JP4232654B2 - 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

しかしながら、一般に、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における気筒毎の独立排気通路では、対応する気筒の排気弁が閉じていて、他の気筒からの排気が下流側から上流側に向かって比較的ゆっくりと逆流している状態から、対応する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。

そのため、前記のシステムのように、エンジンの所定部位における吸排気の流れだけを３次元流として模擬し、１次元及び３次元のそれぞれのＣＦＤ演算による流れ場のデータを受け渡しながら、並行して演算を進めるようにした場合、特に３次元のＣＦＤ演算において境界条件の急激な変化に起因して数値振動（流れ変数値の計算上の振動）が発生し、計算が発散してしまう虞れがある。

このような計算の発散を抑えるために、一般的にはＣＦＤの計算の時間刻みを短くしたり、離散化の手法（スキーム）を安定性の高い低次のものとしたりすることが、即ち計算条件を緩くすることが行われている。また、物理モデルの計算格子（メッシュ）をできるだけ細かく且つ均等な形状のものとすれば、隣り合うメッシュ間で流れ変数の値が大きく変わることがなくなり、計算が発散し難くなることも知られている。

しかし、ＣＦＤ演算において時間刻みを短くしたり、モデルのメッシュを細かくしたりすれば、そのことが直接的に計算時間の増大を招くことになるし、低次のスキームを採用した場合には離散化に伴う数値誤差がいわゆる数値粘性として作用するので、解析精度が低下することは避けられない。

また、エンジンの吸排気の通路のように複雑な形状を有するものにおいては、全てが略均等な形状となるようにして自動でメッシュを生成することは不可能であり、一方、これを手作業で行うことは多大な労力と時間を必要とする。

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ＣＦＤ演算における計算条件の設定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、数値振動によ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、その前提となるシステムにおいて１次元及び３次元のＣＦＤ演算を自由に選択して行えることに着目し、１次元のＣＦＤ演算の結果から３次元のＣＦＤ演算において計算が発散することを推定して、計算が発散しそうなときにだけ計算条件を緩くするようにした。

より具体的に、請求項１の発明は、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解析モデルを用いてそれぞれ模擬演算する１次元及び３次元のＣＦＤプログラムと、そのうちの一方のプログラムにより演算された流れ場のデータに基づいて、他方のプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件を与えるデータ授受プログラムと、を準備し、コンピュータ装置により前記各プログラムを並行して実行させて、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測する予測解析方法を対象とする。

このような解析方法において、まず所定の模擬運転条件下で１次元のＣＦＤ演算を行い、これにより求めた流れ場の変動状態から、３次元のＣＦＤ演算において計算の発散が予想される模擬運転時間帯を予め特定しておく。そして、その同じ模擬運転条件下で吸排気の流れを解析するために、１次元及び３次元のＣＦＤ演算を並行して行うときに、前記の特定した模擬運転時間帯では３次元のＣＦＤ演算における計算条件を発散し難くなるように変更補正する。

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ようにすれば、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。

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、各モデルの境界において流れの状態が一致するように、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、非定常流れの計算では１回の時間刻みの間に流れ変数の値が大きく変化することがあり、これにより特に３次元のＣＦＤ演算において境界条件が所定以上に大きく変化すると、大きな数値振動が発生して計算が発散する虞れがあることは上述した。

これに対し、予め解析を行うエンジンの模擬運転条件下で１次元のＣＦＤ演算のみを行い（少なくとも各気筒の１燃焼サイクル分、演算を行うのが好ましい）、これにより求めた１次元の流れ場の変動状態から、３次元のＣＦＤ演算において計算が発散すると予想される模擬運転時間帯を特定しておく。例えば、排気マニホールドの各気筒毎独立の排気通路においては、対応する気筒の排気弁が開いて高温高圧の既燃ガスが吹出す時間帯等が、計算の発散が予想される時間帯である。

その上で、前記模擬運転条件下で吸排気の流れを解析すべく１次元及び３次元のＣＦＤプログラムを同時並行的に実行し、１次元及び３次元のＣＦＤ演算を互いに同期させて行うときに、そのうちの３次元ＣＦＤ演算における計算条件を前記の特定した模擬運転時間帯では、発散し難くなるように変更補正する。すなわち、例えば計算の時間刻みを短くしたり、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することによって、その時間帯だけは計算時間が長くなっても、また、やや精度が低下しても、計算が発散することを防止する。

このように、１＋３次元のＣＦＤ演算の途中で、特に計算の厳しい時間帯だけは自動的に計算条件を緩和して、計算が発散することを防止することができるので、全体的には高次のスキームを用いた高精度の非定常流動計算を実施し、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。

そのように予め１次元のＣＦＤ演算を行って計算の発散しやすい厳しい時間帯を特定するようにすれば、その時間帯をかなり正確に特定することができるので、計算条件を変更する時間帯を可及的に短くして、解析精度の確保及び計算時間の短縮とシステムダウンの防止という相反する要求を高い次元で両立することができる。このことは、エンジンの模擬運転条件が変化しないとき、即ちエンジンの定常運転状態を模擬する場合には極めて有効である。

その反面、例えば１０・１５モードのように運転条件が広い範囲で変化する状態を模擬するときには、予め時系列に変化する運転条件を全て入力して１次元のＣＦＤ演算を行う必要があり、解析の準備に時間がかかるという不具合がある。また、そのような運転条件の変化が予め設定されておらず、解析の途中に割り込みで運転条件を変更するときには、対応できないという問題がある。

この点に鑑みて、本願の請求項２の発明では、前記請求項１の発明と同じ前提の下で、時系列に変化する模擬運転条件下で吸排気の流れを解析するために、１次元及び３次元のＣＦＤ演算を並行して行うときに、その１次元のＣＦＤ演算により得られた流れ場のデータに基づいて、３次元のＣＦＤ演算において計算が発散することを推定し、その推定時には計算条件を発散し難くなるように変更補正した上で、３次元のＣＦＤ演算を行うようにした。

こうすれば、吸排気の流れを模擬する１次元及び３次元のＣＦＤ演算を互いに同期させて行っている最中に、その１次元のＣＦＤ演算により得られた流れ場のデータに基づいて、３次元ＣＦＤの計算が発散するかどうか推定するので、予め計算の発散する時間帯を特定する場合のように解析の準備に長い時間がかかることはなく、また、解析の途中に割り込みで模擬運転条件を変更する場合にも対応できる。

尚、１次元の流れ場のデータに基づいて計算が発散するかどうか推定する方法としては、例えば、或る時点の流れ場において流れ変数の値が急変するような計算の厳しい部位があり、この部位において隣り合うメッシュ間の流れ変数の偏差が所定以上に大きければ、計算が発散すると推定することができる。また、そのような部位における流れ変数の値が一つ前の時点と比べて所定以上に大きく変化しているときにも、計算が発散すると推定することができる。

或いは、より簡単に、１次元のＣＦＤ演算の結果として与えられる境界条件の変化の度合いと、そのときの模擬運転条件等とに基づいて、計算が発散することを推定することも可能である。

