JP4192805B2 - エンジン性能の予測解析方法、予測解析システム及びその制御プログラム - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

ところで、一般に、通路内の吸排気の流れを３次元で考えた場合、その流れは通路の横断面上で一様ではなく、例えば流速について図６(a)(b)に模式的に示すように、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分布を示す。特に、通路壁面に近い所定範囲においては流れの速度勾配が急峻になり、ここでは計算格子（メッシュ）をかなり細かくしないと、格子間の流速の偏差が過大なものとなって、計算が発散する虞れがある。

この点について、従来より、３次元のＣＦＤ演算においては通路壁面の付近に層状の領域（以下、レイヤーともいう）を設定し、このレイヤーの内部のみ特に細かくメッシュを切ったり、或いは、レイヤーの内部では離散化した流れの方程式を解くのではなく、例えば流速分布を直線とみなす簡易な近似式（壁関数）で流れ変数の値を計算したりして、計算の発散を防止するようにしている。

しかし、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における気筒毎の独立排気通路では、排気が殆ど流れていない状態から気筒の排気弁が開いて高温高圧の既燃ガスが高速で吹出す状態まで、極めて広い範囲で流れの状態が変化する。そして、それに伴い前記図６(a)(b)にそれぞれ示すように流速分布が変化するので、例えば同図(a)に誇張して示すように、流れの遅い状態に対応付けて比較的薄いレイヤーを設定すると、同図(b)のように流れの速い状態では前記レイヤー以外でも速度勾配が急峻になってしまい、計算が発散することを十分に防止し得ない。

反対に、同図(b)に誇張して示すように、流れの速い状態に対応付けて比較的厚いレイヤーを設定すると、同図(a)のように流れの遅いときにはレイヤーが厚くなり過ぎ、その内部のメッシュを細かくした場合には計算時間の無用の増大を招くことになるし、また、壁関数を用いる場合には誤差の大きい範囲が広くなり過ぎて、解析の精度が低下するという不具合がある。

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、その３次元のＣＦＤ演算に用いる解析モデルの構成にに工夫を凝らして、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、吸排気通路の壁面付近で流れ場が急峻に変化することに因る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。

前記の目的を達成するために、本願発明では、吸排気の流れ解析のために１次元及び３次元のＣＦＤ演算を並行して行うときに、その解析の途中で、１次元のＣＦＤ演算により求めた流れ場の状態に応じて適宜、３次元の解析モデルを変更して、ＣＦＤ演算を行うようにした。

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。

このような解析方法において、前記３次元のＣＦＤ解析モデルを少なくとも流れの相対的に速いときと遅いときとで区別して、予め複数、準備しておき、そして、前記１次元のＣＦＤ演算による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ときに、そのデータから流れが相対的に速いときか遅いときか判定して、この判定結果に応じて前記いずれかの３次元モデルを選択するようにする。

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部位のみを３次元流として模擬することで、十分な解析精度を確保しながら、計算時間の短縮が図られる。

そして、そのように１次元及び３次元のＣＦＤ演算を並行して行うときに、その１次元のＣＦＤ演算により求めた吸排気の全体的な流れ場のデータから３次元ＣＦＤ演算の境界条件を求めるとともに、そうして１次元で求めた流れ場の状態に基づいて、少なくとも流れが相対的に速いときと相対的に遅いときとで、それぞれ適切な、即ちその時点の流れ場を３次元で模擬するのに相応しい３次元モデルを用いて、ＣＦＤ演算を行う。

より具体的には、例えば、流れが相対的に速いときには、速度勾配の急峻になる範囲が広くなることを考慮して、その分、レイヤーを厚くしたり、或いはモデル全体でメッシュを細かくしたりすればよい。こうすれば、解析の途中で吸排気の流れの状態が大きく変化しても、常にその流れの状態に相応しいモデルを用いて３次元のＣＦＤ演算を行うことができるので、解析の精度を維持し且つ計算時間の無用の増大を招くことなく、計算の発散を防止することができる。

