JP6326845B2

JP6326845B2 - 車両の通風抵抗予測装置、方法、及びプログラム

Info

Publication number: JP6326845B2
Application number: JP2014022547A
Authority: JP
Inventors: 朋冬松浮
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: JP2015149007A

Description

本発明は、車両の通風抵抗予測装置、方法、及びプログラムに関し、特に数値流体力学解析を用いた通風抵抗予測装置、方法、及びプログラムに関する。

車両のエンジンルーム内に備えられたラジエータを冷却するためには、ファンが用いられている。ラジエータを効率よく冷却するためには十分な量の冷却風をエンジンルーム内に導入する必要があり、そのために適切な車両設計及びファン選定を行う必要がある。

従来は、ファン特性曲線、及び冷却風の風量とエンジンルームの通風抵抗との関係を示した通風抵抗曲線に基づいて、車両設計及びファンの選定を行っていた。ファン特性曲線は、ファンが発生させる風量とファン前後の差圧との関係を示したファン自体の特性を表すデータで、一般的にメーカ等から開示されている。

一方、通風抵抗曲線は、車両の構造によって変化する曲線で、適切な設計を行うためには、この曲線を作成する必要がある。通風抵抗曲線は、従来、実際の車両を用いて実験的に求められていた。ファンを作動させずに車両前面から冷却風を通風させ、ファンの前方と後方にある適切なポイントで冷却風の圧力を測定し、これらの差圧を求める。さらに、冷却風の風量を変えながらこの測定を複数回行い、得られた風量と差圧との関係をプロットし、二次曲線に当てはめることで、通風抵抗曲線が作成される。

しかし、この方法では、実験用車両を製作する必要があり、開発コストの増加の要因となる。また、エンジンルーム下方が開放されているトラックのような車両の場合、ファンの停止・作動、あるいは回転数といったファンの作動条件によって、エンジンルーム内に導入される冷却風の経路が変化するため、圧力を測定すべき位置も変化する。そのため、正確な通風抵抗曲線を作成するには、実験の都度、正確な測定位置を探さなくてはならず、効率的ではない。

特許文献１には、コンピュータを用いた解析によりファン周辺の流体の流量を求める電子機器用熱解析装置が記載されている。この装置では、電子機器の形状データからノードを生成し、ノードの圧力を求め、ファン要素両端のノードの圧力差とファンの流量との関係が、ファン特性を示す曲線に近づくまで補正を繰り返すことで、ファン周辺の流体の流量を求めている。

特開２００１−１０８６４２号公報

しかし、特許文献１に記載の装置では、ファン要素両端のノードの圧力差は、予め決められた位置で計算される。したがって、この装置では上記のように、ファンの作動条件によって測定すべき位置が変化するような場合に、ファン要素両端のノードの圧力差を正確に求めることはできない。

そこで、本発明は、エンジンルーム内に導入される冷却風の経路がファンの作動条件よって変化する場合であっても、効率的かつ正確に車両の通風抵抗を求めることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、エンジンを動力源とし、エンジンルーム内にファンを有する車両の通風抵抗予測装置であって、前記車両のモデルデータ及び前記ファンの回転数に基づいて、数値流体力学解析を行うことにより、前記ファンが発生させる冷却風の風量、及び前記車両前後方向の位置を示す座標の関数として前記冷却風の圧力を予測する予測手段と、前記関数における、前記ファン後方側にある極大値と、前記ファン前方側にある極小値との差を、前記風量に対する前記ファン前後の差圧として算出する差圧算出手段とを備え、前記予測及び前記算出は、それぞれが異なる前記ファンの回転数で複数回行われ、さらに、前記通風抵抗予測装置は、複数回の前記予測及び前記算出によって得られた前記風量と前記差圧との関係を複数プロットすることにより前記風量と前記差圧との関係を示す曲線を作成する曲線作成手段を備えることを特徴とする車両の通風抵抗予測装置を提供する。

