JP2005284621A - 設計支援プログラム、設計支援方法及び設計支援装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 内燃機関の吸気経路の設計を効率化すること。
【解決手段】 ラジオボタン412で、形状優先が選択されていれば、3D形状データを変形せずに流体解析結果を導くための処理、つまり、解析パラメータ(メッシュサイズなど)の変更が行なわれる。ここで変更すべき解析パラメータとしては、解析の時間刻みや、メッシュの大きさが挙げられる。また、複数段階に流体解析パラメータを変更可能であって、それぞれにおける推定計算時間を提示することもユーザにとって利便性が高い。
【選択図】 図4
【解決手段】 ラジオボタン412で、形状優先が選択されていれば、3D形状データを変形せずに流体解析結果を導くための処理、つまり、解析パラメータ(メッシュサイズなど)の変更が行なわれる。ここで変更すべき解析パラメータとしては、解析の時間刻みや、メッシュの大きさが挙げられる。また、複数段階に流体解析パラメータを変更可能であって、それぞれにおける推定計算時間を提示することもユーザにとって利便性が高い。
【選択図】 図4
Description
本発明は、吸気ポート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。
従来から、3次元CADデータに基づき、流体の流れを解析する流体解析システムが存在している(特許文献1参照)。また、車両の吸気ポートの設計を3次元CADソフトなどによって行なうことも一般的である。
特開2003−216660号公報
しかしながら、従来は、3次元CADソフトなどを用いた吸気ポートの設計と、その吸気ポート内の流体の動作解析とは、全く独立して行なわれていた。従って、設計用ソフトによって設計された吸気ポートの形状データをそのまま流体解析ソフトに入力すると、流体解析が発散してしまうなどの原因で、適正に流体解析結果が導き出せない場合があった。ところが、設計者は、そのような問題を事前に把握することができず、更にそのような問題に対する対処を行なうことも全くできなかった。
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、流体解析を踏まえた吸気ポートの設計を適正に行なうための技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係るプログラムは、内燃機関の吸気経路内の流体の動作を解析する流体解析プログラムに入力するため、吸気経路の内部形状を設計する設計支援プログラムであって、コンピュータに、吸気経路の内部形状に関する諸元値を入力する入力工程と、入力工程で入力された前記諸元値に基づき吸気経路の3次元形状データを生成する生成工程と、吸気経路内の流体の動作を解析する際に、流体解析プログラムが流体解析結果を導き出せない可能性を生じさせる要因を、入力された諸元値または3次元形状データに基づいて、検出する検出工程と、検出工程でそのような要因が検出された場合に、ユーザの指示に応じて、吸気経路の流体解析結果が導き出せるように流体解析プログラムの解析パラメータを変更する変更工程と、を実行させることを特徴とする。
このようにすれば、吸気経路の設計段階で、流体解析プログラムが流体解析結果を導き出せない可能性を生じさせる要因を検知しても、流体解析パラメータを変更することによって、流体解析の結果が導かれるように制御することができる。例えば、計算が発散することなどを、設計者が流体解析パラメータの変更を指示することによって防止できる。ここで流体解析パラメータの変更形態としては、流体解析の時間刻みが小さくなるように変更したり、流体解析の際に吸気ポートの内部空間を表現するメッシュの大きさが小さくなるように流体解析パラメータを変更したりすることが考えられる。また、複数段階に流体解析パラメータを変更可能であれば、解析精度と解析速度とのバランスを考えながら、設計者がその流体解析パラメータの変更の段階を選択することが可能となる。
また、検出された問題発生要因に基づいて、吸気経路の内部形状を自動変形する自動変形工程と、変更工程で流体解析パラメータを変更させるか、自動変形工程で吸気経路の内部形状を自動変形させるかを選択するための選択画面を表示する選択画面表示工程と、を更に含むことは好適である。このようにすれば設計者は、プログラム任せにして自動的に吸気経路の内部形状を変形させるか、或いは、流体解析パラメータを変更するかを選択することができる。つまり、時間がかかっても吸気経路の形状を変更せずに解析結果を求めるか、吸気経路の形状を変更して比較的短時間に解析結果を求めるかを選択することができる。
本発明によれば、吸気経路の設計段階で流体解析において問題を発生させる問題発生要因を検知しても、吸気経路の形状を変更することなく流体解析の結果を得ることができる。
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、吸気ポートモデルとは、吸気ポートの内部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、吸気ポートやインテークマニホールドや燃焼室などの形状及び位置を決定する寸法およびその基準値をいう。
(吸気ポート及びその周辺部分について)
図8は、本発明の実施形態にかかる設計支援システムによって設計することのできる吸気ポート内部形状及びその周辺部分の一般的な流路形状の1例を示す図である。まず、本図を用いて、設計支援プログラムが設計しようとする吸気ポート及びその周辺部品について説明する。なお、図8に示されている立体形状は、あくまで吸気経路の内部空間を示す形状である。したがって、その一部は、鋳造で成形するシリンダヘッドの、吸気ポート部分の砂型の形状に相当する。