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。

そして、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前記１次元のＣＦＤ解析モデルを用いて演算する第１ＣＦＤ演算手段と、吸気系又は排気系の所定部位における吸排気の流れを前記３次元のＣＦＤ解析モデルを用いて演算する第２ＣＦＤ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第２ＣＦＤ演算手段による演算の境界条件を与える境界条件付与手段と、前記３次元のＣＦＤ解析モデルが少なくとも流れの状態に対応付けて前記所定部位毎に複数、設定されたデータベースと、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所定部位の流れの状態を判定し、これに応じて前記データベースからいずれかの３次元モデルを読み出すモデル選択手段と、を備えるとともに、前記第２ＣＦＤ演算手段を、前記モデル選択手段により選択されたモデルを用いて３次元のＣＦＤ演算を行うものとした。

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。

その際、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、３次元のＣＦＤ演算を行う部位の流れの状態が判定され、この流れの状態に対応する適切な３次元モデルが、モデル選択手段によりデータベースから読み出される。そして、その選択されたモデルを用いて第２ＣＦＤ演算手段により３次元のＣＦＤ演算が行われる。これにより、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。

前記の予測解析システムにおいて、データベースには少なくとも流速値に対応付けて、複数の３次元モデルを設定しておき、モデル選択手段は、前記３次元モデルに対応する所定部位の平均的な流速値を１次元のＣＦＤ演算の結果から求めて、これに対応するモデルを読み出すものとすればよい（請求項３の発明）。こうすれば、全体的な流速の変化に伴い通路の横断面における速度勾配が変化しても、そのことによらず、適切なモデルを用いて３次元のＣＦＤ演算が行える。

また、前記モデル選択手段は、さらにエンジンの模擬運転条件（例えばエンジン回転速度、エンジン負荷、温間・冷間等）を加味して、モデルを選択するものとするのが好ましい（請求項４の発明）。すなわち、エンジンの回転速度や負荷が高いときには、それらが低いときに比べて排気の流量が多くなり、その圧力も高くなって、流れ場の速度や圧力の変動が一層、大きくなる。また、エンジン冷間では排気通路の温度が低いので、その分、高温の排気との温度差が大きくなる。そこで、それらの条件を加味して、例えばモデルのメッシュサイズを細かくすることにより、計算の発散をさらに確実に防止することができる。

より具体的には、３次元のＣＦＤ解析モデルが、吸排気通路の壁面付近に層状領域（レイヤー）を設定して、この領域ではそれ以外の領域よりも簡易な近似式で流れ変数の値を計算するようにしたものである場合、データベースには、少なくとも前記レイヤーの厚みが異なる複数のモデルを設定しておくのが好ましい（請求項５の発明）。すなわち、例えば、流れの相対的に速いときには、いわゆる壁関数のような簡易な近似式を用いる領域（レイヤー）を大きくして、速度勾配の急峻な範囲が大きくても計算の発散を防止できるようにする。一方、流れの相対的に遅いときには速度勾配の急峻な範囲が小さくなるのに応じて、前記レイヤーを薄くすることで、解析の精度を維持向上することができる。

前記の如くレイヤーの厚さを流速値に応じて変更する他に、例えば密度、粘性等の他の流れ変数の値に応じて変更するようにしてもよい。尚、レイヤーの厚さは、基本的にはモデルにより模擬する吸排気通路の寸法・形状（代表長さ、等価通路直径等）に基づいて決定すればよい。

また、前記データベースには、流れの状態に応じて、計算格子（メッシュ）の大きさが異なる複数のモデルを設定しておいてもよい（請求項６の発明）。

その場合には、解析の途中でモデル選択手段により選択される３次元のＣＦＤ解析モデルが変化したときに、その変化の前後でモデル内の計算点の位置座標がずれることになるので、変化前のモデルの計算格子に対応する流れ場のデータを空間的に補完して、変化後のモデルの計算格子に対応する流れ場のデータを求めるデータ変換手段を備えることが好ましい（請求項７の発明）。そうして、前記変換後の流れ場のデータを用いて３次元ＣＦＤ演算を行うようにすれば、モデルのメッシュサイズが変化してもＣＦＤ演算を続けて行うことができる。

