、前記3次元のCFDプログラムによるCFD演算の境界条件を与える境界条件付与ステップと、この境界条件付与ステップで与えられた境界条件に基づいて、前記3次元のCFDプログラムを実行する第2CFD演算ステップと、前記3次元のCFD解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を少なくとも該境界面の形状に基づいて設定する偏り分布設定ステップと、を備えるものとし、その上で、前記境界条件付与ステップでは、前記第1CFD演算ステップで演算された流れ場のデータに基づき、前記偏り分布設定ステップで設定された各境界面の流れの偏り分布に従って該各境界面全体の流れ変数の値を求めて、これを3次元CFD演算の境界条件とするものとする。   Then, using the one-dimensional CFD analysis model, the first CFD calculation step for calculating the flow field of the intake / exhaust gas from at least a part of the intake system to the part of the exhaust system and the first CFD calculation step are used. Based on the flow field data, a boundary condition providing step for giving a boundary condition for CFD calculation by the three-dimensional CFD program, and the three-dimensional CFD program based on the boundary condition given in the boundary condition giving step A second CFD calculation step to be executed, and a bias distribution setting step for setting the bias distribution of the intake and exhaust flows at the inlet side and outlet side boundary surfaces of the three-dimensional CFD analysis model based on at least the shape of the boundary surfaces. In addition, in the boundary condition applying step, the flow field data calculated in the first CFD calculating step Based, the seeking the value of the respective boundary surfaces overall flow variable according biased distribution of the flow of the boundary surface set in uneven distribution setting step, it is assumed that the boundary conditions of the three-dimensional CFD operation this.

前記の制御プログラムによってコンピュータシステムを制御することにより、このコンピュータシステムが請求項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。   By controlling the computer system by the control program, the computer system becomes an engine performance prediction analysis system according to the invention of claim 2, and the same operation effect as that of the invention of claim 2 is thereby obtained.

また、前記請求項3〜5の各発明と同様に、前記偏り分布設定ステップにおいては、各境界面の重心寄りで流れが相対的に速くなる一方、通路壁寄りで相対的に遅くなるように吸排気の流速を層状に分布させることが好ましく(請求項10の発明)、解析モデルの模擬する吸排気通路が入口側境界面付近で湾曲している場合には、その入口側境界面において流れの最も速い部位を通路の湾曲外側にずらすのが好ましく(請求項11の発明)、解析モデルの模擬する吸排気通路が湾曲している場合には、これにより出口側境界面において生じる流れの偏りを該出口側境界面の流れの偏り分布に反映させるのが好ましい(請求項12の発明)。   As in the inventions of the third to fifth aspects, in the bias distribution setting step, the flow is relatively fast near the center of gravity of each boundary surface, and is relatively slow near the passage wall. Preferably, the flow velocity of intake and exhaust is distributed in layers (invention of claim 10). When the intake and exhaust passage simulated by the analysis model is curved in the vicinity of the inlet side boundary surface, the flow is caused at the inlet side boundary surface. It is preferable to shift the fastest part to the outside of the curve of the passage (invention of claim 11), and when the intake / exhaust passage simulated by the analysis model is curved, this causes a flow deviation generated at the outlet side boundary surface Is preferably reflected in the uneven distribution of the flow at the outlet side interface (the invention of claim 12).

また、前記偏り分布設定ステップにおいて、第1CFD演算ステップで演算された流れ場のデータに基づいて各境界面における流れが層流状態であるか乱流状態であるか判定し、この判定結果に応じて流れの偏り分布を変更設定するのがさらに好ましい(請求項13の発明)。こうすれば、請求項6の発明と同じ作用効果が得られる。   Further, in the bias distribution setting step, it is determined whether the flow at each boundary surface is a laminar flow state or a turbulent flow state based on the flow field data calculated in the first CFD calculation step, and according to the determination result It is more preferable to change and set the flow distribution. Thus, the same effect as that attained by the 6th aspect can be attained.

さらに、前記予測解析システムには、3次元CFD解析モデルの各境界面における吸排気流の偏り分布を少なくとも該各境界面の形状に対応付けて、且つ流れが層流状態のときと乱流状態のときとで別々に設定したデータベースを備え、偏り分布設定ステップでは、第1CFD演算ステップで演算された流れ場のデータに基づいて、前記各境界面における流れの状態に対応する流れの偏り分布を前記データベースから読み出して設定するのが好ましい(請求項14の発明)。こうすれば、請求項7の発明と同じ作用効果が得られる。   Further, the predictive analysis system associates the distribution of bias of the intake and exhaust flow at each boundary surface of the three-dimensional CFD analysis model with at least the shape of each boundary surface, and when the flow is in a laminar flow state and a turbulent flow state. And the bias distribution setting step includes the flow distribution distribution corresponding to the flow state at each boundary surface based on the flow field data calculated in the first CFD calculation step. It is preferable to read out and set from the database (invention of claim 14). Thus, the same effect as that attained by the 7th aspect can be attained.

或いは、前記各境界面における吸排気流の偏り分布を少なくとも該各境界面の形状とエンジンの模擬運転条件とに対応付けて設定したデータベースを備え、偏り分布設定ステップでは、前記データベースから前記模擬運転条件に対応する流れの偏り分布を読み出して設定するようにしてもよい(請求項15の発明)。   Alternatively, it comprises a database in which the bias distribution of the intake and exhaust flows at each boundary surface is set in association with at least the shape of each boundary surface and the simulated operation condition of the engine, and in the bias distribution setting step, the simulated operation condition is calculated from the database. It is also possible to read out and set the flow bias distribution corresponding to the above (invention of claim 15).

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、1次元及び3次元のCFD演算を並行して行い、これによりエンジンの吸排気の流れを解析してエンジン性能を予測する場合に、吸排気通路の形状や流れの状態等によって大きく異なる境界面の流れの偏り分布を予め設定しておき、1次元CFD演算の結果に基づいて適切な偏り分布を決定して、これに従って3次元境界面上の流れ変数の値、即ち境界条件を求めるようにしたので、この適切な境界条件の下で行う3次元のCFD演算を、全体的には高次のスキームを用いた高精度のものとし、しかも、比較的粗いメッシュで計算することによって時間短縮を図りながら、同時に計算の発散によるシステムダウンを防止することができる。
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 one-dimensional and three-dimensional CFD operations are performed in parallel, thereby the flow of intake and exhaust of the engine. When the engine performance is predicted by analyzing the above, the flow distribution of the boundary surface, which varies greatly depending on the shape of the intake / exhaust passage, the flow state, etc., is set in advance, and the appropriate distribution based on the result of the one-dimensional CFD calculation is set. Since the bias distribution is determined and the value of the flow variable on the three-dimensional boundary surface, that is, the boundary condition is determined in accordance with this, the three-dimensional CFD calculation performed under this appropriate boundary condition is generally performed. The system is highly accurate using a high-order scheme, and while reducing the time by calculating with a relatively coarse mesh, system downtime due to divergence of calculation is prevented. It can be.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the following description of the preferred embodiment is merely illustrative in nature, and is not intended to limit the present invention, its application, or its use.

(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、エンジンの作動流体である吸気や排気等の流れを1次元及び3次元のCFD演算により模擬するとともに、気筒内の燃焼を化学反応式により模擬し、それらを組み合わせることによって、エンジンの運転シミュレーションを行うようにしたものである。このシステムの特長は、1次元及び3次元のCFD演算同士でのデータの授受と、CFD演算及び化学反応シミュレーション(化学反応SIM)の間のデータの授受とをいずれも自動化して、例えばスロットル弁から気筒を経て触媒コンバータに至る吸排気の流れをダイナミックにシミュレーションできるようにしたことで、極めて高精度の解析を容易に行えるようにしたことにある。
(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 simulates the flow of intake and exhaust, which are working fluids of the engine, by one-dimensional and three-dimensional CFD computations, and simulates combustion in a cylinder by a chemical reaction equation, and combines them, Driving simulation is performed. This system is characterized by automating data exchange between one-dimensional and three-dimensional CFD computations and data exchange between CFD computations and chemical reaction simulation (chemical reaction SIM), for example, a throttle valve The flow of intake and exhaust from the cylinder to the catalytic converter can be dynamically simulated, so that extremely high-precision analysis can be easily performed.

図示の符号1,1,…は、主にCFD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も接続されている。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プログラムと、そのための物理モデル(解析モデル、数値計算モデル)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。   Reference numerals 1, 1,... Shown are computer apparatuses that mainly execute CFD operations. In this embodiment, in particular, a plurality of high-speed server computers are arranged in parallel in order to cope with an enormous amount of operations of three-dimensional CFD. Connected and used (hereinafter referred to as “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 also connected. The storage device includes at least one-dimensional and three-dimensional CFD programs for simulating the flow of intake and exhaust, a dedicated preprocessor for constructing a physical model (analysis model, numerical calculation model) therefor, and a combustion state Are stored, and a chemical reaction simulation program for simulating the image and an image processing program for displaying an image of a simulation result by each of the programs.

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モデルデータベースDB11にアクセスすることができる。このモデル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が格納されているとともに、その雛形がエンジンの各部位毎に種別された状態で格納されており、また、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。   The arithmetic servers 1, 1,... Can access the model database DB11 by a general method as needed during the operation. The model DB 11 stores a physical model of an engine used for one-dimensional and three-dimensional CFD calculations, and stores the model in a state classified for each part of the engine. A model newly constructed by the preprocessor 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. A part model that simulates a shape and whose physical property values such as dimensions, shape and material, surface state, and thermal conductivity can be changed, and is hereinafter referred to as a template part in this embodiment.

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が格納されたモデルDB11を備えることで、このモデルDB11から読み込んだテンプレート部品の寸法、形状等を修正して組み合わせて、その内部に計算格子(メッシュ)を生成すれば、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、構築したモデルも前記モデルDB11に格納されるので、必要に応じてそのモデルを修正することもでき、エンジンの設計変さらにも容易に対応することができる。   By providing the model DB 11 in which the data of the template part that can change the dimension, shape, and physical property value is stored, the dimension, shape, and the like of the template part read from the model DB 11 are corrected and combined. If a calculation grid (mesh) is generated inside, a physical model of the engine for CFD calculation can be constructed. In addition, since the model once constructed in this way is also stored in the model DB 11, the model can be corrected as necessary, and the engine design can be easily coped with.

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CFD演算データベースDB12にアクセスすることができる。このCFD演算DB12には、CFD演算における計算の時間刻み、離散化スキーム、緩和係数等の計算条件やそれ以外にCFD演算のために用いられる種々のデータが格納されている。例えば、CFD演算DB12には、詳しくは後述するが、前記モデルDB11に格納されている3次元の物理モデルに対応付けて、その入口側及び出口側の各境界面における吸排気流の偏り分布を設定した偏り分布データが格納されている。   Further, the operation servers 1, 1,... Can access the CFD operation database DB12 by a general method as needed during the operation. The CFD operation DB 12 stores various data used for the CFD operation, in addition to calculation conditions such as the time interval of the calculation in the CFD operation, the discretization scheme, the relaxation coefficient, and the like. For example, in the CFD calculation DB 12, as will be described in detail later, an intake / exhaust flow bias distribution at each boundary surface on the inlet side and the outlet side is set in association with a three-dimensional physical model stored in the model DB 11. Bias distribution data is stored.

さらに、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DB13にアクセスすることができる。この化学反応DB13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DB13から読み込み、それらガス成分の化学反応をそれぞれ模擬することによって、燃焼状態を模擬することができる。   Further, the arithmetic servers 1, 1,... Can access the chemical reaction database DB13 by a general method as needed during the operation. This chemical reaction DB 13 is filled with a cylinder combustion chamber of an engine and contributes to combustion with representative ones of various gas components (chemical species) in intake air having various physical quantities representing the state in the cylinder. They are stored in a state of being grouped in advance in association with the set. Therefore, as will be described in detail later, according to 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 13, and the chemical reactions of these gas components are respectively simulated. By this, the combustion state can be simulated.

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て記憶した実験データのデータベースDB14(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DB14に格納されている。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。   Reference numeral 2 shown in the figure is a computer device that is connected to an experimental data database DB 14 (experiment DB) that mainly stores engine specification values, physical characteristics, and performance characteristics in association with each other and manages the data ( Hereinafter, this is referred to as an experimental DB server). In other words, the data accumulated in the past experiments and developments related to engines and transmissions are organized by well-known statistical analysis methods, and the engine specifications and their physical characteristics (for example, volumetric efficiency, combustion characteristics, loss factor, etc.) Etc.) and their performance characteristics (for example, output, fuel consumption, emission, etc.) are stored in the experiment DB 14 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.

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システム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DB15(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、それらに変更を加えて新たに設計DB15に格納したりすることができる。すなわち、設計DB15には種々のエンジンの3次元の設計CADデータが、そのエンジン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。   Reference numeral 3 shown in the figure is a computer device of a three-dimensional CAD system 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 DB15 (design DB) by a general method as necessary during the operation. It is possible to call engine design CAD data, or change them and store them in the design DB 15 anew. That is, three-dimensional design CAD data of various engines is stored in the design DB 15 in a state where it can be individually extracted and used for each part of the engine.

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、該各PC端末5において、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、これにより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。   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 in each PC terminal 5, each PC terminal 5 is connected to the calculation servers 1, 1,... Via the network 6 (login). A so-called server / client environment is configured, and commands and files are exchanged mainly with the computing servers 1, 1,..., Thereby executing an engine operation simulation.

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。   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.

(CFD演算)
次に、前記1次元及び3次元のCFDについて、4サイクル4気筒ガソリンエンジンの運転シミュレーションを具体例として説明する。
(CFD calculation)
Next, the operation simulation of a 4-cycle 4-cylinder gasoline engine will be described as a specific example of the one-dimensional and three-dimensional CFD.

この例では、CFDの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を基本としながら、必要に応じてエンジンの一部分を3次元のCFDにより置換するようにしている。すなわち、例えば図2(a)に示すように、エンジンの吸気通路上流のスロットル弁thvから第1〜第4気筒c1〜c4の燃焼室を経て触媒コンバータcatに至る1次元CFDの物理モデルM1を基本として、例えば解析の主たる目的が前記触媒コンバータcatにに流入する排気流の偏り具合を調べることである場合に、排気マニホルドexmを同図(b)のような3次元のモデルM3で置き換えるのである。   In this example, in order to shorten the time required for the CFD calculation as much as possible, a part of the engine is replaced with a three-dimensional CFD as necessary while basically using a one-dimensional CFD. That is, for example, as shown in FIG. 2A, a one-dimensional CFD physical model M1 from the throttle valve thv upstream of the intake passage of the engine to the catalytic converter cat through the combustion chambers of the first to fourth cylinders c1 to c4 is obtained. Basically, for example, when the main purpose of the analysis is to examine the deviation of the exhaust flow flowing into the catalytic converter cat, the exhaust manifold exm is replaced with a three-dimensional model M3 as shown in FIG. is there.

より具体的に、図示の1次元のモデルM1では、基本的には、サージタンクstから各気筒c1〜c4までの独立の吸気通路と、スロットル弁thvからサージタンクstまでの共通の吸気通路とをそれぞれ管の集合体として表し、同様に、各気筒c1〜c4から排気マニホルドexmの集合部までの独立排気通路と、その排気集合部から触媒コンバータcatの入口までの共通の排気通路とをそれぞれ管の集合体として表す。また、サージタンクstや第1〜第4気筒c1〜c4はそれぞれ容器として表す。尚、図には表示していないが、前記排気マニホルドexmの集合部からサージタンクstの上流に排気の一部を還流させるEGR通路も管の集合体として表せばよい。   More specifically, in the illustrated one-dimensional model M1, an independent intake passage from the surge tank st to each of the cylinders c1 to c4 and a common intake passage from the throttle valve thv to the surge tank st are basically provided. Are respectively represented as a collection of pipes, and similarly, an independent exhaust passage from each cylinder c1 to c4 to a collection portion of the exhaust manifold exm, and a common exhaust passage from the exhaust collection portion to the inlet of the catalytic converter cat, respectively. Expressed as a collection of tubes. The surge tank st and the first to fourth cylinders c1 to c4 are represented as containers. Although not shown in the figure, the EGR passage for returning a part of the exhaust from the collection portion of the exhaust manifold exm to the upstream of the surge tank st may be represented as a collection of pipes.

このような1次元のモデルM1において管内を流れる吸気や排気の流れはいずれも圧縮性粘性流体の1次元流とみなし、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各方程式を、与えられた運転条件(模擬運転条件)の下で数値計算により解いてゆく。すなわち、前記各保存式に基づいて例えば特性曲線法により得られる特性方程式を用いて、流れ変数の値を計算し、スロットル下流から触媒上流までに至る吸排気の流れを所定の時間刻み(例えばクランク角)毎に記述する。この際、容器についてはその内部の状態は一様で、管から流入した流体は瞬時に均一に分布すると仮定する。また、管同士や管と容器との接合部分では適当な境界条件を与える。さらに、管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ことが好ましい。   In such a one-dimensional model M1, the flow of intake and exhaust flowing in the pipe is regarded as a one-dimensional flow of a compressible viscous fluid, and each of pressure p, density ρ, velocity u, and temperature T representing the state of the flow. The well-known equations for mass conservation, momentum conservation and energy conservation are solved by numerical calculation under given operating conditions (simulated operating conditions). That is, the value of the flow variable is calculated using a characteristic equation obtained by, for example, the characteristic curve method based on each of the conservation equations, and the intake / exhaust flow from the throttle downstream to the catalyst upstream is calculated in predetermined time increments (for example, crank Describe each angle. At this time, it is assumed that the internal state of the container is uniform and the fluid flowing in from the pipe is instantaneously and uniformly distributed. Further, an appropriate boundary condition is given at the joint portion between the tubes or between the tube and the container. Further, it is preferable to consider the influence of the bending condition of the pipe, friction on the wall surface, heat loss, and the like.

一方、前記排気マニホルドexmの3次元モデルM3は、各気筒毎の独立排気通路s1〜s4及びその下流の共通排気通路s5の形状をそれぞれ模擬するものであり、例えば、それらの通路の内壁面に所定寸法のレイヤーメッシュを貼り付けるとともに、通路内の空間にメッシュを切って、計算格子に分割したものである。そして、3次元のCFDでは、通路内の排気流を圧縮性粘性流体の3次元流とみなして前記1次元の場合と同様に各保存式を解いてゆく。すなわち、前記各保存式を時間及び空間において離散化して表した例えば差分方程式を用いて、前記1次元のCFD演算や後述の化学反応SIMにより与えられる境界条件の下で通路内の流れ場を計算し、この計算を所定の時間刻み毎に繰り返すことで、時々刻々と変化する排気マニホルド内の流れの様子を3次元で記述することができる。   On the other hand, the three-dimensional model M3 of the exhaust manifold exm simulates the shapes of the independent exhaust passages s1 to s4 and the downstream common exhaust passages s5 for each cylinder, for example, on the inner wall surface of these passages. A layer mesh of a predetermined size is pasted, and the mesh is cut into a space in the passage and divided into calculation grids. In the three-dimensional CFD, the exhaust flow in the passage is regarded as a three-dimensional flow of a compressible viscous fluid, and the respective conservation equations are solved as in the case of the one-dimensional case. That is, the flow field in the passage is calculated under the boundary condition given by the one-dimensional CFD calculation or the chemical reaction SIM described later, using, for example, a difference equation that is discretely expressed in time and space. By repeating this calculation at predetermined time intervals, the state of the flow in the exhaust manifold that changes from time to time can be described in three dimensions.

そのように1次元及び3次元のCFDを組み合わせる場合、吸排気の流れが1次元と3次元との間で入れ替わる部位、すなわち3次元モデルの入口側及び出口側境界面においてそれぞれ1次元CFDの演算結果に基づいて、3次元CFDの境界条件(各境界面上の流れ変数の値)を与えることになる。但し、1次元CFDの演算によって求められるのは、3次元の各境界面における流れ変数p,ρ,u,Tの平均値のみであるから、詳しくは後述するが、その平均値に基づいて該各境界面全体の流れ変数p,ρ,u,Tの値を求めるようにしている。   When combining one-dimensional and three-dimensional CFD in such a manner, calculation of one-dimensional CFD is performed at the part where the flow of intake and exhaust gas is switched between one-dimensional and three-dimensional, that is, at the boundary surface on the inlet side and outlet side of the three-dimensional model. Based on the result, a boundary condition (a value of a flow variable on each boundary surface) of the three-dimensional CFD is given. However, since only the average values of the flow variables p, ρ, u, and T at the three-dimensional boundary surfaces are obtained by the calculation of the one-dimensional CFD, the details will be described later. The values of the flow variables p, ρ, u, and T for each entire boundary surface are obtained.

そして、そのようにして演算データを受け渡しながら、全体的な吸排気の流れは簡易な1次元モデルM1を用いて演算し、特に高い精度の要求される部位(この場合は排気マニホルド)については自動的に3次元のモデルM3に置き換えて演算することで、1+3次元のCFDシミュレーションを極めて容易に実現することができ、解析の精度を確保しながら、そのための計算量を削減して、解析に要する時間を短縮することができる。   Then, while delivering the calculation data in this way, the overall intake / exhaust flow is calculated using the simple one-dimensional model M1, and the part requiring particularly high accuracy (in this case, the exhaust manifold) is automatically operated. By replacing with the three-dimensional model M3, the 1 + 3-dimensional CFD simulation can be realized very easily, and while ensuring the accuracy of the analysis, the calculation amount for that is reduced and the analysis is required. Time can be shortened.

また、前記排気マニホルドの3次元モデルM3は、例えば各独立吸気通路s1〜s4及び共通排気通路s5に分割することができるので、排気マニホルド全体を3次元のモデルM3に置き換えるのではなく、例えば各気筒毎の独立排気通路については対応する気筒c1〜c4が排気行程にあるときにのみ3次元のモデルs1〜s4に置き換えて、この単独の独立排気通路のモデルs1〜s4を共通排気通路のモデルs5と組み合わせたものを用いるようにしており、このことで、計算量をさらに削減することができる。   In addition, the exhaust manifold three-dimensional model M3 can be divided into, for example, the independent intake passages s1 to s4 and the common exhaust passage s5. Therefore, instead of replacing the entire exhaust manifold with the three-dimensional model M3, for example, The independent exhaust passages for each cylinder are replaced with the three-dimensional models s1 to s4 only when the corresponding cylinders c1 to c4 are in the exhaust stroke, and the single independent exhaust passage models s1 to s4 are replaced with the common exhaust passage models. The combination with s5 is used, and this can further reduce the amount of calculation.

(化学反応シミュレーション)
上述の如くエンジンの吸排気の流れをCFDによって模擬するとともに、この実施形態では、圧縮及び膨張行程にある気筒内の混合気や燃焼ガス等については、その運動を無視して、燃焼状態を模擬する化学反応シミュレーションを行うようにしている。具体的には、まず、上述の如き1次元又は3次元のCFD演算によって、気筒内の燃焼室に充填される吸気の状態、即ち圧力p,密度ρ,速度u及び温度Tを求める。その際、気筒の下死点と吸気バルブの閉時期とが異なることを考慮して、一度、気筒内に流入した後の吸気の吹き返しも模擬するようにすることで、気筒内に充填される吸気の状態を正確に求めることができる。
(Chemical reaction simulation)
As described above, the flow of the intake and exhaust of the engine is simulated by CFD. In this embodiment, the combustion state of the air-fuel mixture and combustion gas in the cylinder in the compression and expansion strokes is ignored while ignoring the motion. The chemical reaction simulation is done. Specifically, first, the state of intake air charged in the combustion chamber in the cylinder, that is, the pressure p, the density ρ, the speed u, and the temperature T is obtained by the one-dimensional or three-dimensional CFD calculation as described above. At that time, considering that the bottom dead center of the cylinder is different from the closing timing of the intake valve, the cylinder is filled by simulating the return of the intake air after flowing into the cylinder once. The state of inspiration can be obtained accurately.

