JP2004239129A

JP2004239129A - Predicting analyzing method of engine performance, predicting analyzing system and its control program

Info

Publication number: JP2004239129A
Application number: JP2003027834A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yokohata; 英明横畑; Yoshiharu Ueki; 義治植木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-05
Also published as: JP4089453B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve practical use as a support tool for design/development so as not to cause a delay while improving accuracy of engine simulation by dynamically solving both by properly and easily combining a first simulation operation for simulating a flow of intake-exhaust air of an engine and a second simulation operation for simulating combustion in a combustion chamber. <P>SOLUTION: While simulating the flow of the intake-exhaust air by CFD (Computational Fluid Dynamics) in simulation of a four-cycle engine, the combustion is simulated by chemical reaction SIM. When simulating transfer to a compression stroke from an intake stroke of a cylinder, the CFD is performed up to closing time of an intake valve, and a state (p, ρ, u and T) of intake air filled in the combustion chamber is accurately determined. A state of intake air when assumed as being filled in the combustion chamber in the compression stroke bottom dead center BDC is estimated on the basis of the intake air state, and data on a gas component corresponding to this estimated result is read in from a chemical reaction DB 12, and the chemical reaction SIM is performed up to the expansion stroke bottom dead center from the compression stroke bottom dead center BDC. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくともＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ：数値計算流体力学）の適用によりエンジンの作動ガスの状態を模擬して、該エンジンの性能を予測するための予測解析方法、予測解析システム及びその制御プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エンジンやトランスミッション等の性能を評価するために例えば特許文献１に開示されるような種々の計測・試験方法が提案されている。また、特許文献２には、エンジンの開発完了を待たずにパワートレインの性能を評価することのできるシミュレーションシステムが開示されている。
【０００３】
そのようなシミュレーションの技術として、作動ガスである吸気や排気の運動をＣＦＤの適用により解析し、この解析結果に基づいてエンジンの性能を予測することが一般的に行われている。すなわち、例えば吸気ポートから燃焼室へ吸い込まれる吸気の複雑な流れをコンピュータを用いた数値計算によって模擬する仮想の実験（シミュレーション）を行い、この仮想実験の結果に基づいて例えば吸気ポートの形状を決定することにより、試作や実験の繰り返しに費やされる開発工数を削減して、効率の良い設計・開発を行うことができる。
【０００４】
また、気筒内の燃焼室における混合気の燃焼については、その混合気に含まれる多くのガス成分の反応をそれぞれ化学反応式によって記述するようにしたシミュレーションプログラムが存在する。これは、燃焼室の作動ガスを主に燃料として供給される炭化水素や空気中の窒素、酸素等により模擬するとともに、圧縮及び膨張行程における燃焼室の容積変化を容器モデルにより模擬して、その容器中での前記ガス成分や中間生成物の反応を逐次、記述することによって、燃焼の状態を模擬するものである。
【０００５】
【特許文献１】
特表２００２−５２６７６２号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４８１４７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンの吸排気の流れを模擬するＣＦＤ演算と、燃焼状態を模擬する化学反応シミュレーションとを適切にリンクしてダイナミックに解くことは容易ではない。例えば４サイクルエンジンの吸気行程から圧縮行程への移行時には、まず、ＣＦＤ演算の結果から燃焼室に充填される吸気の状態を求めて、その吸気の状態に対応するガス成分を用いて化学反応シミュレーションを行うものであるが、図１１に模式的に示すように、通常は吸気弁の閉じる時期ＩＶＣは圧縮行程下死点ＢＤＣよりも遅角側に設定されており、燃焼室からの吸気の吹き返し等を考慮すればＣＦＤ演算は吸気弁が閉じるまで継続して行う必要がある。そして、その後、図に破線の矢印で示すように、演算結果のデータを化学反応シミュレーションプログラムに提供することになる。
【０００７】
ところが、近年では吸気弁の開閉時期を運転状態等に応じて変更することのできる可変動弁機構（以下、ＶＶＴという）を備えたエンジンが普及しつつあり、このようなＶＶＴ付きのエンジンの場合は運転途中で吸気弁の開閉時期が変化することになるから、前記のように吸気弁が閉じるまでＣＦＤ演算を行って、その演算結果のデータを化学反応シミュレーションに提供しようとすると、エンジン運転条件の変化に伴い吸気弁の閉時期が変更されることによって、化学反応シミュレーションを開始するタイミングが変化することになる。このことは、ＣＦＤから化学反応シミュレーションへと続く一連のプログラムの実行中に、その化学反応シミュレーションにおいて使用する容器モデルの設定を変更しなくてはならないということであり、このようなモデルの変更は非常に煩雑であって、シミュレーションの遅延を招くことになる。
【０００８】
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、エンジンの性能を予測するためのシミュレーションにおいて、作動ガスの流れを模擬する第１の模擬演算と燃焼等を模擬する第２の模擬演算とを適切に且つ容易に組み合わせて、ダイナミックに解けるようにすることで、シミュレーションの精度を向上しながら、その遅延を招かないようにして、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明では、燃焼室における燃焼等を模擬する第２の模擬演算は必ず圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで行うようにした上で、第１の模擬演算の結果から圧縮行程下死点における作動ガスの状態を推定して、この推定データを用いて前記第２の模擬演算を行うようにした。
【００１０】
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までに亘る作動ガスの状態をＣＦＤの適用により解析して、該エンジンの性能を予測する予測解析方法を対象とする。このものにおいて、エンジンの作動ガスの流れを模擬する第１の模擬演算を行い、これにより圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求め、その吸気弁の閉時期における作動ガスの状態に基づいて、この作動ガスが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定する。そして、少なくとも前記推定した圧縮行程下死点における作動ガスの状態に基づいて、そこから膨張行程下死点までの作動ガスの状態を模擬する第２の模擬演算を行うようにする。
【００１１】
前記の方法により、エンジンの運転をシミュレーションするときには、まず、そのエンジンの吸排気の流れを模擬する第１の模擬演算を行い、この演算の結果として、圧縮行程初期に吸気弁が閉じた後に確に燃焼室に充填されている吸気の状態を正確に求めることができる。そして、これに基づいて推定した圧縮行程下死点における燃焼室の作動ガスの状態に基づいて、圧縮及び膨張行程における例えば燃焼等の状態を模擬する第２の模擬演算を正確に行うことができる。その際、前記第２の模擬演算は必ず圧縮行程下死点から行うようにすることで、燃焼室の容器モデルの設定を変更する必要がなく、従って、前記第１及び第２の模擬演算同士を組み合わせてダイナミックに解くことが容易に行える。このことで、シミュレーションの精度を向上しながら、その遅延を招くことがなく、設計・開発の支援ツールとしての実用性が向上する。
【００１２】
また、請求項２の発明では、特に直噴エンジンのシミュレーションを対象とし、前記請求項１の発明と同様に、第１の模擬演算によって圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求めて、これに基づいて圧縮行程下死点の燃焼室における作動ガスの状態を推定し、その推定した作動ガスの状態と燃焼室への燃料供給量とに基づいて、燃焼室の作動ガスの状態を圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで模擬する第２の模擬演算を行うようにする。そして、前記第２の模擬演算の途中で圧縮行程における前記燃料供給量が変更されたときには、その演算を一旦、終了し、変更後の燃料供給量に基づいて第２の模擬演算を最初からやり直すことを特徴とする。
【００１３】
すなわち、燃焼室に燃料を直接、噴射するようにした直噴エンジンの場合は、シミュレーションによって定常運転状態のみを模擬するのであれば、燃焼室に供給される燃料の量を運転条件毎に設定し、この燃料供給量のデータと第１の模擬演算の結果とに基づいて第２の模擬演算を行うことができる。しかし、エンジンの運転状態が比較的急に変化する過渡運転状態では、前記第２の模擬演算を開始した後の圧縮行程で燃料供給量が変化することがあり、このことが第２の模擬演算に反映されないという問題がある。
【００１４】
これに対し、前記請求項２の発明では、まず、請求項１の発明と同様の作用効果が得られるとともに、特に直噴エンジンのシミュレーションの場合には、前記第２の模擬演算の途中で燃料供給量が変更されても、その演算を一旦、終了し、変更後の燃料供給量に基づいてもう一度、最初からやり直すようにしているので、前記第２の模擬演算において圧縮行程で燃焼室に直接、供給される燃料供給量の変化を正確に反映することができる。これにより、直噴エンジンの過渡運転状態も適切に模擬することができる。
【００１５】
次に、本願の請求項３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までに亘る作動ガスの状態をＣＦＤの適用により解析して、該エンジンの性能を予測するためのコンピュータシステムを対象とする。そして、エンジンの作動ガスの流れを模擬する演算を行う第１の演算手段と、前記エンジンの燃焼室における作動ガスの状態を圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで模擬する演算を行う第２の演算手段と、前記第１の演算手段による模擬演算の結果から、圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求めて、この作動ガスが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定する推定手段と、少なくとも該推定手段により推定された作動ガスの状態のデータに基づいて、前記第２の演算手段に対して初期条件となるデータを提供する第１のデータ提供手段と、を備えるものとする。
【００１６】
前記のシステムによれば、エンジンの運転シミュレーションの際に、当該エンジンの作動ガスの流れが第１の演算手段によって模擬され、この模擬演算の結果として求められる吸気弁閉時期後の作動ガスの状態から、圧縮行程下死点において燃焼室に充填されていると仮定した作動ガスの状態が推定手段により推定される。そして、少なくとも前記推定された作動ガスの状態のデータが第１のデータ提供手段によって第２の演算手段に提供され、その第２の演算手段によって燃焼室における例えば燃焼の状態が圧縮行程下死点から膨張行程下死点までに亘って模擬される。つまり、前記請求項１の発明に係る予測解析方法が実行されて、その作用効果が得られる。
【００１７】
ここで、前記システムにおける第１の演算手段は、吸排気の流れを１次元流及び３次元流の少なくとも一方とみなしてＣＦＤ演算を行うものとすればよく、また、第２の演算手段は、圧縮及び膨張行程において燃焼室の作動ガスは運動しないとみなし、且つ吸気弁は圧縮行程下死点で閉じていると仮定して、作動ガスの状態を化学反応式の演算により模擬するものとすればよい（請求項４の発明）。
【００１８】
すなわち、第１の模擬演算としてＣＦＤを適用することで、気筒内に充填される吸気の圧力や温度等を正確に求めることが可能になり、これにより、圧縮及び膨張行程における燃焼等の状態を化学反応式により正確に模擬することができる。また、前記ＣＦＤ演算においては特に精度を高めたい部位について３次元の演算を行い、それ以外は１次元の演算を行うことで、演算量を大幅に減少させることができる。
【００１９】
また、前記システムにおける推定手段は、少なくとも、吸気弁閉時期における作動ガスの圧力状態と、この吸気弁閉時期及び圧縮行程下死点の燃焼室の容積比とに基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの圧力状態を推定するものとするのが好ましく（請求項５の発明）、或いは、吸気弁閉時期における作動ガスの圧力及び温度状態と、この吸気弁閉時期及び圧縮行程下死点の燃焼室の容積比と、圧縮行程下死点から吸気弁閉時期までの間に作動ガスから燃焼室壁に伝達される熱量の推定値とに基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの圧力及び温度状態を推定するものとすれば、さらに好ましい（請求項６の発明）。
【００２０】
また、前記のシステムには、前記第２の演算手段により演算された膨張行程後期の作動ガスの状態に基づいて、その膨張行程後期に排気弁が開いた後に燃焼室から排出される作動ガスの流れの初期状態を求め、この流れの初期状態のデータを第１の演算手段に対して提供する第２のデータ提供手段を備えるようにしてもよい（請求項７の発明）。
【００２１】
すなわち、燃焼室における燃焼の状態等を模擬する第２の模擬演算の結果として、膨張行程後期における燃焼室の圧力、温度、或いは既燃ガスの成分等が求められ、これに基づいて、排気弁が開いたときの燃焼室の既燃ガスの状態、即ち排気流の初期状態が正確に求められるので、その初期状態のデータを第２のデータ手段により第１の演算手段に提供することで、該第１の演算手段により排気の流れに関する正確な模擬演算を行うことができる。
【００２２】
さらに、前記エンジン性能の予測解析システムにおいて、前記第１の演算手段を、吸気弁の閉じる時期がエンジンの運転条件に応じて変更されることを加味して、燃焼室への作動ガスの流れを模擬する演算を行うものとするのが好ましい（請求項８の発明）。こうすれば、ＶＶＴを備えたエンジンのシミュレーションも正確に行える。
【００２３】
さらにまた、特に直噴エンジンのシミュレーションを対象とする場合には、前記請求項３の発明に係るコンピュータシステム（エンジン性能の予測解析システム）と同じ第１及び第２の演算手段と、推定手段とを備えるとともに、少なくとも前記推定手段により推定された作動ガスの状態のデータと燃焼室への燃料供給量のデータとに基づいて前記第２の演算手段に対し演算の初期条件となるデータを提供するデータ提供手段と、前記第２の演算手段による模擬演算の途中で圧縮行程における前記燃料供給量に変化があったときには、その演算を強制的に終了させるとともに、前記推定手段により新たに作動ガスの状態を推定させて、この推定結果に基づいて前記第２の演算手段により最初から再度、模擬演算を実行させる再演算実行手段と、を備えることが好ましい（請求項９の発明）。
【００２４】
斯かる構成のコンピュータシステムによれば、前記請求項２の発明に係る予測解析方法を実行して、その作用効果を得ることができる。
【００２５】
次に、本願の請求項１０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までに亘る作動ガスの状態をＣＦＤの適用により解析して、該エンジンの性能を予測するためのコンピュータシステムの制御プログラムを対象とする。そして、このプログラムは、エンジンの作動ガスの流れを模擬する演算を行う第１の演算ステップと、前記エンジンの燃焼室における作動ガスの状態を圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで模擬する演算を行う第２の演算ステップと、前記第１の演算ステップにおける模擬演算の結果から、圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている作動ガスの状態を求めて、この作動ガスが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定する推定ステップと、少なくとも前記推定ステップにおいて推定された作動ガスの状態のデータに基づいて、前記第２の演算ステップにおける演算の初期条件となるデータを提供する第１のデータ提供ステップと、を備えるものとする。
【００２６】
前記のプログラムによってコンピュータシステムを制御することにより、このコンピュータシステムが前記請求項３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、その請求項３の発明と同じ作用効果が得られる。
【００２７】
前記制御プログラムにおける第１の演算ステップでは、吸排気の流れを１次元流及び３次元流の少なくとも一方とみなしてＣＦＤ演算を行うようにすればよく、また、第２の演算ステップでは、圧縮及び膨張行程における燃焼室の作動ガスを運動しないとみなし、且つ吸気弁は圧縮行程下死点で閉じていると仮定して、作動ガスの状態を化学反応式の演算により模擬するようにすればよい（請求項１１の発明）。こうすれば、請求項４の発明と同じ作用効果が得られる。
【００２８】
また、前記制御プログラムにおける推定ステップでは、少なくとも、吸気弁閉時期における作動ガスの圧力状態と、この吸気弁閉時期及び圧縮行程下死点の燃焼室の容積比とに基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの圧力状態を推定するようにすればよく（請求項１２の発明）、或いは、吸気弁閉時期における作動ガスの圧力及び温度状態と、この吸気弁閉時期及び圧縮行程下死点の燃焼室の容積比と、圧縮行程下死点から吸気弁閉時期までの間に作動ガスから燃焼室壁に伝達される熱量の推定値とに基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの圧力及び温度状態を推定するようにしてもよい（請求項１３の発明）。
【００２９】
また、前記制御プログラムには、第２の演算ステップにおいて演算された膨張行程後期の作動ガスの状態に基づいて、その膨張行程後期に排気弁が開いた後に燃焼室から排出される作動ガスの流れの初期状態を求め、この流れの初期状態のデータを第１の演算ステップにおける演算の初期条件として提供する第２のデータ提供ステップをさらに備えることが好ましい（請求項１４の発明）。こうすれば、請求項７の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３０】
また、前記制御プログラムにおける第１の演算ステップでは、吸気弁の閉じる時期がエンジンの運転条件に応じて変更されることを加味して、燃焼室への作動ガスの流れを模擬する演算を行うことが好ましい（請求項１５の発明）。こうすれば、請求項８の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３１】
さらにまた、特に直噴エンジンのシミュレーションを対象とする場合には、前記請求項１０の発明に係る制御プログラムと同じ第１及び第２の演算ステップと、推定ステップとを備えるとともに、さらに、少なくとも前記推定ステップにおいて推定された作動ガスの状態と燃焼室への燃料供給量とに基づいて、前記第２の演算ステップにおける演算の初期条件となるデータを提供するデータ提供ステップと、第２の演算ステップにおける模擬演算の途中で圧縮行程における前記燃料供給量に変化のあったときには、その模擬演算を強制的に終了させて、前記推定ステップの作動ガス状態の推定と、この推定結果に基づく前記第２の演算ステップの模擬演算とを最初から実行させる再演算実行ステップとを備えることが好ましい（請求項１６の発明）。
【００３２】
前記各ステップを備えた制御プログラムによりコンピュータシステムを制御することによって、このコンピュータシステムが前記請求項９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、その請求項９の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００３４】
（システムの全体構成）
図１は、本発明の実施形態に係るエンジン性能の予測解析システムＡの全体構成を示す概念図である。このシステムは、エンジンの作動ガスである吸気や排気等の流れを１次元又は３次元のＣＦＤ演算により模擬するとともに（第１の模擬演算）、気筒内の燃焼を化学反応式により記述する演算（第２の模擬演算）を行い、それらを組み合わせることによって、エンジンの運転を模擬するシミュレーションを行うようにしたものである。このシステムの特長は、１次元及び３次元のＣＦＤ演算同士でのデータの受け渡しと、ＣＦＤ演算及び化学反応シミュレーション（化学反応ＳＩＭ）の間のデータの受け渡しとをいずれも自動化して、例えばスロットル弁から触媒コンバータに至る吸排気の流れをダイナミックに解析することによって、極めて精度の高いシミュレーションを容易に行えるようにしたことにある。
【００３５】
図示の符号１，１，…は、主にＣＦＤ及び化学反応シミュレーションの演算を実行するコンピュータ装置であり、この実施形態では、特に３次元ＣＦＤの膨大な演算量に対応すべく高速のサーバコンピュータを複数台、並列に接続して使用している（以下、演算サーバという）。これら各演算サーバ１は、例えばハードディスクドライブ等の記憶装置を内蔵するとともに、それぞれディスプレイ等の画像表示装置１０が接続され、さらに、図示しないが、プリンタ等の出力装置やオペレータによる入力操作を受け付けるキーボード、マウス等の入力デバイスが接続されている。前記記憶装置には、少なくとも、吸排気の流れを模擬するための１次元及び３次元の各ＣＦＤ演算プログラムと、そのための物理モデルを構築する専用のプリプロセッサと、燃焼状態を模擬する化学反応シミュレーションプログラムと、それら各プログラムによるシミュレーションの結果を画像表示するための画像処理プログラムとが記憶されている。
【００３６】
前記演算サーバ１，１，…は、その動作中に必要に応じて一般的な手法により部品データベースＤＢ１１にアクセスすることができる。この部品ＤＢ１１には、１次元及び３次元のＣＦＤ演算に用いられるエンジンの物理モデルの雛形がエンジンの各部位毎に種別された状態で予め格納されており、さらに、前記プリプロセッサにより新たに構築されたモデルも格納されるようになっている。前記物理モデルの雛形というのは、例えば吸気系のサージタンク、独立吸気通路、吸気ポート等や排気系の排気ポート、排気マニホルド、ＥＧＲ通路等のように吸気や排気が流通する部位の基本的な形状を模擬し且つその寸法、形状や材質、表面の状態、熱伝導率等の物理特性値が変更可能な部品モデルであって、以下、この実施形態ではテンプレート部品と呼ぶものとする。
【００３７】
そのように寸法、形状や物理特性値を変更可能なテンプレート部品のデータベースＤＢ１１を備えることで、この部品ＤＢ１１から読み込んだテンプレート部品に寸法等を入力して組み合わせるだけで、極めて容易にＣＦＤ演算のためのエンジンの物理モデルを構築することができる。また、そのようにして一旦、構築したモデルを新たに部品ＤＢ１１に格納しておけば、必要に応じてそのモデルの修正も容易に行うことができ、エンジンの設計変更にも容易に対応することができる。
【００３８】
また、前記演算サーバ１，１，…は、その動作中に必要に応じて一般的な手法により化学反応データベースＤＢ１２にアクセスすることができる。この化学反応ＤＢ１２は、エンジンの気筒内燃焼室に充填されて燃焼に寄与する吸気中の種々のガス成分（化学種）のうちから代表的なものを、気筒内の状態を表す種々の物理量の組に対応付けて予めグループ化した状態で格納したものである。従って、詳しくは後述するが、ＣＦＤ演算の結果として得られる気筒内の状態に応じて、これに対応するガス成分のグループを前記化学反応ＤＢ１２から読み込み、それらガス成分の化学反応をそれぞれ記述することによって、燃焼状態を模擬することができる。
【００３９】
図示の符号２は、主にエンジンの諸元値、物理特性及び性能特性を互いに関連づけた実験データのデータベースＤＢ１３（実験ＤＢ）に接続されて、そのデータの管理を行うコンピュータ装置である（以下、実験ＤＢサーバという）。すなわち、エンジンやトランスミッションに関する過去の実験・開発の過程で蓄積されたデータは、周知の統計的解析手法により整理されて、エンジンの例えば圧縮比や吸気管長さ等の諸元値、その物理特性（例えば体積効率、燃焼特性、損失係数等）及びその性能特性（例えば出力、燃費、エミッション等）を互いに関連づけた実験式として、実験ＤＢ１３に格納される。そして、この実験式に基づいて、例えばエンジンの諸元値や物理特性からその性能特性を予測することができるようになっている。
【００４０】
また、図示の符号３は、エンジンの設計を支援するための３次元ＣＡＤのコンピュータ装置である（以下、設計ＣＡＤサーバという）。この設計ＣＡＤサーバ３は、機械設計や構造解析のための汎用のＣＡＤプログラムを実行するとともに、その動作中に必要に応じて一般的な手法により設計データベースＤＢ１４（設計ＤＢ）にアクセスして、エンジンの設計ＣＡＤデータを呼び出したり、それらを変更して新たに格納したりすることができるようになっている。すなわち、設計ＤＢ１４には種々のエンジンの３次元の設計ＣＡＤデータが、その吸気系、気筒、排気系等の各部位毎に個別に取り出して利用できる状態で格納されている。
【００４１】
図示の符号５，５，…は、それぞれパーソナルコンピュータからなる端末（ＰＣ端末）であり、これらはパワートレインの設計部門、開発部門、実験部門等に複数台ずつ配置されていて、光通信ケーブル等を用いたネットワーク６によって前記演算サーバ１，１，…、実験ＤＢサーバ２、設計ＣＡＤサーバ３に双方向通信可能に接続されている。そして、各ＰＣ端末５におけるオペレータの操作に従ってシステムの制御プログラムが実行されると、該各ＰＣ端末５は前記ネットワーク６を介して演算サーバ１，１，…等に接続されて（ログイン）いわゆるサーバ・クライアント環境を構成し、主に演算サーバ１，１，…との間でコマンドやファイルの授受を行いながら、エンジンの運転シミュレーションを実行するようになっている。
【００４２】
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。
【００４３】
（ＣＦＤ演算）
次に、前記１次元及び３次元のＣＦＤ演算について４サイクル４気筒ガソリンエンジンの運転シミュレーションを具体例として説明する。この実施形態では、ＣＦＤ演算に要する時間をできるだけ短縮するために、基本的には１次元のＣＦＤを基本として必要な部分と行程のみを３次元のＣＦＤで置き換えるようにしている。すなわち、例えば図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、エンジンの吸気通路上流のスロットル弁（図示せず）から第１〜第４気筒ｃ１〜ｃ４の燃焼室を経て触媒コンバータ（図示せず）に至る１次元ＣＦＤ用の物理モデルＭｂを基本として、該各気筒ｃ１，ｃ２，…毎に、それぞれが吸気行程にあるときに当該気筒ｃ１，ｃ２，…に対応するサージタンクの一部分ｓ１〜ｓ４のみを３次元のモデルで置換するようにする。
【００４４】
より具体的に、図示の１次元のモデルＭｂでは、基本的には、サージタンクから各気筒までの独立の吸気通路と、スロットル弁からサージタンクまでの各気筒に共通の吸気通路とをそれぞれ管路（図に矢印で示す）の集合体として表し、同様に、各気筒から排気マニホルドの集合部までの独立の排気通路と、その排気集合部から触媒コンバータ入口までの共通の排気通路とをそれぞれ管路の集合体として表す。さらに、前記排気集合部からサージタンクの上流に排気の一部を還流させるＥＧＲ通路やサージタンク自体もそれぞれ管路の集合体として表す。また、第１〜第４気筒ｃ１〜ｃ４はそれぞれ容量可変の容器として表す。
【００４５】
このような１次元のモデルＭｂにおいて、管路を流れる吸気や排気の流れはいずれも圧縮性流体の１次元流であるとみなして、その流れの状態を表す圧力ｐ、密度ρ、速度ｕ及び温度Ｔの各変数について周知の質量保存、運動量保存及びエネルギ保存の式を数値計算により解くことによって、時間的及び空間的に変化する流れの状態を記述することができる。尚、各保存式においては管路の曲がり具合や壁面における摩擦、熱損失等の影響も考慮する。一方、容器についてはその内部の状態は一様で、管路から流入した流体は瞬時に均一に分布すると仮定し、さらに、管路同士や管路と容器との接合部分では適当な境界条件の下で前記保存式を解くようにする。
【００４６】
また、例えば独立吸気通路と気筒との接合部分については、吸気弁や排気弁の開閉による断面積の変化を絞りによって模擬するようにするが、その際、シミュレーションするエンジンがＶＶＴを装備したものであれば、これにより例えば吸気弁の開閉時期がエンジンの運転状態に応じて変更されることを模擬するよう、吸気弁や排気弁の開閉時期をエンジンの運転条件に応じて変更し、このことによる影響を加味して、燃焼室への作動ガスの流れを模擬するようにする。こうすることで、ＶＶＴ付のエンジンのシミュレーションを正確に行うことができる。
【００４７】
そして、例えば第１気筒ｃ１が吸気行程にあるときには、同図（ａ）に示すように、当該第１気筒ｃ１に対応するサージタンクから独立吸気通路の入口までの部位を３次元のモデルｓ１に置き換えて、その部分の吸気の流れは３次元流として模擬するようにする。すなわち、サージタンクの一部ｓ１とそこから第１気筒ｃ１に向かう独立吸気通路の入口部分との内壁の形状を３次元のモデルで表し、その壁面に沿うようにして流れる吸気の流れについては３次元流として前記各保存式を解くのである。
【００４８】