加えて、前記の予測解析システムには、第２ＣＦＤ演算手段によって演算された３次元の流れ場のデータに基づいて、３次元モデル内の層状領域の近傍で流れ場の空間的な変動が所定以上に大きいときに、該層状領域の厚みを大きくなるように補正するモデル補正手段を備えることがより好ましい（請求項８の発明）。こうすれば、３次元のＣＦＤ演算の結果に基づいてモデルを補正し、これを最適化して、発明の作用をさらに高めることができる。

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。

その予測解析システムには、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次元で模擬するためのＣＦＤ解析モデルが、少なくとも流れの状態に対応付けて前記所定部位毎に複数、設定されたデータベースを備えており、制御プログラムには、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前記１次元のＣＦＤ解析モデルを用いて演算する第１ＣＦＤ演算ステップと、吸気系又は排気系の所定部位における吸排気の流れを前記３次元のＣＦＤ解析モデルを用いて演算する第２ＣＦＤ演算ステップと、前記第１ＣＦＤ演算ステップで演算した流れ場のデータに基づいて、前記第２ＣＦＤ演算ステップにおける演算の境界条件を与える境界条件付与ステップと、前記第１ＣＦＤ演算ステップで演算した流れ場のデータに基づいて前記所定部位の流れの状態を判定し、これに応じて前記データベースからいずれかの３次元モデルを読み出すモデル選択ステップと、を有するものとし、その上で、前記第２ＣＦＤ演算ステップでは、前記モデル選択ステップで選択したモデルを用いて３次元のＣＦＤ演算を行うものとする。

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の発明と同じ作用が得られる。

前記の予測解析システムにおいて、データベースには少なくとも流速値に対応付けて、複数の３次元モデルを設定しておき、その制御プログラムのモデル選択ステップでは、前記３次元モデルに対応する所定部位の平均的な流速値を１次元のＣＦＤ演算の結果から求めて、これに対応するモデルを読み出すことが好ましい（請求項１０の発明）。こうすれば、請求項３の発明と同じ作用が得られる。

また、前記モデル選択ステップでは、エンジンの模擬運転条件を加味してモデルを選択することがより好ましく（請求項１１の発明）。こうすれば、請求項４の発明と同じ作用が得られる。

また、前記請求項５の発明と同じく、３次元のＣＦＤ解析モデルが、吸排気通路の壁面付近に層状領域（レイヤー）を設定して、この領域ではそれ以外の領域よりも簡易な近似式で流れ変数の値を計算するようにしたものである場合、データベースには、前記レイヤーの厚みが異なる複数のモデルを設定しておくのが好ましく（請求項１２の発明）、計算格子（メッシュ）の大きさが異なる複数のモデルを設定しておくのがさらに好ましい（請求項１３の発明）。

そのようにモデル毎にメッシュサイズが異なる場合には、解析の途中にモデル選択ステップで選択される３次元のＣＦＤ解析モデルが変化したときに、その変化の前後でモデル内の計算点の位置座標がずれることになるので、変化前のモデルの計算格子に対応する流れ場のデータを空間的に補完して、変化後のモデルの計算格子に対応する流れ場のデータを求めるデータ変換ステップをさらに有することが好ましい（請求項１４の発明）。こうすれば、請求項７の発明と同じ作用が得られる。

加えて、前記制御プログラムには、第２ＣＦＤ演算ステップで演算した３次元の流れ場のデータに基づいて、３次元モデル内の層状領域の近傍で流れ場の空間的な変動が所定以上に大きいときに、該層状領域の厚みを大きくなるように補正するモデル補正ステップをさらに有することが好ましく（請求項１５の発明）、こうすれば、請求項８の発明と同じ作用が得られる。