ここで、前記のように計算条件を変更する場合、この条件を緩くするほど発散を防止しやすい反面、その間の計算時間の増大や解析精度の低下という弊害も大きくなる。また、数値振動が大きくなるかかどうかについては、模擬運転条件だけでなくメッシュを含む解析モデルの形状等の影響が大きく、例えば吸排気の流れる通路の形状が複雑で異形のメッシュの個数が多いときには、このメッシュと周囲のメッシュとの間で流れ変数の偏差が大きくなり、数値振動が大きくなりやすい。

このことを考慮して、前記した請求項１、２の発明に係る予測解析方法において、計算の発散が推定されたときでもＣＦＤ演算の計算条件を一律に変更補正するのではなく、予め解析モデル毎に設定した計算条件変更特性に従い、少なくともエンジンの模擬運転条件に基づいて計算条件を変更補正するのが好ましい（請求項３の発明）。すなわち、例えば計算の時間刻み、スキーム、緩和係数等を解析モデル毎に、また模擬運転条件に対応付けて、計算が発散しやすいときほど計算条件が緩くなるように変更する仕方を予め設定しておき、これに従って計算条件を変更することにより前記請求項１、２の発明の作用効果をより高めることができる。

次に、本願の請求項４の発明は、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、前記両ＣＦＤプログラムの一方を実行して、吸排気の流れ場を演算する第１ＣＦＤ演算手段と、該第１ＣＦＤ演算手段により演算された流れ場のデータに基づいて、他方のＣＦＤプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与手段と、該境界条件付与手段により与えられる境界条件の変化に起因して、前記他方のＣＦＤプログラムによる流れの計算が発散することを推定する発散推定手段と、該発散推定手段によって計算が発散すると推定されたときに、前記他方のＣＦＤプログラムを実行する際の計算条件を発散し難くなるように変更補正する計算条件補正手段と、その補正された計算条件の下で前記他方のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算手段と、を備える構成とする。

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次元又は３次元のいずれか一方のＣＦＤプログラムが実行され、これにより演算された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他方の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演算手段により他方のＣＦＤプログラムが実行される。

その際に、例えば非定常流れの計算において前記他方のＣＦＤ演算に与えられる境界条件が所定以上に大きく変化し、これに起因して前記他方のＣＦＤプログラムによる流れの計算が発散すると発散推定手段により推定されたときには、この他方のＣＦＤプログラムを実行する際に計算が発散し難くなるように、計算条件補正手段によって計算条件が変更補正される。

このことで、並行して行われる１＋３次元のＣＦＤ演算の途中で、特に計算の厳しい時間帯だけは自動的に計算条件を緩和して、計算が発散することを防止できるので、全体的には高次のスキームを用いた高精度の非定常流動計算を実施し、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ながら、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。

ここで、前記の予測解析システムには、実際に１＋３次元の流れ解析を行う前に、１次元のＣＦＤ演算により求めた流れ場の変動状態に基づいて、３次元のＣＦＤ演算において計算が発散すると予想される模擬運転時間帯を特定し、これを予め解析モデル毎に設定したデータベースを備えることが好ましい。この場合は、前記発散推定手段を、前記データベースに設定されている模擬運転時間帯で計算が発散すると推定するものとすればよく（請求項５の発明）、こうすれば、前記のように予め特定した模擬運転時間帯において３次元ＣＦＤの計算が発散することを防止できる。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。

或いは、前記のようなデータベースを備えることなく、前記発散推定手段を、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、流れ場の変動状態が所定以上に大きいときに計算が発散すると推定するものとしてもよい（請求項６の発明）。

こうすれば、１＋３次元の流れ解析を行っている最中に、そのための１次元ＣＦＤの演算により得られた流れ場のデータに基づいて、前記発散推定手段により３次元ＣＦＤの計算が発散するかどうか推定され、これに基づいて計算条件が変更補正される。つまり、上述した請求項２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。

また、前記予測解析システムにおいて、好ましくは、計算条件補正手段は、予め解析モデル毎に設定されている計算条件変更特性に従って、少なくともエンジンの模擬運転条件に基づいて計算条件を変更するものとする（請求項７の発明）。こうすれば、上述した請求項３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。

ここで、前記計算条件変更特性は、計算の発散によるシステムダウンを防止しながら、同時に解析の精度を確保し且つできるだけ計算時間を短縮できるように、必要最小限の計算条件の緩和の仕方を解析モデル毎に設定するのが好ましい。すなわち、例えば計算の時間刻みを、模擬運転条件に含まれるエンジン回転速度、エンジン負荷、及びそれらの変化度合い、並びにエンジン温度状態の少なくとも１つの関数として規定すればよく（請求項８の発明）、これに加えて、時間刻みをさらに吸排気通路の長さ及び直径の少なくとも一方の関数として規定すれば、さらに好ましい（請求項９の発明）。

或いは、予め或る模擬運転条件で１次元や３次元のＣＦＤ演算を実際に行ってみて、その模擬運転条件における最適な計算条件を特定し、この計算条件を解析モデル毎に設定して、該解析モデル毎に模擬運転条件に応じて検索可能なデータベースを作成しておいて、これを計算条件変更特性とすることもできる。

さらに、前記予測解析システムにおいて好ましくは、３次元の解析モデルを、エンジンの吸気系又は排気系の少なくとも一部を模擬するものであって且つさらに複数の部位に分割可能なものとし、その上で、前記発散推定手段は前記３次元解析モデルの分割された各部位毎に計算が発散することを推定するものとし、また、前記計算条件補正手段は前記発散推定手段により計算の発散が推定された部位の計算の時間刻みを変更するものとすればよい（請求項１０の発明）。

こうすれば、計算の発散が推定されたときに３次元ＣＦＤのための解析モデル全体で計算条件を緩和するのではなく、発散防止のために必要な部位のみの計算条件を緩和することができるので、条件の緩和に伴う計算時間の増大や解析精度の低下という弊害をさらに軽減することができる。具体的に例えば排気マニホルドのモデルであれば、これを各気筒毎の独立排気通路に分割し、各々が計算の厳しい時間帯、即ち対応する気筒が排気行程にあるときだけ、計算条件を緩和すればよい。

そのように解析モデルを部位毎に分割して、相互に時間刻みを異ならせると、その部位毎に流れ場の計算結果に時間的なずれを生じる虞れがあるが、これについては、例えば、前記計算条件補正手段を、ｎを自然数として、発散が推定された部位の計算の時間刻みを他の部位の１／ｎの長さに変更するとともに、その発散推定部位の計算回数を他の部位のｎ倍に変更するものとすればよい（請求項１１の発明）。こうすれば、時間刻みを短くした部位においても、その他の部位に比べて流れ場の計算回数が増えるだけで、両者の間に時間的なずれを生じることはない。

次に、本願の請求項１２の発明は、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。

そして、前記両ＣＦＤプログラムの一方を実行して、吸排気の流れ場を演算する第１ＣＦＤ演算ステップと、該第１ＣＦＤ演算ステップにおいて演算された流れ場のデータに基づいて、他方のＣＦＤプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与ステップと、該境界条件付与ステップにより与えられる境界条件の変化に起因して、前記他方のＣＦＤプログラムによる流れの計算が発散することを推定する発散推定ステップと、該発散推定ステップにおいて計算が発散すると推定されたときに、前記他方のＣＦＤプログラムを実行する際の計算条件を発散し難くなるように変更補正する計算条件補正ステップと、その補正された計算条件の下で前記他方のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算ステップと、を有するものとする。