ここで、ＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）が行われる場合には、吸気にはエンジンに外部から供給される新しい空気（新気）と排気系から還流される排気（ＥＧＲガス）とが含まれており、特にＥＧＲガスには水蒸気や炭酸ガスの他に未燃状態でそれぞれ分子量の異なる種々の炭化水素分子も含まれているから、厳密にはそのようなガスの種類毎に個別に流れの演算を行うことが好ましいとも考えられる。しかし、吸気が輸送される途中でガス成分が変化するわけではないので、この実施形態では、吸気は、新気とＥＧＲガスの２つに分けてそれぞれ流れの変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔを計算し、その計算結果のデータを他のプログラムに受け渡すときには、２つのガス成分の計算結果を合算することで、吸気全体としての流れの変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔを求めるようにしている。
【００４９】
例えば、吸気の流れが１次元流から３次元流に変わる場合、１次元流においては前記の如く合算して求めた吸気の変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔはその吸気流の横断面において一様であるから、これをそのまま３次元ＣＦＤ演算の初期条件或いは境界条件として与えればよい。一方、吸気の流れが３次元流から１次元流に変わるときには、前記の如く新気及びＥＧＲガスについて合算して求めた３次元の吸気流の変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔをその流れの横断面全体について平均化してから、１次元ＣＦＤ演算の初期条件或いは境界条件として与えればよい。換言すれば、そのように変数を変換しても十分に正確なシミュレーションが行えるように、流れの変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔがその横断面全体についてある程度一様な状態でＣＦＤ演算の次元を切換えるようにすればよい。
【００５０】
そのように、エンジンの吸気系から排気系に亘る部位のうちの特定の部位のみについて３次元のモデルを用いるとともに、吸気、圧縮、膨張及び排気の各行程のうちから予め選択した行程のみについて３次元のＣＦＤ演算を行い、それ以外は０次元又は１次元とみなすようにしたことで、この実施形態では、シミュレーションの精度を十分に確保しながら、そのための演算量は大幅に減少させて、解析に要する時間を短縮することができる。具体的には、図３に一例を示すようにサージタンク全体を３次元で表したモデルを用いて、各気筒の吸気、圧縮、膨張及び排気の全行程に亘って１次元及び３次元のＣＦＤ演算を行う従来までのシステムと比較すると、この実施形態のシステムでは演算量は略４分の１にすることができる。
【００５１】
また、多数のガス成分を含む吸気の流れをその全てのガス成分毎にＣＦＤ演算するのではなく、これを新気及びＥＧＲガスの２つの成分毎に演算するようにしているので、換言すれば、作動ガスを後述する化学反応シミュレーションと比較してかなり少ないガス成分により模擬するようにしているので、この点でも演算量を大幅に減少させて、解析の時間を短縮することができる。尚、ＣＦＤ演算により求めるのは作動ガスである吸気の流れの状態であり、これは新気とＥＧＲガスとに分けてそれぞれ演算するようにすれば、十分に高い精度が得られる。また、仮にエンジンの運転条件の変化に伴い新気及びＥＧＲガスの割合が変化しても、これに対して作動ガスそのものを変更する必要がない。
【００５２】
（化学反応シミュレーション）
上述の如く、各気筒のの吸気及び排気行程における吸排気の流れをそれぞれＣＦＤ演算によって模擬するとともに、この実施形態では、圧縮及び膨張行程にある気筒についてはその内部の混合気や燃焼ガス等の運動を無視して、燃焼状態を模擬する化学反応シミュレーションを行うようにしている。具体的には、まず、上述の如き１次元又は３次元のＣＦＤ演算によって、気筒の吸気行程で当該気筒内の燃焼室に充填される吸気（新気及びＥＧＲガス）の状態、即ち新気及びＥＧＲガスのそれぞれの圧力ｐ，密度ρ，速度ｕ及び温度Ｔを合算したものを求める。その際、図４に模式的に示すように、通常、吸気弁の閉時期ＩＶＣは圧縮行程下死点ＢＤＣよりも遅角側に設定されているから、燃焼室からの吸気の吹き返し等を考慮して、ＣＦＤ演算は吸気弁が閉じるまでの間、継続して行うようにする。
【００５３】
そのようにして、気筒の圧縮行程初期に吸気弁が閉じた時点ＩＶＣで燃焼室に充填されている吸気の状態ｐ，ρ，ｕ，ＴとそのうちのＥＧＲガスの割合とが求められれば、これに基づいて、図に白抜きの矢印にて示すように、作動ガスが圧縮行程下死点ＢＤＣの燃焼室に充填されていると仮定したときの当該作動ガスの状態を推定する（データ推定）。すなわち、圧縮行程下死点ＢＤＣから吸気弁閉時期ＩＶＣまでの間の燃焼室容積の減少と燃焼室壁に伝達される熱量とを考慮して、吸気弁閉時期ＩＶＣにおける作動ガスの圧力ｐ及び温度Ｔと、吸気弁閉時期ＩＶＣ及び圧縮行程下死点ＢＤＣの燃焼室の容積比と、圧縮行程下死点ＢＤＣから吸気弁閉時期ＩＶＣまでの間に作動ガスから燃焼室壁に伝達される熱量の推定値とに基づいて、圧縮行程下死点ＢＤＣにおける作動ガスの圧力ｐ及び温度Ｔ等を推定する。尚、圧縮行程下死点から吸気弁閉時期までの間では吸気（空気及びＥＧＲガス）の密度ρは略一定とみなし、また、吸気流速ｕからは気筒内流動の強さを求めるようにしてもよい。
【００５４】
また、前記燃焼室壁への熱の伝達量や燃焼室における混合気の空燃比（又は該燃焼室への燃料の供給量）、さらには燃焼室に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量、気筒壁温等々、燃焼に関与すると考えられる種々の物理量について、シミュレーションにおけるエンジンの運転条件（例えばエンジン負荷と回転速度等）に基づいて求めるようにする。すなわち、この実施形態では、前記熱の伝達量、空燃比、内部ＥＧＲガス量、気筒壁温等の物理量の値をエンジンの運転条件に対応付けて予め設定したマップを備え、シミュレーション中のエンジンの運転条件に基づいて前記マップから複数の物理量の値を読み込むようにしている。
【００５５】
そして、前記したようにＣＦＤ演算の結果とエンジン運転条件とに基づいて、圧縮行程下死点ＢＤＣ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５にも示すように、その物理量の組に対応するガス成分のグループを化学反応ＤＢ１２から読み込むことにより、燃焼状態を模擬するための作動ガスの成分を特定する。そして、そのようにして特定したガス成分を用いて、気筒の圧縮行程下死点から膨張行程下死点までに亘って、それらガス成分同士の化学反応を逐次、記述することで、燃焼状態等を模擬する化学反応シミュレーションを行う。つまり、ＣＦＤによるシミュレーションの結果を適切に反映させた正確な化学反応シミュレーションを行うことができる。
【００５６】
ここで、前記化学反応ＤＢ１２におけるガス成分グループのデータは、前記図５に一例を示すように、主に燃料として供給される種々の炭化水素と、空気中の窒素や酸素と、主にＥＧＲガスに含まれる炭化水素、炭酸ガス、窒素酸化物、水蒸気等とのうちから、前記気筒の状態を表す物理量の組に対応する代表的なものを抽出して、その反応式とともに記憶したものである。すなわち、一般に、エンジンの燃焼に関連する化学種及びその素反応を全て挙げれば、これは約３０００種類以上にも上るものであり（図６参照）、仮にその全てを演算しようとすれば演算量が著しく多くなってしまい、シミュレーションの時間を徒に長引かせることになる。また、それら全てのデータを燃焼室の状態等に応じてグループ化して格納しようとすれば、化学反応ＤＢ１２は大きくなり過ぎて、例えば検索時間が長くなる等、種々の不都合を生じる。
【００５７】
この点について、全ての化学素反応を挙げるのではなく、燃焼の状態を模擬する上で特に重要なもの、即ち燃焼を模擬する代表的なもののみに絞り込めば、それはせいぜい数十から数百程度で済むので、この実施形態では、エンジンの運転条件によって変化する代表的な化学素反応のみを所定数（例えば１００）以下となるように抽出して、これに対応する代表的なガス成分のみを化学反応ＤＢ１２に格納するようにしている。これにより、化学反応シミュレーションに用いるガス成分の数が適切なものになり、所要の精度をを確保しながら演算量を大幅に減らすことができる。また、化学反応ＤＢ１２の大きさも適度のものとすることができる。
【００５８】
そうして、前記の如く抽出したグループのガス成分（化学種）に基づいて、まず、気筒の圧縮行程では、ピストンの上昇に伴い燃焼室の容積が減少して、その圧力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。
【００５９】
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々に基づいて、当該気筒が膨張行程から排気行程に移行するときに燃焼室から排出される既燃ガス（排気）の流れの状態（変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）を求める。
【００６０】
すなわち、前記化学反応シミュレーションにより、気筒の膨張行程後期に排気弁が開いたときの燃焼室の圧力ｐ及び温度Ｔが直接的に求められるとともに、排気の密度ρが気筒内の既燃ガスの組成により求められる。また、圧縮及び膨張行程において気筒内の流動は零とみなしているので、排気流速ｕの初期値は零となる。そして、図７に模式的に示すように、前記の如く求めた排気弁開時点ＥＶＯにおける排気の初期状態ｐ，ρ，ｕ，Ｔのデータは、同図に破線の矢印で示すように上述したＣＦＤ演算プログラムに対して提供され、排気流の境界条件として与えられる。こうして、化学反応シミュレーション（化学反応ＳＩＭ）により求められる燃焼室からの排気の初期状態をＣＦＤ演算の初期条件として用いることで、化学反応シミュレーションの結果を適切に反映させた正確なＣＦＤ演算を行うことができる。
【００６１】
また、前記のように化学反応シミュレーションにより求めた気筒内の既燃ガスの組成は、化学反応ＤＢ１２の更新にも用いられる。すなわち、化学反応ＤＢ１２に格納されているガス成分グループのデータは、上述したように、気筒内の圧力ｐ、温度Ｔや吸気中のＥＧＲガスの割合等に対応付けて決定されているが、このデータの基になるＥＧＲガスの組成は、予め実験等によって求めたものである。この実施形態では、上述の如く化学反応シミュレーションの結果として求められる排気の組成に基づいて、所定の手法により前記データのガス成分を修正する。例えば、シミュレーションによって得られた排気をそのままＥＧＲガスとみなして、化学反応ＤＢ１２における対応する運転条件のガス成分グループのデータのいて、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物等の割合を適当な重み付けでもって修正するようにすればよい。このような修正を行うことにより、ガス成分のデータがＣＦＤ演算及び化学反応演算の結果に基づいて修正されることになるので、化学反応シミュレーションの精度がさらに向上する。
【００６２】
（シミュレーションの手順）
次に、この実施形態に係るエンジン性能の予測解析システムＡによるシミュレーションの手順を具体的に説明する。図８にメインプログラムの概略を示すように、まず、ＰＣ端末５，５，…のいずれかにおいて画面表示等に従ってオペレータが所定の入力操作を行うことにより、エンジンシミュレーションのための初期設定データが入力される（Ｓ１）。例えば、前記図２に示す４気筒エンジンについて説明すると、このエンジンの諸元値や吸排気系、燃焼室等の寸法・形状を表す幾何データ、それらの熱伝達率等の物理的特性を表す物理データ、或いはそれら詳細なデータに代えて、実験ＤＢ１３や設計ＤＢ１４に格納されているエンジンのデータを指定するコード等、さらにはシミュレーションするエンジンの運転条件等をＰＣ端末５に入力させる。
【００６３】
また、エンジンのどの部位について３次元のモデルを用いるか選択させ、さらに、その部位について気筒の吸気行程及び排気行程においてはそれぞれ１次元又は３次元の何れのＣＦＤ演算を行うか選択させる。すなわち、例えばエンジンの吸気系の設計開発を支援することが解析の目的であれば、オペレータは、図２に示すようにサージタンクに３次元のモデルを用いるとともに、その部位について各気筒毎に吸気行程で３次元のＣＦＤ演算を行うことを選択すればよい。こうすれば、サージタンクから独立吸気通路に向かう吸気の流れを３次元流として解析することによって、エンジンの負荷状態や回転速度の変化に拘わらず、体積効率等、エンジンの物理特性値を正確に求めることができ、これによりエンジン出力等の性能特性を正確に予測することができる。
【００６４】
続いて、ステップＳ２では、前記ステップＳ１において入力された初期設定データに従ってシミュレーションのためのモデルを構築し、これを一旦、保存する。すなわち、例えば図２に示すように、吸気系の一部から排気系の一部までに亘る１次元のＣＦＤモデルＭｂと、各気筒ｃ１〜ｃ４毎にサージタンクを分割した３次元のＣＦＤモデルｓ１〜ｓ４とを構築して、それぞれ演算サーバ１，１，…の内部記憶装置に格納する。また、化学反応シミュレーションに関してはクランク角度の変化に対する気筒内容積の変化や気筒壁温に応じた熱伝達率の変化等を規定する容器のモデルを構築する。この容器モデルは、その内部の混合気や燃焼ガスの運動がないものとみなす、という意味において０次元の物理モデルである。
【００６５】
より詳しくは、前記３次元ＣＦＤモデルを構築するときには、例えば、前記初期設定データに基づいて設計ＤＢ１４からサージタンクの形状を表す３次元の設計ＣＡＤデータをＰＣ端末５に読み込み、これに境界面やメッシュの情報を指定するデータを付属したモデル作成コマンドを作成して、演算サーバ１，１，…に送信する。このコマンドを受け取った演算サーバ１，１，…ではプリプロセッサを起動して、サージタンク各部の内壁面にその形状に応じて所定寸法のレイヤーメッシュを貼り付け、また、内部メッシュを切っていくことになる。
【００６６】
或いは、前記初期設定データに基づいて別のモデル作成コマンドをＰＣ端末５から演算サーバ１，１，…に送信すると、このコマンドを受け取った演算サーバ１，１，…では、部品ＤＢ１１からサージタンクの基本的な形状を表すテンプレート部品のデータを読み込んで、この部品の寸法、形状等を変更することにより、ＣＦＤ演算のためのメッシュを備えた３次元のモデルを構築する。尚、前記３次元のＣＦＤモデルにおいて設計ＣＡＤデータのメッシュをそのまま使うこともできるようになっている。
【００６７】
前記の如く構築したモデルを用いて、ステップＳ３では、エンジン運転中の吸排気の流れと燃焼室における燃焼の状態とを吸気、圧縮、膨張及び排気の各行程毎に所定の次元で模擬するシミュレーション演算を行う。この演算処理の詳細について一例を挙げれば、この実施形態ではＰＣ端末５と演算サーバ１，１，…との間でプログラムのデータファイルや実行ファイルを相互に送信及び受信しながら、該演算サーバ１，１，…により１次元及び３次元のＣＦＤ演算と化学反応シミュレーションとを同時並行的に実行させるようにしている。
【００６８】
例えばＣＦＤ演算の処理手順としては、まず、１次元ＣＦＤ演算のモデルＭｂを読み込み（ステップＳ３１）、シミュレーションの始期における初期条件、即ち吸排気の流れの変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔやエンジンの運転条件等を入力し（Ｓ３２）、これに基づいて１次元流れの保存式の数値計算を行う（Ｓ３３）。すなわち、シミュレーションの始期から微小クランク角だけ変化した時点における、スロットル弁下流から各気筒ｃ１〜ｃ４の燃焼室を経て排気通路に至る吸気及び排気の状態（ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）を、その流れに沿って計算する。
【００６９】
その際、図２（ａ）に示すように第１気筒ｃ１が吸気行程にあれば、当該気筒ｃ１に対応するサージタンクの一部分ｓ１においては、１次元流から３次元流への境界部分の流れの状態（ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）を求めたところで一旦、１次元の演算を中止し、その演算結果をデータファイルとしてＰＣ端末５に転送する。このファイルを受け取ったＰＣ端末５では１次元流のデータを３次元流のデータに変換して、３次元ＣＦＤプログラムの実行ファイルを作成した上で、演算サーバ１，１，…に返送する。その実行ファイルを受け取った演算サーバ１，１，…では３次元ＣＦＤプログラムを起動し、まず、第１気筒ｃ１に対応するサージタンクの３次元モデルｓ１を読み込み（Ｓ４１）、これに初期条件（前記境界条件）を入力して（Ｓ４２）、３次元の流れの保存式について数値計算を行い、計算の結果を保存する（Ｓ４３）。この演算結果のうち、サージタンクと下流側の独立吸気通路との境界部分における流れの変数ｐ，ρ，ｕ，ＴのデータはＰＣ端末５に転送され、今度は３次元のデータから１次元のデータに変換されて、演算サーバ１，１，…に返送される。
【００７０】
そうして、前記の返送されたデータに基づいて１次元ＣＦＤプログラムが再開され、独立吸気通路から第１気筒ｃ１の燃焼室、さらにその下流の排気通路へ至る吸排気の流れを計算して、その演算結果を保存する（Ｓ３３）。このようにして、シミュレーションの始期から微小クランク角変化した後の吸気及び排気の状態（ｐ，ρ，ｕ，Ｔ）がエンジンのモデルＭｂ全体に亘って演算されて、この演算結果が保存される。
【００７１】
そして、詳しくは後述するが、所定のタイミングで前記ＣＦＤ演算の結果データの一部を化学反応シミュレーションの結果に基づいて書き換え（データの変換、提供及び書換：Ｓ３４）、その後、エンジンのクランク角を微小クランク角だけ進めて（インクリメント：Ｓ３５）、シミュレーションの終期として設定されたクランク角位置になったかどうか判定し（Ｓ３６）、シミュレーション終期に至るまでは前記ステップＳ３３にリターンして、前記した１次元及び３次元のＣＦＤ演算を繰り返し実行する。こうして、エンジンの吸排気の流れがクランク角の変化に対応付けて記憶される。尚、図の例ではスロットル弁の位置に対応する吸気流の境界条件（変数ｐ，ρ，ｕ，Ｔ等）は定常運転状態では略一定であり、また、エンジンの運転条件が変化する過渡状態ではその変化に対応するように別途、エンジンの運転制御プログラムから与えられる。
【００７２】
上述の如きＣＦＤ演算と並行して、圧縮行程及び膨張行程にある気筒についてはそれぞれ化学反応シミュレーション（化学反応ＳＩＭ）の演算が行われる。すなわち、シミュレーションの進行に伴い例えば第１気筒ｃ１が吸気行程から圧縮行程に移行したときには、前記フローのステップＳ３４において、図９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、このデータに基づいて圧縮行程初期の吸気弁閉時点ＩＶＣで第１気筒ｃ１に充填されている吸気の状態、即ち圧力ｐ、温度Ｔ等や吸気中のＥＧＲガスの割合を求め、これに基づいて、圧縮行程下死点ＢＤＣにおける吸気の状態を推定する（図４参照）。また、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む。そして、それら気筒内の状態を表す物理量の組を特定して、こに物理量の組に対応する識別コードとともに化学反応シミュレーションプログラムの実行ファイルを演算サーバ１，１，…に送信する（この演算プログラム間でのデータの授受を図９には結果処理＊１として示す）。
【００７３】
そして、前記実行ファイルを受け取った演算サーバ１，１，…では化学反応シミュレーションプログラムが起動され、前記図８のフローに示すように、第１気筒ｃ１の容器モデルを記憶装置から読み出し（Ｓ５１）、前記識別コードに対応するガス成分のグループデータを化学反応ＤＢ１２から読み込んで（化学種の読込み：Ｓ５２）、予め設定した微小クランク角範囲におけるそれらガス成分の化学反応を記述して、保存する（化学反応演算：Ｓ５３）。このような化学反応式の演算が当該気筒ｃ１の圧縮行程の下死点から膨張行程の下死点に至るまで、前記微小クランク角毎に繰り返し行われ（Ｓ３５）、これにより、当該気筒ｃ１内の燃焼室における圧縮及び膨張行程の作動ガスの状態を時系列に記述したデータが化学反応演算の結果として記憶装置に格納される。
【００７４】
そうして、前記第１気筒ｃ１が膨張行程を終了して排気行程に移行すれば、当該気筒ｃ１についての化学反応シミュレーションは終了して、図８のフローのステップＳ３４において、今度は前記化学反応演算の結果のデータを演算サーバ１，１，…からＰＣ端末５に送信する。このデータを受け取ったＰＣ端末５では、前記図７にも示したように、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、仕事量等に基づいて、圧縮行程後期の排気弁開時点ＥＶＯにおける燃焼室の状態を表す変数ｐ，ρ，ｕ（ｕ＝０），Ｔ、即ち排気の初期状態を求め、これに基づいてＣＦＤ演算の演算結果データを書き換えるためのコマンドを作成して、演算サーバ１，１，…に返送する。このコマンドを受け取った演算サーバ１，１，…により、１次元ＣＦＤ演算の演算結果データにおける燃焼部分、即ち圧縮行程及び膨張行程の部分が書き換えられ、１次元ＣＦＤ演算における排気流の境界条件として、前記排気流の初期状態のデータが用いられるようになる（この演算プログラム間でのデータの授受を図９には結果処理＊２として示す）。また、前記排気の組成に基づいて化学反応ＤＢ１２におけるガス成分のデータが修正される。
【００７５】
上述の如く、メインプログラムのステップＳ３では、シミュレーションの始期から終期までに亘りエンジンのクランク角の変化に同期して、ＣＦＤ演算と化学反応シミュレーション演算とが行われる。そして、シミュレーションの終期として設定入力されたクランク角位置になれば（Ｓ３６でＹＥＳ）、ステップＳ４に進んでシミュレーションの結果を出力し、しかる後に制御終了となる（エンド）。前記ステップＳ４におけるシミュレーション結果の出力としては、演算サーバ１，１，…の記憶装置に保存されている時系列の演算結果のデータのうちから所要のものを読み出してＰＣ端末５に転送し、このデータに基づいて、エンジン性能に関する所定の評価値の出力を行うようにすればよい。すなわち、例えばエンジンの出力特性、燃費特性、エンジン運転条件の変化に伴う各気筒の体積効率の変化等をグラフ化して、サーバ１，１，…やＰＣ端末５のディスプレイに画像表示すればよい。また、特にサージタンク内の吸気の流れ等については３次元ＣＦＤ演算の結果を可視化して、画像表示するようにしてもよい。
【００７６】
前記図８に示すフローのステップＳ３におけるステップＳ３１〜３３，Ｓ４１〜４３が、エンジンの作動ガスである吸排気の流れをＣＦＤ演算により模擬する第１の演算ステップに対応している。また、ステップＳ５１〜５３が、気筒の圧縮及び膨張行程で該気筒内の燃焼室における作動ガスを複数のガス成分により模擬して、燃焼等の状態を化学反応式の演算により記述する第２の演算ステップに対応している。
【００７７】
前記フローのステップＳ３４は、ＣＦＤ演算の結果から、圧縮行程初期に吸気弁が閉じたときに燃焼室に充填されている吸気の状態を求めて、これが圧縮行程下死点の燃焼室に充填されていると仮定したときの状態を推定する推定ステップに対応するとともに、少なくともその推定された吸気の状態に基づいて化学反応ＳＩＭに初期条件となるデータを提供する第１のデータ提供ステップと、反対に、化学反応ＳＩＭにより求められた排気流の初期状態のデータをＣＦＤ演算プログラムに提供する第２のデータ提供ステップとに対応している。
【００７８】
そして、この実施形態の予測解析システムＡでは、演算サーバ１，１，…によって前記フローのステップＳ３１〜３３，Ｓ４１〜４３が実行されることにより、該演算サーバ１，１，…が第１の演算手段を構成する。また、同様にステップＳ５１〜５３が演算サーバ１，１，…により実行されることによって、該演算サーバ１，１，…が第２の演算手段を構成する。さらに、前記フローのステップＳ３４がＰＣ端末５及び演算サーバ１，１，…の協動により実行されることで、それらＰＣ端末５及び演算サーバ１，１，…が推定手段と第１及び第２のデータ提供手段とを構成する。
【００７９】
したがって、この実施形態に係るエンジン性能の予測解析システムＡによると、例えば４サイクルエンジンの吸排気等の流れをＣＦＤの適用により解析する場合に、基本的には１次元のエンジンモデルＭｂを用いつつ、予め選択した部位については３次元のモデルｓ１〜ｓ４を用いて、各気筒毎の吸気及び排気行程についてそれぞれ１次元又は３次元の演算を選択できるようにしたので、ＣＦＤ演算の精度を十分に高いものとしながら、そのための演算量は大幅に減らすことができる。
【００８０】
一方、各気筒毎の圧縮及び膨張行程については少なくとも燃焼室のガス流動を無視して、化学反応シミュレーションにより燃焼状態を模擬するようにしており、その際、膨大な化学反応のうちから代表的なもののみを選択することで、必要なシミュレーション精度を確保しながら、そのための演算量は大幅に減らすことができる。
【００８１】
また、ＥＧＲを行うようにした場合でも、吸気の流れをガス成分毎にＣＦＤ演算するのではなく、新気及びＥＧＲガスの２つの成分として演算するようにしており、このことによって、吸気中のＥＧＲガス割合の変化に柔軟に対応しながら、演算量を大幅に減らすことができる。一方、化学反応シミュレーションでは作動ガスを少なくとも窒素、酸素、炭化水素、炭酸ガス、窒素酸化物及び水蒸気により模擬することで、燃焼に係る化学反応を正確に記述して、精度の高いシミュレーションを行うことができる。
【００８２】
そして、前記ＣＦＤ演算の結果から気筒内の燃焼室に充填される吸気の状態を求めて、これにより化学反応シミュレーションに用いる作動ガスの成分及び状態を特定するとともに、化学反応シミュレーションの結果からはＣＦＤ演算における排気の初期状態を求めるようにしており、このように２種類のシミュレーションを適切に組み合わせて、両者をダイナミックに解くことによって、シミュレーションの精度を向上できる。
【００８３】
その際、前記燃焼室に充填される吸気の状態を求めるＣＦＤ演算は、圧縮行程初期に吸気弁が閉じるまで継続することで、その後に燃焼室に充填されている吸気の状態を正確に求めることができる。そして、その吸気の状態に基づいて圧縮行程下死点における燃焼室の作動ガスの状態を推定し、その作動ガスの成分を化学反応ＤＢ１２から読み出すことで、正確な化学反応シミュレーションを行うことができる。また、化学反応シミュレーション自体は必ず圧縮行程下死点から行うことで、そのための燃焼室容器モデルの設定を変更する必要がなく、これにより、前記ＣＦＤ演算と化学反応ＳＩＭの組み合わせが容易に行えて、シミュレーションの遅延を招くことがない。
【００８４】
以上より、シミュレーションの精度を十分に高くすることができるとともに、そのための演算量は可及的に減少させて、解析に要する時間を短縮することができ、これにより、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上することができる。
【００８５】
（他の実施形態）
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記実施形態では、ＣＦＤ演算を１次元のモデルと３次元のモデルとを組み合わせて行うようにしているが、これに限らず、１次元のＣＦＤ演算のみを行うものとしてもよい。
【００８６】
また、前記実施形態のＣＦＤ演算では吸気を空気及びＥＧＲガスの２つの成分としているが、これに限るものではなく、３つ以上のガス成分からなるものとしてもよいし、反対にＥＧＲガスを含む空気として、１つの成分とみなすことも可能である。
【００８７】
また、前記実施形態では、ポート噴射方式のガソリンエンジンのシミュレーションを行う場合について説明をしたが、本願発明の予測解析システムＡは直噴エンジンにも適用することができる。但し、直噴エンジンの場合は燃焼室に燃料を直接、噴射するようにしているので、その運転状態が比較的急に変化する過渡運転状態を模擬する場合には、化学反応ＳＩＭのための化学反応式の演算を開始した後の気筒の圧縮行程で燃料供給量が変化することがあり、この場合には、その燃料供給量の変化が前記化学反応式の演算に反映されないという問題がある。
【００８８】
これに対し、例えば図１０に模式的に示すように、直噴エンジンのシミュレーションを行う場合には、化学反応ＳＩＭの途中で燃料供給量が変化したときに、その演算を強制的にキャンセルして、同図に仮想線で示すように、変更後の燃料供給量に基づいてガス成分のデータを再度、化学反応ＤＢ１２から読み込み、このデータを用いて、最初から化学反応式の演算をやり直すようにすればよい（再演算実行ステップ）。こうすれば、圧縮行程の途中で燃焼室に直接、供給される燃料供給量が変化しても、その変化を正確に反映する化学反応ＳＩＭを行うことができるから、直噴エンジンの過渡運転状態も適切に模擬することができる。
【００８９】
さらに、前記実施形態では、４気筒４サイクルエンジンについてのシミュレーションを行う場合について説明したが、例えば単気筒エンジンのシミュレーションを行うこともできることは言うまでもない。
【００９０】
【発明の効果】
以上、説明したように、本願発明に係るエンジン性能の予測解析方法、予測解析システム及びその制御プログラムによると、エンジンの少なくとも吸気系の一部から排気系の一部までに亘る作動ガスの状態を模擬するシミュレーションを行って該エンジンの性能を予測する場合に、吸排気の流れを模擬する第１の模擬演算を圧縮行程初期に吸気弁が閉じる時期まで継続して行い、これにより燃焼室に充填される作動ガスの状態を正確に模擬するとともに、当該燃焼室における燃焼等を模擬するための第２の模擬演算は、必ず、圧縮行程下死点から膨張行程下死点まで行うようにして、燃焼室容器モデルの変更設定等を不要とする。そして、その上で前記第１の模擬演算により求めた吸気弁閉時期における作動ガスの状態に基づいて、圧縮行程下死点における作動ガスの状態を推定し、これにより前記第２の模擬演算を行うようにしたので、両者を適切に組み合わせてダイナミックに解くことが容易になり、シミュレーションの精度を向上しながら、その遅延を招くことがなく、設計・開発の支援ツールとしての実用性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジン性能の予測解析システムＡの全体構成図。
【図２】ＣＦＤ演算のためのエンジンモデルの一例を示す図。
【図３】サージタンクを３次元で模擬した従来までのモデルを示す図２相当図。
【図４】吸気行程から圧縮行程への移行時にＣＦＤから化学反応ＳＩＭにデータを提供する処理（結果処理＊１）を模式的に示す説明図。
【図５】気筒内の状態を表す物理量の組と化学反応ＤＢにおけるガス成分のグループデータとの対応を示す説明図。
【図６】燃焼に関する化学反応の例を示す説明図。
【図７】膨張行程から排気行程への移行時についての結果処理＊２を示す図４相当図。
【図８】シミュレーションの手順の概略を示すフローチャート図。
【図９】ＣＦＤと化学反応シミュレーションとの切替えと、これに伴うデータの授受とを模式的に示す説明図。
【図１０】直噴エンジンに適用する他の実施形態に係る図４相当図。
【図１１】ＣＦＤから吸気弁閉時期における吸気状態のデータをそのまま化学反応ＳＩＭに提供する場合の図４相当図。
【符号の説明】
Ａエンジン性能の予測解析システム
１，１，… 演算サーバ（第１の演算手段、第２の演算手段、推定手段、第１及び第２のデータ提供手段）
５，５，… ＰＣ端末（推定手段、第１及び第２のデータ提供手段）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a predictive analysis method, a predictive analysis system, and a control program for predicting the performance of an engine by simulating the state of a working gas of the engine by applying at least CFD (Computational Fluid Dynamics). About.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, various measurement and test methods as disclosed in Patent Document 1, for example, have been proposed to evaluate the performance of an engine, a transmission, and the like. Patent Document 2 discloses a simulation system capable of evaluating the performance of a power train without waiting for the completion of development of an engine.