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、その解析の途中で１次元のＣＦＤ演算により求めた流れ場の状態に応じて適宜、３次元の解析モデルを変更することにより、流れの状態が変化しても常にその流れの状態に相応しいモデルを用いて３次元のＣＦＤ演算を行うことができ、これにより計算の発散を抑えることができるので、解析の精度を確保しつつ且つ計算時間の短縮を図りながら、システムダウンを防止することができる。よって、設計・開発の支援ツールとしての実用性が向上する。

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。

（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。

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。

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。特に、前記３次元の物理モデルは、例えば図２(b)に排気マニホルドの例を示すように、吸気系又は排気系の所定部位のみを模擬するものであって、詳しくは後述するが、各部位毎にそれぞれレイヤーの厚みや計算格子（メッシュ）の大きさが異なる複数のモデルが、少なくとも吸排気の流れの状態に対応付けて準備されている。

尚、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、テンプレート部品と呼ぶ）、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を組み合わせて、その内部にレイヤー及びメッシュを生成すれば、容易にモデルを構築することができる。

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、詳しい説明は省略するが、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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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等であれば、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。

より具体的に、１次元のモデルＭ１は、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模擬するものであり、図示の例では、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。

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。

一方、３次元のモデルは、解析の目的に応じて設定される部位のみを３次元で模擬するものであって、例えば図示の排気マニホルドexmのモデルＭ３は、各気筒毎の独立排気通路s1〜s4やその下流の共通排気通路s5の形状をそれぞれ模擬するとともに、通路内壁面を覆うように層状の領域（レイヤーＬ：図６参照）を設定し、このレイヤーＬの内部とそれ以外の領域、即ちレイヤーＬよりも内側の通路空間とにそれぞれメッシュを切って、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。

但し、図６(a)(b)に模式的に示すように、一般的に吸排気の流速は通路壁面に近い所では粘性によって相対的に遅くなり、壁面から離れるほど速くなるという分布を示し、壁面に近い所定範囲では流れの速度勾配が急峻になって、計算が発散する虞れがあるから、そのような範囲を含むように前記レイヤーＬを設定し、その内部では保存式を解くのではなく、例えば流速分布を直線とみなす簡易な関数式（壁関数）を用いて、流れ変数の値を近似計算するようにしている。

前記のように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。すなわち、１次元ＣＦＤの演算によって求めた各境界面における平均的な流れ変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔの値を、ＤＢ１２に格納されている偏り分布データに従って適当な重み付けをして、該各境界面全体に展開する。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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（低速用・高速用の両方）とがメモリに格納される。

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Ｌを貼り付け、また、通路の内部空間にメッシュを切っていく。

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演算のためのレイヤーＬ及びメッシュを備えた３次元のモデルを構築する。

また、化学反応シミュレーションに関してはクランク角度の変化に対する気筒内容積の変化や気筒壁温に応じた熱伝達率の変化等を規定する容器のモデルを用いる。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。

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。

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。

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の境界条件を求める。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。

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）。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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）。

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。

前記図４に示すフローのステップＳ３２が、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次元の物理モデルＭ１を用いて演算する第１ＣＦＤ演算ステップに対応し、同様にステップＳ３５が、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次元の物理モデルＭ３を用いて演算する第２ＣＦＤ演算ステップに対応している。

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。

（３次元モデルの変更）
ところで、上述したように、排気マニホルド内の排気の流れを模擬するための３次元モデルＭ３においては、通路壁面付近の流れの変化割合が大きい範囲を含むようにレイヤーＬを設定して（図６(a)(b)に誇張して示す）、その内部ではＣＦＤの計算の発散を防止するために壁関数により流れ変数の値を計算するようにしている。

しかし、排気マニホルド内の排気の流れは非常に変動の激しい非定常流であり、例えば排気マニホルドの所定部位における排気流速の変化を観測した図７のグラフによれば、各気筒からの排気流が観測地点に到達する度に流速が急激に上昇する様子が見て取れる。そして、そのような流速の変動に伴い図６(a)(b)に模式的に示すように流速分布が変化して、速度勾配の急峻な範囲が大きく変化することから、単にレイヤーＬを設定するだけでは計算の発散を防止することはできない。