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４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４の発明と同じ作用効果が得られる。

前記の予測解析システムには、１次元のＣＦＤ演算により求めた流れ場の変動状態に基づいて、３次元のＣＦＤ演算において計算が発散すると予想される模擬運転時間帯を特定し、これを予め解析モデル毎に設定したデータベースを備えるものとし、その上で、前記制御システムの発散推定ステップでは、前記データベースに設定されている模擬運転時間帯で計算が発散すると推定するようにすればよい（請求項１３の発明）。こうすれば請求項５の発明と同じ作用効果が得られる。

或いは、前記のようなデータベースを備えることなく、発散推定ステップでは、第１ＣＦＤ演算ステップにおいて演算された流れ場のデータに基づいて、流れ場の変動状態が所定以上に大きいときに計算が発散すると推定するようにしてもよい（請求項１４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。

また、計算条件補正ステップでは、予め解析モデル毎に設定されている計算条件変更特性に従って、少なくともエンジンの模擬運転条件に基づいて計算条件を変更するのが好ましい（請求項１５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。

その場合に、前記計算条件変更特性は、計算の時間刻みを、模擬運転条件に含まれるエンジン回転速度、エンジン負荷、及びそれらの変化度合い、並びにエンジン温度状態の少なくとも１つの関数として規定したものとすればよく（請求項１６の発明）、さらに、計算の時間刻みをさらに吸排気通路の長さ及び直径の少なくとも一方の関数として規定したものとしてもよい（請求項１７の発明）。

さらに、３次元の解析モデルを、エンジンの吸気系又は排気系の少なくとも一部を模擬するものであって且つさらに複数の部位に分割可能なものとした上で、前記発散推定ステップでは前記３次元解析モデルの分割された各部位毎に計算が発散することを推定し、また、前記計算条件補正ステップでは、前記発散推定ステップにおいて計算の発散が推定された部位の計算の時間刻みを変更するのが好ましい（請求項１８の発明）。こうすれば請求項１０の発明と同じ作用効果が得られる。

加えて、その場合に、前記計算条件補正ステップでは、ｎを自然数として、発散が推定された部位の計算の時間刻みを他の部位の１／ｎの長さに変更するとともに、その発散推定部位の計算回数を他の部位のｎ倍に変更するのが好ましい（請求項１９の発明）。こうすれば請求項１１の発明と同じ作用効果が得られる。

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、少なくとも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、１次元ＣＦＤの結果から３次元ＣＦＤの計算が発散することを推定し、その推定時のみ計算条件を緩和するようにしたので、全体的には、高次のスキームを採用した数値計算によって解析の精度を十分に高め、且つ比較的粗い時間刻みで計算することによって時間の短縮を図りながら、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、これにより、設計・開発の支援ツールとしての実用性を大幅に向上できる。

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。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。

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。

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、シミュレーションの始期に行う助走演算の態様（助走条件）を３次元の物理モデルに対応付けて予め設定した助走条件マップと、定常的な模擬運転条件下で３次元のＣＦＤ演算を行うときに、計算が発散すると予想される時間帯を予め特定した発散時間帯マップとが格納され、さらには、そのような計算の発散を防止するために行う計算条件の補正の仕方を予め設定した計算条件補正マップ（計算条件変更特性）等も格納されている。

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。

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。

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、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。

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次元モデルの境界面においては、１次元ＣＦＤの演算結果に基づいて、３次元ＣＦＤの境界条件（境界面上の流れ変数の値）を与えることになるが、一般的に、１次元流においては流れ変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔがその流れの横断面において一様であるとみなすので、これをそのまま３次元の境界面に受け渡しても正確なシミュレーションが行えるように、流れがその横断面全体で概ね一様になっている部位に境界面を設定するのが好ましい。

そして、そのように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に置き換えて演算が行われることで、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。

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。

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境界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所定の方法で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（境界値）を求めて、この境界条件を含んだ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における吸気流の境界値（変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔ等）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。また、後述するが、解析の途中で前記シミュレーションデータに含まれていない運転状態を模擬するために、キーボード等からの入力によって割り込みで運転条件を変更することもできるようになっている。

上述のした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、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。また、ステップＳ３３，Ｓ３４は、前記第１ＣＦＤ演算ステップにより演算された流れ場のデータに基づいて、前記第２演算ステップによる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。

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１ｃをそれぞれ構成する。また、前記演算サーバ１，１，…及びＰＣ端末５，５，…において前記フローのステップＳ３３，Ｓ３４が実行されることにより、これら演算サーバ１，１，…及びＰＣ端末５，５，…が、前記１次元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、３次元ＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与手段１ｂを構成する。

（ＣＦＤにおける計算の発散の防止）
ところで、上述の如く、エンジンの吸排気の流れを一部分だけ３次元流として模擬し、１次元のＣＦＤ演算により求めた流れ場のデータを自動的に３次元ＣＦＤの境界条件として与えるようにした場合、その境界条件が大きく変化することに起因して、３次元のＣＦＤ演算において数値振動（流れ変数値の計算上の振動）が発生し、計算が発散してしまうことがある。

すなわち、一般に、自動車用エンジンの燃焼は間欠燃焼であるから、その運転条件が変わらない定常運転状態であっても、吸排気の流れは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、対応する気筒の排気弁が閉じていて、他の気筒からの排気が下流側から上流側に向かって比較的ゆっくりと逆流している状態から、当該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。

より具体的に、図６は、排気マニホルドの所定部位における排気流速の変化を第１気筒の１燃焼サイクルに亘って観測したものであり、同図によれば、＊１、＊２として示すように、観測地点に各気筒からの排気流が到達する度に流速が上昇する様子が見て取れる。そのため、上述の如く排気マニホルドの一部のみを３次元のモデルで模擬するようにした場合、このモデルの例えば排気入口側境界面において排気流の圧力ｐ、密度ρ、速度ｕ、温度等Ｔ等、即ち１次元のＣＦＤ演算の結果として与えられる境界条件が非常に大きく変化することになり、このことに起因して大きな数値振動が発生するものである。

特に、同図に＊１として示すシミュレーションの開始時点では、３次元の物理モデル内において空間的に離散化された流れ場が略静止状態になっており、各計算点の流速ｕは零（０）であるから、そのモデルにいきなり境界条件を与えて、図７(a)に示すような非定常な流れ場の計算を開始すると、当該モデル内の各計算点において１回の時間刻みの後に排気流速が初期値０から急変することになり、このことによって、同図(b)に模式的に示すように大きな数値振動が発生し、計算が発散してシステムダウンに至ることが多い。

