JP2005100056A - Piston design support program, and method and device for supporting design - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ピストン形状の設計をコンピュータによって支援するための設計支援プログラム、設計支援方法及び設計支援装置に関する。 The present invention relates to a design support program, a design support method, and a design support apparatus for supporting a piston shape design by a computer.
従来から、仕向地や排気量に応じて様々なピストンの設計が行われている(例えば、特許文献1参照)。ピストンは、シリンダブロックなどに比べてその形状を変更しやすいため、目標とする圧縮比やエミッション性能等を実現する目的で、細かな設計変更の対象となる。 Conventionally, various pistons have been designed according to the destination and the displacement (see, for example, Patent Document 1). Since the shape of the piston is easy to change compared to a cylinder block or the like, the piston is subject to a fine design change for the purpose of realizing a target compression ratio, emission performance, and the like.
一方で、ピストンの設計には制約条件が多く、各種の寸法値同士が複雑に関係しているため、ピストンの設計は一般的に熟練者の勘を頼りにして行われていた。そして、3D−CAD(Computer Aided Design)ソフトウェアを用いてピストン設計を行う際にも、ピストン全体を1つの部品としてデザインしており、それをさらに細分化するという発想はなかった。
しかしながら、従来は、形状の一部が共通する複数のピストンについても、全く別個に設計しなければならず、効率が悪かった。また、ピストンの燃焼室側の形状と、それ以外の形状とを明確に分けて設計していなかったため、必ずしも効率的なピストン設計を実現できていなかった。すなわち、ピストンの燃焼室側の形状が共通する異なるピストンを設計しようとする場合にも、一からピストンの設計をやり直すことになっていた。さらに、ユーザ自身がピストン設計の複雑なルールを把握した上でピストン形状の変更を行なう必要があった。 However, conventionally, a plurality of pistons having a common shape must be designed completely separately, which is inefficient. In addition, the piston on the combustion chamber side and the other shapes were not clearly designed separately, so that an efficient piston design could not always be realized. That is, even when trying to design different pistons having the same shape on the combustion chamber side of the piston, the design of the piston has to be performed again from the beginning. Furthermore, it is necessary for the user to change the piston shape after grasping complicated rules for piston design.
本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ピストン設計をより効率化するための技術を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a technique for making the piston design more efficient.
上記目的を達成するため、本発明に係るプログラムは、
コンピュータに、
ピストン形状に関する諸元値を入力する入力工程と、
所定のルールに従った変形が可能なピストンモデルをデータベースから読出す読出工程と、
前記入力工程で入力された前記諸元値に基づき前記ピストンモデルを変形する変形工程と、
を実行させ、内燃機関のピストン形状の設計を支援するピストン設計支援プログラムであって、
前記データベースは、前記ピストンモデルとして、少なくともピストンの燃焼室面の形状を表す本体モデルと、前記本体モデルから削り取るべき空間形状を表す空間モデルとを含み、
前記変形工程は、前記諸元値に応じて前記本体モデルと前記空間モデルの両方を変形させ、前記本体モデルを前記空間モデルで表された形状に削り取ることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a program according to the present invention provides:
On the computer,
An input process for inputting specification values related to the piston shape;
A reading step of reading a piston model that can be deformed according to a predetermined rule from a database;
A deformation step of deforming the piston model based on the specification values input in the input step;
Is a piston design support program that supports the design of the piston shape of the internal combustion engine,
The database includes, as the piston model, at least a main body model representing the shape of the combustion chamber surface of the piston, and a spatial model representing a spatial shape to be scraped from the main body model,
The deformation step is characterized in that both the main body model and the space model are deformed according to the specification values, and the main body model is cut into a shape represented by the space model.
前記空間モデルは、ピストンのスカート内部の形状を表すスカート内部空間モデルを含むことを特徴とする。 The space model includes a skirt internal space model representing a shape inside the skirt of the piston.
前記空間モデルは、ピストンのスカート外表面の形状を表すスカート外部空間モデルを含むことを特徴とする。 The space model includes a skirt external space model representing the shape of the outer surface of the skirt of the piston.
前記空間モデルは、コンロッドを保持するためのピンを挿入するピン穴の形状を表すピン穴空間モデルを含むことを特徴とする。 The space model includes a pin hole space model representing a shape of a pin hole into which a pin for holding a connecting rod is inserted.
前記入力工程は、前記諸元値として、ピストン全体に対する寸法を入力し、
前記変形工程は、前記ピストン全体に対する寸法に応じて、前記本体モデル及び前記空間モデルのそれぞれを変形させてから、前記本体モデルから前記空間モデルを削りとることを特徴とする。
In the input step, as the specification value, a dimension for the whole piston is input,
The deformation step is characterized in that the space model is scraped from the body model after deforming each of the body model and the space model according to the dimensions of the whole piston.
前記入力工程は、前記諸元値として、ピストンの肉厚を入力し、
前記変形工程は、前記入力工程で入力された肉厚に応じた距離だけ前記本体モデルから離れた位置に前記スカート内部空間モデルを配置した状態で、前記本体モデルから前記スカート内部空間モデルを削りとることを特徴とする。
In the input step, the thickness of the piston is input as the specification value,
In the deforming step, the skirt internal space model is scraped from the main body model in a state where the skirt internal space model is arranged at a position separated from the main body model by a distance corresponding to the wall thickness input in the input step. It is characterized by that.
前記入力工程は、前記諸元値として、前記スカート内部空間モデルの形状を決定する寸法と、ピストンの最小肉厚とを入力し、
前記変形工程は、前記入力工程で入力された諸元値に応じて前記スカート内部空間モデルを変形して、前記本体モデルから前記スカート内部空間モデルを削りとって生成されたピストンモデルの肉厚が前記最小肉厚以下になった場合に、エラー報知または再変形を行なうことを特徴とする。
In the input step, as the specification value, a dimension for determining the shape of the skirt internal space model and a minimum wall thickness of the piston are input,
In the deformation step, the skirt internal space model is deformed according to the specification value input in the input step, and the thickness of the piston model generated by cutting the skirt internal space model from the main body model is determined. An error notification or re-deformation is performed when the thickness is less than the minimum thickness.
前記本体モデルは、吸気バルブとの干渉防止のために設けられる吸気側リセスを含む吸気側ピストンモデルと、排気バルブとの干渉防止のために設けられる排気側リセスを含む排気側ピストンモデルと、を含み、
前記変形工程では、前記吸気側ピストンモデルと前記排気側ピストンモデルの両方をそれぞれ変形させ、変形した前記吸気側ピストンモデルと前記排気側ピストンモデルとを組合せることを特徴とする。
The main body model includes an intake side piston model including an intake side recess provided to prevent interference with the intake valve, and an exhaust side piston model including an exhaust side recess provided to prevent interference with the exhaust valve. Including
In the deformation step, both the intake side piston model and the exhaust side piston model are respectively deformed, and the deformed intake side piston model and the exhaust side piston model are combined.
前記吸気側モデル及び前記排気側モデルは、それぞれ対称性に応じて細分化されたモデルであり、
前記変形工程は、前記吸気側モデルと前記排気側モデルとを組み合わせて、前記対称性に応じてミラーリングすることを特徴とする。
The intake side model and the exhaust side model are subdivided according to symmetry, respectively.
The deformation step is characterized in that the intake side model and the exhaust side model are combined and mirrored according to the symmetry.
前記入力工程は前記諸元値として目標圧縮比を入力し、
前記スカート内部空間モデルは、クラウン裏の空間形状を表わす部分を含み、
前記変形工程は、前記入力工程において入力された前記目標圧縮比が大きければ大きいほど前記スカート内部空間モデルのクラウン裏のアールを大きくすることを特徴とする。
The input step inputs a target compression ratio as the specification value,
The skirt internal space model includes a portion representing the space shape of the crown back,
The deformation step is characterized in that the larger the target compression ratio input in the input step is, the larger the radius of the crown back of the skirt internal space model is.
前記入力工程は前記諸元値としてピンボス間隔を入力し、
前記スカート内部空間モデルは、クラウン裏の空間形状を表わす部分を含み、
前記変形工程は、前記入力工程において入力された前記ピンボス間隔が小さければ小さいほど前記スカート内部空間モデルのクラウン裏のアールを大きくすることを特徴とする。
The input step inputs a pin boss interval as the specification value,
The skirt internal space model includes a portion representing the space shape of the crown back,
The deformation step is characterized in that the radius of the crown back of the skirt internal space model is increased as the pin boss interval input in the input step is smaller.
前記入力工程は前記諸元値としてスカート内径を入力し、
前記スカート内部空間モデルは、クラウン裏の空間形状を表わす部分を含み、
前記変形工程は、前記入力工程において入力された前記スカート内径が小さければ小さいほど前記スカート内部空間モデルのクラウン裏のアールを大きくすることを特徴とする。
The input step inputs a skirt inner diameter as the specification value,
The skirt internal space model includes a portion representing the space shape of the crown back,
The deformation step is characterized in that the smaller the inner diameter of the skirt input in the input step is, the larger the radius of the crown back of the skirt internal space model is.