すなわち、図示の如く低速側（図(a)）では高速側（図(b)）に比べて速度勾配の急峻になる範囲が狭いので、仮に低速側の流速分布に合わせて比較的薄いレイヤーＬを設定した場合、図(b)のように高速時にはレイヤーＬよりも内側の通路空間においても速度勾配が大きくなることから、ここでメッシュ間の流速の偏差が過度に大きくなって、計算が発散することになる。一方、仮に前記高速側に合わせてレイヤーＬを比較的厚くすると、流れの遅いときにはレイヤーＬが厚くなり過ぎるので、壁関数によって求められる流速と実際の流速との誤差が大きくなってしまい、解析の精度が低下するという不具合がある。

そこで、この実施形態では、本発明の特徴部分として、解析に用いる３次元モデルＭ３を、予め同じ部位について２つ以上、例えば前記図６のように低速用と高速用とでそれぞれレイヤーＬの厚みの異なるものを準備する。この低速用及び高速用のモデルは、図８に一例を示すようにメッシュの大きさも異なるものとするのが好ましい。そして、上述したようにエンジンの運転状態を模擬する１＋３次元のシミュレーションにおいて（図４のステップＳ３等参照）、１次元ＣＦＤ演算の結果から３次元ＣＦＤの境界条件を求めるときに（ステップＳ３３）、その１次元の流れ場のデータから、３次元で模擬する部位の流れ場の状態（平均的な流速値）を求めて、これに相応しい３次元モデルを選択する。

具体的には、例えば前記図７のように流速が大きく変動する排気マニホルド内の排気の流れを模擬する場合、基本的には図６(a)のようにレイヤーＬの薄いモデルを選択し、図に＊１、＊２として示すように流れが速いときには（モデル変更区間）、図６(b)のようにレイヤーＬの厚いモデルを選択する。また、図に＊３として示すように排気流速が特に低いときには、前記低速用・高速用の２つのモデルの他に、例えば特にメッシュサイズの大きい（図８の低速用モデルよりも大きい）別のモデルを用いるようにしてもよい。

尚、前記のようなレイヤーＬの適切な厚さは概略、流れの速さと代表長さ（例えば通路の等価直径）とによって決定することができるが、それ以外にもエンジンの模擬運転条件（例えばエンジン回転速度、エンジン負荷、温間・冷間等）によって計算の発散のしやすさが異なるため、予め試験的に３次元のモデルを用いて所定の定常流れのＣＦＤ演算を行い、この演算結果から幾つかの模擬運転条件毎に低速用・高速用それぞれのレイヤー厚さを設定しておくのが好ましい。

次に、前記の如く１次元のＣＦＤ演算の結果から３次元ＣＦＤモデルを選択する手順を図９のフローチャートに基づいて具体的に説明する。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，Ｓ３４において行われるものであって、まず、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９(a)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３次元で模擬する部位の平均的な流速値を計算し、続くステップＳ３３２において流れが低速状態か高速状態か判定して、これに対応する３次元モデルの指定コードを選択する（３次元モデルの選択）。

続いて、ステップＳ３３３では、ＣＦＤ演算ＤＢ１２の偏り分布データを参照して、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読み込み、この分布データに従って、続くステップＳ３３４において該各境界面における流れ変数ｐ、ρ、ｕ、Ｔの値、即ち３次元ＣＦＤの境界条件を求める。そして、その境界条件と、前記ステップＳ３３２で設定した３次元モデルの指定コードとを含む３次元ＣＦＤの実行ファイルを、ステップＳ３３５において演算サーバ１，１，…に返送する（エンド）。