[0003]
As a technique of such a simulation, it is general practice to analyze the movement of intake gas and exhaust gas, which are working gases, by applying CFD, and to predict the performance of the engine based on the analysis result. That is, for example, a virtual experiment (simulation) for simulating a complicated flow of the intake air sucked from the intake port into the combustion chamber by numerical calculation using a computer is performed, and for example, the shape of the intake port is determined based on the result of the virtual experiment. By doing so, it is possible to reduce development man-hours spent on repetition of prototypes and experiments, and to perform efficient design and development.
[0004]
In addition, regarding the combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber in the cylinder, there is a simulation program in which reactions of many gas components included in the air-fuel mixture are described by chemical reaction equations. This means that the working gas in the combustion chamber is simulated mainly by hydrocarbons supplied as fuel, nitrogen and oxygen in the air, and the volume change of the combustion chamber during the compression and expansion strokes is simulated by a container model. By sequentially describing the reaction of the gas components and the intermediate products in the vessel, the state of combustion is simulated.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2002-526762 A
[Patent Document 2]
JP-A-2002-148147
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, it is not easy to dynamically link the CFD calculation that simulates the flow of the intake and exhaust of the engine and the chemical reaction simulation that simulates the combustion state dynamically. For example, when shifting from the intake stroke to the compression stroke of a four-cycle engine, first, the state of the intake air charged into the combustion chamber is obtained from the result of the CFD operation, and a chemical reaction simulation is performed using a gas component corresponding to the intake state. Normally, as shown in FIG. 11, the closing timing IVC of the intake valve is set to be more retarded than the bottom dead center BDC of the compression stroke, and the return of the intake air from the combustion chamber In consideration of the above, the CFD calculation needs to be continuously performed until the intake valve closes. Then, as shown by a broken arrow in the figure, the data of the calculation result is provided to the chemical reaction simulation program.
[0007]
However, in recent years, engines having a variable valve mechanism (hereinafter, referred to as VVT) capable of changing the opening / closing timing of an intake valve in accordance with an operation state or the like are becoming widespread. In the case of an engine with such a VVT, Since the opening / closing timing of the intake valve changes during the operation, the CFD calculation is performed until the intake valve closes as described above, and the data of the calculation result is provided to the chemical reaction simulation. , The timing at which the chemical reaction simulation is started changes. This means that during the execution of a series of programs from the CFD to the chemical reaction simulation, the setting of the container model used in the chemical reaction simulation must be changed. It is very complicated and delays the simulation.
[0008]
The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to perform a first simulation operation for simulating a flow of a working gas and a combustion in a simulation for predicting the performance of an engine. By appropriately and easily combining the simulated second simulation operation and dynamically solving it, it is possible to improve the accuracy of the simulation while avoiding the delay, and as a design / development support tool. Is to improve the practicality of the system.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, the second simulation calculation for simulating combustion in the combustion chamber is always performed from the bottom dead center of the compression stroke to the bottom dead center of the expansion stroke. The state of the working gas at the bottom dead center of the compression stroke is estimated from the calculation result, and the second simulation calculation is performed using the estimated data.
[0010]
Specifically, the invention of claim 1 is a prediction analysis for predicting the performance of the engine by analyzing the state of the working gas over at least a part of an intake system to a part of an exhaust system of the engine by applying CFD. Target method. In this apparatus, a first simulation is performed to simulate the flow of the working gas of the engine, whereby the state of the working gas filled in the combustion chamber when the intake valve is closed in the early stage of the compression stroke is obtained. Based on the state of the working gas at the time of closing the valve, the state of the working gas is estimated when it is assumed that the working gas is filled in the combustion chamber at the bottom dead center of the compression stroke. Then, based on at least the estimated state of the working gas at the bottom dead center of the compression stroke, a second simulation calculation for simulating the state of the working gas from the working gas to the bottom dead center of the expansion stroke is performed.
[0011]
When simulating the operation of the engine by the above method, first, a first simulation calculation is performed to simulate the flow of intake and exhaust of the engine. As a result of this calculation, it is determined that the intake valve is closed at the beginning of the compression stroke. The state of the intake air filled in the combustion chamber can be accurately obtained. Then, based on the state of the working gas in the combustion chamber at the bottom dead center of the compression stroke estimated based on this, the second simulation calculation for simulating the state of, for example, combustion in the compression and expansion strokes can be accurately performed. . At this time, since the second simulation operation is always performed from the bottom dead center of the compression stroke, it is not necessary to change the setting of the container model of the combustion chamber. And can be easily solved dynamically. As a result, the accuracy of the simulation is improved, the delay is not caused, and the practicality as a design / development support tool is improved.
[0012]
The invention of claim 2 is particularly directed to a simulation of a direct injection engine, and, similarly to the invention of claim 1, fills the combustion chamber when the intake valve is closed in the early stage of the compression stroke by the first simulation operation. The state of the working gas is calculated, and the state of the working gas in the combustion chamber at the bottom dead center of the compression stroke is estimated based on the obtained state, and based on the estimated state of the working gas and the fuel supply amount to the combustion chamber, Then, a second simulation operation for simulating the state of the working gas in the combustion chamber from the bottom dead center of the compression stroke to the bottom dead center of the expansion stroke is performed. When the fuel supply amount in the compression stroke is changed in the middle of the second simulation operation, the calculation is temporarily terminated, and the second simulation operation is restarted from the beginning based on the changed fuel supply amount. It is characterized by the following.
[0013]
That is, in the case of a direct injection engine in which fuel is directly injected into the combustion chamber, if only a steady operation state is simulated by simulation, the amount of fuel supplied to the combustion chamber is set for each operating condition. The second simulation can be performed based on the fuel supply amount data and the result of the first simulation. However, in a transient operation state in which the operating state of the engine changes relatively abruptly, the fuel supply amount may change in the compression stroke after the start of the second simulation operation. There is a problem that is not reflected in.
[0014]
On the other hand, according to the second aspect of the invention, the same operation and effect as those of the first aspect of the invention can be obtained. Even if the supply amount is changed, the calculation is once terminated, and is restarted from the beginning based on the changed fuel supply amount. Therefore, in the second simulation calculation, the calculation is directly performed to the combustion chamber in the compression stroke. Thus, the change in the supplied fuel supply amount can be accurately reflected. Thereby, the transient operation state of the direct injection engine can be appropriately simulated.
[0015]
Next, the invention of claim 3 of the present application is to analyze the state of the working gas at least from a part of the intake system to a part of the exhaust system of the engine by applying CFD to predict the performance of the engine. Computer system. A first calculating means for simulating the flow of the working gas of the engine; and a second calculating means for simulating the state of the working gas in the combustion chamber of the engine from the bottom dead center of the compression stroke to the bottom dead center of the expansion stroke. The state of the working gas filled in the combustion chamber when the intake valve is closed in the early stage of the compression stroke is obtained from the result of the simulation calculation by the second calculation means and the first calculation means. Estimating means for estimating the state of the working gas when it is assumed that the combustion chamber is filled at the bottom dead center of the stroke; and the second state based on at least data of the state of the working gas estimated by the estimating means. And a first data providing means for providing data as an initial condition to the calculating means.
[0016]
According to the above system, at the time of the simulation of the operation of the engine, the flow of the working gas of the engine is simulated by the first calculation means, and the state of the working gas after the intake valve closing timing obtained as a result of the simulation calculation Accordingly, the state of the working gas assumed to be charged into the combustion chamber at the bottom dead center of the compression stroke is estimated by the estimation means. Then, at least the data of the estimated working gas state is provided to the second calculating means by the first data providing means, and the second calculating means determines, for example, the state of combustion in the combustion chamber at the compression stroke bottom dead center. Is simulated from to the bottom dead center of the expansion stroke. That is, the predictive analysis method according to the first aspect of the present invention is executed, and the operational effects are obtained.
[0017]
Here, the first calculation means in the system may perform the CFD calculation by regarding the flow of the intake and exhaust air as at least one of a one-dimensional flow and a three-dimensional flow, and the second calculation means It is assumed that the working gas in the combustion chamber does not move during the compression and expansion strokes, and that the state of the working gas is simulated by the calculation of the chemical reaction formula, assuming that the intake valve is closed at the bottom dead center of the compression stroke. (Invention of claim 4).
[0018]
That is, by applying CFD as the first simulation operation, it is possible to accurately obtain the pressure, temperature, and the like of the intake air charged into the cylinder, and thereby to determine the state of combustion and the like in the compression and expansion strokes. It can be accurately simulated by a chemical reaction formula. In addition, in the CFD operation, a three-dimensional operation is performed particularly for a part where the accuracy is to be improved, and a one-dimensional operation is performed for the other parts, so that the amount of operation can be significantly reduced.
[0019]
Further, the estimating means in the system includes a compression stroke bottom dead center based on at least the pressure state of the working gas at the intake valve closing timing and the volume ratio of the combustion chamber at the intake valve closing timing and the compression stroke bottom dead center. It is preferable to estimate the pressure state of the working gas at the time (invention of claim 5), or the pressure and temperature state of the working gas at the time of closing the intake valve, the closing time of the intake valve and the bottom dead center of the compression stroke. Of the working gas at the bottom dead center of the compression stroke based on the volume ratio of the combustion chamber and the estimated value of the amount of heat transferred from the working gas to the combustion chamber wall from the bottom dead center of the compression stroke to the intake valve closing timing. It is more preferable to estimate the pressure and temperature conditions (the invention of claim 6).
[0020]
Further, based on the state of the working gas in the latter stage of the expansion stroke calculated by the second calculator, the system described above includes the working gas discharged from the combustion chamber after the exhaust valve is opened in the latter stage of the expansion stroke. A second data providing means for obtaining an initial state of the flow and providing the data of the initial state of the flow to the first arithmetic means may be provided (the invention of claim 7).
[0021]