上記目的を達成するため、本発明に係る方法は、
入力手段がピストン形状に関する諸元値の入力を受け付ける入力工程と、
所定のルールに従った変形が可能なピストンモデルをデータベースから読出す読出工程と、
前記入力工程で入力された前記諸元値に基づき前記ピストンモデルを変形する変形工程と、
を含み、内燃機関のピストン形状の設計を支援するピストン設計支援方法であって、
前記データベースは、前記ピストンモデルとして、少なくともピストンの燃焼室面の形状を表す本体モデルと、前記本体モデルから削り取るべき空間形状を表す空間モデルとを含み、
前記変形工程は、前記諸元値に応じて前記本体モデルと前記空間モデルの両方を変形させ、前記本体モデルを前記空間モデルで表された形状に削り取ることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the method according to the present invention comprises:
An input step in which the input means receives input of specification values related to the piston shape;
A reading step of reading a piston model that can be deformed according to a predetermined rule from a database;
A deformation step of deforming the piston model based on the specification values input in the input step;
A piston design support method for supporting the design of the piston shape of an internal combustion engine,
The database includes, as the piston model, at least a main body model representing the shape of the combustion chamber surface of the piston, and a spatial model representing a spatial shape to be scraped from the main body model,
The deformation step is characterized in that both the main body model and the space model are deformed according to the specification values, and the main body model is cut into a shape represented by the space model.
上記目的を達成するため、本発明に係る装置は、
ピストン形状に関する諸元値の入力を受け付ける入力手段と、
所定のルールに従った変形が可能なピストンモデルをデータベースから読出す読出手段と、
前記入力手段で入力された前記諸元値に基づき前記ピストンモデルを変形する変形手段と、
を備え、内燃機関のピストン形状の設計を支援するピストン設計支援装置であって、
前記データベースは、前記ピストンモデルとして、少なくともピストンの燃焼室面の形状を表す本体モデルと、前記本体モデルから削り取るべき空間形状を表す空間モデルとを含み、
前記変形手段は、前記諸元値に応じて前記本体モデルと前記空間モデルの両方を変形させ、前記本体モデルを前記空間モデルで表された形状に削り取ることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an apparatus according to the present invention provides:
Input means for accepting input of specification values relating to the piston shape;
Reading means for reading a piston model that can be deformed according to a predetermined rule from a database;
Deformation means for deforming the piston model based on the specification values input by the input means;
A piston design support device for supporting the design of the piston shape of the internal combustion engine,
The database includes, as the piston model, at least a main body model representing the shape of the combustion chamber surface of the piston, and a spatial model representing a spatial shape to be scraped from the main body model,
The deformation means deforms both the main body model and the space model in accordance with the specification values, and scrapes the main body model into a shape represented by the space model.
本発明によれば、諸元値に応じて所定のルールを守りつつ自動的に変形するピストンモデルという新しい発想を導入することにより、ピストン設計を効率化することができる。すなわち、ピストンモデルという諸元値入力によりピストン形状を変形させてCADデータを作成するための一種のプログラムを有するので、違うピストンを設計する際にも、そのピストンモデルに対して諸元値を入力するだけで非常に容易にピストンの形状設計が行うことができる。 According to the present invention, the piston design can be made more efficient by introducing a new idea of a piston model that automatically deforms while observing predetermined rules in accordance with specification values. In other words, because there is a kind of program for creating CAD data by deforming the piston shape by inputting the specification value of the piston model, even when designing a different piston, the specification value is input to the piston model. This makes it possible to design the piston shape very easily.
ここで、ピストンモデルというプログラムは、諸元値に応じた変形ルールを盛り込まなければならず、作成するのに非常に高度な技術や多大な工数が必要となるが、本発明ではこのようなピストンモデルを、ピストン形状を規定する適切な部分について用意し、ピストン全体に対する諸元値に応じて適宜変形させ、その後合体させることにより、ピストンモデルの設計容易性と諸元値入力時のピストン形状演算処理の効率性とを達成できる。 Here, the piston model program must include a deformation rule according to the specification value, and requires a very advanced technique and a large number of man-hours to create. In the present invention, such a piston model is required. The model is prepared for the appropriate part that defines the piston shape, deformed appropriately according to the specification value for the whole piston, and then merged to make the piston model easy to design and calculate the piston shape when inputting the specification value. Processing efficiency can be achieved.
すなわち、データベースに、ピストンの燃焼室面の形状を表す本体モデルと、本体モデルから削り取るべき空間形状を表す空間モデルとを予め用意しておき、諸元値に応じて本体モデルと空間モデルの両方を変形させ、変形後の本体モデルを変形後の空間モデルで表された形状に削り取るので、燃焼性能に関する形状を他の形状と独立して設計することができ、全体の設計を効率的に行なうことができる。 That is, in the database, a body model representing the shape of the combustion chamber surface of the piston and a space model representing the space shape to be scraped from the body model are prepared in advance, and both the body model and the space model are prepared according to the specification values. Is deformed, and the deformed main body model is cut into the shape represented by the deformed space model, so that the shape related to the combustion performance can be designed independently of other shapes, and the entire design is efficiently performed. be able to.
また、空間モデルが、ピストンのスカート内部の形状を表すスカート内部空間モデルやピストンのスカート外表面の形状を表すスカート外部空間モデルを含む場合には、燃焼性能に関する形状と放熱性能に関する形状とを独立して設計することができるため、ピストン全体の設計がより効率的となる。また、コンロッドとの干渉を考慮してスカート内部のみクラウン形状とは独立して設計することも可能となる。 In addition, when the space model includes a skirt internal space model that represents the shape inside the piston skirt or a skirt external space model that represents the shape of the piston skirt outer surface, the shape related to combustion performance and the shape related to heat dissipation performance are independent. Therefore, the overall design of the piston becomes more efficient. Also, it is possible to design only the inside of the skirt independently of the crown shape in consideration of interference with the connecting rod.
空間モデルとして、コンロッドを保持するためのピンを挿入するピン穴の形状を表すピン穴空間モデルを含む場合には、ピンの変更に伴うピン穴の形状の設計変更を、クラウン形状などの燃焼室面の設計変更とは独立して行なうことができるため、ピストン設計を効率化することができる。 When the pin hole space model representing the shape of the pin hole for inserting the pin for holding the connecting rod is included as the space model, the design change of the pin hole shape accompanying the change of the pin is changed to the combustion chamber such as the crown shape. Piston design can be made more efficient because it can be performed independently of the surface design change.
ピストン全体に対する寸法に応じて、本体モデル及び空間モデルのそれぞれを変形させてから、本体モデルから空間モデルを削りとる場合には、ピストン設計者は、ピストン全体についての寸法値を入力すればよく、各モデルごとの寸法値を意識して入力する必要はないため、ピストンの設計を非常に簡便に行なうことができる。 When the main body model and the space model are deformed according to the dimensions for the whole piston and then the space model is scraped off from the main body model, the piston designer only has to input the dimensional values for the whole piston, Since it is not necessary to input the dimensional value for each model in consideration, the piston can be designed very simply.
諸元値として、ピストンの肉厚を入力し、入力された肉厚に応じた距離だけ本体モデルから離れた位置にスカート内部空間モデルを配置した状態で、本体モデルからスカート内部空間モデルを削りとるようにして全体のピストン形状を決定するので、ピストン設計者は、従来通り、ピストンの肉厚を入力すればよく、各モデルの配置位置を意識して入力する必要はないため、ピストンの設計を非常に簡便に行なうことができる。 Enter the thickness of the piston as a specification value, and scrape the skirt internal space model from the main body model in a state where the skirt internal space model is placed at a position separated from the main body model by a distance corresponding to the input thickness. Since the overall piston shape is determined in this way, the piston designer only has to input the piston wall thickness as before, and it is not necessary to input the location of each model. It can be done very simply.
本体モデルが、吸気バルブとの干渉防止のために設けられる吸気側リセスを含む吸気側ピストンモデルと、排気バルブとの干渉防止のために設けられる排気側リセスを含む排気側ピストンモデルと、を含み、吸気側ピストンモデルと排気側ピストンモデルの両方をそれぞれ変形させ、変形した吸気側ピストンモデルと排気側ピストンモデルとを組合せることでピストン全体を設計するので、吸気側と排気側とを独立して設計し、様々に組み合わせることが可能となる。 The main body model includes an intake side piston model including an intake side recess provided to prevent interference with the intake valve, and an exhaust side piston model including an exhaust side recess provided to prevent interference with the exhaust valve. Because the entire piston is designed by deforming both the intake side piston model and the exhaust side piston model, and combining the deformed intake side piston model and exhaust side piston model, the intake side and exhaust side are made independent. Can be designed and combined in various ways.
吸気側モデル及び排気側モデルが、それぞれ対称性に応じて細分化され、対称性に応じてミラーリングすることによって全体としてピストンモデルを生成するので、モデルの容量及び変形処理を軽減することが可能となる。 The intake-side model and the exhaust-side model are subdivided according to the symmetry, respectively, and the piston model is generated as a whole by mirroring according to the symmetry, so it is possible to reduce the capacity and deformation process of the model Become.