一方、演算サーバー１，１，…では、図９(b)のフローのステップＳ３４０において前記３次元ＣＦＤの実行ファイルを受け取り、続くステップＳ３４１では、３次元モデルの指定コードによって、モデルを変更するかどうか判定する。すなわち、指定コードが前回と同じであればモデルを変更しないので（ＮＯ）、ステップＳ３４４に進む一方、指定コードが異なればモデルを変更するので（ＹＥＳ）、ステップＳ３４２に進み、モデルＤＢ１１から読み込んだ流れの状態（低速・高速）に対応する３次元モデルに変更し、これに伴い、その変化の前後でモデル内の計算点の位置座標がずれることを考慮して、続くステップＳ３４３において、変化前のモデルの計算格子に対応する流れ場のデータを変化後のモデルの計算格子に対応するデータに変換する（３Ｄ→３Ｄデータ変換）。

すなわち、前記のように３次元モデルは低速用よりも高速用でメッシュの大きさが細かくなっているので、それぞれのメッシュに対応する計算点の位置座標はモデルを切換えることによって変化してしまう。そこで、例えば、変化前のモデルにおいて互いに隣接する例えば３個のメッシュの各計算点における流れ変数値から、それら各計算点に囲まれた任意の位置座標における流れ変数値を直線近似によって求めることにより、即ちデータの空間的な補完によって、変化後のモデルの各計算点に対応する流れ変数値を求めることができる。

そして、前記ステップＳ３４１又はＳ３４３に続くステップＳ３４４では、前記３次元のＣＦＤモデルに前記境界条件を含む演算条件を入力し、その後、前記メインフローのステップＳ３５に進んで、３次元のＣＦＤ演算を行うことになる。この３次元のＣＦＤ演算においては、上述したように流れの状態に応じて適切なモデルに切換えていることから、排気の流れが大きく変化しても、常に適切なレイヤー厚み及びメッシュサイズを有する３次元のモデルを用いて演算を行うことができ、これにより、解析の精度を落とすことなく、また、計算時間の無用の増大を招くことなく、計算の発散を防止することができる。

前記図９(a)のフローのステップＳ３３２が、１次元のＣＦＤ演算により求めた流れ場のデータに基づいて、３次元で模擬する部位の流れの状態を判定し、これに応じて３次元のモデルを選択するモデル選択ステップに対応しており、また、ステップＳ３３３〜Ｓ３３５は、１次元の流れ場のデータに基づいて、３次元のＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与ステップに対応している。

さらに、同図(b)のフローのステップＳ３４３は、前記モデル選択ステップにより選択される３次元のモデルが変化したとき、その変化前のモデルのメッシュに対応する流れ場のデータを空間的に補完して、変化後のモデルのメッシュに対応する流れ場のデータを求めるデータ変換ステップに対応している。

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Ｓ３３２，Ｓ３３３〜Ｓ３３５がそれぞれ実行されることにより、このＰＣ端末５，５，…が、１次元の流れ場のデータに基づいて３次元のモデルを選択するモデル選択手段５ａと、その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とをそれぞれ構成し、一方、演算サーバ１，１，…において前記フローのステップＳ３４３が実行されることにより、この演算サーバー１，１，…が、前記モデル選択手段５ａにより選択される３次元のモデルが変化したとき、その変化前のモデルのメッシュに対応する流れ場のデータを空間的に補完して、変化後のモデルのメッシュに対応する流れ場のデータを求めるデータ変換手段１ｃを構成する。

（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。

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、そのデータから３次元モデル内の平均的な流速を求めて、少なくとも低速用及び高速用のいずれかのモデルに切換えるようにしたので、例えば排気マニホルドの独立排気通路のように流れの状態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、その流れの状態に相応しいモデルを用いて３次元のＣＦＤ演算を行うことができる。このことで、３次元ＣＦＤの離散化スキームとして高次のものを採用し、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。

加えて、この実施形態では、前記の如く３次元で模擬するエンジンの各部位毎に流れの状態に対応する適切な物理モデルが予め複数、設定されて、モデルＤＢ１１に格納されており、１＋３次元のシミュレーションの途中でそのＤＢ１１を参照することにより、前記のような適切なモデルの選択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ものである。