図8は、本発明の実施形態にかかる設計支援システムによって設計することのできる吸気ポート内部形状及びその周辺部分の一般的な流路形状の1例を示す図である。まず、本図を用いて、設計支援プログラムが設計しようとする吸気ポート及びその周辺部品について説明する。なお、図8に示されている立体形状は、あくまで吸気経路の内部空間を示す形状である。したがって、その一部は、鋳造で成形するシリンダヘッドの、吸気ポート部分の砂型の形状に相当する。
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)の吸気経路である。吸気経路1000は、大きく分けて、インテークマニホールド部(以下、インマニ部と称する)1100と、吸気ポート1200と、燃焼室1300と、を含む。
インマニ部1100から流れ込んだ空気は、吸気ポート1200を経て、2つに分岐し、付図示の2つの吸気バルブが開いたタイミングで燃焼室1300に流入する。インマニ部1100と吸気ポート1200との接続箇所には、スワールコントロールバルブ(以降SCVと称する)1400が取り付けられ、吸気ポート1200及び燃焼室1300のスワール(横渦流)を制御する。なお、スワールコントロールバルブ1400の代わりに、タンブルスワールコントロールバルブを取付け、スワール(横渦流)及びタンブル(縦渦流)を制御しても良い。
図9は、図8の吸気ポート1200の拡大図である。
通常、吸気ポート付近には、インジェクタが結合され、インジェクタから噴霧されたガソリンとインテークマニホールドからの空気との混合気体が燃焼室1300内で爆発し、ピストンを上下動させる。この時、インジェクタから噴霧されたガソリンが、なるべく吸気ポート1200の内面に付着しないように、吸気ポート1200のインジェクタ取付部付近は特殊な形状となっている。これが図中では、噴霧逃がし部1220として表わされており、吸気ポート本体1210とは別の設計思想によって設計される。
また、吸気ポート周りのシリンダヘッドには、バルブガイドが結合されるため、においては、バルブガイドボス部1230とバルブガイド逃がし部1240とが表われる。これらも、吸気ポート本体1210とは別の設計思想によって設計される。
更に、吸気ポート自体は、通常、鋳造された後、吸気バルブのバルブヘッドに対して位置合わせをするため、燃焼室1300側の開口端(ポートスロート)がポートスロートカッターによって機械加工される。図中では、このポートスロートカッターによって切削された形状が、ポートスロート部1250として表わされている。ポートスロート部1250は、吸気ポート本体1210となめらかに繋がっていることが望ましいが、実際には鋳造により形成された吸気ポート本体1210の開口部は所望の位置と微妙にずれていることが多く、その場合、ポートスロート部1250と吸気ポート本体1210との間には、微小な段差や、微小な凸部が生成される。
本実施形態に係るシステムでは、CADなどのコンピュータシステムでこのような吸気ポートの設計を行ない、その後、その設計データを用いてCAE(Computer Aided Engineering)によりCFD(Computational Fluid Dynamics)解析を行なう。そのために、吸気ポートの形状を決める寸法や周辺部品との相対位置などといった諸元値を入力し、入力した諸元値に応じて、データベースから基本モデル(吸気ポートの本体モデルと部分モデル)を読出し、その基本モデルを変形して組み合わせることによって、効率的に設計したい吸気ポートの3次元データを導き出す。すなわち、設計思想の切り分けに応じて、吸気ポート全体を本体と複数の部分に分け、それぞれの基本モデルを用意する。各基本モデルは、入力された諸元値に応じて、所定ルール(拘束条件)に従って変形するように予め設定されている。
一方、CFD解析は元々時間がかかるものであるが、吸気ポート形状にある種の特徴(例えば微小段差など)があると、設計開発のスケジュールとして許容できないほどの解析時間を要したり、更には、計算が発散してしまい、解析結果が導き出せなかったりすることがある。そこで、CFD解析を行なう前に吸気ポートの3次元データについて十分な検証を行ない、CFD解析時の問題の発生を可能な限り抑えることが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、CADを用いた設計段階において、基本モデル変形後の3次元データを分析して、CFD解析時に問題が生じるような要因が存在するか否かを判定する。そして、そのような問題発生要因をつきとめ、それを取り除いた上でCFD解析を行なって、Cf(流量係数)やタンブル比などの性能値を早期かつ確実に導き出す。
以下に、本実施形態の詳しい内容を示す。
(全体のシステム構成)
まず、本発明の第1実施形態としての設計支援システムの全体構成について説明する。本実施形態に係る設計支援システムは、設計サーバ1とデータベースサーバ2と流体解析サーバ3とを含み、これらはネットワーク4によって互いに接続されている。
まず、本発明の第1実施形態としての設計支援システムの全体構成について説明する。本実施形態に係る設計支援システムは、設計サーバ1とデータベースサーバ2と流体解析サーバ3とを含み、これらはネットワーク4によって互いに接続されている。
設計サーバ1は、CPU11、ROM(Read Only Memory)13、RAM(Random Access Memory)14、HD(Hard Disk)15、入出力インタフェース(I/O)16、画像処理部18及び通信部19をその本体に備え、それぞれは、バス12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20及びディスプレイ17が設けられており、それぞれ入出力インタフェース16及び画像処理部18に接続されている。