前記車両は、前記ファンの前方に配されたラジエータと、前記ラジエータの外周と前記ファンの外周とを結び、前記ラジエータと前記ファンとの間の空間を外部の空間から仕切る仕切り部材とを有し、前記予測は、前記空間を通る冷却風に対して行われてもよい。

前記差圧の算出に用いる極小値は、前記ラジエータと前記ファンとの間にある極小値であってもよい。

前記差圧の算出に用いる極大値は前記ファン後方側で前記ファンに最も近い位置にある極大値であり、前記差圧の算出に用いる極小値は前記ファン前方側で前記ファンに最も近い位置にある極小値であってもよい。

前記差圧の算出に用いる極大値は前記ファン後方側の所定範囲内における前記圧力の最大値であり、前記差圧の算出に用いる極小値は、前記ラジエータと前記ファンとの間における前記圧力の最小値であってもよい。

また、上記目的を達成するために、本発明は、エンジンを動力源とし、エンジンルーム内にファンを有する車両の通風抵抗予測をコンピュータが実行する方法であって、前記車両のモデルデータ及び前記ファンの回転数に基づいて、数値流体力学解析を行うことにより、前記ファンが発生させる冷却風の風量、及び前記車両前後方向の位置を示す座標の関数として前記冷却風の圧力を予測する予測工程と、前記関数における、前記ファン後方側にある極大値と、前記ファン前方側にある極小値との差を、前記風量に対する前記ファン前後の差圧として算出する差圧算出工程とを含み、前記予測及び前記算出は、それぞれが異なる前記ファンの回転数で複数回行われ、さらに、前記方法は、複数回の前記予測及び前記算出によって得られた前記風量と前記差圧との関係を複数プロットすることにより前記風量と前記差圧との関係を示す曲線を作成する曲線作成工程を含むことを特徴とする方法を提供する。

上記の方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラムであってもよい。

上記構成によれば、エンジンルーム内に導入される冷却風の経路がファンの作動条件よって変化する場合であっても、効率的かつ正確に車両の通風抵抗を求めることができる。

本発明の一実施形態にかかる通風抵抗予測装置を表したブロック図である。本発明の一実施形態にかかる車両前部の解析用モデルの断面図である。ファン停止時、エンジンルームに導入される冷却風の流れを表した図である。ファン動作時、エンジンルームに導入される冷却風の流れを表した図である。ＣＦＤ解析によって予測された冷却風の流れ及び圧力の一例を示した図である。曲線作成部で作成される通風抵抗曲線を示した図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。同一の構成要素には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

＜装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態にかかる通風抵抗予測装置１を表したブロック図である。通風抵抗予測装置１は、モデル作成部１０１、数値流体力学解析部（以下、ＣＦＤ解析部）１０２、差圧算出部１０３、曲線作成部１０４、及び記憶部１０５を含む。また、通風抵抗予測装置１は、入力部１０６、表示部１０７、及び外部装置１０８と通信可能に接続されている。

記憶部１０５は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、あるいはフラッシュメモリ等の記憶媒体であり、各種計算及び解析に必要なデータ及びプログラムが記憶されている。入力部１０６は、キーボード、マウス等であり、ユーザは入力部１０６を通じて通風抵抗予測装置１を操作する。表示部１０７は、液晶ディスプレイ等であり、ユーザによる入力を行うための画面、３Ｄデータ、解析結果等を表示する。外部装置１０８は、例えばサーバであり、通風抵抗予測装置１は必要に応じて外部装置１０８からデータを取り込む。その他の構成については、以下に詳述する。

＜モデル作成部＞
モデル作成部１０１は、ユーザの操作によって、あるいは記憶部１０５又は外部装置１０８から取り込んだデータに基づいて、車両２（図２）の３Ｄデータからなる解析モデルＭＤ（モデルデータ）を作成する。

