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Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder SolutionSimcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solutionは、 シリンダー内固有のワークフローを提供します。これは、最小限の入力、合理化されたプリ処理機能、自動化されたポスト処理機能を含み、モーフマップ・アプローチに依存し、完全に自動化されたグリッド生成を 中心に すべて構築されています。クラス最高のモデル (スプレー、液膜、イグニッション、燃焼、エミッション) と組み込み設計探索機能によって補完され、内燃機関CFDシミュレーションを生産的な方法で実現し、より効率的で強力な次のエンジン設計を数値的に予測することができます。

内燃機関 (ICE) ワークショップ – リプレイ配信開始

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solutionの詳細については、オンライン・イベントの録画をご覧ください。

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以下に示す昨年 (2023年9月) のウェビナーで紹介した最も興味深い例の1つでは、2つの燃料噴霧の相互作用が不十分または強すぎる (点火不良など) 可能性がある特定の条件下で、さまざまな噴射タイミングと角度でのアンモニア・ジェットとディーゼル・ジェットが研究されています。現象の正確な予測にCFDを利用できるため、広範な試験の必要性が減り、エンジンの設計方法を詳細に理解できます。

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution

自動車のパワートレインの電動化についてはよく耳にしますが、現実には、内燃機関がすぐになくなることはなく、今後数十年にわたってパワートレインの定番となるでしょう。内燃機関の小型化の推進とハイブリッド・パワートレイン・プラットフォームへの統合は、エンジン開発に多くの新たな課題を提示しています。これは、広範なCFDシミュレーションによってのみ克服できます。

Simcenter STAR-CCM+のアドオンのIn-Cylinder Solutionでは、エンジンの正確なシリンダー内CFDシミュレーションを簡単に実行できます。デフォルト設定と自動的に作成されるポスト処理出力により、エンジニアは「スムーズに開始できる機会」を得ることができます。CFDの専門家でなくても、最も困難なCFDシミュレーションの1つを設定して実行できます。

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solutionのメリットと機能の概要:

• 簡単な問題設定: エンジン・シミュレーションを数分で設定
• 自動メッシング: モーフィングとマッピングで可動部品を処理
• コールドフロー: 取り込まれた空気質量を最大化
• 充填運動: 吸入空気と注入燃料の混合を改善
• 燃焼、ノック、エミッション: 燃焼効率を最大化し、有害なエミッションを最小限に抑える 
• 共役熱伝達: 連成パワートレイン解析により熱管理を最適化
• ワークフロー/ポスト処理: 最小限の入力と合理化されたプロセスで生産性を向上
• 自動設計探索: エンジン性能を自動的に最適化
• 検証: 実験データとの優れた相関性

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簡単な問題のセットアップ

In-Cylinder Solutionアドオンは、シリンダー内シミュレーションの設定に必要な入力のみを表示する最小限のインターフェースを開き、トップダウンのワークフローを提供します。トップから開始してさまざまなレベルまで作業できます。

このアドオンはアプリケーション固有のワークフローと簡素化されたインターフェースを使用しているため、Simcenter STAR-CCM+の専門家でなくても、アドオンを使用してシリンダー内シミュレーションを設定して実行できます。熟練ユーザーは、このシリンダー内シミュレーションをベースに、Simcenter STAR-CCM+のシミュレーション機能をフル活用して、より複雑なマルチフィジックス・エンジンシ・シミュレーションを実行できます。

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solutionは、設定を迅速かつ簡単に行えるように特別に設計されているため、マウスのボタンを何度もクリックして問題を設定することなく、より多くの時間を解析に費やすことができます。噴霧のターゲッティング用に簡単にカスタマイズできる一般的なマルチホール・インジェクターの迅速な設定から、燃料の素早い選択、液体や蒸気浸透のプロットや燃料質量追跡などの一般的なポスト処理出力の自動設定まで、このアドオンはシミュレーションの設定を容易にし、エンジニアがシミュレーション・プロセスから最大限の価値を引き出すことができるように設計および開発されています。

フルモデル、ハーフモデル、セクターモデルを設定し、4ストロークと2ストロークの両方のエンジン構成をわずか数分でシミュレーションするツールと機能を提供しています。

自動メッシング

In-Cylinder Solutionアドオンは、シミュレーション・ドライバーを使用して非定常メッシュ・モーション・プロセスを実行します。境界層の流れの特徴を捉えるために、トリムされたセルとプリズム層で構成される単一の初期メッシュを作成するだけで済みます。メッシュ全体の動きは、ピストンとバルブの動きを考慮してグリッドを自動的にモーフィングおよびマッピングするコードによって自動的に処理されます。このツールは、モーフィング時にメッシュの品質チェックを実行し、必要に応じて歪みのない新しいメッシュを自動的に作成し、シミュレーション結果をメッシュにマッピングします。