諸元値として目標圧縮比を入力し、クラウン裏の空間形状を表わす部分を含むスカート内部空間モデルを変形するにあたり、目標圧縮比が大きければ大きいほど前記クラウン裏のアールを大きくすれば、目標圧縮比が大きければ放熱性能を高める形状にすることができ、より適正なピストン形状とすることができる。 When a target compression ratio is input as a specification value and a skirt internal space model including a portion representing the space shape of the crown back is deformed, the larger the target compression ratio, the larger the radius of the crown back, the larger the target compression. If the ratio is large, it is possible to obtain a shape that enhances the heat dissipation performance, and a more appropriate piston shape.
諸元値としてピンボス間隔を入力し、スカート内部空間モデルが、クラウン裏の空間形状を表わす部分を含み、入力されたピンボス間隔が小さければ小さいほどスカート内部空間モデルのクラウン裏のアールを大きくすれば、ピンボス間隔の減少に伴う放熱面積の低下をクラウン裏のアールの増大による放熱性能の向上によって補うことが可能となる。 If the pin boss interval is input as a specification value, the skirt internal space model includes a portion representing the space shape of the crown back, and the smaller the input pin boss interval is, the larger the radius of the crown back of the skirt internal space model is. Thus, it is possible to compensate for the decrease in the heat dissipation area accompanying the decrease in the pin boss interval by improving the heat dissipation performance by increasing the radius on the back of the crown.
諸元値としてスカート内径を入力し、入力されたスカート内径が小さければ小さいほどスカート内部空間モデルのクラウン裏のアールを大きくすれば、スカート内径の減少に伴う放熱面積の低下をクラウン裏のアールの増大による放熱性能の向上によって補うことが可能となる。 If the inner diameter of the skirt is entered as a specification value and the radius of the crown back of the skirt internal space model is increased as the input skirt inner diameter is smaller, the reduction of the heat radiation area due to the decrease of the skirt inner diameter is reduced. It can be compensated by improving the heat dissipation performance due to the increase.
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものを含む。なお、本明細書において、ピストンモデルとは、ピストン形状を表す複数の点の座標データ及びそれぞれの点の相関関係によって表現されるオブジェクトである。また、諸元値とは、ピストンやその周辺部品の形状及び位置を決定する寸法およびその基準値、並びにピストンの性能値をいう。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiment described below is an example of means for realizing the present invention, and the present invention includes modifications or variations of the following embodiment without departing from the spirit of the present invention. In this specification, the piston model is an object expressed by coordinate data of a plurality of points representing the piston shape and the correlation between the points. The specification values refer to dimensions and reference values for determining the shape and position of the piston and its peripheral parts, and performance values of the piston.
(ピストン及びその設計について)
図10は、本発明の実施形態にかかる支援システムによって設計することのできるピストン及び周辺部品の1例を示す図である。
(About piston and its design)
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a piston and peripheral components that can be designed by the support system according to the embodiment of the present invention.
まず、本図を用いて、ピストン設計支援プログラムが設計しようとするピストン及びその周辺部品について説明する。 First, a piston and its peripheral parts to be designed by the piston design support program will be described with reference to FIG.
図中、1000はDOHCの4弁4サイクルガソリンエンジン(以下、単にエンジンと称する)である。エンジン1000は、シリンダ1110aを有するシリンダブロック1110と、このシリンダブロック1110の上面に組み付けられたシリンダヘッド1120と、シリンダ1110a内に往復動可能に嵌装されたピストン1130と、ピストン1130に取り付けられたコンロッド1140と、ピストン1130とコンロッド1140とを接続するピン1135と、コンロッド1140を支持するクランク1150と、クランク1150のコンロッド1140と逆側に取り付けられたカウンタウェイト(以下、C/Wとも表わされる)1160と、を備えており、シリンダブロック1110とシリンダヘッド1120との間にはガスケット(以下、GSKTとも表わされる)1190が挟まれている。シリンダ1110a内には、ピストン1130及びシリンダヘッド1120により囲まれる燃焼室1200が形成され、クランク1150が収容されたクランク室1300と、ピストン1130を隔てて区画されている。
In the figure, 1000 is a DOHC 4-valve 4-cycle gasoline engine (hereinafter simply referred to as an engine). The engine 1000 includes a
シリンダヘッド1120には、吸気ポート1220と排気ポート1230が形成されており、吸気ポート1220の燃焼室1200側の開口を開閉する吸気バルブ1171、及び排気ポート1230の燃焼室1200側開口を開閉する排気バルブ1172が設けられている。吸気バルブ1171は吸気側カム1181の回転によって往復動し、排気バルブ1172は排気側カム1182の回転によって往復動する。
An
また、図10には、吸気バルブ1171と排気バルブ1172とが1つずつ示されているが、4弁エンジンであるから、実際には2つずつ設けられている。
Further, FIG. 10 shows one
図11は、ピストン1130単体の外観を示す斜視図である。図11に示すように、ピストン1130の上面部の外周縁部はピストン1130の中心軸と直交する平面状をなし、その外周縁部を除く部分には、ピストン1130の中心軸方向から見て円形状をなすクラウン1130aが形成されいる。
FIG. 11 is a perspective view showing the external appearance of the
ピストン1130の上面部には、ピストン1130が吸気バルブ1171と干渉(衝突)しないように、吸気バルブ1171に対向する位置に2つのリセス(凹部)1130bが形成されている。同様に、排気バルブ1172に対向する位置に2つのリセス1130cが形成されている。2つのリセス1130bはまったく同じ形状をしており、また、2つのリセス1130cもまったく同じ形状をしている。そのため、ピストン1130は、その中心軸を通る平面1500によって、鏡像をなす2つの部分に分割することができる。
Two recesses (recesses) 1130 b are formed on the upper surface of the
また、ピストン1130の側周面における頂部近傍には、ピストンリングを嵌め込むための3つのピストンリング溝1130d(上からトップリング、セカンドリング、オイルリングと称する)が形成されている。また、ピストンリング溝1130dに挟まれた部分をランドと呼び、上からトップランド1130f、セカンドランド1130g、サードランド1130hと呼ぶ。さらに、ピストンの下方部分は中空になっており、その壁面部をスカート1130jと呼ぶ。スカート1130jにはピン穴1130kが形成される。
Further, three
クラウン1130aは、凸状に突出しているか、或いは平ら(フラット)か、或いは凹状にへこんでいるかいずれかの形状となっている。
The
図10に示した燃焼室1200の体積はこのリセス1130b、1130cの形状およびクラウン1130aの形状に応じて変化し、それと共に圧縮比も変化する。逆に言えば、このクラウン1130aの直径や突出高さ等は、目標圧縮比に応じて決まる。つまり、燃焼室1200の容積(ピストン1130が上死点にあるときの容積)が目標圧縮比から決まる値になるように、リセス形状およびクラウン形状を調整する必要がある。
The volume of the
CADなどのコンピュータシステムでこのようなピストンの設計を行なう場合、ピストンの形状を決める寸法や周辺部品との相対位置から大まかにピストン形状を決め、さらに目標圧縮比や目標強度などの目標性能値を達成するか否かを検証しながら、細かい部分のピストン形状を決定していく。そして、ある程度細かい部分までピストン形状が決定すれば、その3次元形状データを用いて、CAE(Computer Aided Engineering)で精密計算を行ない、スカート1130jの剛性や、ピン穴1130kなどの静応力計算、クラウン1130aの熱応力計算、ピストン1130が往復動する際の挙動解析を行なう。
When designing such a piston with a computer system such as CAD, roughly determine the piston shape from the dimensions that determine the shape of the piston and the relative position with the surrounding components, and then set the target performance values such as the target compression ratio and target strength. While verifying whether or not to achieve, determine the fine piston shape. Once the piston shape is determined to a certain degree of detail, precise calculation is performed by CAE (Computer Aided Engineering) using the three-dimensional shape data, the rigidity of the
CAEでの精密計算には時間がかかるため、CAEに持ち込む前に、十分な検証を行ない、可能な限り適正なピストン形状にすることがピストン設計の効率化を図る上で重要である。そこで、本実施形態では、以下のようなピストン設計支援システムを用いる。 Since precise calculation in CAE takes time, it is important to perform sufficient verification before bringing it into CAE and to make the piston shape as appropriate as possible in order to increase the efficiency of the piston design. Therefore, in the present embodiment, the following piston design support system is used.
<第1実施形態>
(全体のシステム構成)
まず、本発明の第1実施形態としてのピストン設計支援システムの全体構成について説明する。
<First Embodiment>
(Overall system configuration)
First, the overall configuration of the piston design support system as the first embodiment of the present invention will be described.