そのような問題に対して、例えば、計算の時間刻みを短くしたり、安定性の高い低次のスキームを採用したりすることが、即ち計算条件を緩くすることが考えられるが、計算の時間刻みを短くすれば、そのことが直接的に計算時間の増大を招くことになるし、低次のスキームを採用した場合には離散化に伴う数値誤差がいわゆる数値粘性として作用するので、数値振動は抑えられるものの解析精度が低下することは避けられない。

（１）シミュレーション開始時の助走演算
斯かる問題点に鑑みて、この実施形態の予測解析システムＡでは、まず前記＊１のようなシミュレーションの開始時点で最初に３次元のＣＦＤ演算を始めるときには、１次元ＣＦＤの演算結果から与えられる境界条件をそのまま用いるのではなく、例えば図７(c)に模式的に示すように、境界条件を変化前の条件（図の例では排気流速値０）から変化後の条件（図の例では与えられた排気流速値）まで徐々に変更しながら、予備的にＣＦＤ演算（以下、助走演算ともいう）を行う助走期間を設けるようにしている。

すなわち、同図に実線で示すように、まず助走期間の前半では、境界条件が時間（又はクランク角）の変化に対して所定の変化度合いとなるよう予め設定した勾配で変更しながら、この境界条件に基づいて３次元のＣＦＤ演算を実行する。このように境界条件を徐々に変更すれば、時間刻み毎の変化は小さくなるので、同図に模式的に破線で示すように、モデル内の各計算点における数値振動が小さなものとなる。また、期間の後半では、境界条件を所定期間、概略一定に維持して、３次元ＣＦＤ演算を実行する。こうすることで、前記期間の前半に生じた小さな数値振動も速やかに減衰し、モデル内の全体で流れ場が概ね定常的な状態になる。

そして、そのようにして定常的な状態となったモデル内の流れ場を初期状態として、新たにＣＦＤ演算を開始するようにすれば、たとえ高次の差分スキームを用いた高精度の非定常流動計算を実施していても、計算が発散することはなくなり、システムダウンを防止することができる。

以下に、前記の助走演算について図８のフローに基づいて具体的に説明する。このフローは、シミュレーションの始期において、上述したメインプログラム（図４）のステップＳ３４〜３６により３次元のＣＦＤ演算を行う前に、実行するものであり、まず、スタート後のステップＳ３４０でシミュレーションの始期であるかどうか判定し、始期でなければ制御を終了して前記メインプログラムのステップＳ３４に進む一方、判定がＹＥＳでシミュレーションの始期であれば、ステップＳ３４１に進む。

このステップＳ３４１では、ＣＦＤ演算ＤＢ１２から読み込んだ助走条件マップを参照して、３次元のＣＦＤ演算に用いる各独立排気通路のモデルs1〜s4に対応する助走条件を選択する。このように助走条件をモデルに対応付けて設定するのは、次のような理由による。すなわち、助走期間における境界条件の変更の度合いは緩やかであるほど数値振動を抑えやすく、計算の発散をより確実に防止することができるが、その一方で、助走期間が長くなると、その分だけ計算の遅延を招くことになり、好ましくない。また、実際に数値振動が大きくなるかどうかについてはメッシュを含むモデルの形状等の影響が大きく、例えば吸排気の流れる通路の形状が複雑で異形のメッシュの個数が多いときには、このメッシュと周囲のメッシュとの間で流れ変数の偏差が大きくなり、数値振動が大きくなりやすい。

従って、そのように数値振動が大きくなって、計算が発散しやすいモデルに対しては、境界条件を十分に緩やかに変更する必要があるから、例えば助走期間の前半で境界条件の変化勾配を緩やかにしたり、或いは後半の時間を長くしたりするのがよい。一方で、発散が起きにくいモデルに対しては、前記勾配を比較的急にしたり、或いは後半の期間を短めにして、境界条件を比較的早く変更するのが好ましい。そのために、この実施形態では、予め実験等により各モデルに対応する適切な助走条件を求めて、これを助走条件マップとしてＣＦＤ演算ＤＢ１２に格納しておき、助走演算を行う際には、各モデル毎に対応する助走条件を前記マップから読み出して、設定するようにしている。

さらに、前記ステップＳ３４１では、前記の如く読み出した助走条件を、エンジンの模擬運転条件（例えば模擬する負荷状態、回転速度、温度等）に応じて変更する。すなわち、例えば、エンジンの模擬運転条件が高負荷状態であって、排気の温度が高く且つ流量が多いときには、低負荷状態を模擬するときに比べて境界条件を緩やかに変更するのが好ましい。また、例えばエンジン冷間を模擬するときには、排気マニホルドの壁部や通路内の温度が比較的低い状態で、高温高圧の排気が流通することになるから、両者の温度差が比較的小さい温間に比べて境界条件を緩やかに変更するのが好ましい。

そして、そのように補正して設定した助走条件に従って、ステップＳ３４２において境界条件を少しだけ変更して３次元のモデルに入力し、続くステップＳ３４３において、メインプログラムのステップＳ３５と同様にＣＦＤ演算を行う。続いて、ステップＳ３４４において同ステップＳ３６と同様に流れ場のデータをメモリに保存し、続くステップＳ３４５では同ステップＳ３８と同様にクランク角をインクリメントする。そして、続くステップＳ３４６において、助走期間に対応するクランク角範囲が経過したかどうか判定して（助走期間経過？）、この判定がＮＯであれば、前記ステップＳ３４２に戻って、助走演算（Ｓ３４２〜Ｓ３４５）を続ける一方、判定がＹＥＳであれば、助走演算を終了して、前記メインプログラムのステップＳ３５に進み、本来のＣＦＤ演算を開始する。

つまり、助走期間において３次元モデルの境界条件を徐々に変更しながら、予備的に３次元ＣＦＤ演算を行い、これによりモデル内の全体で流れ場が概ね定常的な状態になった後に、これを初期状態として新たに３次元ＣＦＤ演算を開始することで、そのＣＦＤ演算が高次のスキームを用いた高精度の３次元非定常流動計算であっても、計算が発散することを防止できる。

前記図８に示す助走演算のフローにおいて、ステップＳ３４１が、助走条件、即ち助走期間における境界条件の変更の仕方を、エンジンの模擬運転条件及び３次元のモデルに対応付けて設定する助走態様設定ステップに対応している。

また、ステップＳ３４２〜３４６が、シミュレーションの開始時に最初に３次元のＣＦＤ演算を実行するときに、１次元のＣＦＤ演算の結果に基づいて与えられる境界条件が所定以上に大きく変化することを考慮して、この境界条件を予め設定した態様で徐々に変更しながら、３次元のＣＦＤプログラムを実行する助走演算ステップに対応している。

また、この実施形態では、前記助走態様設定ステップ及び助走演算ステップをそれぞれ実行することで、演算サーバ１，１，…が助走態様設定手段１ｄ及び助走演算手段１ｅを構成する。