これらのうち、CPU11は、設計サーバ1全体を制御する演算・制御用のプロセッサである。また、ROM13は、CPU11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、RAM14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、HD15は、設計サーバ1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16は、コンピュータ本体と入力デバイス20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。
入力デバイス20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17は、CPU11からの制御指令に基づき画像処理部18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18は、このディスプレイ17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19は、無線又は有線のネットワーク4を介してデータベースサーバ2や流体解析サーバ3との間でデータを送受信するためのユニットである。
RAM14は、設計支援処理に際しCPU11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14a、ユーザから入力された諸元値データを一時的に記憶しておく諸元値記憶領域14b、吸気ポートに関する各種モデルを記憶する各種モデル記憶領域14c、表示画像を一時的に記憶する表示画像記憶領域14dを備える。
また、HD15には、吸気ポート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、吸気ポート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15a、諸元値が適正か否か、特に流体解析時に問題を引き起こす可能性のある値となっていないかを簡易的に検証する簡易検証モジュール15b、データベースから各種モデルを読出すモデル読出モジュール15c、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し組合せるモデル変形・組合せモジュール15d、各種モデルを変形し、組み合わせることによって生成された吸気ポートやその周辺部分の3次元形状データを分析し、流体解析時に問題を引き起こす可能性のある問題発生要因を検出する問題発生要因検出モジュール15e、問題発生要因をなくすべく、吸気ポートやその周辺部分の3次元形状データに自動変形を加える自動変形モジュール15f、問題発生要因を残しつつも流体解析結果を導き出すために流体解析パラメータを変更する解析パラメータ変更モジュール15g、過去の流体解析結果に基づいて、流体解析結果を予測する解析結果予測モジュール15h、が設計支援プログラムとして格納されており、それぞれ、CPU11によって実行されることにより各機能が実現する。
流体解析サーバ3は、設計サーバ1とほぼ同じハードウェア構成をしており、CPU、ROM、RAM、HDを備えるほか、入力デバイスやディスプレイが接続されている。ただし、そのHDには、流体解析プログラムが格納されており、CPUがその流体解析プログラムを実行することができる。この流体解析プログラムは、設計サーバ1で設計され、データベースサーバ2に格納された吸気ポート及びその周辺部分の3次元形状データを読出し、その表面に、所定のサイズのメッシュを作成する。そして各メッシュについて計算を行なうことにより、流量抵抗やタンブル比やスワール比を導き出す。
図2は、データベースサーバ2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2は、吸気ポート生成用モデル21と吸気ポート周辺部モデル22とCFD解析結果データ23と完成吸気ポートデータ24とを含む。
また、吸気ポート生成用モデル21は、本体モデル211とバルブガイド逃がし部モデル212とバルブガイドボスモデル213とインジェクタ噴霧逃がし部モデル214とポートスロートカッターモデル215とを含む。
本体モデル211は、吸気ポートの内部空間を最も単純に表わした形状のモデルであり、諸元値として入力される、径と曲がり角と入射角と入射高さなどによって変形が加えられる。また、本体モデル211は、対称性に応じて細分化されているため、諸元値として入力されるポートセンターラインの開き角に応じた角度を為すように組み合わされる。また、本体モデル211としては、断面形状に応じて複数種類のモデルが用意されている。
バルブガイド逃がし部モデル212とバルブガイドボスモデル213は、バルブガイド周辺の細かな吸気ポート形状を設計するためのモデルであり、バルブ挟み角やバルブガイド径などに応じて変形が加えられる。バルブガイドボスモデル213は、図9に示すバルブガイドボス部1230の形状を決定し、バルブガイド逃がし部モデル212は、図9に示すバルブガイド逃がし部1240の形状を決定する。
インジェクタ噴霧逃がしモデル214は、インジェクタ取付位置付近の吸気ポート形状を設計するためのモデルであり、諸元値として入力したインジェクタの取付位置、噴射角などによって変形される。また、諸元値としての噴射方式に応じて複数種類のインジェクタ噴霧逃がし部モデルがデータベース2に用意されている。