図1は、本実施形態に係るピストン設計支援システム100の構成を例示する図である。図1のピストン設計支援システム100は、ローカルエリアネットワーク103によって接続されたピストン設計支援装置としてのコンピュータ101とデータベースサーバ102とを含む。
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a piston
コンピュータ101は、CPU111、ROM(Read Only Memory)113、RAM(Random Access Memory)114、HD(Hard Disk)115、入出力インタフェース(I/O)116、画像処理部118及び通信部119をその本体に備え、それぞれは、バス112によって互いに接続されている。また、本体外部には入力デバイス120及びディスプレイ117が設けられており、それぞれ入出力インタフェース116及び画像処理部118に接続されている。
The
これらのうち、CPU111はコンピュータ101全体を制御する演算・制御用のプロセッサである。また、ROM113は、CPU111で実行するブートプログラムや固定値等を格納する不揮発性メモリである。そして、RAM114は、データやプログラムを一時的に記憶するための揮発性メモリである。さらに、HD115は、コンピュータ101で実行するOS及び各種のプログラムモジュールを格納した記憶手段としての記憶媒体である。また、入出力インタフェース116は、コンピュータ本体と入力デバイス120との間でデータを入出力するためのインタフェースである。
Among these, the
入力デバイス120は、命令やデータを入力するキーボードやマウスなどのデバイスであり、ディスプレイ117は、CPU111からの制御指令に基づき画像処理部118で演算処理された文字や画像データを出力する液晶ディスプレイやCRTなどのデバイスである。画像処理部118は、このディスプレイ117に表示するための画像データを演算処理するユニットである。通信部119は、無線又は有線の通信回線を介してデータベースサーバ102との間でデータを送受信するためのユニットである。
The
詳しく説明すると、RAM114は、ピストン設計支援処理に際しCPU111で実行するプログラムを一時的に格納するためのプログラム実行領域114a、ユーザから入力されたピストンの諸元値データを一時的に記憶しておく諸元値記憶領域114b、ピストンに関する各種モデルを記憶する各種モデル記憶領域114c、表示画像を一時的に記憶する表示画像記憶領域114dを備える。
More specifically, the
また、HD115には、ピストンの設計を支援するためのプログラムモジュールが格納されている。具体的には、ピストン関連の諸元値データを入力するための諸元値入力モジュール115a、諸元値が適正か否かを検証する検証モジュール115b、データベースから各種モデルを読出すデータベース読出モジュール115c、諸元値に基づいてデータベースから読出した各種モデルを変形するモデル変形モジュール115d、変形したピストンモデルを用いて、ピストン−バルブ間隔や、クラウン裏の肉厚などを演算する間隔・肉厚演算モジュール115e、変形したピストンモデル等を用いて、各種の体積演算を行なう体積演算モジュール115f、体積演算モジュール115fによって算出された燃焼室体積を用いて圧縮比を演算する圧縮比演算モジュール115gがピストン設計支援プログラムとして格納されている。
The
図2は、データベースサーバ102が記憶する各種のデータを示す図である。図2のようにデータベースサーバ102は、ピストン生成用モデル121と諸元値データ122と2次元検証用データ123と3次元検証用モデル124とを含む。また、ピストン生成用モデル121は、吸気側モデル211と排気側モデル212とスカート内部空間モデル213とスカート外部空間モデル214とピン穴モデル215とを含む。ここで、吸気側モデル211は、吸気バルブ1171との干渉防止のために設けられる吸気側リセス1130bを含むモデルである。一方、排気側モデル212は排気バルブ1172との干渉防止のために設けられる排気側リセス1130cを含むモデルである。吸気側モデル211及び排気側モデル212は、それぞれ対称性に応じて細分化されたモデルである。さらに、吸気側モデル211及び排気側モデル212は、スカート1130j部分において、くり抜かれるべき内部空間や削られるべき外部空間についての情報をもたない。つまり、ここでは、それぞれの吸気側モデル211及び排気側モデル212は、上部に1つのリセスとクラウンとリング溝を含む1/4円柱形状となっている。また、データベースサーバ102はピストン生成用モデル121として、クラウンタイプに応じて複数の吸気側モデル211及び排気側モデル212を記憶している。つまり、ピストン生成用モデル121に含まれる吸気側モデル211及び排気側モデル212は、クラウンタイプによって、凸型、フラット型、凹型の3タイプに分類することができる。もちろん、このような分類は限定的なものではなく、例えば凸型と凹型の2タイプにタイプ分けしてもよいし、または、クラウンの形状に応じて4タイプ以上に分けて吸気側モデル211及び排気側モデル212を用意してもよい。また、吸気側モデル211および排気側モデル212は、ピストンの燃焼室面の形状を表す本体モデルと呼ぶこともできる。
FIG. 2 is a diagram showing various data stored in the
これに対し、スカート内部空間モデル213およびスカート外部空間モデル214は、と、本体モデルから削り取るべき空間形状を表す空間モデルである。スカート内部空間モデル213は、ピストン1130のスカート1130jの内部の形状を表し、スカート外部空間モデル214は、ピストン1130のスカート1130jの外表面の形状を表す。スカート内部空間モデル213およびスカート外部空間モデル214も、それぞれ対称性に応じて細分化されたモデルであり、ここでは、実際のスカート内部空間および外部空間をピストン中心軸を通る平面で1/2に切断した形状となっている。この切断面は、上記吸気側モデル211および排気側モデル212に含まれる切断面と同一である。
なお、スカート内部空間モデル213の頂部は、クラウン裏の形状を表わす。
On the other hand, the skirt
The top of the skirt
また、ピン穴モデル215は、コンロッド1140を保持するためのピン1135を挿入するピン穴1130kの形状を表すモデルである。
The
諸元値データ122は、ユーザが入力した諸元値についてのデータを含む。2次元検証用データ123は、ユーザが入力した諸元値について、3次元データを生成する前に、数式や2次元データを用いて検証するために用いられるデータである。2次元検証用データ123としては、諸元値をパラメータとする検証式231と、ピストン1130、バルブ1171,1172、コンロッド1140、およびカウンタウェイト1160を平面的に表わした2次元形状データ232とが含まれる
3次元検証用モデル124は、バルブモデル241とボリュームモデル242を含む。ボリュームモデル242には、ピストンリング嵌合溝周辺における、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間の空間を表すボリュームモデルを含む。このボリュームモデルは、複数のピストンリング嵌合溝の底面とシリンダの内周面との間に形成される空間を示す複数のリングボリュームモデルと、各リングボリュームモデル間のランドボリュームモデルとに分けられる。
The
(ピストン設計支援処理)
図3は、ピストン設計支援プログラムによる処理を大まかに示す図である。
(Piston design support processing)
FIG. 3 is a diagram schematically showing processing by the piston design support program.
ユーザが、ピストン設計支援プログラムを起動してピストンの設計を行なう場合、まずステップS301において、ピストン設計支援プログラムは、諸元値入力モジュール115aによりピストン形状に関する基本諸元値の入力画面を生成してディスプレイ117に表示する。そこで、諸元値データ122のファイル名が指定されれば、データベースサーバ102からその諸元値データ122が読出され、基本諸元値として設定される。ファイル名の指定がなければ、入力画面に対してユーザが諸元値を1つ1つ入力することを促す。
When the user starts the piston design support program and designs the piston, first, in step S301, the piston design support program generates an input screen for the basic specification values related to the piston shape by the specification
図4(a)は、基本諸元値入力画面の例を示す図である。図4(a)に示す基本諸元値入力画面400には、基本諸元値として以下のものを入力可能である。
FIG. 4A is a diagram illustrating an example of a basic specification value input screen. In the basic specification
・最小肉厚基準:ピストンの肉厚が満たすべき最小値である。 ・ Minimum wall thickness standard: The minimum wall thickness to be satisfied by the piston.
・目標スキ基準:ピストンの表面とコンロッドやバルブなどの周辺部品との間のスキが満たすべき最小値である。 Target ski standard: The minimum value that must be satisfied by the skid between the piston surface and peripheral parts such as connecting rods and valves.