尚、前記の助走演算の途中で、それまでの演算結果により求められた流れ場の状態に基づいて、助走条件を修正するようにしてもよい。すなわち、前記図８のフローのステップＳ３４６においてＮＯと判定してステップＳ３４２に戻るときに、メモリに保存した流れ場のデータに基づいて、時間の経過とともに流れ場の変動状態が大きくなっているかどうか判定し、流れ場の変動が大きくなっていれば、例えば助走期間の前半における境界条件の変化勾配を予め設定した所定値だけ小さくして、その変化が相対的に緩やかになるように修正する。一方、変動が大きくなっていなければ、例えば前記変化勾配を前記所定値だけ大きくして、境界条件をより早く変更するように修正する（図に仮想線で示すステップＳ３４７）。

そのように助走条件を修正した上で、この修正後の助走条件に従って前記ステップＳ３４２〜３４５を実行することを繰り返せば、助走期間における境界条件の変更の仕方を最適化することができる。従って、前記ステップＳ３４７は、ＣＦＤ演算の途中で、演算される流れ場の変動が相対的に小さくなるように、それまでの演算結果に基づいて境界条件の変更の仕方を修正する助走態様修正ステップに対応する。

（２）計算条件の変更補正
上述の如くシミュレーションの開始時点において助走演算により計算の発散を防止するとともに、この実施形態では、シミュレーションの途中で前記図６の＊２のように流れが急激に変化する時間帯では、一時的に３次元ＣＦＤの計算条件を緩和して、計算の発散を防止するようにしている。

具体的に、まず、エンジンの定常運転状態を模擬する場合には、予めその模擬する運転条件の下で１次元のＣＦＤ演算を少なくとも各気筒の１燃焼サイクル分、行い、この結果から、３次元ＣＦＤのモデル内の流れ場の変動が大きくて、計算の発散が予想される時間帯を特定しておく。例えば、１次元のＣＦＤにより求めた或る時点の流れ場において流れ変数の値が急変するような計算の厳しい部位があり、この部位において隣り合うメッシュ間の流れ変数の偏差が大きければ、この部位における流れ変数の変化を時系列に調べる。そして、前記図６に＊２として示すように流れ変数（図の例では排気流速）が急激に変化する時間帯があれば、この時間帯において計算が発散すると予想することができる。

そのように非定常な吸排気の流れを模擬する１次元のＣＦＤ演算は非定常計算になり、時間がかかるので、その非定常流れに含まれる幾つかのパターンの定常流れをそれぞれ模擬する１次元のＣＦＤ演算を行って、これにより発散の予想される時間帯を特定することもできる。例えば排気マニホルドの場合、１次元のモデルＭ１（図２参照）を用いて、各気筒c1〜c4毎の独立排気通路をそれぞれ上流側から下流側に排気流が流れる４通りの定常状態と、触媒cat直上の排圧が高くなってそこから上流側に排気が少し逆流する定常状態とをそれぞれ計算し、これにより計算の厳しい場所を特定することができる。

そうして特定した時間帯を、前記模擬運転条件下で３次元ＣＦＤの計算が発散する時間帯（発散時間帯）として、この模擬運転条件と前記モデルとに対応付けて発散時間帯マップに設定する。そして、図４のメインフローに示すような流れ解析のための１＋３次元のＣＦＤ演算を行うときには、そのうちの３次元のＣＦＤ演算において前記発散時間帯になれば一時的に計算条件を緩くなるように変更補正する。

一方、例えば１０・１５モードのようにエンジンの運転状態が広い範囲で変化する非定常運転状態を模擬する場合には、解析の準備のために全ての運転条件を時系列に入力して予め１次元のＣＦＤ演算を行うとすると、この準備に時間がかかり過ぎるきらいがあるので、この場合には流れ解析のための１＋３次元のＣＦＤ演算を行いながら、その１次元ＣＦＤの結果から３次元ＣＦＤの計算が発散するかどうか推定し、この推定時に計算条件を緩和するようにしている。

−定常運転の場合−
次に、まず、エンジンの定常運転状態を模擬する場合において計算条件を変更する具体的な手順を図９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、前記図４に示すメインフローのＣＦＤ演算（ステップＳ３）において行うものであり、スタート後のステップＳ３５０では、前記メインフローのステップＳ３４〜Ｓ３７のように３次元のＣＦＤ演算を行い、続くステップＳ３５１において運転状態を模擬するエンジンのクランク角を微小クランク角（時間刻み）だけ進めた後に（メインフローのＳ３８）、ステップＳ３５２におい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ったかどうか判定し（メインフローのＳ３９）、この判定がＹＥＳであればメインフローのステップＳ４に進む（エンド）。

一方、前記ステップＳ３５２の判定がＮＯであればステップＳ３５３に進んで、前記の如く予め設定した発散時間帯マップを参照して、計算の発散が予想される発散時間帯かどうか判定する。そして、判定がＮＯであれば前記ステップＳ３５０に戻って、３次元のＣＦＤ演算を継続する一方、判定がＹＥＳで発散時間帯であればステップＳ３５４に進んで、模擬運転条件やモデルに対応付けて設定されている最適な方法で（後述する）、３次元のＣＦＤ演算における計算条件を発散し難くなるように変更補正する。その後、前記ステップＳ３５０に戻って、前記の補正後の計算条件の下で３次元のＣＦＤ演算を行う。尚、図には示さないが、前記ステップＳ３５３においてＮＯと判定したときには、補正前の計算条件に戻って３次元のＣＦＤ演算を行う。

そのように３次元のＣＦＤ演算の途中で特定の時間帯だけ自動的に計算条件を緩和して、発散を防止することができるので、全体的には高次のスキームを用いた高精度の非定常流動計算を実施し、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。

また、前記発散時間帯は、予め同じ模擬運転条件の下で１次元のＣＦＤ演算を行って、その結果から正確に特定するようにしているので、この時間帯を可及的に短くすることができ、解析精度の確保及び計算時間の短縮とシステムダウンの防止という相反する要求を極めて高い次元で両立することができる。

−非定常運転の場合−
次に、非定常運転状態を模擬する場合の計算条件の変更手順を図１０のフローチャートに基づいて説明する。このフローの手順もメインフロー（図４）のステップＳ３において行うのものであり、まず、スタート後のステップＳ３６０では、前記メインフローのステップＳ３１〜Ｓ３３のように１次元のＣＦＤ演算を行い、続くステップＳ３６１ではその演算結果に基づいて計算が発散することを推定する。例えば、１次元で計算された流れ場において流れ変数の値が急変するような部位があり、この部位において隣り合うメッシュ間の流れ変数の偏差が設定値以上であれば、計算が発散すると推定することができる。

また、そのような部位における流れ変数の値が一つ前の計算時点と比べて設定値以上、大きく変化しているときにも、計算が発散すると推定することができる。そのような設定値は、模擬運転条件及びモデルに対応付けて予め設定し、ＣＦＤ演算ＤＢ１２に格納しておけばよく、通常、模擬運転条件が厳しいほど小さめの値に設定される。

前記ステップＳ３６１に続くステップＳ３６２では、前記の推定結果に基づいて計算条件を変更するかどうか判定し、この判定がＹＥＳであればステップＳ３６３に進んで、前記定常運転のフロー（図９）のステップＳ３５４と同様に３次元ＣＦＤの計算条件を発散し難くなるように補正した後、ステップＳ３６４に進んで前記の補正後の計算条件の下で３次元のＣＦＤ演算を行う（メインフローのステップＳ３４〜Ｓ３７）。一方、判定がＮＯであればそのままステップＳ３６４に進む。