図２は、本発明の一実施形態にかかる車両２前部の解析モデルＭＤの断面図である。図中、左側が車両２の前方、上側が車両２の上方となる。また、本実施形態では車両２は、ディーゼルエンジンを動力源とし、過給機としてターボチャージャーが設けられている。また、車両２は、キャブオーバ型車両であり、キャビンＣＢの下にエンジンルームＥＲが配される。

エンジンルームＥＲ内には、車両２前方から順にラジエータグリル２０１、インタークーラー２０２、ラジエータ２０３、壁面２０４、ファンシュラウド２０５、ファン２０６、シャフト２０７、及びエンジン２０８が設けられている。また、エンジンルームＥＲの下部２０９は開放されている。

ラジエータグリル２０１は、車両２前方からエンジンルームＥＲ内に冷却風を取り込む部分である。インタークーラー２０２は、ターボチャージャーが取り込んだ圧縮空気を冷却するための装置である。インタークーラー２０２は、前方からの冷却風を車両２後方側に通すようになっている。

ラジエータ２０３は、エンジン２０８を循環する冷却水を冷却するための装置である。ラジエータ２０３は前方からの冷却風を車両２後方側に通すようになっている。壁面２０４は、ラジエータ２０３とエンジンルームＥＲ上面との間に設けられている。壁面２０４により、ラジエータ２０３とエンジンルームＥＲ上面との間から冷却風が漏れるのが防止される。

ファンシュラウド２０５は、ラジエータ２０３の外周とファン２０６の外周とを結び、ラジエータ２０３とファン２０６との間の空間Ｓｐを外部の空間から仕切る仕切り部材である。この部材により、ラジエータ２０３を出た冷却風はファン２０６に効率よく導かれる。

ファン２０６は冷却風を発生させる装置で、その回転軸はシャフト２０７に取り付けられる。さらに、シャフト２０７はエンジン２０８に取り付けられる。そのため、エンジン２０８の回転が、シャフト２０７を介してファン２０６に伝えられることによりファン２０６が動作する。

作成された解析モデルＭＤのデータは、表示部１０７に表示され、ＣＦＤ解析部１０２に送信される。なお、車両２は、本実施形態の構成に限らず、また、エンジンルームＥＲ内の要素は上記のものに限られない。

＜ＣＦＤ解析部＞
ＣＦＤ解析部１０２は、解析プログラムを用いて、エンジンルームＥＲ内の冷却風の圧力Ｐを予測する。ここで、冷却風の圧力Ｐは冷却風の流れる方向の成分であり、以下の記載においても同様である。本実施形態では、解析プログラムとしてＣＤ−ａｄａｐｃｏ社のＳＴＡＲ−ＣＣＭ＋を用いているが、それに限られず、以下に述べる解析と同様の解析を行えるものであればよい。

まず、ＣＦＤ解析部１０２は解析モデルＭＤからメッシュを作成する。メッシュの作成は、四面体を用いた非構造格子法、直方体を用いた直行格子法等、３Ｄデータの形状や解析条件によって適宜選択することができる。

次に、ＣＦＤ解析部１０２は解析条件を取得する。本実施形態では、解析条件は車両２の速度（以下、車速）Ｖ（ｋｍ／ｈ）、及びファン２０６の動作条件としてその回転数Ｎ（ｒｐｍ）が入力される。なお、解析条件はこれらの条件の他にも、ファンの種類、車両２の外部環境での風速、気象条件や標高等により変化する気圧、解析モデルＭＤに可動部品を含む場合はその動作条件、冷却風により変形するような部品を含むような場合はヤング率等、適宜対応する条件を入力するようにしてもよい。

解析条件が取得されると、ＣＦＤ解析が行われる。図３−１は、ファン２０６停止時、エンジンルームＥＲに導入される冷却風の流れを表した図である。この場合、エンジンルームＥＲ内に導入される冷却風は車両２の走行により車両前方から受ける風であり、ラジエータグリル２０１を通して導入される冷却風３１Ａのみで、さらにファン２０６を通過した冷却風はエンジン２０８の外周面に沿って、エンジンルームＥＲ内を車両２後方に流れる（冷却風３２Ａ）。

図３−２は、ファン２０６動作時、エンジンルームＥＲに導入される冷却風の流れを表した図である。この場合、エンジンルームＥＲ内には、ラジエータグリル２０１を通過する冷却風３１Ａに加え、開放されたエンジンルームＥＲの下部２０９からの冷却風３１Ｂも導入される。さらに、ファン２０６を通過した冷却風は、エンジンルームＥＲ内を流れる（冷却風３２Ａ）だけでなく、下部２０９からエンジンルームＥＲの外に出る（冷却風３２Ｂ）。

本実施形態の解析では、図３−２のように、エンジンルームＥＲ内を流れる冷却風３１Ａ及び３２Ａに加えて、下部２０９から入出する冷却風３１Ｂ及び３２Ｂも考慮して行われる。

図４は、ＣＦＤ解析によって予測された冷却風の流れ及び圧力の一例を示した図で、図４上側は予測された冷却風の流れを流線ＦＬで示した図である。本実施形態では解析プログラムによりラジエータ２０３を通過する冷却風の風量Ｑ_Rが計算される。ここで、風量の単位はｍ³／ｍｉｎ等、単位時間当たりの体積を表す単位である。空間Ｓｐは、ラジエータ２０３とファンシュラウド２０５とファン２０６とによって囲まれている。そのため、ラジエータ２０３を出た冷却風は全てファン２０６に導かれる。したがって、本実施形態ではラジエータ２０３を通過する冷却風の風量Ｑ_Rはファン２０６が発生させる風量Ｑと等しい。

また、車両２前後方向の位置をｘ座標としたとき、それぞれの流線ＦＬは、ｘの関数となる圧力のパラメータｐ（ｘ）を有している。冷却風に相当する流線（例えば、ラジエータ２０３を通過する流線）を選び、これらの流線について所定のｘ座標における圧力のパラメータの平均を算出することで、冷却風の圧力Ｐ（ｘ）が算出される。圧力の単位は、例えばＰａ、ｂａｒなどが挙げられる。

図４下側は、予測された冷却風の圧力Ｐ（ｘ）を示した図である。図中、縦軸は圧力Ｐ、横軸は車両２前後方向の位置をｘであり、基準となる圧力Ｐ_STは大気圧である。まず、車両２が走行等により前方から受ける風の作用Ｗ_FRにより圧力Ｐ（ｘ）は上昇する。前方からエンジンルームＥＲ内に入る冷却風はラジエータグリル２０１による抵抗Ｒ₂₀₁を受けて圧力Ｐ（ｘ）が低下する。エンジンルームＥＲ内を流れる冷却風は、エンジンルームＥＲの形状による影響により圧力Ｐ（ｘ）が徐々に低下する。さらに、冷却風はインタークーラー２０２による抵抗Ｒ₂₀₂、ラジエータ２０３による抵抗Ｒ₂₀₃、ファンシュラウド２０５による抵抗Ｒ₂₀₅を受け、圧力Ｐ（ｘ）が低下する。その後、冷却風はファン２０６による作用Ｗ₂₀₆を受けて、圧力Ｐ（ｘ）が上昇する。ファン２０６を出た冷却風は、エンジン２０８による抵抗Ｒ₂₀₈によって再び圧力Ｐ（ｘ）が低下する。

得られた圧力Ｐ（ｘ）のデータから、ファン２０６後方側にある圧力の極大値Ｐ_max及びファン２０６前方側にある圧力の極小値Ｐ_minがファン２０６前後の差圧ΔＰ算出のためのデータとして抽出される。本実施形態では、極大値Ｐ_maxはファン２０６後方側でファン２０６に最も近い位置にある極大値であり、極小値Ｐ_minはファン２０６前方側でファン２０６に最も近い位置にある極小値である。

なお、極大値Ｐ_max、極小値Ｐ_minの抽出方法はこれに限らず、例えば、ファン２０６前後方の所定範囲における圧力Ｐ（ｘ）の最大値、最小値であってもよい。ファン２０６前方側の所定範囲として、例えば、ラジエータ２０３とファン２０６との間が考えられる。

抽出された極大値Ｐ_max及び極小値Ｐ_minは、車速Ｖ及び冷却風の風量Ｑとともに、差圧算出部１０３に送信される。

＜差圧算出部＞
差圧算出部１０３では、ＣＦＤ解析部１０２で計算された極大値Ｐ_maxと極小値Ｐ_minとの差Ｐ_max−Ｐ_minを差圧ΔＰとして算出する。算出された差圧ΔＰは、車速Ｖ及び冷却風の風量Ｑと関連付けられ、記憶部１０５に記憶される。

＜曲線作成部＞
曲線作成部１０４では、記憶部１０５に記憶され、車速Ｖが一定条件下で計算された、風量Ｑに対する差圧ΔＰの値をプロットすることにより、風量Ｑと差圧ΔＰとの関係を示す通風抵抗曲線ΔＰ_V（Ｑ）を作成する。

図５は、曲線作成部１０４で作成される通風抵抗曲線ΔＰ_V（Ｑ）を示した図である。一般に、差圧ΔＰは風量Ｑの二次関数で表されるため、正確な曲線を作成するためにはプロットは少なくとも３点以上必要となる。そのため、本実施形態では、車速Ｖが一定の条件下、それぞれ異なるファン２０６の回転数Ｎ₁、Ｎ₂、Ｎ₃に対して、風量Ｑ₁、Ｑ₂、Ｑ₃及び差圧の値ΔＰ₁、ΔＰ₂、ΔＰ₃を計算する必要がある。

車両２が走行中で前方からの風を受ける場合（Ｖ＞０）、図５の曲線のように、Ｑ＝０において差圧ΔＰは負の値となる（ΔＰ_V（０）＜０）。一方、車速Ｖが０ｋｍ／ｈである場合は、風量Ｑが０ならば差圧ΔＰは０となる（ΔＰ_V=0（０）＝０）。そのため、Ｖ＝０であれば、プロット点数は２点であっても通風抵抗曲線ΔＰ_V=0（Ｑ）は作成できる。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態の通風抵抗予測装置１では、３Ｄモデルに基づき解析プログラムを用いて通風抵抗曲線ΔＰ_V（Ｑ）を作成している。そのため、実際の車両の製作をすることなく、効率的に車両２の通風抵抗（差圧ΔＰ）を求められる。

また、本実施形態の通風抵抗予測装置１では、差圧ΔＰは、車両２前後方向の位置ｘの関数Ｐ（ｘ）の極大値Ｐ_max及び極小値Ｐ_minから求められる。そのため、本実施形態の車両２のようにファン２０６の停止・作動、あるいは回転数Ｎといったファン２０６の作動条件によって、冷却風の流入する経路が変化し、極大値Ｐ_max及び極小値Ｐ_minをとる位置（測定すべき位置）が変化する場合であっても、正確に差圧ΔＰが求められる。

さらに、本実施形態の通風抵抗予測装置１では、実際の車両にセンサの配置を行う必要がない。そのため、ラジエータ２０３とファン２０６との間（空間Ｓｐ）のような、センサの配置が困難な場所に極小値Ｐ_minが現れる場合であっても正確に差圧ΔＰが求められる。

このように算出された差圧ΔＰを風量Ｑの関数としてプロットしていくことで、通風抵抗曲線ΔＰ_V（Ｑ）を得ることができ、ファン２０６が発生させる風量Ｑに対する通風抵抗（差圧ΔＰ）を正確に求めることができる。