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。一方、混合気の空燃比(又は気筒への燃料供給量)や燃焼室に残留する既燃ガス(内部EGRガス)の量、気筒壁温等は、シミュレーションにおけるエンジンの運転状態(例えばエンジン負荷と回転速度等)に基づいて求められる。すなわち、この実施形態では、前記空燃比、内部EGRガス量、気筒壁温等の物理量の値をエンジンの運転状態に対応付けて予め設定したマップを備え、シミュレーション中のエンジンの運転状態に基づいて前記マップから複数の物理量の値を読み込むようにしている。   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. 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 operating state of the engine is provided, and based on the operating state of the engine being simulated. A plurality of physical quantity values are read from the map.

そして、前記したようにCFD演算の結果と与えられたエンジン運転条件とに基づいて、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れば、図3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DB13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。   Then, as described above, if a plurality of physical quantity values representing the state of the combustion chamber in the initial stage of the compression stroke are obtained based on the result of the CFD calculation and the given engine operating conditions, as schematically shown in FIG. In addition, by reading a group of gas components corresponding to the set of physical quantities from the chemical reaction DB 13, the components of the working gas used for the chemical reaction simulation are appropriately reflected in the flow simulation by CFD and the engine operating conditions. Can be.

前記化学反応DB13におけるガス成分グループのデータは、前記図3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、EGRガスに含まれる炭化水素、炭酸ガス、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、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反応式を全て挙げれば、これは約3000種類以上にも上るものであり、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。   As shown in FIG. 3, the data of the gas component group in the chemical reaction DB 13 includes various hydrocarbons mainly supplied as fuel, nitrogen and oxygen in the air, and hydrocarbons contained in the EGR gas. A representative one corresponding to a set of physical quantities representing the state of the cylinder is stored together with its reaction formula among carbon dioxide, water vapor, and the like. That is, in general, if all the chemical species related to engine combustion and their reaction formulas are listed, this is more than about 3000 types, and if all of them are to be calculated, the amount of calculation will increase significantly. This will prolong the simulation time.

この点、全ての化学素反応を挙げるのではなく、燃焼の状態を模擬する上で特に重要なもの、即ち燃焼を模擬する代表的なもののみに絞り込めば、それはせいぜい数十から数百程度で済むので、この実施形態では、エンジンの運転状態によって変化する代表的な化学素反応のみを所定数(例えば100)以下となるように抽出して、これに対応する代表的なガス成分のみを化学反応DB13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DB13の大きさも適度のものとすることができる。   In this regard, if we focus on not only all the chemical reactions but also 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 depending on the operating state of the engine are extracted so as to be a predetermined number (for example, 100) or less, and only representative gas components corresponding thereto are extracted. It is made to store in chemical reaction DB13. 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 13 can be made moderate.

そして、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。   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 rises as the piston rises, and the temperature T rises accordingly. And the reaction of each gas component under such conditions will be sequentially described in consideration of heat being 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.

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燃焼室から排出される既燃ガス(排気)の状態を求める。このデータは上述したCFDプログラムにおける排気流の初期値とされる。   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 state of burned gas (exhaust gas) discharged from the combustion chamber when the cylinder moves to the exhaust stroke is obtained based on the expansion of the combustion chamber volume accompanying the above. This data is the initial value of the exhaust flow in the CFD program described above.

(シミュレーションの概要)
次に、この実施形態に係るエンジン性能の予測解析システムAによるシミュレーションの手順を説明する。図4にメインプログラムの概略を示すように、まず、PC端末5,5,…のいずれかにおいて画面表示等に従ってオペレータが所定の入力操作を行うことにより、エンジンシミュレーションのためのデータ(初期設定データ)が入力される(S1)。これは、既にエンジンモデルが構築されている場合には、モデルDB11に格納されているエンジンモデルを特定するための識別コードと、シミュレーションするエンジンの運転条件(模擬運転条件)等であり、エンジンモデルが構築されていない場合には、さらにモデルの構築に必要な情報が含まれる。
(Simulation overview)
Next, a simulation procedure by the engine performance prediction analysis system A according to this embodiment will be described. As shown schematically in FIG. 4, first, an operator performs a predetermined input operation according to a screen display or the like on any of the PC terminals 5, 5,. ) Is input (S1). This is an identification code for specifying the engine model stored in the model DB 11, an operating condition (simulated operating condition) of the engine to be simulated, and the like when the engine model has already been constructed. If is not constructed, information necessary for constructing the model is further included.

例えば、前記図2に示す4気筒エンジンのモデルについて説明すると、エンジンの吸排気系、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DB14や設計DB15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をPC端末5に入力させる。   For example, the model of the four-cylinder engine shown in FIG. 2 will be described. Geometric data representing dimensions and shapes of the engine intake and exhaust systems, combustion chambers, etc., physical data representing physical characteristics such as heat transfer coefficient thereof, or Instead of the detailed data, a code for designating engine data stored in the experiment DB 14 or the design DB 15 is input to the PC terminal 5.

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どの行程で3次元演算を行うか選択させる。すなわち、例えばエンジンの排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(b)に示すように排気マニホルドに3次元のモデルM3を用いるように選択して設定すればよく、さらに、そのうちの独立排気通路s1〜s4については対応する気筒が排気行程にあるときにのみ、3次元のCFD演算を行うように設定するのが好ましい。   Further, for which part of the engine the three-dimensional model is used is selected, and further, in which stroke of the cylinder the three-dimensional calculation is selected for that part. That is, for example, if the purpose of analysis is to support engine exhaust system design and development, the operator selects and sets the exhaust manifold to use a three-dimensional model M3 as shown in FIG. Further, it is preferable that the independent exhaust passages s1 to s4 are set so that the three-dimensional CFD calculation is performed only when the corresponding cylinder is in the exhaust stroke.

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シミュレーションデータに基づいてエンジンモデルを構築するか、或いはモデルDB11から読み込んで、これを演算サーバ1,1,…の内部記憶装置(メモリ)に格納する。例えば、図2(a)に示すような、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M1と、各気筒c1〜c4毎の独立排気通路s1〜s4及び共通排気通路s5に分割可能な排気マニホルドの3次元モデルM3とがメモリに格納される。   Subsequently, in step S2, an engine model is constructed based on the simulation data input in step S1, or is read from the model DB 11 and stored in the internal storage device (memory) of the arithmetic servers 1, 1,. Store. For example, as shown in FIG. 2A, a one-dimensional CFD model M1 extending from a part of the intake system to a part of the exhaust system, the independent exhaust passages s1 to s4 and the common exhaust for each of the cylinders c1 to c4. A three-dimensional model M3 of the exhaust manifold that can be divided into the passage s5 is stored in the memory.

尚、3次元のモデルM3を新たに構築する場合には、例えば、前記シミュレーションデータに基づいて、設計DB15から排気マニホルドの形状を表す3次元の設計CADデータがPC端末5に読み込まれ、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が作成されて、演算サーバ1,1,…に送信される。そして、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が起動されて、排気マニホルドの通路の内壁面にレイヤーメッシュを貼り付け、また、内部空間にメッシュを切っていく。   When a new three-dimensional model M3 is constructed, for example, based on the simulation data, three-dimensional design CAD data representing the shape of the exhaust manifold is read from the design DB 15 into the PC terminal 5, A model creation command attached with data designating boundary surface and mesh information is created and transmitted to the calculation servers 1, 1,. Upon receiving this command, the preprocessor is activated in the arithmetic servers 1, 1,..., And a layer mesh is pasted on the inner wall surface of the exhaust manifold passage, and the mesh is cut into the internal space.

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がPC端末5から演算サーバ1,1,…に送信されると、このコマンドを受け取った演算サーバ1,1,…では、モデル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。   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,. By reading template part data representing the basic shape of the tank and changing the dimensions and shape of the part, a three-dimensional model having a mesh for CFD calculation is constructed.

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用いる。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。   In addition, regarding the chemical reaction simulation, a container model that defines a change in the cylinder volume with respect to a change in the crank angle, a change in heat transfer coefficient according to the cylinder wall temperature, and the like is used. 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.

前記の如く演算サーバ1,1,…のメモリに格納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するようにしている。   As described above, using the models stored in the memory of the calculation servers 1, 1,..., In step S3, a simulation calculation is performed to simulate the flow of intake and exhaust during engine operation and the state of combustion in the combustion chamber. To give an example of details of the arithmetic processing, in this embodiment, while the PC terminal 5 and the arithmetic servers 1, 1,... 1, 1,..., One-dimensional and three-dimensional CFD operations and chemical reaction simulation are executed simultaneously.

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M1に対しシミュレーションの始期における境界条件(流れ変数p,ρ,u,T等)とエンジンの運転条件を入力し(S31:条件入力)、これに基づいて1次元流れの特性方程式を計算する(S32:CFD演算)。すなわち、図2(a)に示すモデルM1において、流れの入口側の境界であるスロットル弁thvと出口側の境界である触媒コンバータcatとにおける流れ変数の値が前記シミュレーションデータに基づいて与えられ、これにより、スロットル弁thv下流から各気筒c1〜c4の燃焼室を経て触媒コンバータcatに至る吸気及び排気の流れ場が求められる。   For example, as a processing procedure of the CFD calculation, first, boundary conditions (flow variables p, ρ, u, T, etc.) and an engine operating condition at the beginning of the simulation are input to the one-dimensional CFD calculation model M1 (S31: Based on this, a one-dimensional flow characteristic equation is calculated (S32: CFD calculation). That is, in the model M1 shown in FIG. 2 (a), values of flow variables in the throttle valve thv that is the boundary on the inlet side of the flow and the catalytic converter cat that is the boundary on the outlet side are given based on the simulation data. As a result, the flow fields of the intake and exhaust gas from the downstream of the throttle valve thv to the catalytic converter cat through the combustion chambers of the cylinders c1 to c4 are obtained.

続くステップS33では、前記流れ場のデータを保存するとともに、このデータに基づいて3次元CFDの境界条件を与える。すなわち、前記1次元の流れ場のデータがデータファイルとして演算サーバ1,1,…からPC端末5に転送され、このデータファイルを受け取ったPC端末5では、1次元の流れ場のデータから後述の如く3次元モデルの境界面(この実施形態ではいずれかの独立排気通路s1〜s4の入口と共通排気通路s5の出口)における流れ変数p,ρ,u,Tの値を求めて、この値を境界条件として含んだ3次元CFDプログラムの実行ファイルを作成し、演算サーバ1,1,…に返送する。   In the subsequent step S33, the flow field data is stored, and boundary conditions of the three-dimensional CFD are given based on the data. That is, the data of the one-dimensional flow field is transferred as a data file from the calculation servers 1, 1,... To the PC terminal 5, and the PC terminal 5 that has received this data file uses the data of the one-dimensional flow field to be described later. Thus, the values of the flow variables p, ρ, u, T on the boundary surface of the three-dimensional model (in this embodiment, the inlet of any of the independent exhaust passages s1 to s4 and the outlet of the common exhaust passage s5) are obtained, and these values are obtained. An execution file of the three-dimensional CFD program included as a boundary condition is created and returned to the calculation servers 1, 1,.