That is, as a result of the second simulation operation for simulating the state of combustion in the combustion chamber, the pressure, the temperature, the components of the burned gas, and the like of the combustion chamber in the latter half of the expansion stroke are obtained. Since the state of the burned gas in the combustion chamber when is opened, that is, the initial state of the exhaust gas flow is accurately obtained, the data of the initial state is provided to the first calculating means by the second data means. An accurate simulation calculation relating to the flow of exhaust gas can be performed by the first calculation means.
[0022]
Further, in the engine performance prediction and analysis system, the first calculation means may be configured to reduce the flow of the working gas to the combustion chamber by taking into account that the closing timing of the intake valve is changed according to the operating conditions of the engine. It is preferable to perform a simulation operation (the invention of claim 8). In this case, the simulation of the engine having the VVT can be accurately performed.
[0023]
Furthermore, when the simulation of a direct injection engine is particularly targeted, the first and second calculation means and the estimation means are the same as those of the computer system (engine performance prediction analysis system) according to the third aspect of the present invention. And providing data as an initial condition for calculation to the second calculating means based on at least the data on the state of the working gas estimated by the estimating means and the data on the amount of fuel supplied to the combustion chamber. When there is a change in the fuel supply amount in the compression stroke during the simulation by the data providing means and the second calculating means, the calculation is forcibly terminated, and the estimation of the working gas is newly performed by the estimating means. Re-calculation execution means for estimating the state and executing the simulation operation again from the beginning by the second calculation means based on the estimation result; Preferably comprises a (invention of claim 9).
[0024]
According to the computer system having such a configuration, it is possible to execute the prediction analysis method according to the second aspect of the present invention, and to obtain the operation and effect thereof.
[0025]
Next, the invention of claim 10 of the present application is to analyze the state of the working gas from at least a part of the intake system to a part of the exhaust system of the engine by applying CFD to predict the performance of the engine. Of the computer system control program. The program simulates a first operation step of simulating the flow of the working gas of the engine, and simulates the state of the working gas in the combustion chamber of the engine from the bottom dead center of the compression stroke to the bottom dead center of the expansion stroke. The state of the working gas filled in the combustion chamber when the intake valve is closed in the early stage of the compression stroke is obtained from the result of the second calculation step for performing the calculation and the simulation calculation in the first calculation step. An estimating step of estimating a state of the working gas when it is assumed that the working gas is filled in the combustion chamber at the bottom dead center of the compression stroke; and at least based on data of the state of the working gas estimated in the estimating step. And a first data providing step of providing data serving as an initial condition of the calculation in the second calculation step.
[0026]
By controlling the computer system by the program, the computer system becomes the engine performance prediction analysis system according to the third aspect of the present invention, whereby the same operation and effect as the third aspect of the invention can be obtained.
[0027]
In the first calculation step of the control program, the CFD calculation may be performed by regarding the flow of intake and exhaust air as at least one of a one-dimensional flow and a three-dimensional flow. It is assumed that the working gas in the combustion chamber during the expansion stroke is not moved and the intake valve is closed at the bottom dead center of the compression stroke, so that the state of the working gas may be simulated by calculating a chemical reaction formula. (Invention of claim 11). In this case, the same function and effect as the fourth aspect of the invention can be obtained.
[0028]
In the estimating step in the control program, the compression stroke bottom dead center is determined based on at least the pressure state of the working gas at the intake valve closing timing and the volume ratio of the combustion chamber at the intake valve closing timing and the compression stroke bottom dead center. The pressure state of the working gas at the point may be estimated (the invention of claim 12), or the pressure and temperature state of the working gas at the closing timing of the intake valve, the closing timing of the intake valve and the bottom dead center of the compression stroke. Of the working gas at the bottom dead center of the compression stroke based on the volume ratio of the combustion chamber and the estimated value of the amount of heat transferred from the working gas to the combustion chamber wall from the bottom dead center of the compression stroke to the intake valve closing timing. The state of pressure and temperature may be estimated (the invention of claim 13).
[0029]
The control program may further include, based on the state of the working gas in the second half of the expansion stroke calculated in the second calculation step, the flow of the working gas discharged from the combustion chamber after the exhaust valve is opened in the second half of the expansion stroke. It is preferable to further include a second data providing step of obtaining an initial state of the flow and providing data of the initial state of the flow as an initial condition of the operation in the first operation step (the invention of claim 14). In this case, the same operation and effect as the seventh aspect of the invention can be obtained.
[0030]
In the first calculation step of the control program, calculation is performed to simulate the flow of the working gas to the combustion chamber, taking into account that the closing timing of the intake valve is changed according to the operating conditions of the engine. Is preferred (the invention of claim 15). In this case, the same function and effect as the eighth aspect of the invention can be obtained.
[0031]
Furthermore, when a simulation of a direct injection engine is particularly targeted, the method includes the same first and second calculation steps as the control program according to the invention of claim 10 and an estimation step. A data providing step for providing data serving as initial conditions for the calculation in the second calculation step based on the state of the working gas estimated in the estimation step and the fuel supply amount to the combustion chamber; and a second calculation step If there is a change in the fuel supply amount during the compression stroke in the middle of the simulation operation, the simulation operation is forcibly terminated and the estimation of the working gas state in the estimation step and the second operation based on the estimation result are performed. And a recalculation execution step of executing the simulation operation of the calculation step from the beginning. Akira).
[0032]
By controlling the computer system by the control program having the above steps, the computer system becomes the engine performance prediction and analysis system according to the ninth aspect of the present invention. Is obtained.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0034]
(Overall configuration of the system)
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a system A for predicting and analyzing engine performance according to an embodiment of the present invention. This system simulates a flow of intake gas and exhaust gas, which are working gases of an engine, by a one-dimensional or three-dimensional CFD operation (a first simulation operation), and an operation that describes combustion in a cylinder by a chemical reaction equation (a first simulation operation). (Second simulation operation), and by combining them, a simulation for simulating the operation of the engine is performed. The feature of this system is that the transfer of data between one-dimensional and three-dimensional CFD operations and the transfer of data between CFD operations and chemical reaction simulation (chemical reaction SIM) are both automated, for example, a throttle valve. An extremely accurate simulation can be easily performed by dynamically analyzing the flow of intake air and exhaust gas from the air to the catalytic converter.
[0035]
Are computer devices that mainly execute computations for CFD and chemical reaction simulations. In this embodiment, a high-speed server computer is used to cope with an enormous computation amount of three-dimensional CFD. A plurality of units are connected and used in parallel (hereinafter referred to as operation servers). Each of these arithmetic servers 1 has a built-in 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, a keyboard such as an output device such as a printer or an input operation by an operator is provided. And an input device such as a mouse. The storage device includes at least one-dimensional and three-dimensional CFD calculation programs for simulating intake and exhaust flows, a dedicated preprocessor for constructing a physical model therefor, and a chemical reaction simulation program for simulating a combustion state. And an image processing program for displaying an image of a result of simulation by each of the programs.
[0036]
The operation servers 1, 1,... Can access the component database DB11 by a general method as needed during the operation thereof. In this part DB11, a model of an engine physical model used for one-dimensional and three-dimensional CFD calculations is stored in advance in a state of being classified for each part of the engine, and is newly constructed by the preprocessor. Model is also stored. The model of the physical model is, for example, a basic part of a part through which intake and exhaust flow, such as a surge tank of an intake system, an independent intake passage, an intake port, an exhaust port of an exhaust system, an exhaust manifold, an EGR passage, and the like. This is a part model that simulates a shape and whose physical property values such as dimensions, shape, material, surface state, and thermal conductivity can be changed. In the following, this embodiment will be referred to as a template part.
[0037]
By providing the database DB11 of the template parts whose dimensions, shapes, and physical characteristic values can be changed in this manner, the CFD operation can be performed very easily only by inputting dimensions and the like to the template parts read from the part DB11 and combining them. A physical model of the engine. In addition, once the model thus constructed is newly stored in the component DB 11, the model can be easily modified as necessary, and the engine design can be easily changed. Can be.
[0038]
The operation servers 1, 1,... Can access the chemical reaction database DB12 by a general method as needed during the operation thereof. The chemical reaction DB 12 represents representative ones of various gas components (chemical species) in the intake air which are filled in the combustion chamber in the cylinder of the engine and contribute to combustion, by various physical quantities representing the state in the cylinder. It is stored in a state of being grouped in advance in association with the set. Therefore, as will be described later in detail, according to the in-cylinder state obtained as a result of the CFD operation, a group of gas components corresponding to this is read from the chemical reaction DB 12 and the chemical reactions of these gas components are described respectively. Thus, the combustion state can be simulated.
[0039]
Reference numeral 2 in the drawing is a computer device that is connected to a database DB13 (experiment DB) of experiment data in which the specification values, physical characteristics, and performance characteristics of the engine are associated with each other, and manages the data (hereinafter, referred to as a “device”). Experiment DB server). That is, the data accumulated in the past experiments and developments on the engine and transmission are organized by a well-known statistical analysis method, and various values of the engine, such as the compression ratio and the length of the intake pipe, and its physical characteristics ( For example, it is stored in the experiment DB 13 as an empirical formula in which volume efficiency, combustion characteristics, loss coefficient, etc.) and its performance characteristics (eg, output, fuel consumption, emission, etc.) are associated with each other. Then, based on the empirical formula, for example, the performance characteristics of the engine can be predicted from the specification values and the physical characteristics.
[0040]
Reference numeral 3 in the drawing denotes a computer device of three-dimensional CAD 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 DB14 (design DB) by a general method as needed during the operation, and Can be called, or they can be changed and newly stored. That is, the design DB 14 stores three-dimensional design CAD data of various engines in a state where the CAD data can be individually extracted and used for each part of the intake system, the cylinder, the exhaust system, and the like.
[0041]
Reference numerals 5, 5,... Indicate terminals (PC terminals) each composed of a personal computer, and a plurality of terminals are arranged in a powertrain design section, a development section, an experiment section, and the like. Are connected to the operation servers 1, 1,..., The experiment DB server 2, and the design CAD server 3 in a bidirectional communication manner. When the control program of the system is executed in accordance with the operation of the operator at each PC terminal 5, each PC terminal 5 is connected to the operation servers 1, 1,... A client environment is configured to execute an engine operation simulation while mainly transmitting and receiving commands and files to and from the operation servers 1, 1,....