ポートスロートカッターモデル215は、ポートスロート部分の形状を設計するためのモデルである。図9にて示したとおり、ポートスロートがポートスロートカッターによって機械加工されるが、このポートスロートカッターの形状(実際にはカッターによる切削形状)をモデル化したものが、このポートスロートカッターモデル215である。刃の傾きやアール、切り込み穴深さなどに応じて複数種類のポートスロートカッターモデル215がデータベース2に用意されている。
吸気ポート周辺部モデル22としては、吸気ポートの接続対象となる複数種類の燃焼室モデル221とインテークマニホールドモデル222と吸気バルブモデル223が予め保存されていて、設計者の指示に応じて何れかが読出され、諸元値に応じて変形され、吸気ポートの完成形状データと接続される。
設計者は、排気量(ボア径)、エンジン機種、仕向地(環境規制)等に応じて、複数パターンの燃焼室モデル221とインテークマニホールドモデル222と吸気バルブモデル223の組合せから、1つのパターンを選択することができる。例えば、パターンAは、タイプ1の燃焼室とタイプ1のインマニとタイプ1の吸気バルブの組合せであり、パターンBは、タイプ2の燃焼室とタイプ2のインマニとタイプ2の吸気バルブの組合せであり、パターンCは、タイプ1の燃焼室とタイプ2のインマニとタイプ2の吸気バルブの組合せである、といったようにそれぞれのパターンが定義されている。設計者によって、諸元値が入力され、吸気ポート周辺部のパターンが選択されると、そのパターンに定義されたタイプの燃焼室モデル221とインテークマニホールドモデル222と吸気バルブモデル223とをデータベース2から読出し、完成した吸気ポートの3D形状データと組み合わせる。
CFD解析結果データ23には、過去に設計した吸気ポートに関する諸元値、吸気ポート周辺部のパターン、エンジン回転数などの運転条件、または、これらの値から導かれた計算値、に対応するパラメータ231と、その吸気ポートについてのCFD結果232が記憶されている。このCFD解析結果データ23は、CFD解析を行なっていない吸気ポートについて、過去のCFD解析結果から流量係数Cfやタンブル比Trやスワール比Swなど予測するために用いられる。詳しく述べると、過去のパラメータ231とCFD解析結果232とを用いて、重回帰分析により予測式を求め、その予測式に今後CFD解析を行なおうとする吸気ポートのパラメータを代入することによって予測CFD解析結果を導き出す。なお、ここには例として、No.1〜10までの10個の吸気ポートについてのデータを示しているが、流体解析サーバ3によってCFD解析が行なわれるたびに、このデータは蓄積され、予測式が更新される。
したがって、ここに記憶されているパラメータは、必ずしも入力された全ての諸元値に対応する必要はなく、CFD解析に大きく影響する所定数(ここではA〜Qの19個)のパラメータを記憶すればよい。また、ここでは、重回帰分析がやりやすいように、諸元値及びその計算値を無次元化した値をパラメータとして記憶しているが、諸元値やその計算値をそのまま予測式の変数に用いてもよい。なお、ユーザによって入力された諸元値そのものも、ここで示すテーブルとは別に記憶されている。
完成吸気ポートデータ24としては、吸気ポート生成用モデル21を変形し、組み合わせて生成された吸気ポートの3次元形状データ(CADデータ)が格納される。
(吸気ポート設計支援処理)
図3は、設計支援プログラムによる処理を大まかに示すフローチャートである。
図3は、設計支援プログラムによる処理を大まかに示すフローチャートである。
ユーザが、設計支援プログラムを起動して吸気ポートの設計を行なう場合、まずステップS301において、設計支援プログラムは、諸元値入力モジュール15aにより吸気ポート及びその周辺部分に関する諸元値の入力画面をディスプレイ17に表示する。
次に、ステップS302において、入力された諸元値について、簡易的な検証を行なう。即ち、入力値がその部位の諸元値として適正か否かを判定する。例えば、入射角が90度を超えている場合や、R止まり高さが入射高さを超えている場合や、インジェクタの噴霧拡散角度が基準値を超えている場合や、インテークマニホールドの屈曲部Rが基準値以下で流体解析時に問題となりそうな場合などに、その指摘を行なう。次に、ステップS303において、諸元値の入力が完了したか否かを判定し、諸元値が全て適正に入力された場合には、ステップS304に進む。諸元値の入力が完了していない場合にはステップS301に戻る。
ステップS304においては、入力された諸元値を用いて、吸気経路全体の3D形状データを生成し、その表面にメッシュを生成する。そして、ステップS305に進み、生成された吸気経路の3D形状データが、各種の規格などによって与えられている制約条件や要求される性能値を満たすか否かを検証する。そして、ステップS306に進み、その制約条件や性能値を満たしている場合には、ステップS307に進む。生成された吸気経路が制約条件や性能値を満たしていない場合には、ステップS301に戻って諸元値を変更するか、或いは、ステップS308に進んで、それらの条件を満たすように諸元値を自動的に変更するか(自動最適化処理)を選択可能である。例えば、吸気ポートの最狭部断面積が所定の基準値以下となっている場合には、入射高さや入射角を様々に変更しながら、検証を繰り返すことにより、最狭部断面積がその基準値以上となる最適な吸気ポート形状を導き出す。
検証の結果、OKと判断された吸気ポートの3D形状データ(表面メッシュ付き)及びその諸元値は、ステップS307において一旦データベース2に格納される。
次に、ステップS309において設計支援プログラムは、ユーザの指示に基づき、流体解析結果の予測を行なうか否かを判定する。そして、ユーザから、流体解析結果の予測指示が入力されると、ステップS310に進む。ステップS310で、予測を行なわない旨の指示、つまり、直接流体解析を行なう旨の指示が入力されると、ステップS312に進む。ステップS310においては、過去のCFD解析結果に基づいて導き出された予測式を用いて、流体解析結果の予測を行ない、その予測値をユーザに提示する。