したがって、本実施形態により、エンジンルームＥＲ内に導入される冷却風の経路がファン２０６の作動条件よって変化する場合であっても、効率的かつ正確に車両２の通風抵抗を求めることができるようになる。

また、上記の実施形態の通風抵抗の予測を実現するソフトウェア（プログラム）を、システムあるいは装置のＣＰＵ等が読み出し、実行することによっても本発明の目的を実現することができる。

１通風抵抗予測装置
１０２数値流体力学（ＣＦＤ）解析部
１０３差圧算出部
１０４曲線作成部
２車両
ＥＲエンジンルーム
２０３ラジエータ
２０５ファンシュラウド
２０６ファン
２０８エンジン
Ｓｐ空間
Ｎファンの回転数
ｘ車両前後方向の位置
Ｑ冷却風の風量
Ｐ（ｘ）冷却風の圧力
ΔＰファン前後の差圧

Claims

エンジンを動力源とし、エンジンルーム内にファンを有する車両の通風抵抗予測装置であって、
前記車両のモデルデータ及び前記ファンの回転数に基づいて、数値流体力学解析を行うことにより、前記ファンが発生させる冷却風の風量、及び前記車両前後方向の位置を示す座標の関数として前記冷却風の圧力を予測する予測手段と、
前記関数における、前記ファン後方側にある極大値と、前記ファン前方側にある極小値との差を、前記風量に対する前記ファン前後の差圧として算出する差圧算出手段とを備え、
前記予測及び前記算出は、それぞれが異なる前記ファンの回転数で複数回行われ、
さらに、前記通風抵抗予測装置は、複数回の前記予測及び前記算出によって得られた前記風量と前記差圧との関係を複数プロットすることにより前記風量と前記差圧との関係を示す曲線を作成する曲線作成手段を備えることを特徴とする車両の通風抵抗予測装置。
前記車両は、前記ファンの前方に配されたラジエータと、前記ラジエータの外周と前記ファンの外周とを結び、前記ラジエータと前記ファンとの間の空間を外部の空間から仕切る仕切り部材とを有し、前記予測は、前記空間を通る冷却風に対して行われることを特徴とする請求項１に記載の車両の通風抵抗予測装置。
前記差圧の算出に用いる極小値は、前記ラジエータと前記ファンとの間にある極小値であることを特徴とする請求項２に記載の車両の通風抵抗予測装置。
前記差圧の算出に用いる極大値は前記ファン後方側で前記ファンに最も近い位置にある極大値であり、前記差圧の算出に用いる極小値は前記ファン前方側で前記ファンに最も近い位置にある極小値であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の車両の通風抵抗予測装置。
前記差圧の算出に用いる極大値は前記ファン後方側の所定範囲内における前記圧力の最大値であり、前記差圧の算出に用いる極小値は、前記ラジエータと前記ファンとの間における前記圧力の最小値であることを特徴とする請求項２又は３に記載の車両の通風抵抗予測装置。
エンジンを動力源とし、エンジンルーム内にファンを有する車両の通風抵抗予測をコンピュータが実行する方法であって、
前記車両のモデルデータ及び前記ファンの回転数に基づいて、数値流体力学解析を行うことにより、前記ファンが発生させる冷却風の風量、及び前記車両前後方向の位置を示す座標の関数として前記冷却風の圧力を予測する予測工程と、
前記関数における、前記ファン後方側にある極大値と、前記ファン前方側にある極小値との差を、前記風量に対する前記ファン前後の差圧として算出する差圧算出工程とを含み、
前記予測及び前記算出は、それぞれが異なる前記ファンの回転数で複数回行われ、
さらに、前記方法は、複数回の前記予測及び前記算出によって得られた前記風量と前記差圧との関係を複数プロットすることにより前記風量と前記差圧との関係を示す曲線を作成する曲線作成工程を含むことを特徴とする方法。
請求項６に記載の方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。