[0042]
The experiment DB server 2, the design CAD server 3, and the PC terminal 5 each include a built-in storage device such as a hard disk drive, similarly to the operation server 1, and are connected to a display 10, an output device, an input device, and the like. I have.
[0043]
(CFD operation)
Next, the one-dimensional and three-dimensional CFD computations will be described using a specific example of an operation simulation of a 4-cycle 4-cylinder gasoline engine. In this embodiment, in order to reduce the time required for the CFD operation as much as possible, basically, only a necessary part and a process are replaced with a three-dimensional CFD based on a one-dimensional CFD. That is, as shown in, for example, FIGS. 2A to 2D, a catalytic converter (not shown) passes through a combustion chamber of each of the first to fourth cylinders c1 to c4 from a throttle valve (not shown) upstream of an intake passage of the engine. ) Of the surge tank corresponding to each of the cylinders c1, c2,... Corresponding to each of the cylinders c1, c2,. Only s4 is replaced with a three-dimensional model.
[0044]
More specifically, in the illustrated one-dimensional model Mb, basically, an independent intake passage from the surge tank to each cylinder and an intake passage common to each cylinder from the throttle valve to the surge tank are respectively provided. Similarly, an independent exhaust passage from each cylinder to the exhaust manifold gathering portion and a common exhaust passage from the exhaust gathering portion to the catalytic converter inlet are represented as an aggregate of passages (indicated by arrows in the figure). Expressed as a collection of conduits. Further, the EGR passage for recirculating a part of the exhaust gas upstream of the surge tank from the exhaust gathering portion and the surge tank itself are also represented as aggregates of pipelines. The first to fourth cylinders c1 to c4 are each represented as a variable capacity container.
[0045]
In such a one-dimensional model Mb, the flow of the intake air and the flow of the exhaust gas flowing through the pipeline are regarded as one-dimensional flows of the compressible fluid, and the pressure p, the density ρ, the velocity u, By solving the well-known equations of conservation of mass, conservation of momentum, and conservation of energy for each variable of the temperature T by numerical calculation, it is possible to describe the state of the flow that changes temporally and spatially. In each of the preservation types, the effects of the bending of the pipeline, friction on the wall surface, heat loss, and the like are also taken into consideration. On the other hand, it is assumed that the internal condition of the container is uniform, and that the fluid flowing from the pipes is instantaneously and uniformly distributed. The conservative equation is solved below.
[0046]
Also, for example, at the junction between the independent intake passage and the cylinder, the change in the cross-sectional area due to the opening and closing of the intake valve and the exhaust valve is simulated by a throttle. In this case, the engine to be simulated is equipped with a VVT. If so, for example, the opening and closing timing of the intake valve is changed according to the operating conditions of the engine so as to simulate that the opening and closing timing of the intake valve is changed according to the operating state of the engine. Taking the influence into consideration, the flow of the working gas to the combustion chamber is simulated. By doing so, the simulation of the engine with the VVT can be accurately performed.
[0047]
Then, for example, when the first cylinder c1 is in the intake stroke, as shown in FIG. 3A, the part from the surge tank corresponding to the first cylinder c1 to the entrance of the independent intake passage is included in the three-dimensional model s1. In other words, the flow of intake air at that portion is simulated as a three-dimensional flow. That is, the shape of the inner wall of the part s1 of the surge tank and the inlet portion of the independent intake passage from there to the first cylinder c1 is represented by a three-dimensional model, and the flow of intake air flowing along the wall surface is 3. The above conservation equations are solved as a dimensional flow.
[0048]
Here, when EGR (Exhaust Gas Recirculation) is performed, the intake air includes fresh air (fresh air) supplied from the outside to the engine and exhaust gas (EGR gas) recirculated from the exhaust system. In particular, since EGR gas contains various hydrocarbon molecules having different molecular weights in an unburned state in addition to water vapor and carbon dioxide gas, the flow calculation must be individually performed for each type of gas. It may be preferable to do so. However, since the gas component does not change during the transportation of the intake air, in this embodiment, the intake air is divided into two, fresh air and EGR gas, and the flow variables p, ρ, u, and T are respectively changed. When calculating and passing the data of the calculation result to another program, the variables p, ρ, u, and T of the flow as the whole intake air are obtained by summing the calculation results of the two gas components. .
[0049]
For example, when the flow of intake air changes from a one-dimensional flow to a three-dimensional flow, in the one-dimensional flow, the variables p, ρ, u, and T obtained by summing as described above are uniform in the cross section of the intake flow. Therefore, this may be given as it is as the initial condition or boundary condition of the three-dimensional CFD operation. On the other hand, when the flow of the intake air changes from the three-dimensional flow to the one-dimensional flow, the variables p, ρ, u, and T of the three-dimensional intake flow obtained by adding the fresh air and the EGR gas as described above are crossed. After averaging over the entire surface, it may be given as the initial condition or boundary condition for the one-dimensional CFD operation. In other words, the dimensions of the CFD operation are set such that the flow variables p, ρ, u, and T are somewhat uniform over the entire cross-section so that a sufficiently accurate simulation can be performed even if the variables are converted in this manner. What is necessary is just to switch.
[0050]
As described above, the three-dimensional model is used only for a specific portion of the portion extending from the intake system to the exhaust system of the engine, and only the stroke selected in advance among the intake, compression, expansion, and exhaust strokes is used. In this embodiment, the CFD operation of the dimension is performed, and the other is regarded as the 0-dimensional or the 1-dimensional. In this embodiment, while the accuracy of the simulation is sufficiently ensured, the amount of the computation for the simulation is significantly reduced, and the analysis is performed. Can be shortened. Specifically, as shown in an example in FIG. 3, a one-dimensional and three-dimensional CFD is performed over the entire intake, compression, expansion, and exhaust strokes of each cylinder using a three-dimensional model of the entire surge tank. Compared to a conventional system for performing calculations, the system of this embodiment can reduce the amount of calculations to approximately one-fourth.
[0051]
Also, instead of performing a CFD operation on the flow of intake air containing a large number of gas components for each of all the gas components, this is calculated for each of the two components, fresh air and EGR gas. Since the working gas is simulated with a gas component considerably smaller than that of a chemical reaction simulation described later, the amount of calculation can be greatly reduced also in this point, and the analysis time can be shortened. Note that what is obtained by the CFD calculation is the state of the flow of the intake gas as the working gas. If the calculation is performed separately for fresh air and EGR gas, sufficiently high accuracy can be obtained. Further, even if the proportions of fresh air and EGR gas change due to a change in operating conditions of the engine, it is not necessary to change the working gas itself.
[0052]
(Chemical reaction simulation)
As described above, the intake and exhaust flows of the cylinders in the intake and exhaust strokes are simulated by CFD calculations, respectively, and in this embodiment, the cylinders in the compression and expansion strokes include the air-fuel mixture and combustion gas inside the cylinders. Ignore the movement and perform a chemical reaction simulation that simulates the combustion state. Specifically, first, the state of the intake air (fresh air and EGR gas) charged into the combustion chamber in the cylinder during the intake stroke of the cylinder by the one-dimensional or three-dimensional CFD operation as described above, that is, fresh air and The sum of the pressure p, density ρ, velocity u, and temperature T of each EGR gas is obtained. At that time, as schematically shown in FIG. 4, the closing timing IVC of the intake valve is usually set to be more retarded than the bottom dead center BDC of the compression stroke, so that the blowback of the intake air from the combustion chamber is considered. Then, the CFD calculation is continuously performed until the intake valve closes.
[0053]
In this way, if the states p, ρ, u, T of the intake air filled in the combustion chamber and the proportion of the EGR gas in the intake air at the time IVC when the intake valve is closed in the early stage of the compression stroke of the cylinder are obtained, Based on the above, as shown by a white arrow in the figure, the state of the working gas when the working gas is assumed to be charged into the combustion chamber at the bottom dead center BDC of the compression stroke is estimated (data estimation). . That is, taking into account the reduction in the volume of the combustion chamber from the bottom dead center BDC of the compression stroke to the intake valve closing timing IVC and the amount of heat transferred to the combustion chamber wall, the pressure p of the working gas at the intake valve closing timing IVC and The temperature T, the volume ratio of the combustion chamber at the intake valve closing timing IVC and the compression stroke bottom dead center BDC, and the working gas is transmitted to the combustion chamber wall from the compression stroke bottom dead center BDC to the intake valve closing timing IVC. Based on the estimated value of the calorific value, the pressure p and the temperature T of the working gas at the bottom dead center BDC of the compression stroke are estimated. The density ρ of the intake air (air and EGR gas) is considered to be substantially constant from the bottom dead center of the compression stroke to the closing timing of the intake valve, and the strength of the in-cylinder flow is determined from the intake flow velocity u. Is also good.
[0054]
In addition, the amount of heat transferred to the combustion chamber wall, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber (or the amount of fuel supplied to the combustion chamber), and the amount of burned gas (internal EGR gas) remaining in the combustion chamber. Various physical quantities considered to be involved in combustion, such as quantity, cylinder wall temperature, etc., are determined based on engine operating conditions (for example, engine load and rotation speed) in the simulation. That is, in this embodiment, a map is provided in which the values of the physical quantities such as the heat transfer amount, the air-fuel ratio, the internal EGR gas amount, and the cylinder wall temperature are set in advance in association with the operating conditions of the engine. A plurality of physical quantity values are read from the map based on operating conditions.
[0055]
Then, as described above, if a plurality of physical quantity values representing the state of the combustion chamber at the compression stroke bottom dead center BDC are obtained based on the result of the CFD calculation and the engine operating conditions, as shown in FIG. By reading a group of gas components corresponding to the set of physical quantities from the chemical reaction DB 12, the components of the working gas for simulating the combustion state are specified. Then, by using the gas components specified in this manner, the chemical reaction between the gas components is sequentially described from the bottom dead center of the compression stroke of the cylinder to the bottom dead center of the expansion stroke of the cylinder, so that the combustion state and the like are obtained. A chemical reaction simulation to simulate is performed. That is, it is possible to perform an accurate chemical reaction simulation appropriately reflecting the result of the simulation by the CFD.
[0056]
Here, as shown in the example of FIG. 5, the data of the gas component group in the chemical reaction DB 12 includes various hydrocarbons mainly supplied as fuel, nitrogen and oxygen in air, and mainly EGR gas. Among the hydrocarbons, carbon dioxide, nitrogen oxides, water vapor, etc. contained in the above, a representative one corresponding to the set of physical quantities representing the state of the cylinder is extracted and stored together with its reaction formula. . That is, in general, if all the chemical species and their elementary reactions related to the combustion of the engine are listed, the number is about 3,000 or more (see FIG. 6). Significantly increase the simulation time. Also, if all of these data are grouped according to the state of the combustion chamber and stored, the chemical reaction DB 12 becomes too large, causing various inconveniences such as a long search time.
[0057]