次に、ステップS311において、ユーザから流体解析サーバ3を用いた流体解析の指示が入力されたか否かを判定する。流体解析が不要との指示が入力されるとそのまま処理を終了する。
一方、流体解析指示が入力されると、ステップS312に進む。ステップS312では、流体解析時に問題が発生する可能性のある要因を、吸気経路全体の3D形状データから検出する。
そして、ユーザによる選択に応じて、ステップS313において、問題を解消するための処理を行なう。例えば、ステップS312で検出された問題発生要因と、その改善案を表示してユーザに改善策を選択させたり、検出された問題発生要因を削除するべく自動的に3D形状データを修正したり、或いは、問題発生要因を抱えつつも流体解析結果を導き出せるように、解析パラメータ(解析速度やメッシュサイズなど)を変更したりする。
これらの処理を行なった後、流体解析サーバ3に対して、吸気経路全体の3D形状データを特定した流体解析指示を行なう。流体解析サーバ3は、ステップS314において、特定された3D形状データの内部にメッシュを生成した後、ステップS315において、吸気経路全体の3D形状データ、及び、諸元値として入力されたエンジンの回転数やSCVの状態等に基づいてCFD解析を行なう。なお、ステップS313で解析パラメータの変更指示が行なわれた場合には、その変更に従った解析パラメータでステップS314及びステップS315の処理を行なう。そして、ステップS316において、CFDの解析結果としての、流量係数Cf、タンブル比Tr、スワール比Swをユーザに表示し、データベース2に記憶する。なお、ステップS314における内部メッシュの生成は、ステップS304で生成された表面メッシュに基づいて行なわれる。
図4は、図3のステップS301で表示される諸元値入力画面の例を示す図である。諸元値入力画面には、各種諸元値入力欄401、諸元値ファイルパス入力欄402、インポートボタン403、形状的な制約条件の検証ボタン404、解析結果予測ボタン405、3D表示ボタン406、流体解析ボタン407、終了ボタン408などが表示される。
諸元値ファイルパス入力欄402に諸元値ファイルへのパスが入力され、諸元値データのファイル名が指定された後、インポートボタン403が選択されると、データベースサーバ2からその諸元値データが読出され、読出した各種諸元値が諸元値入力欄401に表示される。諸元値ファイルの読出を行なわない場合には、諸元値入力欄401の各欄に1つ1つ諸元値を入力する。
ここで、諸元値入力欄401には、諸元値として以下のものを入力可能である。
・吸気ポート関係:入射高さ、入射角、スロート下面R、R止まり高さ、ポート入口角など
・インジェクタ関係:インジェクタ位置、噴霧拡散角度、ジェット角度、根本のRなど
・バルブガイド関係:バルブ挟み角、バルブガイド径、バルブガイド長、バルブガイドボスのテーパ傾きなど
・インテークマニホールド関係:インテークマニホールドの曲がり角、管径、曲がり終了箇所からシリンダヘッド合わせ面までの距離など
・SCV関係:SCVシャフト径、SCV位置など
・燃焼室関係:シリンダボア内径、バルブ位置など
・エンジン駆動条件関係:エンジン回転数など。
・吸気ポート関係:入射高さ、入射角、スロート下面R、R止まり高さ、ポート入口角など
・インジェクタ関係:インジェクタ位置、噴霧拡散角度、ジェット角度、根本のRなど
・バルブガイド関係:バルブ挟み角、バルブガイド径、バルブガイド長、バルブガイドボスのテーパ傾きなど
・インテークマニホールド関係:インテークマニホールドの曲がり角、管径、曲がり終了箇所からシリンダヘッド合わせ面までの距離など
・SCV関係:SCVシャフト径、SCV位置など
・燃焼室関係:シリンダボア内径、バルブ位置など
・エンジン駆動条件関係:エンジン回転数など。
諸元値入力欄401に対して入力された諸元値については、図3のステップS302で説明したとおり、随時簡易的な検証が行なわれ、その検証結果が、コメント表示欄410に表示される。コメント表示欄410には、例えば、流体解析において問題を発生する要因となる諸元値の種類を表示したり、或いは、その諸元値をどのような値に修正すべきかなどが表示される。
諸元値入力欄401に対する諸元値の入力が完了すると、形状的な制約条件の検証ボタン404がアクティブになる。この検証ボタン404を選択すると、吸気ポート生成用モデル21などをデータベース2から読出して変形し、結合して吸気経路の3D形状データを生成する。この処理は図3のステップS304に対応する。そして、そのデータを用いて、吸気ポートの断面積の変化率や、最狭部面積を計算し、更に、外壁との肉厚などを計算して、各種の基準(制約条件)を満たしているか否かを判定する。この処理は図3のステップS305に対応する。基準を満たしていない場合には、それを警告し、自動最適化処理または諸元値の修正を促す。また、ここでは、吸気ポート生成用モデル21の変形の程度を判定し、所定のレベルを超える変形が、データベース2内にある吸気ポート生成用モデル21に加えられたことを検知すると、吸気ポートの生成処理を中止し、それをユーザに報知する。例えば、「本体モデルに対し過度の変形が加えられたため吸気ポートの生成を中止しました」といったメッセージをコメント表示欄410に表示する。これは、ある一部のモデルに対して過度の変形が加えられると、その後のモデル間の組合せ処理を行なうことができず、3D形状データの生成処理がシステム中で収束せず、システム(CAD)がハングアップ或いはクラッシュするという不具合が生じるからである。つまり、このようなシステムの不具合を防止するために予め過度のモデル変形を検知して組合せ処理を中止しユーザにその旨を報知する。