メッシュは、ベストプラクティスに沿って、バルブの周り、バルブシート、バルブのスロート、ポート内、ガスケットの隙間周りなど、重要な領域で自動的に精細化されます。これは、すべてのシミュレーションに対して自動的に実行され、ユーザーによる手動の介入は必要ありません。一方、ユーザーはメッシュ設定を完全に制御でき、解析の範囲に応じて、点火プラグ周辺など、精細化の領域を追加できます。

採用されているモーフマップ・アプローチは広範囲にテストされており、すべての実用的なアプリケーションに対して非常に堅実です。

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コールドフロー 

シリンダー内シミュレーションは、実行できる最も複雑なCFDシミュレーションの1つです。 高速フロー、非常に高いレベルの質量保存を必要とするメッシュ・モーション、および非常に小さな時間スケール (クランク角の度数の一部には通常、1E-6 [s] オーダーの時間ステップが必要) の組み合わせは、設定に多くの作業が費やされ、妥当なターンアラウンド・タイムで安定して動作させるには、数値を慎重に選択する必要があります。 これは、ラグランジュ法による噴霧、液滴と壁面の相互作用、壁流体膜などの液体燃料噴射や、点火、火炎伝播、エミッション形成、ノックなどの燃焼を含む複雑な物理モデルに重ね合わせる前のことです。

このような理由から、開発プロセスの初期段階で行われるシミュレーションの多くは、いわゆるコールドフローに集中しています。これには、シリンダー内の気流の非定常プロセスのモデリングが含まれ、通常は、取り込まれた空気質量を最大化し、この流れが引き起こすバルク動作 (渦流とタンブル) を調べることを目的としています。多くの場合、燃料と空気の混合の可能性、特に火花点火エンジンでは、意図された点火/燃焼開始時の点火プラグ周辺の乱流レベルを深く理解するために、乱流の変化も調べます。

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solutionは、メッシュ・モーションの自動設定により、マルチバルブ・エンジンのコールドフロー・シミュレーションを設定し、未加工のCADジオメトリからシミュレーションの実行までをわずか数分で完了できます。

URANSまたはLESのいずれかを、シミュレーション・プロジェクトの正確な範囲と数値でキャプチャされるエフェクトに応じて使用できます。

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流動/混合気調整

Simcenter STAR-CCM+ 13.04では、充填運動 シミュレーションを設定、実行する機能がさらに進化しています。これは、以前のコールドフロー機能に基づき、液体燃料噴射の設定とその後の混合プロセスのモデリングが含まれています。充填運動シミュレーションにより、エンジンメーカーは、特にピストンがTDCに近づいたときや火花点火中などのサイクルの重要な部分で、豊富なまたは希薄な混合領域を特定して修正することにより、吸入空気と注入燃料の混合を制御して燃焼品質を向上させることができます。後者は、燃料をシリンダー内に直接注入することでバルク流量と乱流レベルに大きく影響する今日の直噴設計では特に重要であり、シミュレーションによって提供される洞察はこれまで以上に重要です。

通常、充填運動シミュレーションが果たすもう一つの重要な役割は、有害なエミッション形成の可能性を評価することです。 繰り返しになりますが、燃料と空気の高品質な混合の実現が理想的ですが、特に直噴システムでは、高負荷動作点でエンジン・サイクルの大部分で燃料噴射があることが課題です。シミュレーションでは、充填のポケットが少ない、多いかだけでなく、液体燃料がどの程度の速さで蒸発しているか、シリンダーの表面にどの程度の影響を与えているか、それらの表面で膜やプールが形成されているかも分かります。これらはすべて、有害なエミッションの形成の大きさを示す指標となり、何らかの方法で軽減しない限り、排気ラインの高価なポスト処理装置を使用してエンジンの下流で「浄化」する必要があります。 

長年にわたり、OEMは、シリンダー内のバルク・モーション、燃料と空気の混合品質の測定基準、および燃焼が良好であるか示す点火プラグ周辺の乱流のレベルのみを使用して、純粋に充填運動に基づく設計ガイドラインの大規模なデータベースを開発し、特に燃焼システムの初期の設計段階の貴重なエンジニアリング時間を節約してきました。