In this regard, rather than listing all the chemical reactions, focusing only on those that are particularly important in simulating the state of combustion, that is, those that are representative of simulating combustion, it can be tens to hundreds at most. In this embodiment, only the representative chemical element reaction that changes according to the operating conditions of the engine is extracted so as to be a predetermined number (for example, 100) or less, and only the corresponding representative gas component is extracted. Is stored in the chemical reaction DB 12. As a result, the number of gas components used in the chemical reaction simulation becomes appropriate, and it is possible to greatly reduce the amount of calculation while securing required accuracy. In addition, the size of the chemical reaction DB 12 can be made appropriate.
[0058]
Then, based on the gas components (chemical species) of the group extracted as described above, first, in the compression stroke of the cylinder, the volume of the combustion chamber decreases with the rise of the piston, and the pressure p increases, The reaction of each gas component under such conditions will be described sequentially, taking into account that the temperature T rises with this and that heat is taken away by heat exchange with the cylinder wall surface. By the chemical reaction simulation in the compression stroke, it is possible to reproduce the pre-flame reaction and the occurrence of preignition before spark ignition is performed in the cylinder.
[0059]
In the vicinity of the compression top dead center of the cylinder, the ignition of the air-fuel mixture by spark ignition is simulated. Describe sequentially. Then, the composition of the burned gas in the cylinder obtained as a result of the chemical reaction simulation in the expansion stroke, the total heat generation and the heat exchange with the cylinder wall, the work applied to the piston, the downward movement of the piston Of the burned gas (exhaust) discharged from the combustion chamber when the cylinder shifts from the expansion stroke to the exhaust stroke, based on the expansion of the combustion chamber volume and the like (variables p, ρ, u, T) ).
[0060]
That is, by the chemical reaction simulation, the pressure p and the temperature T of the combustion chamber when the exhaust valve is opened late in the expansion stroke of the cylinder are directly obtained, and the density ρ of the exhaust gas is determined by the composition of the burned gas in the cylinder. Required by In addition, since the flow in the cylinder is assumed to be zero in the compression and expansion strokes, the initial value of the exhaust flow velocity u is zero. Then, as schematically shown in FIG. 7, the data of the initial state p, ρ, u, T of the exhaust gas at the exhaust valve opening time EVO obtained as described above are described above as shown by the broken-line arrows in FIG. Provided for the CFD calculation program and given as boundary conditions of the exhaust flow. In this way, by using the initial state of the exhaust gas from the combustion chamber obtained by the chemical reaction simulation (chemical reaction SIM) as the initial condition of the CFD operation, an accurate CFD operation appropriately reflecting the result of the chemical reaction simulation can be performed. Can be.
[0061]
Further, the composition of the burned gas in the cylinder obtained by the chemical reaction simulation as described above is also used for updating the chemical reaction DB 12. That is, as described above, the data of the gas component group stored in the chemical reaction DB 12 is determined in association with the pressure p in the cylinder, the temperature T, the ratio of the EGR gas in the intake air, and the like. The composition of the EGR gas on which the data is based is obtained in advance by experiments or the like. In this embodiment, the gas component of the data is corrected by a predetermined method based on the composition of the exhaust gas obtained as a result of the chemical reaction simulation as described above. For example, the exhaust gas obtained by the simulation is regarded as the EGR gas as it is, and the ratio of hydrocarbon, carbon monoxide, nitrogen oxide, etc. is appropriately weighted in the data of the gas component group of the corresponding operating condition in the chemical reaction DB12. Then you can fix it. By performing such a correction, the data of the gas components is corrected based on the results of the CFD calculation and the chemical reaction calculation, so that the accuracy of the chemical reaction simulation is further improved.
[0062]
(Simulation procedure)
Next, a procedure of a simulation performed by the engine performance prediction / analysis system A according to this embodiment will be specifically described. As shown in FIG. 8, the initial setting data for engine simulation is input by an operator performing a predetermined input operation in accordance with a screen display or the like on any of the PC terminals 5, 5,. Is performed (S1). For example, a description will be given of the four-cylinder engine shown in FIG. 2 described above. Instead of the data or the detailed data, a code specifying engine data stored in the experiment DB 13 or the design DB 14 and the operating conditions of the engine to be simulated are input to the PC terminal 5.
[0063]
Further, the user is allowed to select which part of the engine to use the three-dimensional model, and further to select which one-dimensional or three-dimensional CFD calculation is to be performed on the part in the intake stroke and the exhaust stroke of the cylinder. That is, for example, if the purpose of the analysis is to support the design and development of the intake system of the engine, the operator uses a three-dimensional model for the surge tank as shown in FIG. It is sufficient to select to perform a three-dimensional CFD operation in the process. By analyzing the flow of intake air from the surge tank to the independent intake passage as a three-dimensional flow, the physical characteristics of the engine such as volumetric efficiency can be accurately determined regardless of the load state of the engine and changes in the rotational speed. Thus, performance characteristics such as engine output can be accurately predicted.
[0064]
Subsequently, in step S2, a model for simulation is constructed according to the initial setting data input in step S1, and the model is temporarily stored. That is, as shown in FIG. 2, for example, a one-dimensional CFD model Mb extending from a part of the intake system to a part of the exhaust system, and a three-dimensional CFD model s1 obtained by dividing a surge tank for each of the cylinders c1 to c4. .. To s4 and store them in the internal storage devices of the operation servers 1, 1,. In addition, regarding the chemical reaction simulation, a container model that defines a change in the cylinder internal volume with respect to a change in the crank angle, a change in the heat transfer coefficient according to the cylinder wall temperature, and the like is constructed. This container model is a zero-dimensional physical model in the sense that it is assumed that there is no movement of the mixture or combustion gas inside the container model.
[0065]
More specifically, when constructing the three-dimensional CFD model, for example, the three-dimensional design CAD data representing the shape of the surge tank is read into the PC terminal 5 from the design DB 14 based on the initial setting data, and the boundary surface and the A model creation command including data specifying mesh information is created and transmitted to the operation servers 1, 1,. Upon receiving this command, the operation servers 1, 1,... Start the preprocessor, paste a layer mesh of a predetermined size on the inner wall surface of each part of the surge tank according to its shape, and cut the internal mesh. Become.
[0066]
Alternatively, when another model creation command is transmitted from the PC terminal 5 to the operation servers 1, 1,... Based on the initial setting data, the operation servers 1, 1,. By reading data of a template part representing a basic shape and changing the dimensions, shape, and the like of the part, a three-dimensional model having a mesh for CFD operation is constructed. Note that the mesh of the design CAD data can be used as it is in the three-dimensional CFD model.
[0067]
Using the model constructed as described above, in step S3, a simulation for simulating the flow of intake and exhaust during engine operation and the state of combustion in the combustion chamber in a predetermined dimension for each of the intake, compression, expansion, and exhaust strokes. Perform the operation. As an example of the details of the arithmetic processing, in this embodiment, the PC server 5 and the arithmetic servers 1, 1,. , 1,..., The one-dimensional and three-dimensional CFD calculations and the chemical reaction simulation are performed simultaneously and in parallel.
[0068]
For example, as a processing procedure of the CFD calculation, first, the model Mb of the one-dimensional CFD calculation is read (step S31), and initial conditions at the beginning of the simulation, that is, variables p, ρ, u, T of the intake and exhaust flow, and the operation of the engine The conditions and the like are input (S32), and based on this, the one-dimensional flow conservation formula is numerically calculated (S33). That is, the state (p, ρ, u, T) of the intake air and exhaust gas from the downstream of the throttle valve to the exhaust passage via the combustion chambers of the cylinders c1 to c4 at the point in time when the crank angle has changed by a small crank angle from the beginning of the simulation is shown. Calculate according to the flow.
[0069]
At this time, if the first cylinder c1 is in the intake stroke as shown in FIG. 2A, the flow of the boundary portion from the one-dimensional flow to the three-dimensional flow in the part s1 of the surge tank corresponding to the cylinder c1. When the state (p, ρ, u, T) is obtained, the one-dimensional calculation is temporarily stopped, and the calculation result is transferred to the PC terminal 5 as a data file. Upon receiving this file, the PC terminal 5 converts the one-dimensional flow data into three-dimensional flow data, creates an execution file of the three-dimensional CFD program, and returns it to the operation servers 1, 1,. Upon receiving the execution file, the operation servers 1, 1,... Start the three-dimensional CFD program, and first read the three-dimensional model s1 of the surge tank corresponding to the first cylinder c1 (S41). (Boundary condition) is input (S42), and a numerical calculation is performed on the three-dimensional flow conservation equation, and the result of the computation is stored (S43). Among the calculation results, the data of the flow variables p, ρ, u, and T at the boundary between the surge tank and the downstream independent intake passage are transferred to the PC terminal 5, and this time, the three-dimensional data is converted into one-dimensional data. Are converted into data and returned to the operation servers 1, 1,....
[0070]
Then, the one-dimensional CFD program is restarted based on the returned data, and the flow of intake and exhaust gas from the independent intake passage to the combustion chamber of the first cylinder c1 and the exhaust passage downstream thereof is calculated. The calculation result is stored (S33). In this way, the intake and exhaust states (p, ρ, u, T) after a slight crank angle change from the beginning of the simulation are calculated over the entire engine model Mb, and the calculation results are stored. .
[0071]
Then, as will be described later in detail, at a predetermined timing, a part of the result data of the CFD operation is rewritten based on the result of the chemical reaction simulation (data conversion, provision and rewriting: S34). By advancing by a small crank angle (increment: S35), it is determined whether or not the crank angle position set as the end of the simulation has been reached (S36). Until the end of the simulation, the process returns to step S33 to return to the one-dimensional And a three-dimensional CFD operation are repeatedly executed. Thus, the flow of the intake and exhaust of the engine is stored in association with the change in the crank angle. In the example shown in the figure, the boundary conditions (variables p, ρ, u, T, etc.) of the intake air flow corresponding to the position of the throttle valve are substantially constant in a steady operation state, and in a transient state in which the operation conditions of the engine change. In order to cope with such a change, it is separately provided from an engine operation control program.
[0072]
In parallel with the CFD calculation as described above, the calculation of the chemical reaction simulation (chemical reaction SIM) is performed for each cylinder in the compression stroke and the expansion stroke. That is, when, for example, the first cylinder c1 shifts from the intake stroke to the compression stroke with the progress of the simulation, in step S34 of the flow, as schematically shown in FIG. Are transmitted to the PC terminal 5 from the operation servers 1, 1,. Upon receiving this data, the PC terminal 5 determines the state of the intake air charged into the first cylinder c1 at the intake valve closing time IVC at the beginning of the compression stroke based on the data, that is, the pressure p, the temperature T, etc., and the EGR during intake. The ratio of gas is determined, and based on this, the state of intake air at the bottom dead center BDC of the compression stroke is estimated (see FIG. 4). Further, values of physical quantities such as the air-fuel ratio and the cylinder wall temperature are read from the map based on the current operating conditions of the engine. Then, a set of physical quantities representing the states in the cylinders is specified, and an executable file of the chemical reaction simulation program is transmitted to the calculation servers 1, 1,... Together with an identification code corresponding to the set of physical quantities (this calculation program). The exchange of data between them is shown as result processing * 1 in FIG. 9).
[0073]