そして、前記ステップＳ３６４において３次元のＣＦＤ演算を行った後に、ステップＳ３６５（メインフローのＳ３８）においてクランク角を進め、ステップＳ３６６においてシミュレーションの終期かどうか判定して（メインフローのＳ３９）、この判定がＹＥＳであればメインフローのステップＳ４に進む（エンド）一方、シミュレーションの終期でなければ、ステップＳ３６７に進んでエンジンの運転条件を更新した後に前記ステップＳ３６０に戻って、その更新した運転条件下で再び前記の如き１＋３次元のＣＦＤ演算を繰り返す（ステップＳ３６０〜Ｓ３６５）。

尚、前記ステップＳ３６７における運転条件の更新は、基本的にはシミュレーションデータに含まれている時系列の模擬運転条件（例えば１０・１５モードに設定されているエンジン負荷や回転速度等）を時間刻み（クランク角）の進行に応じて読み込むのであるが、それ以外に、キーボード等からの入力によって割り込みで運転条件が変更されることもあり、この場合には、その割り込みで変更された運転条件が優先的に用いられる。

前記のように、エンジンの非定常運転状態を模擬するときには、定常運転状態を模擬するときのように予め発散時間帯を特定するのではなく、１＋３次元のＣＦＤ演算を行っている最中に、その１次元のＣＦＤ演算により得られた流れ場のデータに基づいて、３次元ＣＦＤの計算が発散するかどうか推定するようにしているので、解析の準備に要する時間が短くなり、解析の途中に割り込みで模擬運転条件を変更することもできる。

前記図９、１０にそれぞれ示すフローにおいて、図９のＳ３５３と図１０のＳ３６１，Ｓ３６２とが、それぞれ、１次元ＣＦＤ演算の結果として与えられる境界条件の変化に起因して、３次元ＣＦＤ演算の計算が発散することを推定する発散推定ステップに対応している。そして、ステップＳ３５３では、ＤＢ１２の発散時間帯マップに設定されている時間帯（模擬運転時間帯）で計算が発散すると推定するようにしており、一方、ステップＳ３６１では、１次元ＣＦＤの結果から計算が発散することを推定するようにしている。

また、図９のステップＳ３５４と図１０のＳ３６３とが、それぞれ、計算の発散が推定されたときに３次元ＣＦＤの計算条件を発散し難くなるように変更補正する計算条件補正ステップに対応しており、このステップＳ３５４，Ｓ３６２では、以下に詳述するように、ＣＦＤ演算ＤＢ１２に格納されている計算条件補正マップにおいて予め物理モデル毎に設定されている計算条件の補正の仕方に従って、少なくともエンジンの運転条件に基づいて、計算条件を変更するようにしている。

そして、この実施形態では、前記発散推定ステップ及び計算条件補正ステップをそれぞれ実行することにより、ＰＣ端末５，５，…が、３次元ＣＦＤプログラムによる流れの計算が発散することを推定する発散推定手段１ｆと、その推定時に計算条件を変更補正する計算条件補正手段１ｇを構成する。

−計算条件の変更の仕方−
次に、３次元ＣＦＤ演算における計算条件の変更補正の仕方について具体的に説明する。上述したように、３次元のＣＦＤにおいて計算の時間刻みを短くしたり、低次のスキームを用いたりすると、数値振動を抑えて計算の発散を防止できる反面、計算時間の増大や解析精度の低下という悪影響がある。すなわち、時間刻みを短くするほど計算時間が長くなるし、より低次のスキームを用いるほど解析の精度が低下する、というように、計算条件の変更の仕方によって影響の度合いが異なる。

また、前記のように悪影響のあることを考慮すれば、計算条件の変更期間（時間帯）は短いほどよいし、３次元のモデル全体に亘って計算条件を変更するよりは、そのうちの一部分についてのみ計算条件を変更する方が好ましいといえる。

そこで、この実施形態では、上述の如く１次元ＣＦＤの結果に基づいて３次元ＣＦＤの計算条件を変更するときに、これを一律に変更するのではなく、計算の発散を防止できる範囲で必要最小限の変更を行うようにしている。すなわち、まず、３次元モデルの形状により計算の発散しやすさが異なることから、予めモデル毎に計算条件の変更の仕方を設定する。また、模擬運転条件やその変化の度合いによって計算の発散しやすさが異なることから、例えばエンジン負荷、エンジン回転速度、それらの変化度合い、エンジン水温等に対応付けて、計算条件の変更の仕方を設定する。さらに、モデルの分割可能な部位毎に発散するかどうか推定し、その推定部位のみについて計算条件を変更する。

より具体的に例えば図２に示す排気マニホルドの３次元モデルＭ３について説明すると、ＣＦＤ演算ＤＢ１２の計算条件補正マップにおいては、前記モデルＭ３の分割可能な部位、即ち各独立排気通路s1〜s4及び共通排気通路s5毎に、それぞれ計算の時間刻みΔｔがエンジン回転速度ｎｅ、エンジン負荷（吸気充填効率）ｃｅ、エンジン水温Ｔｗ及び運転状態変化度αの関数Δｔ ＝ ｆ（ｎｅ、ｃｅ、Ｔｗ、α）として設定されている。ここで、運転状態変化度αというのは、図１１(a)に模式的に示すように、エンジン回転速度、エンジン負荷及びエンジン水温の直交３軸からなる３次元のマップ上で互いに運転状態の異なる２点Ａ，Ｂ間の距離として表されるものであり、αが大きいほど運転状態の変化が大きくて、計算が発散しやすくなることを意味する。

そして、前記運転条件等による計算の発散しやすさについては、上述の助走演算の場合と同様に例えばエンジンの高負荷状態で低負荷状態よりも発散しやすく、また、エンジン冷間では温間よりも発散しやすいので、そのように発散しやすいときほど計算の時間刻みが短くなるように前記関数ｆ（）を設定すればよい。この際、モデルの影響を正確に反映させるために、事前に３次元のモデルを用いて、図１１(b)に示すように運転条件を予め設定した態様で急変させたときの排気の流れを模擬するＣＦＤ演算を行い、このときに計算が発散しない範囲で最も精度のよいスキームや緩和係数を選択するとともに、時間刻みΔｔを最も長くなるように設定する。

加えて、排気通路内でも圧力波の伝播時間や排気の輸送遅れがあり、前記独立排気通路のモデルs1内でも場所によって厳しい時間帯や厳しさの度合いが異なることを考慮して、事前に１次元のＣＦＤにより排気通路内の部位毎に入口からの距離（排気通路長さ）や通路の代表直径と計算の厳しさとの関係を求めて、これを前記関数ｆ（）に反映させるようにしてもよい。すなわち、Δｔ ＝ ｆ（Ｌ、Ｄ、ｎｅ、ｃｅ、Ｔｗ、α）となる。ここで、Ｌは排気通路長さ、Ｄは直径である。