続いて、前記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、排気マニホルドの3次元モデルM3に前記境界条件やエンジンの模擬運転条件等の所定の演算条件を入力して(S34:条件入力)、これに基づいて3次元流れの差分方程式を計算する(S35:CFD演算)。すなわち、図2(b)に示す排気マニホルドのモデルM3のうち、対応する気筒が排気行程にある独立排気通路s1〜s4と共通排気通路s5とを組み合わせた3次元モデルが用いられ、その入口及び出口(境界面)における流れ変数の値(境界条件)に基づいて、当該通路内を流れる排気の状態(流れ変数p,ρ,u,T)、即ち排気の流れ場が3次元で求められる。そして、そうして求めた3次元の流れ場のデータを演算サーバ1,1,…のメモリに保存する(S36:データ保存)。   Subsequently, the calculation servers 1, 1,... That have received the execution file start a three-dimensional CFD program and set predetermined calculation conditions such as the boundary condition and engine simulation operation condition on the three-dimensional model M3 of the exhaust manifold. Input (S34: condition input), and based on this, a difference equation of a three-dimensional flow is calculated (S35: CFD calculation). That is, among the exhaust manifold model M3 shown in FIG. 2B, a three-dimensional model in which the independent exhaust passages s1 to s4 in which the corresponding cylinders are in the exhaust stroke and the common exhaust passage s5 is used. Based on the value (boundary condition) of the flow variable at the outlet (boundary surface), the state of the exhaust flowing in the passage (flow variables p, ρ, u, T), that is, the flow field of the exhaust is determined in three dimensions. Then, the three-dimensional flow field data thus obtained is stored in the memory of the arithmetic servers 1, 1,... (S36: data storage).

そのようにして1+3次元で求められたシミュレーション始期における流れ場のデータのうち、例えば気筒内の燃焼に係るものや当該気筒から排出される既燃ガスの状態等は、後述するが、所定のタイミングで化学反応シミュレーションの結果に基づいて書き換えられる(データの変換、提供及び書換:S37)。その後、エンジンのクランク角を予め設定した微小クランク角(時間刻み)だけ進めて(インクリメント:S38)、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(S39)、この判定がNOであれば、前記ステップS31に戻って、1次元及び3次元のCFD演算(S31〜S36)を微小クランク角毎に繰り返し実行する。   Of the flow field data at the beginning of the simulation thus obtained in 1 + 3 dimensions, for example, the data related to combustion in the cylinder and the state of burned gas discharged from the cylinder will be described later. The data is rewritten based on the result of the chemical reaction simulation (data conversion, provision and rewriting: S37). Thereafter, the crank angle of the engine is advanced by a minute crank angle (time increment) set in advance (increment: S38), and it is determined whether or not the crank angle position set as the end of the simulation is reached (S39). If so, the process returns to step S31, and the one-dimensional and three-dimensional CFD calculations (S31 to S36) are repeatedly executed for each minute crank angle.

こうして、1+3次元のCFD演算がシミュレーションの始期から終期に至るまで、前記微小クランク角毎に繰り返し行われることで、エンジンの吸排気の流れ場が時々刻々と変化する様子を時系列に記述したデータが、演算サーバ1,1,…の内部記憶装置に格納される。   In this way, 1 + 3 dimensional CFD calculation is repeatedly performed for each minute crank angle from the beginning to the end of the simulation, so that the flow of the intake / exhaust flow field of the engine changes from moment to moment in time series. Are stored in the internal storage of the calculation servers 1, 1,.

尚、上述の如くシミュレーションデータ(ステップS1)に含まれる運転条件は、エンジンの定常運転状態を模擬する場合には略一定であり、このときには1次元CFDモデルM1のスロットル弁thvにおける吸気流の流れ変数p,ρ,u,Tは略一定となる。一方、運転状態が変化する非定常運転状態を模擬する場合には、そのように変化する運転状態を表す時系列の模擬運転条件が前記シミュレーションデータに含まれており、前記フローのステップS31、S34では、それぞれクランク角の変化に応じて変化する運転条件が与えられることになる。   As described above, the operating conditions included in the simulation data (step S1) are substantially constant when simulating the steady operating state of the engine. At this time, the flow of the intake air flow in the throttle valve thv of the one-dimensional CFD model M1 The variables p, ρ, u, and T are substantially constant. On the other hand, when simulating an unsteady driving state in which the driving state changes, the simulation data includes time-series simulated driving conditions representing the driving state changing in such a manner, and steps S31 and S34 in the flow. Then, an operating condition that varies according to a change in the crank angle is given.

上述した1+3次元の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、いずれかの気筒(以下、例えば第1気筒c1として説明する)が吸気行程から圧縮行程に移行したときには、図5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、この物理量の組に対応する識別コードを含む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)。   In parallel with the above-described 1 + 3-dimensional CFD calculation, 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, when one of the cylinders (hereinafter, for example, described as the first cylinder c1) shifts from the intake stroke to the compression stroke as the simulation progresses, the CFD calculation described above is performed as schematically shown in FIG. Calculation result data is transmitted from the calculation servers 1, 1,... 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, the values of physical quantities such as air-fuel ratio and cylinder wall temperature are read from the map, a set of physical quantities representing the state in the cylinder is specified, and a chemical reaction simulation program including an identification code corresponding to the set of physical quantities is executed The file is transmitted to the arithmetic servers 1, 1,... (Data exchange between the programs is shown as result processing * 1 in the figure).

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、図4のフローに示すように、前記識別コードの物理量の組に対応するガス成分のグループデータを化学反応DB13から読み込んで、(S41:化学種の読込み)、第1気筒c1の容器モデルにより燃焼室容積の拡大を模擬しながら、予め設定した微小クランク角(時間刻み)におけるガス成分の化学反応を記述して(S42:化学反応演算)、その結果を保存する(S43:データ保存)。このような化学反応式の演算が当該気筒c1の圧縮行程初期から膨張行程の終期に至るまで、前記微小クランク角毎に繰り返し行われ、これにより、当該気筒c1内の燃焼室における圧縮及び膨張行程の作動ガスの状態を時系列に記述したデータが化学反応演算の結果として記憶装置に格納される。   Upon receiving the execution file, a chemical reaction simulation program is started in the arithmetic servers 1, 1,..., And as shown in the flow of FIG. 4, group data of gas components corresponding to a set of physical quantities of the identification code is stored in the chemical reaction DB 13. (S41: reading of chemical species), and describes the chemical reaction of the gas component at a preset small crank angle (time increment) while simulating the expansion of the combustion chamber volume by the container model of the first cylinder c1. (S42: Chemical reaction calculation), and the result is stored (S43: Data storage). Such calculation of the chemical reaction formula is repeatedly performed for each minute crank angle from the initial stage of the compression stroke to the end of the expansion stroke of the cylinder c1, and thereby the compression and expansion strokes in the combustion chamber in the cylinder c1. Data describing the state of the working gas in chronological order is stored in the storage device as a result of the chemical reaction calculation.

そして、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、図に結果処理*2として示すように、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、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、気筒から吹出す排気流の初期状態を表す変数p,ρ,u,Tを求め、この変数のデータファイルと、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所定のコマンドとを作成して、演算サーバ1,1,…に返送する。   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. Data such as the composition of burned gas (exhaust gas) discharged from the combustion chamber, the heat generated by combustion, and the work amount are transmitted from the calculation servers 1, 1,. In the PC terminal 5 receiving this data, the initial state of the exhaust flow blown out from the cylinder based on the composition of the burned gas (exhaust gas) discharged from the combustion chamber of the first cylinder c1, the heat generated by the combustion, the work amount, etc. , P, ρ, u, and T are obtained, and a data file of this variable and a predetermined command for rewriting the operation result data of the CFD operation based on the data file are created, and the operation servers 1, 1,. Return to

そうして、前記コマンド及びファイルを受け取った演算サーバ1,1,…により、図4のフローのステップS37において、1次元CFD演算の演算結果データにおける第1気筒c1の圧縮行程及び膨張行程の部分が書き換えられる。また、EGRを考慮して、前記排気の組成に基づいて化学反応DB13におけるガス成分のデータが修正される。   Then, the calculation servers 1, 1,... That have received the command and the file are portions of the compression stroke and expansion stroke of the first cylinder c1 in the calculation result data of the one-dimensional CFD calculation in step S37 of the flow of FIG. Will be rewritten. Further, in consideration of EGR, the data of the gas component in the chemical reaction DB 13 is corrected based on the composition of the exhaust gas.

上述したように、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、1+3次元のCFD演算と化学反応シミュレーション演算とが並行して行われる。そして、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れば(S39で判定が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)。   As described above, in step S3 of the main program, the 1 + 3-dimensional CFD calculation and the chemical reaction simulation calculation are performed in parallel 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 as the end of the simulation is reached (determination is YES in S39), the process proceeds to step S4, the simulation result is output, and then the control ends (end).

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。例えば、エンジンの出力特性、燃費特性、エンジン運転状態の変化に伴う各気筒の体積効率の変化等をグラフ化して、サーバ1,1,…やPC端末5のディスプレイに画像表示すればよい。また、例えば排気マニホルド内の排気の流れ等について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。   As the output of the simulation result in the step S4, the necessary 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, Based on this data, a predetermined evaluation value relating to engine performance may be output. For example, the output characteristics of the engine, the fuel consumption characteristics, the change in volumetric efficiency of each cylinder accompanying the change in the engine operating state, etc. may be graphed and displayed on the display of the server 1, 1,. In addition, for example, the result of the three-dimensional CFD calculation regarding the flow of exhaust gas in the exhaust manifold may be visualized and displayed as an image.

前記図4に示すフローのステップS32が、1次元のCFDプログラムを実行して、エンジンの吸排気の流れ場を演算する第1CFD演算ステップに対応し、同様にステップS35が、3次元のCFDプログラムを実行して、吸排気の流れ場を演算する第2CFD演算ステップに対応している。   Step S32 of the flow shown in FIG. 4 corresponds to a first CFD calculation step of calculating the flow field of intake and exhaust of the engine by executing a one-dimensional CFD program, and similarly, step S35 is a three-dimensional CFD program. To correspond to the second CFD calculation step of calculating the flow field of intake and exhaust.

そして、この実施形態の予測解析システムAでは、前記演算サーバ1,1,…において前記フローのステップS32及びステップS35がそれぞれ実行されることにより、この演算サーバ1,1,…が、1次元CFDプログラムを実行する第1CFD演算手段1a、及び3次元CFDプログラムを実行する第2CFD演算手段1bをそれぞれ構成する。   In the prediction analysis system A of this embodiment, the calculation servers 1, 1,... Are executed in the calculation servers 1, 1,. A first CFD computing unit 1a that executes a program and a second CFD computing unit 1b that executes a three-dimensional CFD program are configured.

(3次元CFDの境界条件の与え方)
上述の如く、メインプログラムのステップS33では、1次元のCFD演算の結果から3次元モデルの入口側及び出口側境界面(例えば排気マニホルドのいずれかの独立排気通路s1〜s4の入口と共通排気通路s5の出口)における流れ変数p,ρ,u,Tの値を求めるものであるが、この際、最も簡略には、例えば第1気筒の独立排気通路s1入口について図6(a)に模式的に示すように、境界面において流れが略一様で偏りがないものとみなして、1次元CFD演算により求めた流れ変数の値をそのまま境界面全体に展開することが考えられる。
(How to give boundary conditions for 3D CFD)
As described above, in step S33 of the main program, from the result of the one-dimensional CFD calculation, the inlet-side and outlet-side boundary surfaces of the three-dimensional model (for example, the inlets and common exhaust passages of the independent exhaust passages s1 to s4 of any one of the exhaust manifolds) The values of the flow variables p, ρ, u, and T at the outlet of s5 are obtained. In this case, for example, FIG. 6 (a) schematically illustrates the independent exhaust passage s1 inlet of the first cylinder, for example. As shown in FIG. 4, it is considered that the flow is substantially uniform on the boundary surface and there is no deviation, and the value of the flow variable obtained by the one-dimensional CFD calculation is directly developed on the entire boundary surface.