Upon receiving the execution file, the operation servers 1, 1,... Start a chemical reaction simulation program, and read the container model of the first cylinder c1 from the storage device as shown in the flow of FIG. 8 (S51). The group data of the gas components corresponding to the identification code is read from the chemical reaction DB 12 (reading of chemical species: S52), and the chemical reactions of those gas components in a predetermined small crank angle range are described and stored (chemical reaction). Reaction calculation: S53). The calculation of such a chemical reaction formula is repeatedly performed for each of the small crank angles from the bottom dead center of the compression stroke to the bottom dead center of the expansion stroke of the cylinder c1 (S35). The data describing the state of the working gas in the compression and expansion strokes in the combustion chamber in time series is stored in the storage device as a result of the chemical reaction calculation.
[0074]
Then, if the first cylinder c1 completes the expansion stroke and shifts to the exhaust stroke, the chemical reaction simulation for the cylinder c1 ends, and in step S34 of the flow of FIG. The result data of the operation is transmitted from the operation servers 1, 1,... To the PC terminal 5. At the PC terminal 5 receiving this data, as shown in FIG. 7, based on the composition of the burned gas (exhaust gas) discharged from the combustion chamber of the first cylinder c1, the heat generated by combustion, the amount of work, and the like. The variables p, ρ, u (u = 0), T representing the state of the combustion chamber at the exhaust valve opening point EVO in the latter half of the compression stroke, that is, the initial state of the exhaust gas, are obtained, and the calculation result data of the CFD calculation is obtained based on this. A command for rewriting is created and returned to the operation servers 1, 1,. Receiving this command, the operation server 1, 1, ... rewrites the combustion part in the operation result data of the one-dimensional CFD operation, that is, the part of the compression stroke and the part of the expansion stroke. The data of the initial state of the exhaust gas flow is used (the transfer of data between the calculation programs is shown as result processing * 2 in FIG. 9). Further, the data of the gas components in the chemical reaction DB 12 is corrected based on the composition of the exhaust gas.
[0075]
As described above, in step S3 of the main program, the CFD calculation and the chemical reaction simulation calculation are performed in synchronization with the change in the crank angle of the engine from the beginning to the end of the simulation. Then, when the crank angle position is set and input as the end of the simulation (YES in S36), the process proceeds to step S4 to output the result of the simulation, and then the control ends (end). As the output of the simulation result in step S4, a required one of the data of the time-series operation results stored in the storage device of the operation servers 1, 1,... Is read and transferred to the PC terminal 5. It is sufficient to output a predetermined evaluation value regarding the engine performance based on the data. That is, for example, the output characteristics of the engine, the fuel consumption characteristics, the change in the volume efficiency of each cylinder due to the change in the engine operating conditions, and the like may be graphed and displayed on the displays of the servers 1, 1,. In particular, regarding the flow of intake air in the surge tank, the result of the three-dimensional CFD calculation may be visualized and displayed as an image.
[0076]
Steps S31 to S33 and S41 to S43 in step S3 of the flow shown in FIG. 8 correspond to a first calculation step of simulating the flow of intake and exhaust gas as the working gas of the engine by CFD calculation. Steps S51 to S53 simulate the working gas in the combustion chamber in the cylinder with a plurality of gas components during the compression and expansion strokes of the cylinder, and describe the state of combustion and the like by calculation of a chemical reaction formula. It corresponds to the calculation step.
[0077]
In step S34 of the flow, the state of the intake air charged into the combustion chamber when the intake valve is closed at the beginning of the compression stroke is obtained from the result of the CFD operation, and this state is charged into the combustion chamber at the bottom dead center of the compression stroke. A first data providing step corresponding to an estimating step of estimating a state when it is assumed to be performed, and providing data serving as an initial condition to the chemical reaction SIM based at least on the estimated state of the intake air; And a second data providing step of providing data of the initial state of the exhaust gas flow obtained by the chemical reaction SIM to the CFD calculation program.
[0078]
In the prediction analysis system A of this embodiment, the execution of the steps S31 to S33, S41 to S43 of the flow by the operation servers 1, 1,. Compute means is provided. Similarly, the execution of steps S51 to S53 by the operation servers 1, 1,... Constitutes the second operation means. Further, the step S34 of the flow is executed in cooperation with the PC terminal 5 and the operation servers 1, 1,..., So that the PC terminal 5 and the operation servers 1, 1,. And data providing means.
[0079]
Therefore, according to the engine performance prediction analysis system A according to this embodiment, when analyzing the flow such as intake and exhaust of a four-cycle engine by applying CFD, for example, the one-dimensional engine model Mb is basically used. The three-dimensional models s1 to s4 can be used to select one-dimensional or three-dimensional calculations for the intake and exhaust strokes of each cylinder for the parts selected in advance, so that the accuracy of the CFD calculation can be sufficiently improved. While being high, the amount of computation for that can be significantly reduced.
[0080]
On the other hand, for the compression and expansion strokes of each cylinder, the combustion state is simulated by a chemical reaction simulation, ignoring at least the gas flow in the combustion chamber. By selecting only those, it is possible to significantly reduce the amount of calculation for the required simulation accuracy while securing it.
[0081]
Even when EGR is performed, the flow of intake air is not calculated for each gas component, but is calculated as two components, fresh air and EGR gas. The amount of calculation can be significantly reduced while flexibly responding to changes in the EGR gas ratio. On the other hand, in the chemical reaction simulation, the working gas is simulated at least with nitrogen, oxygen, hydrocarbons, carbon dioxide, nitrogen oxides and water vapor, so that the chemical reaction related to combustion is accurately described and a highly accurate simulation is performed. Can be.
[0082]
Then, the state of the intake air charged into the combustion chamber in the cylinder is obtained from the result of the CFD calculation, whereby the components and the state of the working gas used for the chemical reaction simulation are specified, and the CFD is obtained from the result of the chemical reaction simulation. The initial state of the exhaust gas in the calculation is obtained, and the accuracy of the simulation can be improved by appropriately combining the two types of simulations and dynamically solving the two.
[0083]
At this time, the CFD calculation for obtaining the state of the intake air charged into the combustion chamber is continued until the intake valve closes in the early stage of the compression stroke, so that the state of the intake air filled in the combustion chamber thereafter is accurately obtained. Can be. By estimating the state of the working gas in the combustion chamber at the bottom dead center of the compression stroke based on the state of the intake air, and reading out the components of the working gas from the chemical reaction DB 12, an accurate chemical reaction simulation can be performed. . In addition, since the chemical reaction simulation itself is always performed from the bottom dead center of the compression stroke, it is not necessary to change the setting of the combustion chamber container model. Therefore, the combination of the CFD operation and the chemical reaction SIM can be easily performed. Therefore, the simulation is not delayed.
[0084]
As described above, the simulation accuracy can be sufficiently increased, and the amount of calculation for the simulation can be reduced as much as possible, so that the time required for analysis can be shortened. Can be improved in practicality.
[0085]
(Other embodiments)
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, but includes other various embodiments. That is, in the above embodiment, the CFD operation is performed by combining the one-dimensional model and the three-dimensional model. However, the present invention is not limited to this, and only the one-dimensional CFD operation may be performed.
[0086]
Further, in the CFD calculation of the above-described embodiment, the intake air is made into two components of the air and the EGR gas. However, the present invention is not limited to this, and the intake air may be made up of three or more gas components. It can also be considered as one component as air.
[0087]
Further, in the above embodiment, the case where the simulation of the port injection type gasoline engine is performed has been described. However, the prediction analysis system A of the present invention can be applied to a direct injection engine. However, in the case of a direct injection engine, fuel is directly injected into the combustion chamber. Therefore, when simulating a transient operation state in which the operation state changes relatively suddenly, the chemical reaction for the chemical reaction SIM is performed. The fuel supply amount may change during the compression stroke of the cylinder after the start of the calculation of the reaction formula. In this case, there is a problem that the change in the fuel supply amount is not reflected in the calculation of the chemical reaction formula.
[0088]
On the other hand, for example, as schematically shown in FIG. 10, when a simulation of a direct injection engine is performed, when the fuel supply amount changes during the chemical reaction SIM, the calculation is forcibly canceled. As shown by the imaginary line in the figure, the data of the gas component is read again from the chemical reaction DB 12 based on the fuel supply amount after the change, and the calculation of the chemical reaction formula is restarted from the beginning using this data. (The recalculation execution step). In this way, even if the amount of fuel supplied directly to the combustion chamber changes during the compression stroke, the chemical reaction SIM that accurately reflects the change can be performed. Can also be properly simulated.
[0089]
Further, in the above-described embodiment, a case has been described in which a simulation is performed on a four-cylinder four-cycle engine. However, it is needless to say that a single-cylinder engine can be simulated, for example.
[0090]
【The invention's effect】
As described above, according to the method and system for predicting and analyzing engine performance according to the present invention, the state of the working gas over at least a part of the intake system and a part of the exhaust system of the engine is determined. When a simulation is performed to predict the performance of the engine, a first simulation operation for simulating the flow of intake and exhaust gas is continuously performed until the intake valve closes at the beginning of the compression stroke, thereby filling the combustion chamber. In addition to accurately simulating the state of the working gas to be performed, the second simulation calculation for simulating combustion or the like in the combustion chamber is always performed from the bottom dead center of the compression stroke to the bottom dead center of the expansion stroke, It is not necessary to change and set the combustion chamber container model. Then, based on the state of the working gas at the intake valve closing timing obtained by the first simulation, the state of the working gas at the bottom dead center of the compression stroke is estimated, whereby the second simulation is performed. Because it is performed, it is easy to dynamically solve the problem by appropriately combining the two, and it is possible to improve the accuracy of the simulation, without delay, and improve the practicality as a design and development support tool .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of an engine performance prediction analysis system A according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of an engine model for CFD calculation.
FIG. 3 is a diagram corresponding to FIG. 2 showing a conventional model simulating a surge tank in three dimensions.
FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing a process (result process * 1) of providing data from the CFD to the chemical reaction SIM at the time of transition from the intake stroke to the compression stroke.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a correspondence between a set of physical quantities representing states in a cylinder and group data of gas components in a chemical reaction DB.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of a chemical reaction relating to combustion.
FIG. 7 is a view corresponding to FIG. 4 showing a result process * 2 when shifting from the expansion stroke to the exhaust stroke.
FIG. 8 is a flowchart showing an outline of a simulation procedure.
FIG. 9 is an explanatory view schematically showing switching between CFD and chemical reaction simulation and transmission and reception of data associated therewith.
FIG. 10 is a diagram corresponding to FIG. 4 according to another embodiment applied to a direct injection engine.
FIG. 11 is a diagram corresponding to FIG. 4 in a case where data of the intake state at the intake valve closing timing is directly provided from the CFD to the chemical reaction SIM.
[Explanation of symbols]
A. Engine performance prediction and analysis system
1, 1,... Calculation server (first calculation means, second calculation means, estimation means, first and second data providing means)
5, 5,... PC terminal (estimating means, first and second data providing means)