尚、そのように計算の時間刻みΔｔを変更し、また、例えば緩和係数の値を変更しても不十分な場合には、スキームを低次のものに変更すれよい。或いは、必ずしもそのような順序に限定されず、計算条件の変更の仕方は、時間刻み、緩和係数、スキーム等を適宜、変更するようにしてもよい。

前記のように計算条件（又はその変更の仕方）をモデル毎に運転条件に応じて変更補正することで、必要な補正を過不足なく行って計算の発散を防止しながら、それに付随する計算時間の増大や解析精度の低下等の悪影響を軽減することができる。しかも、前記のように計算条件をエンジンの回転速度や負荷等の運転条件の関数として設定しておけば、１０・１５モードのようにエンジンの運転状態が大きく変化する状況を模擬する場合でも、その模擬運転条件の変化に応じて最適な計算条件を直ちに設定することができ、解析の途中に割り込みで模擬運転条件が変更されたときにも、問題なく対応できる。

そのように適切な計算条件を予め設定した上で、メインフロー（図４）に示す１＋３次元のＣＦＤ演算を実際に行うときに、そのうちの３次元のＣＦＤ演算においては排気マニホルド全体のモデルＭ３を用いるのではなく、各気筒c1〜c4毎にそれが排気行程にあるときに対応する独立排気通路及び共通排気通路のモデルs1〜s5を組み合わせて用いるとともに、図１１(c)に模式的に示すように各気筒c1〜c4毎の排気行程初期（発散時間帯）において３次元モデルs1〜s5のうち計算の厳しい独立排気通路の部位s1〜s4の計算条件のみを変更する。

言い換えると、前記図９、１０の各フローにおいて、発散推定ステップＳ３５３，Ｓ３６１では、前記３次元モデルＭ３の分割された各部位s1〜s4毎に計算が発散することを推定し、計算条件補正ステップＳ３５４，Ｓ３６３では、前記のように計算の発散が推定された部位s1〜s4の計算条件のみを補正するようにする。こうすることで、モデル全体において計算条件を補正するのに比べて、その条件の補正に付随する計算時間の増大や解析精度の低下という悪影響をさらに軽減することができる。

尚、前記のようにモデルＭ３の分割可能な部位s1〜ｓ４毎に計算条件を設定すると、その部位s1〜s4毎に計算の時間刻みが異なるものとなって流れ場の計算結果に時間的なずれを生じる虞れがあるが、これについては、例えば、発散の推定された部位の時間刻みを他の部位の１／２、１／３等とする場合に、その部位の計算回数を他の部位の２倍、３倍等とすればよい。

（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を用いて、前記１次元のＣＦＤ演算により与えられる境界条件の下で、３次元の演算を行うようにしたので、エンジンの出力や燃費等の性能特性を十分に高い精度で予測することができるとともに、そのための演算量は大幅に減少させて、解析に要する時間を短縮することができる。

また、シミュレーションの開始時点で最初に３次元のＣＦＤ演算を始めるときには、１次元のＣＦＤにより求められる境界条件をそのまま用いるのでなく、これを徐々に変更しながら予備的にＣＦＤ演算（助走演算）を行う助走期間を設けて、この助走演算により求められる変動の少ない流れ場を初期状態として、本来のＣＦＤ演算を開始するようにしたので、高次のスキームを用いた高精度の３次元非定常流動計算を実行して、エンジン性能の予測精度を十分に高めながら、その計算において境界条件の急変に起因する数値振動を抑えて、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。

しかも、前記助走期間においては、その期間全体に亘って境界条件を一様に変更するのではなく、期間の前半で条件を徐々に変更した後に所定期間、概略一定の条件に維持するようにしたので、期間の前半に生じた比較的小さな数値振動も減衰して、モデル内の全体で流れ場が略定常的な状態になった後に、本来のＣＦＤ演算を開始することができ、これにより、前記の如くシステムダウンを防止できる、という効果がより確実なものとなる。

さらにまた、シミュレーションの途中でエンジンの吸排気の流れが大きく変化し、これにより３次元ＣＦＤ演算の境界条件が急檄に変化して、計算が発散する虞れのある時間帯では、その時間帯だけ計算条件を緩和することで、計算時間の増大や解析精度の低下という悪影響を抑えながら計算の発散を防止することができる。

その際、計算条件を一律に緩和する補正を行うのではなく、モデル毎に、また模擬運転条件に対応付けて予め設定されている適切な補正の仕方に従って、発散を防止するために必要な最小限の補正を行うとともに、この補正を３次元のモデル全体について行うのではなく、その内でも特に計算の厳しい部位のみにおいて行うようにしているので、前記の如く計算の発散を防止しながら、それに付随する悪影響は最小限に抑えることができる。

加えて、この実施形態では、前記助走期間における境界条件の変更の仕方（助走条件）や前記計算条件の変更の仕方をＣＦＤ演算ＤＢ１２に格納したマップ等に予め設定してあり、それら助走演算や計算条件の補正がシミュレーションの中で自動で行われるようになるので、設計・開発支援ツールとしての実用性は極めて高い。

（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、シミュレーションの開始時点で３次元ＣＦＤ演算を始めるときに助走演算を行うようにしているが、これは１次元ＣＦＤ演算にも適用できる。

また、前記実施形態では、助走条件をＣＦＤのモデル及びエンジンの模擬運転条件に対応付けて設定するようにしているが、これに限らず、それらの一方のみに対応付けて設定するようにしてもよい。

また、前記実施形態では、助走期間の前半で境界条件を徐々に変更し、後半では一定に維持するようにしているが、これに限らず、全期間に亘って徐々に変更するようにしてもよい。

さらに、前記実施形態では、３次元のＣＦＤ演算において計算の発散する虞れがあるときに計算条件を緩和するようにしているが、このことは１次元のＣＦＤ演算にも適用可能である。

さらにまた、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の、その３次元ＣＦＤ演算にも本発明を適用できる。

また、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。 排気マニホルドの所定部位における排気流速の変化を示すグラフ図である。 シミュレーションの開始時における(a)従来までの境界条件の与え方と、(b)これにより発生する数値振動の様子と、(c)助走演算を行う本願発明の場合と、をそれぞれ模式的に示す説明図である。 助走演算の手順を示すフローチャートである。 定常運転を模擬する場合の計算条件変更手順を示すフローチャートである。 非定常運転を模擬する場合の図９相当図である。 (a)運転状態変化度の説明図、(b)計算時間刻みを設定するために事前に行うＣＦＤの模擬運転条件の説明図、(c)モデルの分割部位毎に計算条件を変更するイメージ図である。

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 境界条件付与手段
１ｃ 第２ＣＦＤ演算手段
１ｄ 助走態様設定手段
１ｅ 助走演算手段
１ｆ 発散推定手段
１ｇ 計算条件補正手段

Claims (19)