・カムリフトデータ:吸気側カム1181と、排気側カム1182のそれぞれがどのように各バルブをリフトするかを示したもの。これらのカムの回転角速度は、クランク1150の回転角速度と等しいため、ここでは、クランク角に対応する、それぞれのカムのバルブリフト量をテキストデータで示したものを用いるものとする。クランク角を横軸に、バルブリフト量を縦軸にとってカムリフトデータをグラフに表わしたものを図5に示す。
Cam lift data: This shows how each of the
・バルブタイミング:吸気側バルブ1171の開タイミングおよび排気側バルブ1172の閉タイミングが、ピストン1130が上死点に位置するタイミングからどれほどずれているかを、クランク角で表わしたものである。図5のBTDC(Before Top Dead Center)、ATDC(After Top Dead Center)がこれを示す。カムリフトデータからはランプ高さが導き出される。
Valve timing: This shows how much the opening timing of the
・レイアウト条件:ボア径、クランク径、コンロッド長さ(コンロッドとクランクとが接続される軸の中心からピン穴中心まで)、C/W仮想円盤半径、燃焼室容積、バルブセンタ高さ、吸気バルブ挟み角、排気バルブ挟み角などのピストン寸法以外の周辺部品のレイアウト条件である。ここで、ボア径とは、シリンダ1110aの内径を表わす。また、燃焼室容積としては、ピストン形状を考慮しない、シリンダヘッド1120側の空間体積と、ガスケット厚さによる空間体積とを入力する。また、バルブセンタ高さは、ガスケット1190の上面からバルブセンタまでの距離を意味する。バルブセンタとは吸気バルブ1171の往復軸と排気バルブ1172の往復軸との交点を表わす。吸気バルブ挟み角、排気バルブ挟み角は、吸気バルブ1171、排気バルブ1172の往復動方向と、ピストン1130の往復動方向とがなす角を表わす。レイアウト条件としては、その他にも、ガスケット厚さ、ブロック高さ(クランク軸からブロック上面までの距離)、バルブオフセット(バルブセンタからシリンダの中心軸までの距離)、ピンオフセット(ピンの中心軸からピストンの中心軸までの距離)、ピン穴中心からスカート下端までの垂直距離等を入力できる。
Layout conditions: bore diameter, crank diameter, connecting rod length (from the center of the shaft where the connecting rod and crank are connected to the center of the pin hole), C / W virtual disk radius, combustion chamber volume, valve center height, intake valve This is the layout condition of peripheral parts other than the piston dimensions such as the clamping angle and the exhaust valve clamping angle. Here, the bore diameter represents the inner diameter of the
・ピストン諸元値:ピストン径、吸気側および排気側のリセスセンタ(ピストン中心からリセス中心までの距離)、吸気側、および排気側のリセス深さ、クラウン肉厚、スカート外径を含むスカート外部形状を示す各種寸法、スカート内径を含むスカート内部形状を示す各種寸法、ピン穴形状を示す各種寸法、各リング溝の深さ、幅および位置、バルブセンタからピストンピン中心までの距離、圧縮高さ(ピン穴中心からのクラウン上面までの距離)などが含まれる。 ・ Piston specifications: Piston diameter, intake and exhaust side recess centers (distance from the center of the piston to the recess center), intake and exhaust side recess depth, crown thickness, and skirt outer shape including skirt outer diameter , Various dimensions indicating the internal shape of the skirt including the skirt inner diameter, various dimensions indicating the pin hole shape, depth, width and position of each ring groove, distance from the valve center to the center of the piston pin, compression height ( Distance from the center of the pin hole to the top surface of the crown).
・バルブ諸元値:吸気バルブ径、排気バルブ径などのバルブ形状を示す寸法
説明を図3に戻すと、ステップS302においては、以上のように入力された基本諸元値を用いて、2D検証を行なう。2D検証とは、3次元のピストンモデルを構築する前に行なう数値計算による検証である。これは、基本諸元値を、データベースサーバ102に格納された検証式231に代入することによって行なわれる。検証が終わるとステップS303において検証結果が表示される。図4(b)は、検証結果を示す検証結果表示画面410を表わす図である。ここでは、スカート部の肉厚が最小肉厚基準以上となっているか否か、吸気バルブおよび排気バルブとピストンとの最近接時の距離が基準値以上となっているか否か、コンロッドとクラウン裏面との間隙が基準値以上となっているか否か、カウンタウェイトとピストンとの最近接距離が基準値以上となっているか否かの検証結果が示されている。すなわち、基準値を満たす場合には「OK」が、基準値を満たさない場合には「NG」が表示される。
-Valve specification values: dimensions indicating valve shapes such as intake valve diameter, exhaust valve diameter, etc. Returning to FIG. 3, in step S302, 2D verification is performed using the basic specification values input as described above. To do. 2D verification is verification by numerical calculation performed before constructing a three-dimensional piston model. This is performed by substituting the basic specification value into the
ここで検証式231の例を挙げると、スカート部の肉厚は、スカート外径基準寸法からスカート内径を減算して2で割ることによって導かれる。また、コンロッドとクラウン裏面との間の間隙は、圧縮高さからクラウン肉厚を減算し、さらにコンロッドの小端半径(ピンを挿入する端部の半径)を減算して導かれる。また、カウンタウェイトとピストンとの間隙は、コンロッド長さの2乗からピンオフセットの2乗を減算して2乗根をとったものからさらに、ピン穴中心からスカート下端までの距離とクランク半径とC/W仮想円盤半径を減算して導かれる。
Here, taking an example of the
2D検証として他に検証可能な事項としては、リセス深さの入力値が、バルブとピストンについての諸元値から導かれる許容最大深さよりも小さいか否か、ピン穴とオイルランド溝との間の肉厚が基準値を満たしているか否か、ピン穴の面圧や各種応力やたわみ量が基準値以下となっているか否か、などが挙げられる。なお、リセスの許容最大深さは、目標のスキ基準、カムリフトデータ、バルブタイミング、クランク半径、コンロッド長、ピンオフセット、バルブ高さ、ブロック高さ、ガスケット厚などの諸元値から計算により導かれる。リセスの許容最大深さは、カムアングル(クランクアングル)により変動する。ここでは、ピストンが上死点に位置する場合(カムアングル0°)について計算し、さらに、カムリフトデータの全カムアングルについて計算して最小値を選択する。 Other items that can be verified as 2D verification are whether the input value of the recess depth is smaller than the allowable maximum depth derived from the specification values for the valve and the piston, between the pin hole and the oil land groove. Whether the wall thickness of the pin satisfies the reference value, whether the surface pressure, various stresses, and the amount of deflection of the pin hole are equal to or less than the reference value. Note that the maximum allowable depth of the recess is derived from the target ski criteria, cam lift data, valve timing, crank radius, connecting rod length, pin offset, valve height, block height, gasket thickness, etc. . The maximum allowable depth of the recess varies depending on the cam angle (crank angle). Here, calculation is performed when the piston is located at the top dead center (cam angle 0 °), and further, calculation is performed for all cam angles of the cam lift data, and the minimum value is selected.
検証結果の表示は、図4(b)のような文字による表示に限定されるものではない。2次元形状データ232をデータベースサーバ102から読出して基本諸元値に応じて変形し、ピストン、バルブ、コンロッド、カウンタウェイトを2次元表示して干渉や肉厚のエラーを表わしてもよい。
The display of the verification result is not limited to the display by characters as shown in FIG. The two-
これらの表示により検証結果がOKであれば、ステップS304からステップS305に進み、検証結果がOKでは無く、何らかの諸元値に問題がある場合には、ステップS301に戻って諸元値を変更する。 If the verification result is OK as a result of these displays, the process proceeds from step S304 to step S305. If the verification result is not OK and there is a problem with some specification value, the procedure returns to step S301 to change the specification value. .
ステップS305では、詳細諸元値を入力する。すなわち、ピストン設計支援プログラムは、諸元値入力モジュール115aによりピストン形状に関する詳細諸元値の入力画面を生成してディスプレイ117に表示する。そこで、やはり諸元値データ122のファイル名が指定されれば、データベースサーバ102からその諸元値データ122が読出され、詳細諸元値として設定される。ファイル名の指定がなければ、入力画面に対してユーザが詳細諸元値を1つ1つ入力することを促す。
In step S305, detailed specification values are input. That is, the piston design support program generates a detailed specification value input screen related to the piston shape by the specification
ここで入力する詳細諸元値としては、以下のものを入力可能である。 As the detailed specification values input here, the following values can be input.
・目標圧縮比:目標とする圧縮比である。なお、圧縮比とは最大燃焼室体積と最小燃焼室体積との比である。 -Target compression ratio: The target compression ratio. The compression ratio is the ratio between the maximum combustion chamber volume and the minimum combustion chamber volume.
・自動最適化の検索レンジ:クラウン深さ/高さの下限値および上限値
・リング、ランド回りの詳細寸法:トップランドの外径、トップリング、セカンドリング、オイルリング、それぞれの溝の底面の外径を含み、さらに、トップランド、トップリング、セカンドランド、セカンドリング、サードランド、オイルリングそれぞれの幅を含む。また、リング、ランド回りの面取りとアールまでも含む。
・ Search range for automatic optimization: Lower limit and upper limit of crown depth / height ・ Details around ring and land: Top land outer diameter, top ring, second ring, oil ring, bottom of each groove Including the outer diameter, and the width of each of the top land, top ring, second land, second ring, third land, and oil ring. Also includes chamfers and rounds around rings and lands.
次に、ステップS306に進み、諸元値の一部として、ピストンの燃焼室側の表面がフラットか凸形状か凹形状かを表すクラウンタイプを選択する。 Next, the process proceeds to step S306, and a crown type representing whether the surface of the piston on the combustion chamber side is flat, convex, or concave is selected as a part of the specification value.