Claims

A predictive analysis method for analyzing a state of a working gas from at least a part of an intake system to a part of an exhaust system of an engine by applying CFD to predict performance of the engine,
A first simulation is performed to simulate the flow of the working gas of the engine, whereby the state of the working gas filled in the combustion chamber when the intake valve is closed in the early stage of the compression stroke is obtained.
Based on the state of the working gas at the closing timing of the intake valve, to estimate the state of the working gas when it is assumed that the working gas is filled in the combustion chamber at the bottom dead center of the compression stroke,
A second simulation operation for simulating the state of the working gas from the estimated working gas state at the bottom dead center of the compression stroke to the bottom stroke of the expansion stroke at least based on the estimated working gas state; analysis method.

A predictive analysis method for analyzing a state of a working gas of at least a part of an intake system to a part of an exhaust system of a direct injection engine by applying a CFD to predict performance of the engine,
A first simulation is performed to simulate the flow of the working gas of the engine, whereby the state of the working gas filled in the combustion chamber when the intake valve is closed in the early stage of the compression stroke is obtained.
Based on the state of the working gas at the closing timing of the intake valve, to estimate the state of the working gas when it is assumed that the working gas is filled in the combustion chamber at the bottom dead center of the compression stroke,
Based on at least the estimated working gas state at the compression stroke bottom dead center and the amount of fuel supplied to the combustion chamber, the state of the working gas in the combustion chamber is simulated from the compression stroke bottom dead center to the expansion stroke bottom dead center. While performing the simulation operation of 2,
When the fuel supply amount in the compression stroke is changed in the middle of the second simulation calculation, the calculation is temporarily terminated, and the second simulation calculation is restarted from the beginning based on the changed fuel supply amount. Of predictive analysis of engine performance.

A computer system for predicting the performance of the engine by analyzing a state of a working gas from at least a part of an intake system to a part of an exhaust system of the engine by applying CFD,
First arithmetic means for performing an operation to simulate the flow of the working gas of the engine;
Second computing means for performing computation for simulating the state of the working gas in the combustion chamber of the engine from the bottom dead center of the compression stroke to the bottom dead center of the expansion stroke;
From the result of the simulated calculation by the first calculation means, the state of the working gas filled in the combustion chamber when the intake valve is closed at the beginning of the compression stroke is determined. Estimating means for estimating the state of the working gas when it is assumed that the chamber is filled,
First data providing means for providing data serving as an initial condition for calculation to the second calculation means based on at least data of the state of the working gas estimated by the estimation means;
A system for predicting and analyzing engine performance, comprising:

In claim 3,
The first calculation means performs the CFD calculation by regarding the flow of the intake and exhaust air as at least one of a one-dimensional flow and a three-dimensional flow.
The second calculating means determines that the working gas in the combustion chamber does not move during the compression and expansion strokes, and assumes that the intake valve is closed at the bottom dead center of the compression stroke, and determines the state of the working gas by a chemical reaction formula. A system for predicting and analyzing engine performance, wherein the system is simulated by calculation.

In any one of claims 3 and 4,
The estimating means determines the pressure of the working gas at the compression stroke bottom dead center based at least on the pressure state of the working gas at the intake valve closing timing and the volume ratio of the combustion chamber at the intake valve closing timing and the compression stroke bottom dead center. A system for predicting and analyzing engine performance, wherein the system is configured to estimate a state.

In claim 5,
The estimating means determines the pressure and temperature state of the working gas at the intake valve closing timing, the volume ratio of the combustion chamber at the intake valve closing timing and the compression stroke bottom dead center, and between the compression stroke bottom dead center and the intake valve closing timing. The engine performance is characterized by estimating the pressure and temperature state of the working gas at the bottom dead center of the compression stroke based on the estimated value of the amount of heat transferred from the working gas to the combustion chamber wall. Predictive analysis system.

In claim 3,
An initial state of the flow of the working gas discharged from the combustion chamber after the exhaust valve is opened in the latter half of the expansion stroke is determined based on the state of the working gas in the latter half of the expansion stroke calculated by the second calculating means. And a second data providing means for providing the data in the initial state to the first arithmetic means.

In claim 3,
The first calculation means is configured to perform a calculation simulating the flow of the working gas to the combustion chamber, taking into account that the closing timing of the intake valve is changed according to the operating conditions of the engine. A predictive analysis system for engine performance characterized by:

A computer system for predicting the performance of a direct injection engine by predicting the performance of the engine by analyzing a state of a working gas from at least a part of an intake system to a part of an exhaust system by applying CFD.
First arithmetic means for performing an operation to simulate the flow of the working gas of the engine;
Second computing means for performing computation for simulating the state of the working gas in the combustion chamber of the engine from the bottom dead center of the compression stroke to the bottom dead center of the expansion stroke;
From the result of the simulated calculation by the first calculation means, the state of the working gas filled in the combustion chamber when the intake valve is closed at the beginning of the compression stroke is determined. Estimating means for estimating the state of the working gas when it is assumed that the chamber is filled,
Data provision for providing data as an initial condition for calculation to the second calculation means based on at least data on the state of the working gas estimated by the estimation means and data on the amount of fuel supplied to the combustion chamber. Means,
When the fuel supply amount in the compression stroke changes during the simulation calculation by the second calculation means, the calculation is forcibly terminated, and the state of the working gas is newly estimated by the estimation means. And a re-calculation execution means for executing the simulation calculation again from the beginning by the second calculation means based on the estimation result.

A control program of a computer system for predicting the performance of the engine by analyzing a state of a working gas from at least a part of an intake system to a part of an exhaust system of the engine by applying CFD,
A first calculation step for performing a calculation simulating the flow of the working gas of the engine;
A second calculation step of performing a calculation to simulate the state of the working gas in the combustion chamber of the engine from a compression stroke bottom dead center to an expansion stroke bottom dead center;
From the result of the simulated calculation in the first calculation step, the state of the working gas filled in the combustion chamber when the intake valve is closed in the early stage of the compression stroke is obtained, and this working gas is used for combustion at the bottom dead center of the compression stroke. An estimating step of estimating a state of the working gas when it is assumed that the chamber is filled,
A first data providing step of providing data serving as an initial condition for the calculation in the second calculation step based on at least the data on the state of the working gas estimated in the estimation step. Control program for engine performance prediction analysis system.

In claim 10,
In the first calculation step, the CFD calculation is performed by regarding the flow of intake and exhaust air as at least one of a one-dimensional flow and a three-dimensional flow,
In the second operation step, the working gas in the combustion chamber in the compression and expansion strokes is regarded as not moving, and the state of the working gas is calculated by the chemical reaction formula assuming that the intake valve is closed at the bottom dead center of the compression stroke. A control program for a system for predicting and analyzing engine performance, characterized by simulating by calculation.

In any of claims 10 or 11,
In the estimating step, the pressure of the working gas at the bottom dead center of the compression stroke is determined based at least on the pressure state of the working gas at the closing timing of the intake valve and the volume ratio of the combustion chamber at the closing timing of the intake valve and the bottom dead center of the compression stroke. A control program for a predictive analysis system for engine performance, characterized by estimating a state.

In claim 12,
In the estimating step, the pressure and temperature state of the working gas at the intake valve closing timing, the volume ratio of the combustion chamber at the intake valve closing timing and the compression stroke bottom dead center, and between the compression stroke bottom dead center and the intake valve closing timing A control program for a predictive analysis system for engine performance, wherein the pressure and temperature state of the working gas at the bottom dead center of the compression stroke are estimated based on the estimated value of the amount of heat transferred from the working gas to the combustion chamber wall. .

In claim 10,
Based on the state of the working gas in the second half of the expansion stroke calculated in the second calculation step, the initial state of the flow of the working gas discharged from the combustion chamber after the exhaust valve is opened in the second half of the expansion stroke is determined. And a second data providing step of providing the data in the initial state as initial conditions for the calculation in the first calculation step.

In claim 10,
In a first calculation step, an engine performance simulating a flow of working gas to a combustion chamber is performed in consideration of a fact that a closing timing of an intake valve is changed according to an operating condition of an engine. Control program for predictive analysis system.

A control program of a computer system for predicting the performance of a direct injection engine by predicting the performance of the engine by analyzing a state of a working gas from at least a part of an intake system to a part of an exhaust system by applying CFD,
A first calculation step for performing a calculation simulating the flow of the working gas of the engine;
A second calculation step of performing a calculation to simulate the state of the working gas in the combustion chamber of the engine from a compression stroke bottom dead center to an expansion stroke bottom dead center;
From the result of the simulated calculation in the first calculation step, the state of the working gas filled in the combustion chamber when the intake valve is closed in the early stage of the compression stroke is obtained, and this working gas is used for combustion at the bottom dead center of the compression stroke. An estimating step of estimating a state of the working gas when it is assumed that the chamber is filled,
A data providing step of providing data serving as initial conditions for the calculation in the second calculation step based on at least the state of the working gas estimated in the estimation step and the fuel supply amount to the combustion chamber;
If the fuel supply amount in the compression stroke changes during the simulation in the second calculation step, the simulation is forcibly terminated, and the estimation of the working gas state in the estimation step and the estimation result are performed. A re-calculation execution step of executing a simulation calculation of the second calculation step based on the re-calculation from the beginning.