1. エンジンの吸排気の流れを、１次元及び３次元のＣＦＤ解析モデルを用いて、それぞれ模擬演算する１次元及び３次元のＣＦＤプログラムと、
   前記の一方のプログラムにより演算された流れ場のデータに基づいて、他方のプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件を与えるデータ授受プログラムと、を準備し、
   コンピュータ装置により前記各プログラムを並行して実行させて、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測する予測解析方法であって、
   まず、所定の模擬運転条件下で１次元のＣＦＤ演算を行い、これにより求めた流れ場の変動状態から３次元のＣＦＤ演算において計算の発散が予想される模擬運転時間帯を予め特定しておいて、
   前記模擬運転条件下で吸排気の流れを解析するために、１次元及び３次元のＣＦＤ演算を並行して行うときに、前記模擬運転時間帯では３次元のＣＦＤ演算における計算条件を発散し難くなるように変更補正する
   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プログラムと、
   前記の一方のプログラムにより演算された流れ場のデータに基づいて、他方のプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件を与えるデータ授受プログラムと、を準備し、
   コンピュータ装置により前記各プログラムを並行して実行させて、少なくとも吸気系の一部から排気系の一部に亘る吸排気の流れを解析し、これによりエンジンの性能を予測する予測解析方法であって、
   時系列に変化する模擬運転条件下で吸排気の流れを解析するために、１次元及び３次元のＣＦＤ演算を並行して行うときに、その１次元のＣＦＤ演算により得られた流れ場のデータに基づいて、３次元のＣＦＤ演算において計算が発散することを推定し、
   前記推定時には計算条件を発散し難くなるように変更補正した上で、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方法。
3. 計算条件の変更補正は、予め解析モデル毎に設定した計算条件変更特性に従い、少なくともエンジンの模擬運転条件に基づいて行う、ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかのエンジン性能の予測解析方法。
4. 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、
   前記両ＣＦＤプログラムの一方を実行して、吸排気の流れ場を演算する第１ＣＦＤ演算手段と、
   前記第１ＣＦＤ演算手段により演算された流れ場のデータに基づいて、他方のＣＦＤプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与手段と、
   前記境界条件付与手段により与えられる境界条件の変化に起因して、前記他方のＣＦＤプログラムによる流れの計算が発散することを推定する発散推定手段と、
   前記発散推定手段によって計算が発散すると推定されたときに、前記他方のＣＦＤプログラムを実行する際の計算条件を発散し難くなるように変更補正する計算条件補正手段と、
   前記補正された計算条件の下で前記他方のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算手段と、を備える
   ことを特徴とするエンジン性能の予測解析システム。
5. １次元のＣＦＤ演算により求めた流れ場の変動状態に基づいて、３次元のＣＦＤ演算において計算が発散すると予想される模擬運転時間帯を特定し、これを予め解析モデル毎に設定したデータベースを備え、
   発散推定手段は、前記データベースに設定されている模擬運転時間帯で計算が発散すると推定するものであることを特徴とする請求項４の予測解析システム。
6. 発散推定手段は、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、その流れ場の変動状態が所定以上に大きいときに計算が発散すると推定するものであることを特徴とする請求項４の予測解析システム。
7. 計算条件補正手段は、予め解析モデル毎に設定されている計算条件変更特性に従って、少なくともエンジンの模擬運転条件に基づいて計算条件を変更するものであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１つの予測解析システム。
8. 計算条件変更特性は、計算の時間刻みを、模擬運転条件に含まれるエンジン回転速度、エンジン負荷、及びそれらの変化度合い、並びにエンジン温度状態の少なくとも１つの関数として規定したものであることを特徴とする請求項７の予測解析システム。
9. 計算条件変更特性は、計算の時間刻みをさらに吸排気通路の長さ及び直径の少なくとも一方の関数として規定したものであることを特徴とする請求項８の予想解析システム。
10. ３次元の解析モデルは、エンジンの吸気系又は排気系の少なくとも一部を模擬するものであって、且つさらに複数の部位に分割可能とされており、
    発散推定手段は、前記３次元解析モデルの分割された各部位毎に計算が発散することを推定するものであり、
    計算条件補正手段は、前記発散推定手段により計算の発散が推定された部位の計算の時間刻みを変更補正するものであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つの予測解析システム。
11. ｎを自然数として、計算条件補正手段は、発散が推定された部位の計算の時間刻みを他の部位の１／ｎの長さに変更するとともに、その発散推定部位の計算回数を他の部位のｎ倍に変更するものであることを特徴とする請求項１０の予測解析システム。
12. 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、
    前記両ＣＦＤプログラムの一方を実行して、吸排気の流れ場を演算する第１ＣＦＤ演算ステップと、
    前記第１ＣＦＤ演算ステップにおいて演算された流れ場のデータに基づいて、他方のＣＦＤプログラムによるＣＦＤ演算の境界条件を与える境界条件付与ステップと、
    前記境界条件付与ステップにより与えられる境界条件の変化に起因して、前記他方のＣＦＤプログラムによる流れの計算が発散することを推定する発散推定ステップと、
    前記発散推定ステップにおいて計算が発散すると推定されたときに、前記他方のＣＦＤプログラムを実行する際の計算条件を発散し難くなるように変更補正する計算条件補正ステップと、
    前記補正された計算条件の下で前記他方のＣＦＤプログラムを実行する第２ＣＦＤ演算ステップと、を有する
    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。
13. 予測解析システムには、１次元のＣＦＤ演算により求めた流れ場の変動状態に基づいて、３次元のＣＦＤ演算において計算が発散すると予想される模擬運転時間帯を特定し、これを予め解析モデル毎に設定したデータベースが備えられ、
    発散推定ステップでは、前記データベースに設定されている模擬運転時間帯で計算が発散すると推定する、ことを特徴とする請求項１２の制御プログラム。
14. 発散推定ステップでは、第１ＣＦＤ演算ステップにおいて演算された流れ場のデータに基づいて、流れ場の変動状態が所定以上に大きいときに計算が発散すると推定する、ことを特徴とする請求項１２の制御プログラム。
15. 計算条件補正ステップでは、予め解析モデル毎に設定されている計算条件変更特性に従って、少なくともエンジンの模擬運転条件に基づいて計算条件を変更する、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。
16. 計算条件変更特性は、計算の時間刻みを、模擬運転条件に含まれるエンジン回転速度、エンジン負荷、及びそれらの変化度合い、並びにエンジン温度状態の少なくとも１つの関数として規定したものであることを特徴とする請求項１５の制御プログラム。
17. 計算条件変更特性は、計算の時間刻みをさらに吸排気通路の長さ及び直径の少なくとも一方の関数として規定したものであることを特徴とする請求項１６の制御プログラム。
18. ３次元の解析モデルは、エンジンの吸気系又は排気系の少なくとも一部を模擬するものであって、且つさらに複数の部位に分割可能とされており、
    発散推定ステップでは、前記３次元解析モデルの分割された各部位毎に計算が発散することを推定し、
    計算条件補正ステップでは、前記発散推定ステップにおいて計算の発散が推定された部位の計算の時間刻みを変更補正する、ことを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１つの制御プログラム。
19. ｎを自然数として、計算条件補正ステップでは、発散が推定された部位の計算の時間刻みを他の部位の１／ｎの長さに変更するとともに、その発散推定部位の計算回数を他の部位のｎ倍に変更する、ことを特徴とする請求項１８の制御プログラム。

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