図4(b)に示した検証結果表示画面中には、「3D検証(フラット)」ボタン411、「3D検証(凸型)」ボタン412、「3D検証(凹型)」ボタン413の3つの選択ボタンが表示されている。ステップS301において既に詳細諸元値の入力が行なわれている場合には、これらの3D検証ボタン411〜413を選択可能である。これらのボタンの何れかを選択した時点でクラウンタイプが選択されたことになる。
In the verification result display screen shown in FIG. 4B, three selections of a “3D verification (flat)”
例えば、目標の圧縮比を達成するために適切なクラウンタイプが不明な場合には、まずフラットタイプの3Dピストンモデルを構築し、そのピストンモデルを用いて圧縮比を計測する。そして、計測された圧縮比が目標圧縮比よりも小さい場合には、燃焼室容積が不足していると判断できるため、燃焼室容積を増やすべく再度凹型を選択し直して圧縮比を計測すればよい。また、計測された圧縮比が目標圧縮比よりも大きい場合には、燃焼室容積が過大であると判断できるため、燃焼室容積を減らすべく再度凸型を選択し直して圧縮比を計測すればよい。また、さらに、計測された圧縮比が目標圧縮比と等しいか或いはその差が十分に小さい場合には、再度クラウンタイプを選択する必要はなく、そのままCAEにおける解析処理に移ればよい。 For example, when an appropriate crown type for achieving the target compression ratio is unknown, a flat type 3D piston model is first constructed, and the compression ratio is measured using the piston model. When the measured compression ratio is smaller than the target compression ratio, it can be determined that the combustion chamber volume is insufficient. Therefore, if the compression ratio is measured again by selecting the concave mold again to increase the combustion chamber volume. Good. Also, if the measured compression ratio is larger than the target compression ratio, it can be determined that the combustion chamber volume is excessive, so if the compression ratio is measured again by selecting the convex shape again to reduce the combustion chamber volume. Good. Furthermore, when the measured compression ratio is equal to the target compression ratio or the difference is sufficiently small, it is not necessary to select the crown type again, and the analysis process in CAE may be performed as it is.
次に、ステップS307において、所定のルールに従った変形が可能なピストンベースモデルをデータベースから読出す。具体的には、諸元値として入力されたクラウンタイプに対応する吸気側ピストンモデル及び排気側ピストンモデルと、スカート内部空間モデル213と、スカート外部空間モデル214と、ピン穴モデル215とをデータベースから読出す。
Next, in step S307, a piston base model that can be deformed according to a predetermined rule is read from the database. Specifically, the intake side piston model and the exhaust side piston model corresponding to the crown type inputted as the specification value, the skirt
ステップS308においては、ステップS301、S305で入力された諸元値に基づき、ステップS307で読出したピストン生成用モデルをそれぞれ変形し、さらにステップS309でそれらを組み合わせてピストンモデルを構築する。 In step S308, based on the specification values input in steps S301 and S305, the piston generation model read in step S307 is deformed, and in step S309, the piston model is constructed by combining them.
図6は、ピストンモデルの構築方法について説明する図である。 FIG. 6 is a diagram for explaining a piston model construction method.
まず、諸元値に応じて変形された吸気側モデル211と排気側モデル212を組み合わせて、1/2本体モデル601を生成する。上述したように、データベースサーバ102に格納された吸気側モデル211と排気側モデル212は、ピストンを往復軸方向に1/4に切断して得られる形状となっているため、これらを組み合わせることによってちょうど円筒状ピストンを半分に切断した形状の1/2本体モデル601が生成されることになる。
First, the 1/2
次に、1/2本体モデルから、諸元値に応じて変形された内側空間モデル213を削り取る。内部空間モデル213も上述したように1/2形状であるから、1/2本体モデルから、内側空間モデル213を削り取った形状は602に示すものとなる。次に、602に示す形状からさらに外部空間モデル214を削り取る。これにより、603に示す1/2ピストンモデル(ピン穴無し)が生成される。そして、この1/2ピストンモデル(ピン穴無し)からさらにピン穴モデル215を削り取ることにより1/2ピストンモデルが生成され、さらにその1/2ピストンモデルを切断面を中心にミラーリングすることにより、全体のピストンモデル604が構築される。
Next, the
内部空間モデル213および外部空間モデル214は、諸元値として入力した肉厚に応じた距離だけ本体モデルから離れた位置に配置して、本体モデルからスカート内部空間モデルを削りとってもよいし、諸元値として入力したスカート内径が内部空間モデル213の外径に等しくなるように、内部空間モデル213を変形してもよい。なお、内部空間モデル213と外部空間モデル214は、それぞれのピン穴の位置がずれないように同期して変形する。
The
説明を図3に戻すと、ステップS309で構築したピストンモデルを用いて、ステップS310においては3D検証を行なう。3D検証は3次元空間でのピストン寸法やピストン性能の検証であり、2D検証では不可能な肉厚や間隙を計算したり体積計算をしたりする。例えば、3Dピストンモデルを構築し、圧縮比演算モジュール115gを用いれば、正確な燃焼室体積を算出し、そこから圧縮比を求めることができる。具体的には、図7(a)に示すV4およびV5の体積を3Dピストンモデルを用いて計測する。図7(a)は、ピストンが上死点に位置するタイミングでのピストン1130、シリンダブロック1110、ガスケット1190およびシリンダヘッド1120に囲まれた空間を表わす部分断面図である。V2およびV3の体積は、詳細諸元値として予め入力しておく。また、V1を1気筒の排気量とすると、
V1=(ボア径/2)2×π×(クランク径×2)
で表わされ、
さらに、V1〜V5の値を、
圧縮比=V1/(V2+V3+V4+V5)+1
に代入することによって圧縮比が求められる。そして、この圧縮比と、詳細諸元値として入力した目標圧縮比とを比較することによって、このピストンを用いたエンジンが所望の性能を実現するか否かを判定する。
Returning to FIG. 3, 3D verification is performed in step S310 using the piston model constructed in step S309. 3D verification is verification of piston dimensions and piston performance in a three-dimensional space, and calculates wall thicknesses and gaps and volume calculations that are impossible with 2D verification. For example, if a 3D piston model is constructed and the compression
V1 = (bore diameter / 2) 2 × π × (crank diameter × 2)
Represented by
Furthermore, the values of V1 to V5 are
Compression ratio = V1 / (V2 + V3 + V4 + V5) +1
By substituting into, the compression ratio is obtained. Then, by comparing this compression ratio with the target compression ratio input as the detailed specification value, it is determined whether or not the engine using this piston achieves the desired performance.
また、3次元のバルブモデル241をデータベースサーバ102から読出し、各種の諸元値に応じて変形、配置して、CADの距離コマンドを用いることにより、図7(b)のように、3次元空間上での正確なバルブとピストンとの最短距離701を求め、その間隔が所定の基準値以上か否かを検証できる。同様に、クラウンおよびリセス表面とトップリング溝の内部表面との間の最短距離や、クラウンおよびリセス表面とクラウン裏面との間の最短距離を間隔・肉厚演算モジュール115eで演算し、それらか基準値を満たすか否かを検証できる。また、3Dピストンモデルを構築する際に、ピストン上面からのクラウンの高さまたは深さが決定するので、クラウンタイプに応じて以下の式を用いてクラウン裏面とコンロッドとの間隙をより正確に求めることが可能となる。
フラットの場合:間隙=圧縮高さ−クラウン肉厚−コンロッド小端径/2
凸型の場合:間隙=圧縮高さ−クラウン肉厚−コンロッド小端径/2+クラウン深さ
凹型の場合:間隙=圧縮高さ−クラウン肉厚−コンロッド小端径/2−クラウン深さ
Further, by reading out the three-
Flat: Gap = Compression height-Crown thickness-Connecting rod small end diameter / 2
For convex type: Gap = compression height-crown thickness-connecting rod small end diameter / 2 + crown depth For concave type: Gap = compression height-crown thickness-connecting rod small end diameter / 2-crown depth
また、さらに、データベースサーバ102からボリュームモデル242を読出して、詳細諸元値として入力したピストン外径とシリンダ内径とリング、ランド回りの詳細寸法(ピストンリング嵌合溝の幅及び深さ)に基づき変形することによって、図7(c)に示す、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間の空間801〜806の体積を体積演算モジュール115fを用いて容易に算出することができる。なお、空間801と空間802とを合わせた空間の体積はトップランドボリュームと呼ばれ、空間803と空間804とを合わせた空間の体積はセカンドランドボリュームと呼ばれ、空間805と空間806とを合わせた空間の体積はサードランドボリュームと呼ばれる。
Further, the
これらの体積からはオイル消費量およびエミッション性能を導き出すことができる。トップリング、セカンドリング、オイルリングの配置の仕方によって、燃焼室1200とクランク室1300との間の圧力差が左右され、クランク室に未燃ガスが入らないように遮断性を向上させるためには、ボリュームモデル242内で区分けされている6つの空間の容積比が重要となる。
From these volumes oil consumption and emission performance can be derived. The pressure difference between the
再度説明を図3に戻すと、ステップS310における3D検証の結果をステップS311で表示する。図8は、3D検証結果表示画面の例である。図のように、圧縮比、間隙および肉厚、ランドボリュームについて、3D検証によって導き出された計測値が表示される。ランドボリュームにおいて1〜6で表示されている体積は、図7(c)の空間801〜806の体積にそれぞれ対応するものである。
Returning to FIG. 3 again, the result of 3D verification in step S310 is displayed in step S311. FIG. 8 is an example of a 3D verification result display screen. As shown in the figure, the measurement values derived by the 3D verification are displayed for the compression ratio, gap, wall thickness, and land volume. The volumes indicated by 1 to 6 in the land volume correspond to the volumes of the
