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自動車:吸気ポート

Rise over Ambient(ROA )/ 吸気ポート

車両の内燃エンジンは、吸気システムを通じて周囲の新鮮な空気を取り込みます。吸気システムの設計は、エンジン性能に影響する重要な要素です。吸気システムの性能を評価する重要なエンジニアリング基準に、RoA(Rise over Ambient)値があります。これは、周囲の条件により、エンジンの吸気ポートでの気温上昇の程度を表します。エンジンメーカーでは、通常、エンジンが適切に作動するために設計の上限値を決めています。さらに、熱力学的効率が向上することから、RoA値が低いほうがエンジン性能が高くなります。一般的には、事前定義された車両運転サイクルに対して平均化されたRoA値が報告されます。

技術課題

吸気システムは、吸気スノーケル、エアボックス、エアフィルター、チューブなどの主要部品で構成されています。このシステムは床下に配置されており、熱交換器からの熱気にさらされるため、過度の熱気が吸い込まれないように吸気スノーケルを正しく設置しなければなりません。さらに、近接する高熱部品から吸気への伝導と輻射を介した熱伝達を制御し、RoA値を設計限度内に維持する必要があります。また、吸気システムを最適化する場合には、水/雪の吸い込みや騒音特性などに関するその他の車両設計要件も考慮することが求められます。

車両の床下の流れと温度場は複雑であるため、実験によって得られる限られた測定データのみに基づき吸気システムを設計するのでは、これらのエンジニアリングターゲットを達成することは困難です。試行錯誤を繰り返し、条件を満たした設計を特定するには、一般的に複数のプロトタイプを作成しテストを行います。さらに、トラブルシューティングのために設計の最終段階で変更があれば、車両の開発コストが大幅に増加します。したがって、車両開発の初期段階で吸気システムを最適化できるように、RoA値を予測するためのシミュレーション手法を確立することが求められます。このシミュレーション手法には、床下流れの予測に伴う複雑な物理特性を捉えるのに十分な機能が必要です。同時に、車両の運転サイクルに関連する比較的長い物理的時間スケールに対応できる効率的な計算能力も求められます。

ソリューション

弊社のRoAシミュレーション手法は、PowerFLOWを用いて流れと温度場を計算します。床下部品の形状の詳細さは全て保たれたまま、計算をすることができます。PowerFLOW とPowerCOOLの連成により、床下での温度上昇の主な原因である熱交換器からの排熱をシミュレートすることができます。PowerFLOW/PowerCOOL連成の設定とシミュレーションプロセスは、シームレスに統合されています。特定RoA調査で採用された車両の運転サイクルのパターンにより、そのサイクルで選択されたいくつかの運転条件を再現するためには、PowerFLOW/PowerCOOL連成シミュレーションを複数回実行しなければならない場合があります。

床下流れのシミュレーション結果については、時間依存の流れと温度の境界条件を定義するための補間が行われます。RoA調査の一般的な運転サイクルは数分以上かかるため、計算効率を最大限にするために、吸気システムの主要な部品(スノーケル、エアボックス、エアフィルター/クリーナー、チューブ)だけが含まれた、完全な形状モデルのサブセットが、第2ステップとして、作成されます。弊社の熱伝導および輻射ソルバーPowerTHERMでは、材料の適切な情報と形状および境界条件を用いて、RoAシミュレーションを実行します。非定常のPowerTHERMシミュレーションは、吸気ポートでの温度履歴を計算し、特定の運転サイクルに基づくRoAの平均値を求めます。

弊社のRoAアプローチでは、以下のシミュレーションが可能です。

  • 事前定義された運転サイクルのRoA値を車両開発の初期段階で推定し、エンジン要件に基づく設計限界と比較する。
  • 吸気システムの気温上昇の根本原因(流れ漏れや再循環、過剰な熱輻射、他の高温部品からの熱伝導など)を特定し、その情報を使用して適切な解決策(シール、熱シールド、あるいは吸気システムの構成変更など)を設計する。
  • 床下部品のレイアウトを最適化し、スノーケル吸気口の最適な位置を決定する。

EXA SOFTWARE USED FOR THIS APPLICATION

Simulation Preparation: 
Results Analysis: