JP4618533B2 - 設計支援プログラム及び設計支援装置 - Google Patents

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、流体解析が適正に終了しなかったり、流体解析に異常に時間がかかってしまうことがあった。そのため、従来は、適正な時間内に流体解析が終了するように、流体解析の熟練者が、設計用ソフトによって生成された吸気ポートの内部形状データに変形を加えていた。

しかし、それでは、設計者の認識しない変形が吸気ポートの形状データに加えられてしまう。そして設計者が設計した吸気ポート形状とは異なる形状に対する流体解析結果が導き出されてしまい、流体解析の精度が悪くなる場合があった。

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、流体解析で発生しうる問題を踏まえた吸気経路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ことを前提として、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、前記検出工程で検出された前記問題発生要因を報知する報知工程と、を実行させ、前記検出工程は、前記吸気経路の形状から前記吸気経路全体の概略的な流速分布を判定し、形状の寸法に関する閾値を規定した検出対象形状条件を充足する形状部分を前記問題発生要因として検出し、該流速分布に基づいて、流速が速い部分ほど前記問題発生要因として検出され易くなるように、前記検出対象形状条件の前記閾値を変更することを特徴とする。

このようにすることにより、吸気経路の形状を設計する段階で、設計者が、吸気経路内の流体の動作を解析する際の解析性能の問題発生要因を把握することができる。従って、問題発生要因を把握した設計者は、その問題発生要因を解消すべく吸気経路の設計変更を行なうことができる。つまり、流体解析を行なう段階になって、設計者が望まない変形が、吸気ポートの形状データに加えられることを防止することができる。

また、ここで、上述の問題発生要因が、吸気経路に存在する、曲率が所定値以上の屈曲部や、微小段差や、アスペクト比が大きい部分や、深さが所定値以下の凹部であることは好適である。これらの内部形状は、経験的に流体解析に問題を生じさせることが分かっているからである。より具体的には、これらのような箇所に流体解析のためのメッシュを割り当てようとすると、非常に細かいメッシュが必要になり、メッシュの数が増えて、結果的に計算量が膨大になるという問題が生じる。

また、問題発生要因を解消可能な諸元値の種類や、諸元値そのものを報知することも好適である。これにより、設計者が、問題発生要因を解消するための設計変更をより容易に行なうことができる。

本発明によれば、吸気経路の設計段階で、流体解析に問題を生じさせる問題発生要因を設計者に報知するので、設計者は、問題発生要因を考慮して吸気経路の設計を行なうことができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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、吸気経路の形状を設計している段階で、つまり、流体解析処理を行なう前に、流体解析に問題を生じさせる問題発生要因を設計者に報知するので、設計者は、そのような問題発生要因を考慮した吸気経路設計を行なうことができる。

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。

本発明の実施形態に係る設計支援システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る設計支援システムに含まれるデータベースサーバの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る設計支援処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る設計支援システムにおいて表示される画面を示す図である。 流体解析の問題発生要因として検出される形状例とその修正例を示す図である。 本発明の実施形態に係る設計支援システムにおいて表示される画面を示す図である。 本発明の実施形態に係る吸気ポートの構築方法を示す図である。 本発明にかかる設計支援システムを用いて設計可能な吸気経路の構成を示す概略図である。 本発明にかかる設計支援システムを用いて設計可能な吸気ポートを示す概略図である。

Claims (8)

1. 内燃機関の吸気経路内の流体の動作を解析することを前提として、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、
   前記検出工程で検出された前記問題発生要因を報知する報知工程と、を実行させ、
   前記検出工程は、
   前記吸気経路の形状から前記吸気経路全体の概略的な流速分布を判定し、
   形状の寸法に関する閾値を規定した検出対象形状条件を充足する形状部分を前記問題発生要因として検出し、
   該流速分布に基づいて、流速が速い部分ほど前記問題発生要因として検出され易くなるように、前記検出対象形状条件の前記閾値を変更することを特徴とする設計支援プログラム。
2. 前記問題発生要因は、前記吸気経路に存在する、曲率半径が所定値以下の屈曲部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。
3. 前記問題発生要因は、前記吸気経路に存在する所定の大きさ以下の微小段差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。
4. 前記問題発生要因は、前記吸気経路に存在する、所定値以上のアスペクト比となる部分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。
5. 前記問題発生要因は、前記吸気経路に存在する、深さが所定値以下の凹部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。
6. 前記報知工程は、前記問題を解消可能な前記諸元値の種類を報知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。
7. 前記報知工程は、前記問題を解消可能な前記諸元値を報知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。
8. 内燃機関の吸気経路内の流体の動作を解析することを前提として、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、
   前記検出手段で検出された前記問題発生要因を報知する報知手段と、を含み、
   前記検出手段は、
   前記吸気経路の形状から前記吸気経路全体の概略的な流速分布を判定し、
   形状の寸法に関する閾値を規定した検出対象形状条件を充足する形状部分を前記問題発生要因として検出し、
   該流速分布に基づいて、流速が速い部分ほど前記問題発生要因として検出され易くなるように、前記検出対象形状条件の前記閾値を変更することを特徴とする設計支援装置。

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