一方、諸元値入力欄401に対する諸元値の入力が完了すると、解析結果予測ボタン405もアクティブになり、解析結果の予測処理を行なうことが可能となる。この処理は図3のステップS310に対応する。図3では、吸気経路の3D形状データを生成して検証を行なってから流体解析結果の予測を行なう処理の流れとなっているが、所定の諸元値が入力されれば、3D形状データを生成しなくても流体解析結果の予測を行なうことが可能である。
また更に、諸元値入力欄401に対する諸元値の入力が完了すると、3D表示ボタン406がアクティブになり、この3D表示ボタン406を選択すると、ステップS304で生成された3D形状データを、ディスプレイ17に表示する。
また、諸元値入力欄401に対する諸元値の入力が完了すると、流体解析ボタン407がアクティブになり、この流体解析ボタン407を選択すると、図3のステップS312〜S316の流体解析処理に進む。ここではまず、流体解析サーバ3による流体解析処理を行なう前に、流体解析時に問題が発生する可能性のある要因を、吸気経路の3D形状データから検出する。問題発生要因の検出においては、まず、吸気経路の形状から、吸気経路全体の概略的な流速分布を判定し、流速が速い部分ほど、厳しく問題発生要因を検出する。
具体的には、図5の左側に示す形状を問題発生要因として検出する。まず、501は、微小段差の例である。この微小段差は、502に示すように変形することができる。503は、深さが所定値(例えば1mm)以下の凹部の例である。この凹部は、メッシュエラーの原因になるため、504に示すように変形することができる。流速が大きい箇所では、より大きな凹部であっても、問題発生要因として検出される。505は、連続する段差の例である。この連続段差は、メッシュエラーの原因になるため、506に示すように変形することができる。流速が大きい箇所では、より大きな段差(蛇腹など)であっても、問題発生要因として検出される。507は、極めて細い通路の例である。この通路は、流れの影響がない場合には、508のようにつぶすことができる。509は、極めて細い通路(流路)の他の例である。この流路は、流れの影響が大きいため、流路を大きくする方向に変形する。ただし、そのように変形してしまうと、流量が変化してしまうので、CFD計算時に流路に生成されるメッシュの抵抗値を大きくすることで、流量が変形前と一致するように補正している。
なお、図5に示されている形状の他、アスペクト比が大きい(悪い)箇所や曲率が所定値以上の屈曲部等を問題発生要因として検出する。アスペクト比が大きい箇所は、3D形状データの表面に生成されたメッシュの形状によって判断できる。例えばバルブ付近に生成される非常に幅の狭いドーナツ状の面などには、とがった形状のメッシュが生成され、アスペクト比の悪い箇所として検出される。これらの問題発生要因は、アスペクト比が小さくなるように、形状を変形したり、曲率を小さくしたりして変形可能である。
図4に戻って説明を続けると、流体解析ボタン407の横には、流体解析時に発生しうる問題をどのように解消するかを選択するチェックボックス411が表示されている。問題手動修正がチェックされた状態で流体解析ボタン407が選択され、かつ問題発生要因が3D形状データに見つかった場合には、問題発生要因及び改善案表示画面が表示される。また、問題自動修正がチェックされた状態で流体解析ボタン407が選択されると、ラジオボタン412で選択された処理が、流体解析処理前に行なわれる。すなわち、計算優先が選択されていれば、流体解析計算の速度を重視した処理、つまり、3D形状データの自動変形が行なわれる。また、形状優先が選択されていれば、3D形状データを変形せずに、流体解析結果を導くための処理、つまり、解析パラメータ(メッシュサイズなど)の変更が行なわれる。ここで変更すべき解析パラメータとしては、解析の時間刻みや、メッシュの大きさが挙げられるが、これに限定されるものではない。また、複数段階に流体解析パラメータを変更可能であって、それぞれにおける推定計算時間を提示することもユーザにとって利便性が高い。
一方、詳細設定ボタン409を選択すれば、これらの問題自動修正処理の詳細設定を行なうことができる。420は、その詳細設定画面の1例を示している。この画面420では、計算優先処理を行なう場合、つまり、3D形状データの自動変形を行なう場合に、どの程度の問題発生要因を修正するかという変形の程度を設定することができる。ここでは、問題発生要因としての微小段差を自動補正するにあたり、0.2mm以下の段差を平面状に変更する処理を行ない、問題発生要因としての凹部を自動補正するにあたり、幅が3mm以下の凹部を平面状に変更する処理を行ない、問題発生要因としての通路(閉止端)を自動補正するにあたり、直径3mm以下の流れのない通路を無視して平面状に変更する処理を行なうように設定された例が示されている。また、ここでは形状優先を選択した場合には、メッシュを細かくして流体解析を行なう旨が報知されている。なお、自動変形を行なわない部位をユーザが設定可能としてもよい。その場合、例えば、インテークマニホールド部分については自動変形を行なわないように設定できる。更に、問題発生要因の吸気経路内での存在位置に応じて、変形程度を変更してもよい。例えば、吸気経路内において流速の速い位置では、変形の程度を大きくし、より大きな段差を平面状に変形しても良い。
また、終了ボタン408を選択すると、諸元値の入力処理を終了することができ、その時点で入力されている諸元値データに名前を付けて保存したり、或いは、なんら処理を行なわずに設計支援プログラムを終了したりすることができる。