しかし、一般に、吸排気の流れは、仮に通路が真っ直ぐであっても同図(b),(c)に示すような流速分布を示し、通路壁面の近くでは粘性によって相対的に流速が低くなり、壁面から離れるほど流速が高くなる。また、その流速分布は流れの状態によって大きく変化し、流れが比較的遅い層流の状態では同図(b)のように壁面に隣接する境界層のみに速度勾配が現れ、それ以外では概ね一定流速となるが、流れが比較的早い乱流状態では同図(c)のように通路断面の略全体に亘って速度勾配が現れる。さらに、前記独立排気通路s1のように入口側境界面付近で通路が湾曲している場合には、その湾曲する内側の部位に比べて外側の部位の流れが速くなる傾向がある(図8(a)参照)。   However, in general, the flow of intake and exhaust shows a flow velocity distribution as shown in (b) and (c) of the figure even if the passage is straight, and the flow velocity is relatively low near the passage wall due to viscosity. The further away from the wall, the higher the flow velocity. In addition, the flow velocity distribution varies greatly depending on the flow state, and in the laminar flow state where the flow is relatively slow, a velocity gradient appears only in the boundary layer adjacent to the wall surface as shown in Fig. 2 (b), and is almost constant otherwise. In the turbulent state where the flow is relatively fast, a velocity gradient appears over substantially the entire cross section of the passage as shown in FIG. Further, when the passage is curved in the vicinity of the inlet side boundary surface as in the independent exhaust passage s1, the flow of the outer portion tends to be faster than the curved inner portion (FIG. 8 ( a)).

このことから、前記の如く簡略に3次元の境界面全体に亘って略一様に流れ変数を展開して、これを境界条件とした場合には(図6(a))、その境界面付近において、特に図の例では符号Dとして示す通路の湾曲内側の壁面近傍において、境界条件として与えられた流速値が3次元のCFD演算によって求められる下流側の流速値と比べてかなり大きくなってしまい、隣り合うメッシュ間の流速値の偏差が過度に大きくなることから、計算が発散してしまう虞れがあった。   Therefore, as described above, when a flow variable is developed almost uniformly over the entire three-dimensional boundary surface as a boundary condition (FIG. 6 (a)), the vicinity of the boundary surface In particular, in the example of the figure, in the vicinity of the curved inner wall surface of the passage indicated by symbol D, the flow velocity value given as the boundary condition becomes considerably larger than the downstream flow velocity value obtained by the three-dimensional CFD calculation. Since the deviation of the flow velocity value between adjacent meshes becomes excessively large, there is a possibility that the calculation may diverge.

そこで、この実施形態では、本願発明の特徴部分として、まず、解析に用いる3次元モデルの入口側及び出口側境界面における流れの偏り分布を予め調べて、これを流れの偏り分布データとしてCFD演算DB12に格納しておき、前記のように1次元CFD演算の結果から3次元の各境界面における流れ変数p,ρ,u,Tの値(境界条件)を求めるときには、該各境界面における流れ変数の平均値を前記流れの偏り分布に従って重み付けして、境界面全体に展開するようにした。   Therefore, in this embodiment, as a characteristic part of the present invention, first, the flow bias distribution at the inlet side and outlet side boundary surfaces of the three-dimensional model used for the analysis is examined in advance, and this is used as the flow bias distribution data for CFD calculation. When the values of the flow variables p, ρ, u, and T (boundary conditions) at the three-dimensional boundary surfaces are obtained from the result of the one-dimensional CFD calculation as described above, the flow at the boundary surfaces is stored. The average value of the variables was weighted according to the flow bias distribution and developed over the entire boundary surface.

−境界面を含む通路形状の影響−
前記流れの偏り分布データとして例えば流速について説明すると、まず、図7(a)〜(c)に一例を示すように、3次元CFDモデルの境界面の形状に応じてその重心G寄りで流れが相対的に速く、通路壁寄りで相対的に遅くなるように、流れの偏り具合を層状に(階層的に)分布させた基本的な偏り分布パターンを設定する。また、その偏り分布パターンの各階層間における速度勾配は、前記図6(b),(c)のように層流状態と乱流状態とで別々に設定する。
-Influence of passage shape including boundary surface-
For example, the flow velocity will be described as the flow distribution data. First, as shown in FIGS. 7A to 7C, the flow near the center of gravity G according to the shape of the boundary surface of the three-dimensional CFD model. A basic bias distribution pattern in which the flow unevenness is distributed in layers (hierarchically) is set so as to be relatively fast and relatively slow near the passage wall. Further, the velocity gradient between the layers of the bias distribution pattern is set separately for the laminar flow state and the turbulent flow state as shown in FIGS. 6 (b) and 6 (c).

さらに、前記境界面を含む吸排気通路の湾曲形状の影響を織り込む。すなわち、例えば前記独立排気通路s1のように入口側境界面付近で通路が湾曲していて、該境界面と対向する通路壁面との距離が非常に近い場合には、図8(a)に示すように通路壁面に沿って流れが曲げられる影響で、それよりも上流側の入口側境界面においても湾曲内側の流れがやや遅くなり、反対に外側の流れが速くなる。そこで、図示の如く、前記入口側境界面において流れの最も速い部位を重心位置Ginから通路の湾曲外側にずらすようにする。   Further, the influence of the curved shape of the intake / exhaust passage including the boundary surface is incorporated. That is, for example, when the passage is curved in the vicinity of the inlet side boundary surface as in the independent exhaust passage s1, and the distance between the boundary surface and the passage wall surface facing the boundary surface is very close, as shown in FIG. As described above, the flow is bent along the wall surface of the passage, so that the flow on the curved inner side becomes slightly slower at the upstream side boundary surface, and the flow on the outer side becomes faster. Therefore, as shown in the drawing, the fastest flow portion on the inlet side boundary surface is shifted from the center of gravity position Gin to the outside of the curved path.

具体的には、例えば、図示の如く入口側境界面の重心Ginを原点とし、該境界面内において互いに直交するX,Y軸と、該境界面に直交するZ軸とからなる局所直交座標系において、そのZ軸方向について境界面と対向する通路壁面との距離Lによって、入口付近の通路形状依存係数αinを定義し、これにより、流れの中心の重心位置Ginからのずれ量を決めるようにする。この係数αinについて一例を挙げれば、前記距離Lと入口側境界面の代表長さD(例えば境界面の等価直径)とによって、図8(b)に示すように、
αin = 1 (但し、0<L/D≦1)
αin = D/L (但し、1<L/D≦4)
αin = 0 (但し、4<L/D)
と定義することができる(尚、係数αinによりずれ量を求める考え方は以下の出口側と同様である)。
Specifically, for example, as shown in the figure, a local orthogonal coordinate system having a center of gravity Gin of the entrance side boundary surface as an origin and an X, Y axis orthogonal to each other in the boundary surface and a Z axis orthogonal to the boundary surface. , The passage shape dependence coefficient αin in the vicinity of the inlet is defined by the distance L between the boundary surface and the passage wall surface facing the Z-axis direction, thereby determining the amount of deviation from the center of gravity position Gin of the flow center. To do. As an example of the coefficient αin, as shown in FIG. 8 (b), the distance L and the representative length D of the inlet side boundary surface (for example, the equivalent diameter of the boundary surface),
αin = 1 (however, 0 <L / D ≦ 1)
αin = D / L (where 1 <L / D ≦ 4)
αin = 0 (4 <L / D)
(The concept of obtaining the deviation amount by the coefficient αin is the same as that on the outlet side below).

一方、出口側境界面においては通路全体の湾曲形状を考慮する必要がある。すなわち、例えば図9(a)に示すように第1気筒が排気行程にあるときには、独立排気通路s1にその入口から流入した排気は通路形状に沿って大きく湾曲した後に、連続する共通排気通路s5の出口(出口側境界面)から流出することになり、このように排気の流れが大きく湾曲して図示のように左側から右側に流れるときには、出口側境界面においても流れが図の右側に偏ることになるからである。   On the other hand, it is necessary to consider the curved shape of the entire passage on the exit side boundary surface. That is, for example, as shown in FIG. 9 (a), when the first cylinder is in the exhaust stroke, the exhaust flowing into the independent exhaust passage s1 from the inlet is largely curved along the shape of the passage, and then the continuous common exhaust passage s5. When the flow of exhaust gas is greatly curved and flows from the left side to the right side as shown in the figure, the flow is also biased to the right side of the drawing on the outlet side boundary surface. Because it will be.

そこで、例えば図9(b)や図10(a)にも示すように、出口側境界面の重心Goutを原点とし、該境界面内において互いに直交するX,Y軸と、該境界面に直交するZ軸とからなる局所直交座標系において、そのX−Y平面に投射した入口側境界面重心位置Ginの出口側重心Gout(原点)に対する偏差量Mと、出口側境界面の代表長さH(例えば等価直径)とによって、通路全体の湾曲度合いを流れの偏り具合に反映させるための補正係数βを定義する。   Therefore, for example, as shown in FIGS. 9B and 10A, the center of gravity Gout of the exit side boundary surface is set as the origin, and the X and Y axes orthogonal to each other in the boundary surface are orthogonal to the boundary surface. In the local orthogonal coordinate system composed of the Z-axis, the deviation amount M of the entrance-side boundary surface centroid position Gin projected onto the XY plane with respect to the exit-side centroid Gout (origin), and the representative length H of the exit-side boundary surface (For example, equivalent diameter) defines a correction coefficient β for reflecting the degree of curvature of the entire passage in the flow deviation.

より具体的に、前記出口側の局所直交座標系における入口側境界面の重心位置座標を、X1,Y1とすれば、偏差量M = √(X12+Y12) であり、このときに補正係数βは、例えば、
β = 0.2×(M/H)2−0.1×(M/H)+1 (但し、M/H≦2)
β = 2 (但し、M/H>2)
と定義することができる。
More specifically, if the center-of-gravity position coordinates of the entrance-side boundary surface in the local orthogonal coordinate system on the exit side are X1 and Y1, the deviation amount M = √ (X1 2 + Y1 2 ). At this time, the correction coefficient β is, for example,
β = 0.2 × (M / H) 2 −0.1 × (M / H) +1 (where M / H ≦ 2)
β = 2 (where M / H> 2)
Can be defined as

また、入口及び出口の重心位置Gin,Goutの関係が同じであっても、前記図9(b)に実線及び破線でそれぞれ示すように出口近傍の通路形状が大きく異なる場合には、出口側境界面における流れの偏り具合が異なるものとなるので、このような出口付近の通路形状依存係数αoutを、出口側の局所直交座標系において該出口側の境界面重心位置(原点)から対向する通路壁面までの距離Lによって、例えば、
αout = 2 (但し、0<L/D≦1)
αout = H/L (但し、1<L/D≦4)
αout = 1 (但し、4<L/D)
と定義する。
Further, even if the relationship between the gravity center positions Gin and Gout of the inlet and the outlet is the same, if the shape of the passage near the outlet is greatly different as shown by the solid line and the broken line in FIG. Since the flow unevenness on the surface is different, the passage shape dependence coefficient αout in the vicinity of the outlet is determined from the passage wall surface facing the center of gravity (origin) of the boundary surface on the outlet side in the local orthogonal coordinate system on the outlet side. Depending on the distance L to
αout = 2 (however, 0 <L / D ≦ 1)
αout = H / L (where 1 <L / D ≦ 4)
αout = 1 (However, 4 <L / D)
It is defined as

そして、前記係数αoutと補正係数βとによって、出口側境界面において流れの中心位置が境界面重心Goutからどの程度ずれているか表すずれ係数γを、γ = αout×β として定義し、これにより、図10(b)に模式的に示すようにして上述の基本的な偏り分布パターン(図7参照)を修正することで、通路の湾曲形状の影響を反映した出口側境界面における流れの偏り分布を求めることができる。   Then, the coefficient αout and the correction coefficient β define a deviation coefficient γ representing how much the flow center position is deviated from the boundary surface gravity center Gout on the outlet side boundary surface as γ = αout × β. As shown schematically in FIG. 10 (b), the above-mentioned basic bias distribution pattern (see FIG. 7) is corrected to thereby distribute the flow bias distribution on the outlet side boundary surface reflecting the influence of the curved shape of the passage. Can be requested.