図8には、ピストン3D表示ボタン811と、内部空間3D表示ボタン812と、自動最適化ボタン813と、諸元値再入力ボタン814と、保存終了ボタン815が表示され、それぞれ選択されることにより以下の処理を行なう。
In FIG. 8, a piston
ピストン3D表示ボタン811または内部空間3D表示ボタン812が選択された場合、ステップS312からステップS313に進み、構築したピストンモデル604または、変形した内部空間モデル213をディスプレイ117に表示する。ここで、ピストンモデル604を表示する際には、各ピストン生成モデル同士の接続面を隠しつつ表示する。
When the piston
自動最適化ボタン813が選択されると、ステップS312からステップS314を経てステップS315に進み、ピストン形状を目標圧縮比に近似するように自動的に最適化する。具体的には、まず、諸元値として入力された目標圧縮比と計測された圧縮比とを比較し、その差に応じてピストンのクラウン高さまたは深さを変化させる。そして、変化させたクラウン高さまたは深さに応じて、ピストンモデルを変形させ、変形したピストンモデルについての圧縮比を算出し、算出された圧縮比と目標圧縮比との差が所定値(例えば、±0.01)以内でなければ、ピストンモデルのクラウン高さ(または深さ)を変更して再度、圧縮比を算出する。そうして、算出された圧縮比と目標圧縮比との差が所定値以内になるまで、変形と圧縮比算出とを複数回繰り返す。算出された圧縮比と目標圧縮比との差が所定値以内になれば、目標圧縮比に最も近いピストン形状として決定する。
When the
諸元値再入力ボタン814が選択されると、ステップS312からステップS314およびステップS315を経てステップS301またはステップS305に進み、諸元値の入力画面に戻る。
When the specification
保存終了ボタン815が選択されると、検証結果OKと判断してステップS314からステップS316に進み、ピストンモデルや諸元値などを全て保存して、ピストン設計支援プログラムを終了させる。
When the save
(モデル変形ルール)
次に、ステップS308におけるモデルの変形ルールについて詳しく説明する。ステップS308では、吸気側モデル211と排気側モデル212の両方をそれぞれ変形させるが、それぞれについて必ずしも別個に諸元値を入力する必要はなく、諸元値としてピストン全体についての寸法が入力された場合にも、吸気側モデル211及び排気側モデル212の両方を対応付けて変形させる。例えば諸元値として入力されたシリンダ径に対し、データベースサーバ102から読出した吸気側モデル211及び排気側モデル212の円弧部分の外径を、同じ縮尺で拡大または縮小する。
(Model transformation rules)
Next, the model deformation rule in step S308 will be described in detail. In step S308, both the intake-
また、吸気側モデル211と排気側モデル212を変形する際には、諸元値に基づいて吸気側リセス1130bおよび排気側リセス1130cの断面形状を独立に決定する。例えばリセス深さとして同一の値が入力されても吸気側リセスと排気側リセスとを異なる形状に変形するように、リセス形状決定ルールが設定されている。これは、吸気リセスは吸気の対流性を向上させる効果を求められるが、排気リセスはそのような効果を求められないからである。
Further, when the
このリセス形状決定ルールについて図9(a)を用いて説明する。図9(a)は、ピン軸方向から見たピストン1130の縦断面図である。吸気側リセスの深さをD1、吸気側リセスの底部のアール(底面と側面とがなす隅の曲率半径)をR1、吸気側リセスの底面の傾き(底面と水平面とがなす角度)をS1、吸気側リセスの挟み角をαで示している。また、同様に、排気側リセスの深さをD2、排気側リセスの底部のアールをR2、排気側リセスの底面の傾きをS2、排気側リセスの挟み角をβで示している。さらに、スカートの内径をφで示している。
The recess shape determination rule will be described with reference to FIG. FIG. 9A is a longitudinal sectional view of the
リセス形状決定ルールによれば、諸元値として入力した吸気側リセス深さD1及び排気側リセス深さD2が同じ値でも、吸気側リセスの底面の傾きS1と排気側リセスの底面の傾きS2とが異なるように、また、吸気側リセスの底面と側面とがなす隅のアールR1と、排気側リセスの底面と側面とがなす隅のアールR2とが異なるように、リセス形状は決定される。吸気側リセス1130bの底面は吸気の対流性が向上すべく、底面ができるだけ水平に近くなるように、かつ、底面のアールR1は大きくなるように変形する。一方で排気側リセス1130cの底面の傾斜角S2は、排気側バルブの挟み角βと等しければよく(これにより排気側リセス1130cの底面はバルブヘッド面と平行になる)、底面のアールR2は、所定の値であればよい。
According to the recess shape determination rule, even if the intake side recess depth D1 and the exhaust side recess depth D2 input as the specification values are the same value, the inclination S1 of the bottom surface of the intake side recess and the inclination S2 of the bottom surface of the exhaust side recess And the corner radius R1 formed by the bottom surface and the side surface of the intake side recess is different from the corner radius R2 formed by the bottom surface and the side surface of the exhaust side recess. The bottom surface of the intake-
排気側リセスの底面のアールR2は、基本的には排気側のバルブ形状に合わせて設定される。吸気側は対流しやすくするためにアールを大きくするメリットがあるが、排気側は対流とは無関係であるため、排気側のバルブ形状に依存した形状とする。 The radius R2 on the bottom surface of the exhaust side recess is basically set in accordance with the shape of the valve on the exhaust side. The intake side has the advantage of increasing the radius to facilitate convection, but the exhaust side has no relation to convection, so the shape depends on the valve shape on the exhaust side.
諸元値として入力される吸気側リセス深さD1及び排気側リセス深さD2が変更された場合、吸気側リセス1130bについては、少なくとも、底面の傾きS1または底面と側面とがなす隅のアールR1のいずれかが変化するが、排気側リセス1130cについては、底面の傾きS2及び底面と側面とがなす隅のアールR2の何れも変化しない。
When the intake-side recess depth D1 and the exhaust-side recess depth D2 that are input as the specification values are changed, the intake-
一方、ステップS308では、諸元値に応じて内部空間モデル213を変形するが、その際、内部空間形状決定ルールに則って変形を行なう。この内部空間形状決定ルールについて図9(b)を用いて説明する。図9(b)は、ピン軸と垂直をなす方向から見たピストン1130の縦断面図である。図9(b)において、内部空間におけるクラウン裏のアール(クラウンの裏面とスカート内面との隅の曲率半径)をR3、ピンボス間隔をPで示している。
On the other hand, in step S308, the
内部空間形状決定ルールによれば、諸元値として入力された目標圧縮比が大きければ大きいほどスカート内部空間モデルのクラウン裏のアールR3を大きくする。また、諸元値として入力されたピンボス間隔Pが小さければ小さいほどスカート内部空間モデルのクラウン裏のアールR3を大きくする。さらに、諸元値として入力されたスカート内径φが小さければ小さいほどスカート内部空間モデルのクラウン裏のアールR3を大きくする。 According to the internal space shape determination rule, the larger the target compression ratio input as the specification value is, the larger the radius R3 on the crown back of the skirt internal space model is. Further, the smaller the pin boss interval P inputted as the specification value, the larger the radius R3 on the crown back of the skirt internal space model. Further, the smaller the skirt inner diameter φ input as the specification value is, the larger the radius R3 on the crown back of the skirt internal space model is.
このルールは、クラウン裏R3が、冷却性能(放熱性能)に、強く影響する要素であることに起因したものである。つまり、ピストン1130の内部において、クラウン裏が最も燃焼室1200に近い箇所であり、クランク室1300に注入されたエンジンオイルが、クラウン裏から効率的に熱を奪うことが放熱性の向上につながる。ここで、エンジンオイルがクラウン裏から効率的に熱を奪うためには、クラウン裏でのエンジンオイルの循環を良くする必要があり、そのためにはクラウン裏のアールR3を大きくすればよい。また、クラウン裏のアールR3を大きくすることで、クラウン裏で発生した熱をクラウン裏のアールを介してスカート部に逃がしやすくすることができ、熱の伝搬性(熱逃げ性)を向上することもできる。しかし一方で、クラウン裏のアールR3が増えた分だけ重量UPに結びつくため、むやみにR3を大きくすることは好ましくない。
This rule is due to the fact that the crown back R3 is an element that strongly influences the cooling performance (heat radiation performance). In other words, the inside of the
そこで、上述したように、目標圧縮比が大きく、発生する熱量が増大する場合や、ピンボス間隔Pまたはスカート内径φが小さく、全体の放熱面積が減少する場合などには、クラウン裏での放熱性能を向上させるためにアールR3を大きくする。このルールを適用することにより、放熱性と重量とのバランスで最適なクラウン裏のアールR3を決定することが可能となる。
Therefore, as described above, when the target compression ratio is large and the amount of generated heat is increased, or when the pin boss interval P or the skirt inner diameter φ is small and the entire heat radiation area is reduced, the heat radiation performance on the back of the crown. In order to improve the R, the
(実施形態の効果)
本実施形態によれば、容易に所定の制約条件を満たすピストンを設計できる。効率的な形状のピストン生成モデルをデータベースに記憶するので、処理負荷やデータ量を軽減できる。また、ピストン設計の自動最適化が可能となる。誰でも簡単に目標圧縮比を満たすピストンを設計可能となる。目標圧縮比を様々に変えても、短時間にその目標圧縮比を実現するピストンを設計可能である。
(Effect of embodiment)
According to this embodiment, it is possible to easily design a piston that satisfies a predetermined constraint condition. Since the piston generation model having an efficient shape is stored in the database, the processing load and the data amount can be reduced. In addition, the piston design can be automatically optimized. Anyone can easily design a piston that satisfies the target compression ratio. Even if the target compression ratio is changed variously, it is possible to design a piston that realizes the target compression ratio in a short time.