図6は、図4において、問題手動修正のチェックボックス411がチェックされた状態で流体解析ボタン407が選択され、かつ問題発生要因が3D形状データに見つかった場合に表示される、問題発生要因及び改善案表示画面である。
図6に示す画面には、問題発生要因のリスト601が表示される。このリストには、問題発生要因の種類(微小段差、凹部、屈曲部、アスペクト比など)と、その位置が示されている。つまり、このリストにより、問題発生要因となる形状を設計者に報知する。このリスト601に問題発生要因として表示される形状の基準は、図4の420に類似する不図示の別画面によって設定することができる。つまり、検出すべき微小段差の上限値や、凹部の深さの上限値や、屈曲部のR(曲率半径)の上限値や、アスペクト比の下限値をそれぞれユーザが設定可能となっている。
リスト601から1つの問題発生要因を選択すると、全体表示欄602に、吸気経路全体におけるその位置が表示され、拡大表示欄603に、その拡大図が表示される。その状態で、改善案表示ボタン604を選択すると、改善案表示欄605に、オリジナル形状の問題発生要因と、その改善案とが表示される。ここでは例として、微小段差が選択された場合について示している。改善案表示欄605には、オリジナル形状または各改善案での推定計算時間606と、推定メッシュ数607と、推定Δt(時間刻み)608と、推定精度悪化率609とが表示される。ここで推定計算時間606は、CFD解析に必要と推定される時間であり、以下の式で導くことができる。
推定演算時間(sec)=a×メッシュ数+b×時間刻み+c×(メッシュ数/時間刻み)+d
ただし、時間刻み(Δt)=min(最も小さいメッシュにおける クーラン数×メッシュサイズ/流速,最もアスペクト比の悪いメッシュにおける クーラン数×メッシュサイズ/流速)であり、a、b、c、dは定数である。ここでクーラン数は、解析対象毎にユーザが設定する解析パラメータの一種であり、通常、0.1〜1.0の値をとる。ユーザはクーラン数を小さくすることによって計算の精度を高め、かつ、発散しにくくすることができる。逆に、発散の可能性の小さい(条件の厳しくない)3D形状データに対しては、クーラン数を大きめに設定して、計算時間を短縮することもできる。
ただし、時間刻み(Δt)=min(最も小さいメッシュにおける クーラン数×メッシュサイズ/流速,最もアスペクト比の悪いメッシュにおける クーラン数×メッシュサイズ/流速)であり、a、b、c、dは定数である。ここでクーラン数は、解析対象毎にユーザが設定する解析パラメータの一種であり、通常、0.1〜1.0の値をとる。ユーザはクーラン数を小さくすることによって計算の精度を高め、かつ、発散しにくくすることができる。逆に、発散の可能性の小さい(条件の厳しくない)3D形状データに対しては、クーラン数を大きめに設定して、計算時間を短縮することもできる。
これらの推定値606〜609を参考にしながら、オリジナル形状または改善案の何れかをラジオボタン610によって選択し、適用ボタン611を選択すると、改善案に示された改善内容が3D形状データに反映される。その後、リスト601から改善したい問題発生要因を順次選択し、複数の改善案を表示して、1つの改善案を選択していけば、流体解析時における長時間化や発散などの問題の発生を解消することが可能となる。また、ラジオボタン610でいずれかの改善案を選択してプレビューボタン612を選択すれば、変形後の吸気経路の形状が、全体表示欄603及び拡大表示欄604に表示される。
OKボタン613を選択すれば、適用ボタン610の選択によって反映された改善内容、つまり変形後の3D形状データに基づき、流体解析サーバ3において流体解析が行なわれる。
また、リスト601で微小段差が選択された場合には、変形方法選択ボタン614が表示され、このボタン614を選択すると、変形方法選択画面615が表示される。変形方法選択画面615では、微小段差を0に変形する際に、段差を削る変形を加えるか、或いは段差を埋める変形を行なうか、を選択でき、更に、斜面の長さはどの程度かを指定できる。
なお、改善案として、ユーザが任意の改善内容を入力できるようにしてもよい。例えば、改善内容欄616に、「段差2.5に変更」などと入力できる構成とすれば、コンピュータによって提示された改善案のみならず、自由な変形を実行することが可能となる。また図6の画面において、問題発生要因となる形状を解消可能な諸元値の種類を報知したり、問題発生要因となる形状を解消可能な諸元値を報知したりしても良い。
(吸気ポートの3D形状データの構築方法)
図7は、吸気ポートの3D形状データの構築方法について説明する図である。
図7は、吸気ポートの3D形状データの構築方法について説明する図である。
まず、諸元値に基づいてデータベース2から本体モデル211を選択し変形する。次に、この本体モデル211を諸元値に含まれるポートセンターラインの開き角に応じてミラーリングし、2つを組み合わせて、吸気ポートの第1形状701を生成する。次に、この第1形状701に対して、諸元値に応じてデータベース2から選択され変形されたバルブガイドボスモデル213に応じた形状を削り取り、更に、諸元値に応じてデータベース2から選択され変形されたバルブガイド逃がし部モデル212を組み合わせて、第2形状702とする。
次に、諸元値に応じてデータベース2から選択され変形されたインジェクタ噴霧逃がし部モデル214を結合して、第3形状703とする。そして、この第3形状703に対して、諸元値に応じてデータベース2から選択され変形されたポートスロートカッターモデル215を結合し、吸気ポートの3D形状データ704を生成する。
なお、ここでは吸気バルブが2つであるため、本体モデルを2つ組み合わせたが、本発明はこれに限定されるものではなく、吸気バルブ数に応じた数の本体モデルを組み合わせて、第1形状701を生成すればよい。