（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次元のモデルは主に低速用と高速用とに区別して、それぞれレイヤーＬの厚みが異なるものとしているが、よりきめ細かく、流速に対応付けてレイヤーＬの厚みやメッシュサイズを変化させた３種類以上のモデルを準備し、それらを使い分けるようにしてもよい。

また、前記レイヤーＬの厚みをシミュレーションによって得られた３次元の流れ場のデータに基づいて補正するようにしてもよい。すなわち、例えばシミュレーションの途中で３次元の流れ場のデータからレイヤーＬよりも内側の通路空間において流れ場の空間的な変動が所定以上に大きいかどうか判定し、大きいときにはモデルのレイヤー厚さみを大きくなるように補正するのである（モデル補正ステップ）。

また、前記実施形態では、３次元のモデルを主に流速によって切換えるようにしているが、それ以外の流れ変数（例えば圧力、密度、温度）や吸排気の粘性等によってモデルを切換えるようにすることもできる。その場合にもエンジンの模擬運転条件を加味してモデルの切換えを行うことが好ましい。

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。

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。

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。

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。

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。 ＣＦＤ演算のための物理モデルの一例を示す模式図である。 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。 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。 ＣＦＤと化学反応シミュレーションとの切換えと、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。 低速時と高速時とで変化する流速分布と、これに対応するレイヤーの厚みとを示す説明図である。 排気流速の変化とモデル変更区間との関係を示すグラフ図である。 低速時と高速時とでメッシュサイズを変更したモデルの一例を示す図である。 １次元のＣＦＤ演算結果に基づいて３次元ＣＦＤのモデルを選択する際にＰＣ端末及び演算サーバにてそれぞれ行われる手順を示すフローチャートである。

符号の説明

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
１，１，… 演算サーバ
１ａ 第１ＣＦＤ演算手段
１ｂ 第２ＣＦＤ演算手段
１ｃ データ変換手段
５ ＰＣ端末
５ａ モデル選択手段
５ｂ 境界条件付与手段
１１ モデルＤＢ（データベース）

Claims (15)

