高熱効率燃焼の開発に適用する筒内壁温予測技術 Simulation Technique of Cylinder Wall Temperature to Apply for High Thermal Efficiency Combustion Development

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1 2 高熱効率燃焼の開発に適用する筒内壁温予測技術 Simulation Technique of Cylinder Wall Temperature to Apply for High Thermal Efficiency Combustion Development 山本亮 1 横畑英明 2 角田浩行 3 Ryo Yamamoto Hideaki Yokohata Hiroyuki Tsunoda 丸井堅太郎 4 和田栄治 5 寿美眞治 6 Kentaro Marui Eiji Wada Shinji Sumi CO2, 中 上, 内 重 高 次, 高 内,, 本, 水 内 達 成 CAE Computer Aided Engineering, 水, 保 明, Summary Management of cylinder wall temperature is one of the most important topics for further CO2 emission reduction and driving performance improvement. In order to achieve such improvement, more precise control of engine temperature is necessary to maintain suitable condition for higher thermal efficiency combustion. To achieve this goal, we developed new CAE(Computer Aided Engineering) simulation technique which couples the engine heat conduction and the fluid convection calculation, and applied to predict the heat transfer mechanism and its effect of the measures for controlling the temperature by new technologies such as the coolant flow rate control, and the engine heat retension. 1. めに CO2, 中, 内 重,, 高 安, 一, 上 内, 行, 水, 本, CAE 明 2. エンジン 機の 性と 2.1 開発における 中, HC,CO,, 高, 下, 本, 直, CO2, 内 達成 中, 生, 本 内 水, 達 1 6 Engine Performance Development Dept. 9

2 次, Fig. 1, 水 本 高,,, 下 小, 高, Fig. 1 Concept of Engine Temperature Control in New Vehicle Development, 水, 水 小 行 (1),, 水, 達 小 達, 安 本, 水 行, 内,, 大, 本,,, 周, 周, 達 Fig. 2 Fig. 1,,, 上,, 上,, 上 Fig. 2 Image of Engine Heat Insulation in Soak Process 2.2 サーマルマネジメント開発に向けた予測技術 内,, 水 CFD Computational Fluid Dynamics, 本 広, 高, (2),,,,, 保 達, 水 保, 路, 本 内 路 大 上 内,, 前, 本,, 本 内 成, 内 水 本 内, 中 内 本 内 明 3. エンジン温 化の予測技術,,, 達, 内 水, 本 大, 重, 水, CFD 良 行,, 達 上, 本 水 々 々, 10

3 水 達 成 3.1 流 の予測 高, 高 高, 水 行, 高 周, 達 重, 高 安 保,,, 本, 水 範 大 広, 内, 路内 広 範,CFD, 内, 内 PIV Particle Image Velocimetry, CFD, 明 PIV 行 上,,,, 下,Fig. 3 路 中 路, 内 Index Matching PIV 行 (3), ICONCFD CFD 内, 高 広 下, 大 広 C 生, 上 口 Fig. 5 C 直前, 広 下, 口, 大 (a) PIV Measurement (b) Initial CFD Calculation Before Submerging After Submerging (c) Improved CFD Calculation Fig. 4 Comparison of Cylinder Block Velocity Distribution between CFD and PIV Zinc Iodide Solution Velocity Distribution Fig. 3 Experiment of Index Matching PIV 上 CFD,Fig. 4(a),Fig. 4(b) CFD Fig. 5 Flow Behavior and Velocity Distribution 11

4 PIV, 内, 上 口 内,Fig. 6 口,,, 広 上,, 重, 行,, Fig. 8(b), 直 保 行 Fig. 8(c), 上 Fig. 4(c) Fig. 4(a), C 々 広 上, 一 Fig. 6 Flow Complexity at the Inlet of Water Jacket,, MRF Multiple Reference Frame (4) Fig. 7 内 上下 広, 大 (a) Base Mesh Resolution (b) Increased Resolution (c) Polyhedral Mesh Fig. 8 Improvement in T-Split Flow Calculation (a) Without Pump (b) With Pump Fig. 7 Comparison of Flow with/without Water Pump 次,,Fig. 8 T 路 口 一,, Fig. 4(b) 内 10, 行, 路 Fig. 8(a),,,, Fig. 9 内, PIV CFD 一 内 路, 良 一 Fig. 9 Comparison of Cylinder Head Flow Between CFD and PIV 12

5 CFD, 内 保 水 大, 上 25, 130[L/min] 行, 良 3.2 エンジンの 定 温 予測技術, 一, 水 CFD, 本, 本, 重, 明,,CAE Fig. 10 Fig. 10(a),, 成長 一,Fig. 10(b), 一, 重 (a) Step-wise Temperature (b) Transient Temperature Fig. 10 Difference in Strain Calculation by Transient Temperature Profile 本, 達成, 本 保 重, 大, 本, 水 内, 成, 水 本 明,, 本,, 成, 水 ICONCFD, 本 Fig. 11 本, 水 Fig. 11(a), 本 内 高,, (a) Structure Model (b) Coolant Model, 1 次 水 本 高, 水, 一, 由,1 次, Fig. 11 Mesh Model of Engine Conjugate Heat Transfer Model 上, 本, 内 成, 大 長, 日 一, 保 長,3 次 CFD 行 高, 一, 内, 内,1 次, 保, CFD 一 行, CFD, ICONCFD PowerTHERM, 本 小 一, 13

6 CFD 行, 行 Fig. 12,, Fig. 14 Result of Coolant Temperature after 4hr Soak 5. とめ Fig. 12 Calculation Method of Engine Soak Simulation 4. 定 温 解 の適用前,, SKYACTIV-D 2.2 行 進,SKYACTIV-D 2.2,1.75[L/min] 行 25[ ], 1500[rpm] Pe 100[kPa] 一 保 行 本, Fig. 13, 良, 水 t=150[s],,, 成, 重, 内 考文 山谷 SKYACTIV-D 2.2,,No.34,pp (2017) 寿,,No.24,pp (2006) K. Nishino and J.-W. Choi, "Index-Matching Technique for Effective Liquid Flow Diagnostics for Internal Combustion Engine", (JSAE), (2007) J. Y. Luo, et al., "Prediction of Impeller-Induced Flows in Mixing Vessels Using Multiple Frames of Reference". In I ChemE Symposium Series Fig. 13 Effect of Coolant Flow Rate in Cylinder Head Temperature Change Fig. 14, 保, 保 水 長, 一, 保, 前 成 行 山本亮横畑英明角田浩行 丸井堅太郎和田栄治寿美眞治 14