(実施形態の効果)
本実施形態によれば、吸気経路の設計段階で流体解析において問題を発生させる問題発生要因を検知しても、吸気経路の形状を変更することなく流体解析の結果を得ることができる。
本実施形態によれば、吸気経路の設計段階で流体解析において問題を発生させる問題発生要因を検知しても、吸気経路の形状を変更することなく流体解析の結果を得ることができる。
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吸気経路の設計に適用できる。
Claims (7)
- 内燃機関の吸気経路内の流体の動作を解析する流体解析プログラムに入力するため、吸気経路の内部形状を設計する設計支援プログラムであって、
コンピュータに、
前記吸気経路の内部形状に関する諸元値を入力する入力工程と、
前記入力工程で入力された前記諸元値に基づき前記吸気経路の3次元形状データを生成する生成工程と、
前記吸気経路内の流体の動作を解析する際に、前記流体解析プログラムが流体解析結果を導き出せない可能性を生じさせる要因を、入力された前記諸元値または前記3次元形状データに基づいて、検出する検出工程と、
前記検出工程で前記要因が検出された場合に、ユーザの指示に応じて、前記吸気経路の流体解析結果が導き出せるように前記流体解析プログラムの解析パラメータを変更する変更工程と、
を実行させることを特徴とする設計支援プログラム。 - 前記変更工程は、前記流体解析プログラムによる時間刻みが小さくなるように、前記流体解析パラメータを変更することを特徴とする請求項1に記載の設計支援プログラム。
- 前記変更工程は、前記流体解析プログラムが前記吸気経路をメッシュで表現する際に、該メッシュの大きさが小さくなるように前記流体解析パラメータを変更することを特徴とする請求項1に記載の設計支援プログラム。
- 前記変更工程は、複数段階に前記流体解析パラメータを変更可能であることを特徴とする請求項1に記載の設計支援プログラム。
- 検出された前記問題発生要因に基づいて、前記吸気経路の内部形状を自動変形する自動変形工程と、
前記変更工程で前記流体解析パラメータを変更させるか、前記自動変形工程で前記吸気経路の内部形状を自動変形させるかを選択する選択工程と、
を更にコンピュータに実行させることを特徴とする請求項1に記載の設計支援プログラム。 - 内燃機関の吸気経路の内部形状を設計する設計支援方法であって、
前記吸気経路の内部形状に関する諸元値を入力する入力工程と、
前記入力工程で入力された前記諸元値に基づき前記吸気経路の3次元形状データを生成する生成工程と、
前記吸気経路内の流体の動作を解析する際に、前記流体解析プログラムが流体解析結果を導き出せない可能性を生じさせる要因を、入力された前記諸元値または前記3次元形状データに基づいて、検出する検出工程と、
前記検出工程で前記要因が検出された場合に、ユーザの指示に応じて、前記吸気経路の流体解析結果が導き出せるように前記流体解析プログラムの解析パラメータを変更する変更工程と、
を含むことを特徴とする設計支援方法。 - 内燃機関の吸気経路内の流体の動作を解析する前提として、前記吸気経路の内部形状を設計する設計支援装置であって、
前記吸気経路の内部形状に関する諸元値を入力する入力手段と、
前記入力手段で入力された前記諸元値に基づき前記吸気経路の3次元形状データを生成する生成手段と、
前記吸気経路内の流体の動作を解析する際に問題を引き起こす可能性のある問題発生要因を、入力された前記諸元値または生成された前記3次元形状データに基づいて、検出する検出手段と、
前記検出工程で問題発生要因が検出された場合に、前記吸気経路の流体解析が終了するように、前記流体解析で用いられる流体解析パラメータを変更する変更手段と、
を含むことを特徴とする設計支援装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004096405A JP2005284621A (ja) | 2004-03-29 | 2004-03-29 | 設計支援プログラム、設計支援方法及び設計支援装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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JP2004096405A Abandoned JP2005284621A (ja) | 2004-03-29 | 2004-03-29 | 設計支援プログラム、設計支援方法及び設計支援装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007172433A (ja) * | 2005-12-26 | 2007-07-05 | Fujitsu Ltd | シミュレーションモデル生成用データ作成装置、シミュレーションモデル生成用データ作成方法及びシミュレーションモデル生成用データ作成プログラム |
JP2012088920A (ja) * | 2010-10-19 | 2012-05-10 | Futaba Industrial Co Ltd | 情報処理プログラム、情報処理方法及び情報処理装置 |
CN105952554A (zh) * | 2016-04-15 | 2016-09-21 | 天津大学 | 内燃机切向气道结构全参数的设计方法 |
-
2004
- 2004-03-29 JP JP2004096405A patent/JP2005284621A/ja not_active Abandoned
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