すなわち、まず、図10(a)に示すように、出口側の局所直交座標系における入口側境界面の重心位置座標(X1,Y1)からずれ方向のベクトルV1(X1,Y1)を求め、これの単位逆ベクトルV2により出口側境界面における流れ中心のずれ方向を決定する。そして、前記ずれ係数γから、ずれ量T = {(γ−1)/12}×H として求めて、同図(b)に示すように流れの中心を重心Goutから前記ずれ方向V2に前記ずれ量Tだけ移動させて、流れの偏り分布パターンを求めればよい。   That is, first, as shown in FIG. 10 (a), a vector V1 (X1, Y1) of a deviation direction is obtained from the center-of-gravity position coordinates (X1, Y1) of the entrance side boundary surface in the local orthogonal coordinate system on the exit side. The direction of deviation of the flow center at the outlet side boundary surface is determined by the unit inverse vector V2. Then, from the deviation coefficient γ, a deviation amount T = {(γ−1) / 12} × H is obtained, and the center of the flow is shifted from the center of gravity Gout to the deviation direction V2 as shown in FIG. It is only necessary to move by the amount T to obtain a flow uneven distribution pattern.

−流れの状態の影響−
前記したように通路形状の影響を織り込んで、各境界面における流れの偏り分布パターンを決定するとともに、このパターンの各階層間において流速や圧力の変化する割合は、その流れの状態、即ち層流状態であるか乱流状態であるかによって別々に設定する。すなわち、例えば前記独立排気通路s1では、対応する第1気筒が吸気〜膨張行程にあるときと、該第1気筒が排気行程になって高温高圧の既燃ガスを吹出すときとで、排気の流速が全く異なり、このような流速の著しい変化が気筒の燃焼サイクル毎に繰り返されて、その度に流れの状態が層流状態と乱流状態との間で相互に遷移することになる。
-Effects of flow conditions-
As described above, the flow distribution distribution pattern at each boundary surface is determined by incorporating the influence of the passage shape, and the rate of change in flow velocity and pressure between the layers of this pattern is the flow state, that is, laminar flow. Set separately depending on whether the state is turbulent or turbulent. That is, for example, in the independent exhaust passage s1, when the corresponding first cylinder is in the intake to expansion stroke, and when the first cylinder is in the exhaust stroke and blows out high-temperature and high-pressure burned gas, The flow rates are quite different, and such a significant change in flow rate is repeated for each combustion cycle of the cylinder, and each time the flow state transitions between a laminar flow state and a turbulent flow state.

また、エンジンの運転状態(回転速度、負荷、点火時期、温間・冷間等)の変化によって排気温度が変化すると、これにより排気の密度や粘性が変化することから、前記のように流れの状態が層流・乱流間で遷移するポイントが変化する。   In addition, if the exhaust temperature changes due to changes in engine operating conditions (rotation speed, load, ignition timing, warm / cold, etc.), this will change the exhaust density and viscosity. The point at which the state transitions between laminar and turbulent flows changes.

そこで、この実施形態では、前記のように各境界面の流れの偏り分布を層流状態と乱流状態とで別々に設定しておき、上述したようにエンジンの運転状態を模擬する1+3次元のCFD演算を行うときには(図4等参照)、その1次元のCFD演算によって求めた各境界面の平均的な流れ変数に基づいて、流れのレイノルズ数Reを計算し、これにより流れが層流状態であるか、乱流状態であるか判定した上で、前記偏り分布データを参照して該各境界面における流れの偏り分布を求めるようにしている。   Therefore, in this embodiment, as described above, the deviation distribution of the flow at each boundary surface is set separately for the laminar flow state and the turbulent flow state, and as described above, the 1 + 3-dimensional simulation that simulates the engine operating state is performed. When performing the CFD calculation (see FIG. 4 etc.), the Reynolds number Re of the flow is calculated based on the average flow variable of each boundary surface obtained by the one-dimensional CFD calculation. Or the turbulent flow state, the flow distribution distribution at each boundary surface is obtained by referring to the distribution data.

そのように、3次元CFDモデルの入口側及び出口側境界面の形状、吸排気通路の湾曲形状、さらに流れの状態まで考慮して、1次元CFD演算の結果から該各境界面における流れの偏り分布を求め、これに従って3次元境界面上に展開した流れ変数の値を3次元CFD演算に境界条件として与えるようにすれば、この境界面上の流れ変数値と3次元で計算される境界面付近の変数値とが過度に大きく異なることはなくなる。   As such, considering the shape of the boundary surface on the inlet side and the outlet side of the three-dimensional CFD model, the curved shape of the intake and exhaust passages, and the flow state, the deviation of the flow at each boundary surface from the result of the one-dimensional CFD calculation If the distribution is obtained and the value of the flow variable developed on the three-dimensional boundary surface is given as a boundary condition to the three-dimensional CFD calculation, the flow variable value on the boundary surface and the boundary surface calculated in three dimensions Nearby variable values will not be too different.

次に、前記の如く1次元のCFD演算の結果から3次元CFDの境界条件を与える具体的な手順を図11のフローチャートに基づいて説明する。このフローの手順は、図4に示すメインフローのCFD演算、特にステップS33において行われるものであって、そのメインフローのステップS32において演算された1次元CFDの流れ場のデータが演算サーバ1,1,…において保存されるとともに、PC端末5,5,…に転送されると、図11のフローのステップS330において前記流れ場のデータファイルを受け取ったPC端末5,5,…では、続くステップS331において前記流れ場のデータから入口側及び出口側境界面における流れのレイノルズ数Reを算出し、これを臨界レイノルズ数Rcと比較して流れが層流状態であるか乱流状態であるか判定する。   Next, a specific procedure for providing a three-dimensional CFD boundary condition from the result of the one-dimensional CFD operation as described above will be described with reference to the flowchart of FIG. The procedure of this flow is performed in the CFD calculation of the main flow shown in FIG. 4, particularly in step S33, and the flow field data of the one-dimensional CFD calculated in step S32 of the main flow is the calculation server 1, .., And when transferred to the PC terminals 5, 5,..., The subsequent steps are received by the PC terminals 5, 5,. In S331, the Reynolds number Re of the flow at the inlet side and outlet side boundary surfaces is calculated from the flow field data, and is compared with the critical Reynolds number Rc to determine whether the flow is in a laminar state or a turbulent state. To do.

続いて、ステップS332では、CFD演算DB12の偏り分布データを参照して、前記各境界面における基本的な流れの偏り分布、即ち階層的な分布パターンとその階層間の速度勾配等、流れ変数p、ρ、u、Tの値の変化割合を読み込み、この分布データに従って、続くステップS333において1次元の流れ変数p、ρ、u、Tを3次元の境界面全体に適切な重み付けでもって展開する。そうして求めた3次元CFDの境界条件を含む実行ファイルを、続くステップS334において演算サーバ1,1,…に返送して、制御終了となる(エンド)。   Subsequently, in step S332, with reference to the bias distribution data of the CFD calculation DB 12, a basic flow bias distribution at each boundary surface, that is, a flow variable p such as a hierarchical distribution pattern and a velocity gradient between the hierarchies. , Ρ, u, T values are read, and in accordance with this distribution data, the one-dimensional flow variables p, ρ, u, T are developed with appropriate weights over the entire three-dimensional boundary surface in step S333. . The execution file including the boundary condition of the three-dimensional CFD thus obtained is returned to the calculation servers 1, 1,... In the subsequent step S334, and the control ends (END).

こうして返送されてきた実行ファイルを受け取った演算サーバ1,1,…では、前記図4のメインフローで説明したように3次元CFDプログラムを起動し、3次元CFDモデルに前記境界条件を含む演算条件を入力して(S34)、これに基づいて3次元のCFD演算を行うことになるが(S35)、この3次元のCFD演算においては、上述したように適切な境界条件が与えられていることから、境界面付近でメッシュ間の流れ変数の偏差が過度に大きくなることがなく、計算の発散によるシステムダウンを防止することができる。   In the arithmetic servers 1, 1,... That have received the executable files returned in this way, the three-dimensional CFD program is started as described in the main flow of FIG. 4, and the arithmetic conditions including the boundary conditions are included in the three-dimensional CFD model. (S34), and based on this, a three-dimensional CFD calculation is performed (S35). In this three-dimensional CFD calculation, an appropriate boundary condition is given as described above. Therefore, the deviation of the flow variable between the meshes does not become excessively large near the boundary surface, and the system down due to the divergence of the calculation can be prevented.

前記図11のフローのステップS331,S332は、3次元CFDモデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を、予め該境界面の形状、吸排気通路の湾曲形状、流れの状態等に対応付けて設定された偏り分布データ(DB12)から読み込んで、設定する偏り分布設定ステップに対応している。   Steps S331 and S332 in the flow of FIG. 11 show the distribution of the intake and exhaust flow unevenness at the inlet and outlet interfaces of the three-dimensional CFD model in advance, the shape of the boundary, the curved shape of the intake and exhaust passages, the flow state, and the like. This corresponds to the bias distribution setting step to be set by reading from the bias distribution data (DB12) set in association with.

また、ステップS333は、1次元のCFD演算により求められた流れ場のデータに基づき、前記偏り分布設定ステップS331,S332において設定された流れの偏り分布に従って、各境界面全体の流れ変数p、ρ、u、Tの値を求めて、これを3次元CFD演算の境界条件とする境界条件付与ステップに対応している。   In step S333, based on the flow field data obtained by the one-dimensional CFD calculation, the flow variables p, ρ of the entire boundary surfaces are determined according to the flow distribution set in the distribution distribution setting steps S331 and S332. , U, and T values are obtained, and this corresponds to a boundary condition applying step in which these are used as boundary conditions for the three-dimensional CFD calculation.

そして、この実施形態の予測解析システムAでは、PC端末5,5,…において前記フローのステップS331,S332及びステップS333がそれぞれ実行されることにより、このPC端末5,5,…が、3次元CFDモデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を設定する偏り分布設定手段5a、及び、第1CFD演算手段1aにより演算された流れ場のデータに基づいて3次元CFD演算の境界条件を与える境界条件付与手段5bをそれぞれ構成する。   In the predictive analysis system A of this embodiment, the PC terminals 5, 5,... Are three-dimensionally executed by executing steps S331, S332 and S333 of the flow in the PC terminals 5, 5,. Boundary conditions for three-dimensional CFD calculation based on bias distribution setting means 5a for setting the bias distribution of intake and exhaust flows at the inlet and outlet side boundary surfaces of the CFD model and flow field data calculated by the first CFD calculation means 1a Boundary condition providing means 5b for providing

(作用効果)
したがって、この実施形態に係るエンジン性能の予測解析システムAによると、エンジンの吸排気等の流れをCFDの適用により解析する場合に、基本的には1次元のエンジンモデルM1を用いた1次元のCFD演算を行うとともに、予め選択した部位については3次元のモデルM3,s1〜s5を用いて、前記1次元のCFD演算により与えられた境界条件の下で、3次元の演算を行うようにしたので、エンジンの出力や燃費等の性能特性を十分に高い精度で予測することができるとともに、そのための演算量は大幅に減少させて、解析に要する時間を短縮することができる。
(Function and effect)
Therefore, according to the engine performance prediction analysis system A according to this embodiment, when analyzing the flow of the intake and exhaust of the engine by the application of CFD, a one-dimensional engine model M1 is basically used. While performing the CFD calculation, the three-dimensional calculation is performed on the preselected part using the three-dimensional model M3, s1 to s5 under the boundary condition given by the one-dimensional CFD calculation. Therefore, performance characteristics such as engine output and fuel consumption can be predicted with sufficiently high accuracy, and the amount of calculation for that purpose can be greatly reduced, and the time required for analysis can be shortened.

また、前記のように1次元の流れ場のデータから3次元モデルの境界面上の流れ変数の値(境界条件)を求めるときに、該境界面の形状や吸排気通路の湾曲形状の影響が織り込まれた適切な偏り分布データに従って、前記1次元の流れ変数値を3次元の境界面全体に展開するようにしたので、3次元で演算される流れ変数の値が境界面付近のメッシュ間で過度に大きく異なるものとなることがなく、このことから、3次元CFD全体としては高次のスキームを用いた高精度の演算とし、しかも、比較的粗い時間刻みで計算することによって時間短縮を図りつつ、同時に計算の発散によるシステムダウンを防止することができる。   Further, as described above, when the value of the flow variable (boundary condition) on the boundary surface of the three-dimensional model is obtained from the data of the one-dimensional flow field, the influence of the shape of the boundary surface and the curved shape of the intake and exhaust passages is affected. Since the one-dimensional flow variable value is developed over the entire three-dimensional boundary surface according to the appropriate bias distribution data woven in, the value of the flow variable calculated in three dimensions is between the meshes near the boundary surface. As a result, the three-dimensional CFD as a whole is operated with high accuracy using a high-order scheme, and the time is shortened by calculating in a relatively coarse time step. At the same time, the system can be prevented from being down due to the divergence of calculation.

さらに、この実施形態では、エンジンの運転中に部分的には吸排気の流速が大きく変化し、流れの状態が層流状態と乱流状態との間で繰り返し遷移することに伴い、流れの偏り分布自体が大きく変化することを考慮して、1次元CFD演算により求められた流れ変数値から流れが層流状態であるか乱流状態であるか判定し、これに応じて流れの偏り分布を変更するようにしたので、例えば排気マニホルドの独立排気通路のように流速が非常に大きく変化する部位を3次元で模擬する場合でも、前記の作用効果を得ることができる。   Further, in this embodiment, the flow velocity of the intake / exhaust partly changes greatly during the operation of the engine, and as the flow state repeatedly transitions between the laminar flow state and the turbulent flow state, Considering that the distribution itself changes greatly, it is determined from the flow variable value obtained by the one-dimensional CFD calculation whether the flow is in a laminar flow state or a turbulent flow state, and the flow bias distribution is determined accordingly. Since the change is made, the above-described effects can be obtained even when a portion where the flow velocity changes extremely, such as an independent exhaust passage of an exhaust manifold, is simulated in three dimensions.

加えて、この実施形態では、前記の如く3次元モデルの各境界面毎に適切な流れの偏り分布を設定したデータがCFD演算DB12に格納されていて、1+3次元のシミュレーションの途中でそのDB12を参照することにより、前記のような適切な境界条件の付与が自動で行われるようになっているので、設計・開発支援ツールとしての実用性は極めて高い。   In addition, in this embodiment, data in which an appropriate flow bias distribution is set for each boundary surface of the three-dimensional model as described above is stored in the CFD calculation DB 12, and the DB 12 is stored in the middle of the 1 + 3D simulation. By referencing, since the appropriate boundary conditions as described above are automatically assigned, the utility as a design / development support tool is extremely high.

(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、前記の実施形態では、3次元CFDのための物理モデルM3,s1〜s5の各境界面毎に、その形状や通路の湾曲度合いを反映する適切な流れの偏り分布を、流れの状態(層流・乱流)に対応付けて別々にDB12に設定しているが、これに限らず、例えば、図7に示すような境界面形状に対応する基本的な偏り分布パターンと、図6(b),(c)に示すような流れの状態に対応する偏り度合いのパターン乃至計算式と、吸排気通路の湾曲形状を流れの偏り分布に反映させるための計算式とをそれぞれ設定しておき、それらを適宜組み合わせて、個々の境界面毎の流れの偏り分布を求めるようにしてもよい。
(Other embodiments)
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Other various embodiment is included. That is, in the above-described embodiment, for each boundary surface of the physical model M3, s1 to s5 for the three-dimensional CFD, an appropriate flow bias distribution reflecting the shape and the degree of curvature of the passage is represented by the flow state ( Although it is separately set in the DB 12 in association with (laminar flow / turbulent flow), for example, a basic bias distribution pattern corresponding to the boundary surface shape as shown in FIG. A pattern or calculation formula for the degree of bias corresponding to the flow state as shown in b) and (c), and a calculation formula for reflecting the curved shape of the intake and exhaust passages in the flow bias distribution are set in advance. These may be combined as appropriate to obtain the flow uneven distribution for each boundary surface.

或いは、前記各境界面における流れの偏り分布を流れの状態(層流・乱流)に対応付けて別々に設定するのではなく、これに代えてエンジンの模擬運転条件に対応付けて設定することもできる。   Alternatively, instead of separately setting the flow uneven distribution at each boundary surface in association with the flow state (laminar flow / turbulent flow), it is set in association with the engine simulation operation condition instead. You can also.

また、前記実施形態では、エンジンの排気マニホルドについて3次元のCFD演算を行う場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば吸気系のサージタンク、吸気ポート全体の形状や燃焼室に臨む吸気ポート開口部付近の形状を3次元で模擬するようにした場合にも本発明を適用できる。   In the above embodiment, the case where the three-dimensional CFD calculation is performed on the exhaust manifold of the engine has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the shape of the intake system surge tank, the entire intake port, and the intake air facing the combustion chamber The present invention can also be applied to a case where the shape near the port opening is simulated in three dimensions.

さらに、前記実施形態では、各気筒の圧縮及び膨張行程については化学反応シミュレーションを行うようにしているが、これは行わずに、1次元及び3次元のCFDのみによってエンジンの吸排気の流れを模擬するようにしてもよい。   Furthermore, in the above-described embodiment, the chemical reaction simulation is performed for the compression and expansion strokes of each cylinder. However, this is not performed, and the flow of the intake and exhaust of the engine is simulated only by one-dimensional and three-dimensional CFD. You may make it do.

また、前記実施形態では、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、2サイクルエンジンやロータリエンジンについてもシミュレーションを行えることは勿論である。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the simulation about a 4-cycle engine was performed, it cannot be overemphasized that a 2-cycle engine and a rotary engine can also be simulated.

以上のように、本発明に係るエンジン性能の予測解析システム等は、高精度のCFD演算によってエンジン性能の予測精度を十分に高くしながら、計算時間の短縮を図りつつ、そのこと由来するシステムダウンを防止して、自動化率を向上することができるので、設計・開発の支援ツールとして十分な実用性を有し、特に自動車用エンジンの設計・開発に好適なものである。   As described above, the system for predicting and analyzing engine performance according to the present invention reduces the calculation time while sufficiently increasing the accuracy of predicting the engine performance by high-precision CFD calculation, and the system down resulting from it. Therefore, it has sufficient practicality as a design / development support tool, and is particularly suitable for the design / development of automobile engines.

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の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of an engine performance prediction analysis system A according to an embodiment of the present invention. CFD演算のための物理モデルの一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the physical model for CFD calculation. 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である。It is explanatory drawing which shows a response | compatibility with the group of the physical quantity showing the state in a cylinder, and the group data of the gas component in chemical reaction DB. シミュレーションの手順の概略を示すメインフローチャートである。It is a main flowchart which shows the outline of the procedure of simulation. 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である。It is explanatory drawing which shows typically switching of CFD and chemical reaction simulation, and transmission / reception of the data accompanying this. (a)は、独立排気通路の入口側境界面において流れが略一様とみなしたときの排気流速分布であり、(b),(c)は、管路内の一般的な流速分布である。(a) is the exhaust flow velocity distribution when the flow is considered to be substantially uniform at the inlet side boundary surface of the independent exhaust passage, and (b) and (c) are general flow velocity distributions in the pipeline. . 境界面の形状に応じた流れの基本的な偏り分布パターンの説明図である。It is explanatory drawing of the basic deviation distribution pattern of the flow according to the shape of a boundary surface. (a)は、適切な偏り分布を与えた場合の図6(a)相当図であり、(b)は、入口側流路形状依存係数の一例を示すグラフである。FIG. 6A is a graph corresponding to FIG. 6A when an appropriate bias distribution is given, and FIG. 6B is a graph showing an example of the inlet-side channel shape dependency coefficient. (a)排気通路の湾曲に因る出口側境界面の流れの偏りと、(b)それを求めるための出口側局所直交座標を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the deviation of the flow of the exit side boundary surface resulting from the curve of an exhaust passage, and (b) the exit side local orthogonal coordinate for calculating | requiring it. (a)は、出口側境界面における流れの偏り具合を求める方法の一例を示す説明図であり、(b)は、それに応じて流れの中心位置をずらすイメージ図である。(a) is explanatory drawing which shows an example of the method of calculating | requiring the bias | inclination of the flow in an exit side interface, (b) is an image figure which shifts the center position of a flow according to it. 3次元CFDの境界条件付与手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the boundary condition provision procedure of three-dimensional CFD.

符号の説明Explanation of symbols

A エンジン性能の予測解析システム
M1 1次元CFD解析モデル
M3,s1〜s5 3次元CFD解析モデル
Gin,Gout 境界面重心
1,1,… 演算サーバ
1a 第1CFD演算手段
1b 第2CFD演算手段
5,5,… PC端末
5a 偏り分布設定手段
5b 境界条件付与手段


A Engine performance prediction analysis system M1 One-dimensional CFD analysis model M3, s1 to s5 Three-dimensional CFD analysis model Gin, Gout Boundary surface centroids 1, 1, ... Calculation server 1a First CFD calculation means 1b Second CFD calculation means 5, 5, ... PC terminal 5a Bias distribution setting means 5b Boundary condition giving means


Claims (15)

エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを、1次元のCFD解析モデルを用いて模擬演算する1次元のCFDプログラムと、
前記吸気系又は排気系の所定部位における吸排気の流れを、3次元のCFD解析モデルを用いて模擬演算する3次元のCFDプログラムと、
少なくとも前記1次元のCFDプログラムにより演算された流れ場のデータに基づいて前記3次元のCFDプログラムによる演算の境界条件を与えるデータ授受プログラムと、を準備し、
コンピュータ装置により前記各プログラムを並行して実行させて吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測する予測解析方法であって、
前記3次元CFD解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該各境界面の形状に対応付けて予めデータベースとして設定しておき、
前記1次元CFD演算による流れ場のデータに基づき、前記データベースに設定されている各境界面の流れの偏り分布に従って該各境界面全体の流れ変数の値を求めて、これを3次元CFD演算の境界条件とする
ことを特徴とするエンジン性能の予測解析方法。
A one-dimensional CFD program for simulating an intake / exhaust flow from at least a part of the intake system to a part of the exhaust system of the engine using a one-dimensional CFD analysis model;
A three-dimensional CFD program for simulating an intake / exhaust flow in a predetermined part of the intake system or the exhaust system using a three-dimensional CFD analysis model;
A data exchange program for providing boundary conditions for computation by the three-dimensional CFD program based on at least flow field data computed by the one-dimensional CFD program;
A predictive analysis method for analyzing the flow of intake and exhaust by causing each program to be executed in parallel by a computer device, thereby predicting engine performance,
The distribution distribution of the intake and exhaust flow at the inlet side and outlet side boundary surfaces of the three-dimensional CFD analysis model is set in advance as a database in association with at least the shape of each boundary surface,
Based on the flow field data obtained by the one-dimensional CFD calculation, the flow variable value of each boundary surface is obtained according to the flow distribution of each boundary surface set in the database, and this value is calculated by the three-dimensional CFD calculation. A method for predicting and analyzing engine performance, characterized by using boundary conditions.
エンジンの吸排気の流れを、1次元及び3次元のCFD解析モデルを用いて、それぞれ模擬演算する1次元及び3次元のCFDプログラムを備え、それらのプログラムを並行して実行して、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測するようにした予測解析システムであって、
前記1次元のCFD解析モデルを用いて、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れ場を演算する第1CFD演算手段と、
前記第1CFD演算手段により演算された流れ場のデータに基づいて、前記3次元のCFDプログラムによるCFD演算の境界条件を与える境界条件付与手段と、
前記境界条件付与手段によって与えられた境界条件に基づいて、前記3次元のCFDプログラムを実行する第2CFD演算手段と、
前記3次元CFD解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該境界面の形状に基づいて設定する偏り分布設定手段と、を備え、
前記境界条件付与手段が、前記第1CFD演算手段により演算された流れ場のデータに基づき、前記偏り分布設定手段により設定された各境界面の流れの偏り分布に従って、該各境界面全体の流れ変数の値を求めて、これを3次元CFD演算の境界条件と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。
1-dimensional and 3-dimensional CFD programs for simulating the flow of engine intake and exhaust using 1-dimensional and 3-dimensional CFD analysis models, respectively, are executed in parallel, and at least the intake system This is a prediction analysis system that analyzes the flow of intake and exhaust air from a part of the exhaust system to a part of the exhaust system, thereby predicting the performance of the engine,
First CFD calculation means for calculating a flow field of intake / exhaust gas from at least a part of the intake system to a part of the exhaust system using the one-dimensional CFD analysis model;
Boundary condition giving means for giving a boundary condition for CFD calculation by the three-dimensional CFD program based on the flow field data calculated by the first CFD calculation means;
Second CFD calculation means for executing the three-dimensional CFD program based on the boundary condition given by the boundary condition giving means;
Bias distribution setting means for setting the bias distribution of the intake and exhaust flows at the inlet side and outlet side boundary surfaces of the three-dimensional CFD analysis model based on at least the shape of the boundary surfaces;
Based on the flow field data calculated by the first CFD calculating means, the boundary condition applying means is adapted to the flow variable of the entire boundary surface in accordance with the flow distribution distribution of each boundary face set by the bias distribution setting means. A system for predicting and analyzing engine performance, characterized in that the value of the above is obtained and used as a boundary condition for three-dimensional CFD calculation.
偏り分布設定手段は、各境界面の重心寄りで流れが相対的に速くなる一方、通路壁寄りで相対的に遅くなるように吸排気の流速を層状に分布させるものであることを特徴とする請求項2の予測解析システム。   The bias distribution setting means distributes the flow rate of intake and exhaust air in a layered manner so that the flow is relatively fast near the center of gravity of each boundary surface, but is relatively slow near the passage wall. The prediction analysis system according to claim 2. 偏り分布設定手段は、解析モデルの模擬する吸排気通路が入口側境界面付近で湾曲している場合には、その入口側境界面において流れの最も速い部位を通路の湾曲外側にずらすものであることを特徴とする請求項3の予測解析システム。   When the intake / exhaust passage simulated by the analysis model is curved in the vicinity of the inlet side boundary surface, the bias distribution setting means shifts the fastest part of the flow at the inlet side boundary surface to the outside of the passage curve. The predictive analysis system according to claim 3. 偏り分布設定手段は、解析モデルの模擬する吸排気通路が湾曲している場合には、これにより出口側境界面において生じる流れの偏りを該出口側境界面の流れの偏り分布に反映させるものであることを特徴とする請求項3の予測解析システム。   When the intake / exhaust passage simulated by the analysis model is curved, the bias distribution setting means reflects the flow deviation generated on the outlet side boundary surface in the flow distribution distribution on the outlet side boundary surface. The prediction analysis system according to claim 3, wherein 偏り分布設定手段は、第1CFD演算手段により演算された流れ場のデータに基づいて各境界面における流れが層流状態であるか乱流状態であるか判定し、この判定結果に応じて流れの偏り分布を変更設定するものであることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1つの予測解析システム。   The bias distribution setting means determines whether the flow at each boundary surface is a laminar flow state or a turbulent flow state based on the flow field data calculated by the first CFD calculation means, and the flow distribution is determined according to the determination result. 6. The predictive analysis system according to claim 2, wherein the bias distribution is changed and set. 各境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該各境界面の形状に対応付けて、且つ流れが層流状態のときと乱流状態のときとで別々に設定したデータベースを備え、
偏り分布設定手段は、第1CFD演算手段により演算された流れ場のデータに基づき、前記各境界面における流れの状態に対応する流れの偏り分布を前記データベースから読み出して、設定するものであることを特徴とする請求項6の予測解析システム。
A database in which the uneven distribution of the intake and exhaust flows at each boundary surface is associated with at least the shape of each boundary surface, and is set separately when the flow is in a laminar flow state and when in a turbulent flow state,
The bias distribution setting means reads and sets the flow bias distribution corresponding to the flow state at each boundary surface from the database based on the flow field data calculated by the first CFD calculation means. The predictive analysis system according to claim 6, wherein the system is predictive analysis.
各境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該各境界面の形状とエンジンの模擬運転条件とに対応付けて設定したデータベースを備え、
偏り分布設定手段は、前記データベースから前記模擬運転条件に対応する流れの偏り分布を読み出して、設定するものであることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1つの予測解析システム。
A database in which the uneven distribution of the intake and exhaust flows at each boundary surface is set in association with at least the shape of each boundary surface and the simulated operating conditions of the engine,
6. The prediction analysis system according to claim 2, wherein the bias distribution setting means reads and sets a flow bias distribution corresponding to the simulated operation condition from the database.
エンジンの吸排気の流れを、1次元及び3次元のCFD解析モデルを用いて、それぞれ模擬演算する1次元及び3次元のCFDプログラムを備え、それらのプログラムを並行して実行して、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測するようにした予測解析システムの制御プログラムであって、
前記1次元のCFD解析モデルを用いて、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れ場を演算する第1CFD演算ステップと、
前記第1CFD演算ステップで演算された流れ場のデータに基づいて、前記3次元のCFDプログラムによるCFD演算の境界条件を与える境界条件付与ステップと、
前記境界条件付与ステップで与えられた境界条件に基づいて、前記3次元のCFDプログラムを実行する第2CFD演算ステップと、
前記3次元CFD解析モデルの入口側及び出口側境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該境界面の形状に基づいて設定する偏り分布設定ステップと、を備え、
前記境界条件付与ステップでは、前記第1CFD演算ステップで演算された流れ場のデータに基づき、前記偏り分布設定ステップで設定された各境界面の流れの偏り分布に従って該各境界面全体の流れ変数の値を求めて、これを3次元CFD演算の境界条件とする、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。
1-dimensional and 3-dimensional CFD programs for simulating the flow of engine intake and exhaust using 1-dimensional and 3-dimensional CFD analysis models, respectively, are executed in parallel, and at least the intake system A control program for a predictive analysis system that analyzes the flow of intake and exhaust air from a part of the exhaust system to a part of the exhaust system and thereby predicts the engine performance,
A first CFD calculation step of calculating a flow field of intake and exhaust gas from at least a part of the intake system to a part of the exhaust system using the one-dimensional CFD analysis model;
A boundary condition providing step for providing a boundary condition for CFD calculation by the three-dimensional CFD program based on the flow field data calculated in the first CFD calculation step;
A second CFD calculation step of executing the three-dimensional CFD program based on the boundary condition given in the boundary condition applying step;
A bias distribution setting step for setting the bias distribution of the intake and exhaust flows at the inlet and outlet boundary surfaces of the three-dimensional CFD analysis model based on at least the shape of the boundary surface;
In the boundary condition applying step, the flow variables of the entire boundary surface are determined according to the flow distribution of each boundary surface set in the bias distribution setting step based on the flow field data calculated in the first CFD calculating step. A control program for an engine performance prediction analysis system, characterized in that a value is obtained and used as a boundary condition for a three-dimensional CFD calculation.
偏り分布設定ステップでは、各境界面の重心寄りで流れが相対的に速くなる一方、通路壁寄りで相対的に遅くなるように吸排気の流速を層状に分布させる、ことを特徴とする請求項9の制御プログラム。   The flow distribution of the intake and exhaust air is distributed in a layered manner so that the flow is relatively fast near the center of gravity of each boundary surface and is relatively slow near the passage wall in the bias distribution setting step. 9 control programs. 偏り分布設定ステップでは、解析モデルの模擬する吸排気通路が入口側境界面付近で湾曲している場合、その入口側境界面において流れの最も速い部位を通路の湾曲外側にずらす、ことを特徴とする請求項10の制御プログラム。   In the bias distribution setting step, when the intake / exhaust passage simulated by the analysis model is curved in the vicinity of the inlet side boundary surface, the fastest part of the flow in the inlet side boundary surface is shifted outside the curved portion of the passage. The control program according to claim 10. 偏り分布設定ステップでは、解析モデルの模擬する吸排気通路が湾曲している場合、これにより出口側境界面において生じる流れの偏りを該出口側境界面の流れの偏り分布に反映させる、ことを特徴とする請求項10の制御プログラム。   In the bias distribution setting step, when the intake / exhaust passage simulated by the analysis model is curved, the flow deviation generated at the outlet side boundary surface is reflected in the flow bias distribution on the outlet side boundary surface. The control program according to claim 10. 偏り分布設定ステップでは、第1CFD演算ステップで演算された流れ場のデータに基づいて各境界面における流れが層流状態であるか乱流状態であるか判定し、この判定結果に応じて流れの偏り分布を変更設定する、ことを特徴とする請求項9〜12のいずれか1つの制御プログラム。   In the bias distribution setting step, it is determined whether the flow at each boundary surface is a laminar flow state or a turbulent flow state based on the flow field data calculated in the first CFD calculation step, and the flow is determined according to the determination result. 13. The control program according to claim 9, wherein the bias distribution is changed and set. 予測解析システムには、3次元CFD解析モデルの各境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該各境界面の形状に対応付けて、且つ流れが層流状態のときと乱流状態のときとで別々に設定したデータベースを備え、
偏り分布設定ステップでは、第1CFD演算ステップで演算された流れ場のデータに基づき、前記各境界面における流れの状態に対応する流れの偏り分布を前記データベースから読み出して設定する、ことを特徴とする請求項13の制御プログラム。
The predictive analysis system associates the distribution of bias of the intake and exhaust flows at each boundary surface of the three-dimensional CFD analysis model with at least the shape of each boundary surface, and when the flow is in a laminar flow state and a turbulent flow state. With a database set up separately in
In the bias distribution setting step, based on the flow field data calculated in the first CFD calculation step, a flow bias distribution corresponding to the flow state at each boundary surface is read from the database and set. The control program according to claim 13.
各境界面における吸排気流の偏り分布を、少なくとも該各境界面の形状とエンジンの模擬運転条件とに対応付けて設定したデータベースを備え、
偏り分布設定ステップでは、前記データベースから前記模擬運転条件に対応する流れの偏り分布を読み出して設定する、ことを特徴とする請求項9〜12のいずれか1つの制御プログラム。
A database in which the uneven distribution of the intake and exhaust flows at each boundary surface is set in association with at least the shape of each boundary surface and the simulated operating conditions of the engine,
The control program according to any one of claims 9 to 12, wherein in the bias distribution setting step, a flow bias distribution corresponding to the simulated operation condition is read from the database and set.
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