1. 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次元のＣＦＤ解析モデルを、少なくとも流れの相対的に速いときと遅いときとで区別して予め複数、準備しておき、
   前記１次元のＣＦＤ演算による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ときに、そのデータから流れが相対的に速いときか遅いときか判定し、この判定結果に応じて前記いずれかの３次元モデルを選択する
   ことを特徴とするエンジン性能の予測解析方法。
2. エンジンの吸排気の流れを、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、
   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前記１次元のＣＦＤ解析モデルを用いて演算する第１ＣＦＤ演算手段と、
   吸気系又は排気系の所定部位における吸排気の流れを前記３次元のＣＦＤ解析モデルを用いて演算する第２ＣＦＤ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、前記第２ＣＦＤ演算手段による演算の境界条件を与える境界条件付与手段と、
   前記３次元のＣＦＤ解析モデルが少なくとも流れの状態に対応付けて、前記所定部位毎に複数、設定されたデータベースと、
   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、前記所定部位の流れの状態を判定し、これに応じて前記データベースからいずれかの３次元モデルを読み出すモデル選択手段と、を備え、
   前記第２ＣＦＤ演算手段が、前記モデル選択手段により選択されたモデルを用いて３次元のＣＦＤ演算を行うように構成されていることを特徴とするエンジン性能の予測解析システム。
3. データベースには、少なくとも流速値に対応付けて複数の３次元モデルが設定され、
   モデル選択手段は、前記３次元モデルに対応する所定部位の平均的な流速値を１次元のＣＦＤ演算の結果から求めて、これに対応するモデルを読み出す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。
4. モデル選択手段は、エンジンの模擬運転条件を加味して、モデルを選択するものであることを特徴とする請求項２又は３のいずれかの予測解析システム。
5. ３次元のＣＦＤ解析モデルは、吸排気通路の壁面付近に層状の領域が設定されていて、この領域ではそれ以外の領域よりも簡易な近似式で流れ変数の値を計算するようにしたものであり、
   データベースには、前記層状領域の厚みが異なる複数のモデルが設定されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つの予測解析システム。
6. データベースには、計算格子の大きさが異なる複数のモデルが設定されていることを特徴とする請求項５の予測解析システム。
7. 解析の途中でモデル選択手段により選択される３次元のＣＦＤ解析モデルが変化したとき、その変化前のモデルの計算格子に対応する流れ場のデータを空間的に補完して、変化後のモデルの計算格子に対応する流れ場のデータを求めるデータ変換手段をさらに備え、
   第２ＣＦＤ演算手段は、前記変換後の流れ場のデータを用いて３次元ＣＦＤ演算を行うように構成されていることを特徴とする請求項６の予測解析システム。
8. 第２ＣＦＤ演算手段によって演算された３次元の流れ場のデータに基づいて、３次元モデル内の層状領域の近傍で流れ場の空間的な変動が所定以上に大きいときに、該層状領域の厚みを大きくなるように補正するモデル補正手段を備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つの予測解析システム。
9. 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、
   前記予測解析システムには、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次元で模擬するためのＣＦＤ解析モデルが、少なくとも流れの状態に対応付けて前記所定部位毎に複数、設定されたデータベースが備えられ、
   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前記１次元のＣＦＤ解析モデルを用いて演算する第１ＣＦＤ演算ステップと、
   吸気系又は排気系の所定部位における吸排気の流れを前記３次元のＣＦＤ解析モデルを用いて演算する第２ＣＦＤ演算ステップと、
   前記第１ＣＦＤ演算ステップで演算した流れ場のデータに基づいて、前記第２ＣＦＤ演算ステップにおける演算の境界条件を与える境界条件付与ステップと、
   前記第１ＣＦＤ演算ステップで演算した流れ場のデータに基づいて前記所定部位の流れの状態を判定し、これに応じて前記データベースからいずれかの３次元モデルを読み出すモデル選択ステップと、を有し、
   前記第２ＣＦＤ演算ステップでは、前記モデル選択ステップで選択したモデルを用いて３次元のＣＦＤ演算を行う、ことを特徴とするエンジン性能の予測解析システムの制御プログラム。
10. データベースには、少なくとも流速値に対応付けて複数の３次元モデルが設定され、
    モデル選択ステップでは、前記３次元モデルに対応する所定部位の平均的な流速値を１次元のＣＦＤ演算の結果から求めて、これに対応するモデルを読み出す、ことを特徴とする請求項９の制御プログラム。
11. モデル選択ステップでは、エンジンの模擬運転条件を加味してモデルを選択する、ことを特徴とする請求項９又１０のいずれかの制御プログラム。
12. ３次元のＣＦＤ解析モデルは、吸排気通路の壁面付近に層状の領域が設定されていて、この領域ではそれ以外の領域よりも簡易な近似式で流れ変数の値を計算するようにしたものであり、
    データベースには、前記層状領域の厚みが異なる複数のモデルが設定されていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１つの制御プログラム。
13. データベースには、計算格子の大きさが異なる複数のモデルが設定されていることを特徴とする請求項１２の制御プログラム。
14. 解析の途中にモデル選択ステップで選択される３次元のＣＦＤ解析モデルが変化したとき、その変化前のモデルの計算格子に対応する流れ場のデータを空間的に補完して、変化後のモデルの計算格子に対応する流れ場のデータを求めるデータ変換ステップをさらに有し、
    第２ＣＦＤ演算ステップでは、前記変換後の流れ場のデータを用いて３次元ＣＦＤ演算を行う、ことを特徴とする請求項１３の制御プログラム。
15. 第２ＣＦＤ演算ステップで演算した３次元の流れ場のデータに基づいて、３次元モデル内の層状領域の近傍で流れ場の空間的な変動が所定以上に大きいときに、該層状領域の厚みを大きくなるように補正するモデル補正ステップをさらに有することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１つの制御プログラム。
    

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