本発明は、車両のエンジンのみならず、あらゆる内燃機関に設けられるピストンの設計に適用できる。 The present invention can be applied to the design of a piston provided not only in a vehicle engine but also in any internal combustion engine.
Claims (14)
ピストン形状に関する諸元値を入力する入力工程と、
所定のルールに従った変形が可能なピストンモデルをデータベースから読出す読出工程と、
前記入力工程で入力された前記諸元値に基づき前記ピストンモデルを変形する変形工程と、
を実行させ、内燃機関のピストン形状の設計を支援するピストン設計支援プログラムであって、
前記データベースは、前記ピストンモデルとして、少なくともピストンの燃焼室面の形状を表す本体モデルと、前記本体モデルから削り取るべき空間形状を表す空間モデルとを含み、
前記変形工程は、前記諸元値に応じて前記本体モデルと前記空間モデルの両方を変形させ、前記本体モデルを前記空間モデルで表された形状に削り取ることを特徴とするピストン設計支援プログラム。 On the computer,
An input process for inputting specification values related to the piston shape;
A reading step of reading a piston model that can be deformed according to a predetermined rule from a database;
A deformation step of deforming the piston model based on the specification values input in the input step;
Is a piston design support program that supports the design of the piston shape of the internal combustion engine,
The database includes, as the piston model, at least a main body model representing the shape of the combustion chamber surface of the piston, and a spatial model representing a spatial shape to be scraped from the main body model,
In the piston design support program, the deformation step deforms both the main body model and the space model according to the specification values, and scrapes the main body model into a shape represented by the space model.
前記変形工程は、前記ピストン全体に対する寸法に応じて、前記本体モデル及び前記空間モデルのそれぞれを変形させてから、前記本体モデルから前記空間モデルを削りとることを特徴とする請求項1に記載のピストン設計支援プログラム。 In the input step, as the specification value, a dimension for the whole piston is input,
The said deformation | transformation process cuts off the said space model from the said main body model, after changing each of the said main body model and the said space model according to the dimension with respect to the said whole piston. Piston design support program.
前記変形工程は、前記入力工程で入力された肉厚に応じた距離だけ前記本体モデルから離れた位置に前記スカート内部空間モデルを配置した状態で、前記本体モデルから前記スカート内部空間モデルを削りとることを特徴とする請求項2に記載のピストン設計支援プログラム。 In the input step, the thickness of the piston is input as the specification value,
In the deformation step, the skirt internal space model is scraped from the main body model in a state where the skirt internal space model is arranged at a position separated from the main body model by a distance corresponding to the wall thickness input in the input step. The piston design support program according to claim 2, wherein:
前記変形工程は、前記入力工程で入力された諸元値に応じて前記スカート内部空間モデルを変形して、前記本体モデルから前記スカート内部空間モデルを削りとって生成されたピストンモデルの肉厚が前記最小肉厚以下になった場合に、エラー報知または再変形を行なうことを特徴とする請求項2に記載のピストン設計支援プログラム。 In the input step, as the specification value, a dimension for determining the shape of the skirt internal space model and a minimum wall thickness of the piston are input,
In the deformation step, the skirt internal space model is deformed according to the specification value input in the input step, and the thickness of the piston model generated by cutting the skirt internal space model from the main body model is determined. 3. The piston design support program according to claim 2, wherein error notification or re-deformation is performed when the thickness is less than the minimum thickness.
前記変形工程では、前記吸気側ピストンモデルと前記排気側ピストンモデルの両方をそれぞれ変形させ、変形した前記吸気側ピストンモデルと前記排気側ピストンモデルとを組合せることを特徴とする請求項1に記載のピストン設計支援プログラム。 The main body model includes an intake side piston model including an intake side recess provided to prevent interference with the intake valve, and an exhaust side piston model including an exhaust side recess provided to prevent interference with the exhaust valve. Including
2. The deformation step includes deforming both the intake side piston model and the exhaust side piston model, and combining the deformed intake side piston model and the exhaust side piston model. Piston design support program.
前記変形工程は、前記吸気側モデルと前記排気側モデルとを組み合わせて、前記対称性に応じてミラーリングすることを特徴とする請求項8に記載のピストン設計支援プログラム。 The intake side model and the exhaust side model are subdivided according to symmetry, respectively.
9. The piston design support program according to claim 8, wherein in the deformation step, the intake side model and the exhaust side model are combined and mirrored according to the symmetry.
前記スカート内部空間モデルは、クラウン裏の空間形状を表わす部分を含み、
前記変形工程は、前記入力工程において入力された前記目標圧縮比が大きければ大きいほど前記スカート内部空間モデルのクラウン裏のアールを大きくすることを特徴とする請求項2に記載のピストン設計支援プログラム。 The input step inputs a target compression ratio as the specification value,
The skirt internal space model includes a portion representing the space shape of the crown back,
3. The piston design support program according to claim 2, wherein the deformation step increases the radius of the crown back of the skirt internal space model as the target compression ratio input in the input step increases.
前記スカート内部空間モデルは、クラウン裏の空間形状を表わす部分を含み、
前記変形工程は、前記入力工程において入力された前記ピンボス間隔が小さければ小さいほど前記スカート内部空間モデルのクラウン裏のアールを大きくすることを特徴とする請求項2に記載のピストン設計支援プログラム。 The input step inputs a pin boss interval as the specification value,
The skirt internal space model includes a portion representing the space shape of the crown back,
3. The piston design support program according to claim 2, wherein the deforming step increases the radius of the crown back of the skirt internal space model as the pin boss interval input in the input step is smaller.
前記スカート内部空間モデルは、クラウン裏の空間形状を表わす部分を含み、
前記変形工程は、前記入力工程において入力された前記スカート内径が小さければ小さいほど前記スカート内部空間モデルのクラウン裏のアールを大きくすることを特徴とする請求項2に記載のピストン設計支援プログラム。 The input step inputs a skirt inner diameter as the specification value,
The skirt internal space model includes a portion representing the space shape of the crown back,
3. The piston design support program according to claim 2, wherein in the deformation step, the radius of the crown back of the skirt internal space model is increased as the inner diameter of the skirt input in the input step is smaller.
所定のルールに従った変形が可能なピストンモデルをデータベースから読出す読出工程と、
前記入力工程で入力された前記諸元値に基づき前記ピストンモデルを変形する変形工程と、
を含み、内燃機関のピストン形状の設計を支援するピストン設計支援方法であって、
前記データベースは、前記ピストンモデルとして、少なくともピストンの燃焼室面の形状を表す本体モデルと、前記本体モデルから削り取るべき空間形状を表す空間モデルとを含み、
前記変形工程は、前記諸元値に応じて前記本体モデルと前記空間モデルの両方を変形させ、前記本体モデルを前記空間モデルで表された形状に削り取ることを特徴とするピストン設計支援方法。 An input step in which the input means receives input of specification values related to the piston shape;
A reading step of reading a piston model that can be deformed according to a predetermined rule from a database;
A deformation step of deforming the piston model based on the specification values input in the input step;
A piston design support method for supporting the design of the piston shape of an internal combustion engine,
The database includes, as the piston model, at least a main body model representing the shape of the combustion chamber surface of the piston, and a spatial model representing a spatial shape to be scraped from the main body model,
The deforming step deforms both the main body model and the space model according to the specification value, and scrapes the main body model into a shape represented by the space model.
所定のルールに従った変形が可能なピストンモデルをデータベースから読出す読出手段と、
前記入力手段で入力された前記諸元値に基づき前記ピストンモデルを変形する変形手段と、
を備え、内燃機関のピストン形状の設計を支援するピストン設計支援装置であって、
前記データベースは、前記ピストンモデルとして、少なくともピストンの燃焼室面の形状を表す本体モデルと、前記本体モデルから削り取るべき空間形状を表す空間モデルとを含み、
前記変形手段は、前記諸元値に応じて前記本体モデルと前記空間モデルの両方を変形させ、前記本体モデルを前記空間モデルで表された形状に削り取ることを特徴とするピストン設計支援装置。 Input means for accepting input of specification values relating to the piston shape;
Reading means for reading a piston model that can be deformed according to a predetermined rule from a database;
Deformation means for deforming the piston model based on the specification values input by the input means;
A piston design support device for supporting the design of the piston shape of the internal combustion engine,
The database includes, as the piston model, a body model representing at least the shape of the combustion chamber surface of the piston, and a space model representing a space shape to be scraped from the body model,
The deformation means deforms both the main body model and the space model according to the specification values, and scrapes the main body model into a shape represented by the space model.
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