さまざまな分裂、液滴の壁面への衝突、および液膜のモデルは、ユーザーがより高度な燃焼研究を実行する前に、この種のシミュレーションを成功させるために必要なツールセットを提供します。さらに、バージョン2210以降でデフォルトで適用される温度依存プロパティにより、手動操作が大幅に削減されます。

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燃焼、ノック、エミッション

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solutionは、ECFM-3Z、ECFM-CLEH、高度な (ISSIM) モデルなどの燃焼機能だけでなく、標準的な点火モデル、ノックモデル (テーブル形式の動力学的点火 – TKI)、CO、NORA NOx、すす排出モデルなどの排出モデル、すすセクショナル法で補完されます。年に3回のリリースにより、ノックを捉えて排出を予測するハイクラスの燃焼モデル・オプションとサブモデルを提供し、機能の幅を継続的に拡大しています。

代替/非炭素燃料のモデリングへの関心の高まりに応えるため、コードで提供されるすべての燃焼モデルは、水素 (H₂) やアンモニア (NH₃) などのタイプC_xH_yO_zN_wの燃料と完全に互換性があります。

より極端な動作点や圧力/温度条件では、理想気体の状態方程式など、以前は有効だった特定の仮定がもはや成り立たない可能性があります。安全を確保するために、ツールで提供されているRedlich-Khongモデルを使用した実在気体は、ファンデルワールス力、圧縮率および非平衡熱力学的効果、可変比熱容量など、理想気体の状態方程式では予測できない効果を正確に予測するのに役立ちます。

詳細なモデルに頼らずに有用な燃焼室設計情報を生成するために、特定の燃焼割合 (Wiebe) モデルを採用し、燃焼時間とともにフォーム・ファクターを介して燃焼割合を指定できます。このアプローチは、エンジンのCHT解析で使用する熱伝達境界条件の生成にも使用できます。

このグラフは、産業用4ストローク・ディーゼル・エンジンのシリンダー圧力曲線を示しています。ここでは、実在気体モデルを適用することで、部分負荷および全負荷の両方の動作条件でのシリンダー圧力の予測が向上し、ピーク圧力が試験データにより密接に一致します。

燃焼機能の詳細をご確認ください

シリンダー内燃焼のCFDシミュレーションに関するオンデマンド・ウェビナーをご覧ください

共役熱伝達 (CHT)

効率性を追求する今日のエンジン設計では、標準的なシミュレーションを超えた、効果的な熱管理が重要です。 熱設計の限界を超えずに熱効率のピークレベルに達する設計は、フルエンジン共役熱伝達シミュレーションを使用して研究されます。

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solutionは、流体と固体の両方、つまりシリンダー内およびエンジンCHTモデルをシミュレーションするための単一のユーザー環境も提供します。2つのモデル間での熱伝達境界条件の交換と、ワークフローの自動化機能は、簡単に実現できるポイントです。

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ワークフロー/ポスト処理

ここをクリックして、アンモニア燃料エンジンの結果をインタラクティブに探索してください。

設計探索の自動化

Simcenter STAR-CCM+のプラットフォームとしてのパワーを解き放つ組み込みツールDesign Managerを使用すると、プラットフォームの自動化機能、スケーラビリティ、柔軟性を活用して、次世代に向けてエンジンを最適化するための設計検討を簡単かつ迅速に実行できます。 

さらに、In-Cylinder Solutionアドオンは、パラメトリック・モデルを自動的に作成するため、マウスを数回クリックするだけで、複数の動作条件を簡単にスイープして、さまざまな速度と負荷でのバルク・モーションと乱流を理解できます。

ジオメトリのスワップも導入され、ジオメトリ設計バリエーションの検討を簡単に設定し、別のジオメトリで既存のシミュレーション設定を再利用できます。

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実験に対する検証

In-Cylinder SolutionとSimcenter STAR-CCM+はどちらも、独自のエンジン設計とパブリック・ドメインのエンジン設計の両方に対して広範なシミュレーションを実行してきました。その一例が、ミシガン大学の透明燃焼室-III (TCC-III) 光学式内燃機関 (パンケーキ型の燃焼室を備えた2バルブヘッド、4ストロークの火花点火エンジン) の検証です。  

この結果は、シリンダーに取り込まれた質量、圧力、温度など、グローバルな熱力学変数との優れた相関を示しており、実験装置からの視覚化と比較して、流動場の主要な特徴もよく捉えられています。 

Daimler AGの研究開発部門と共同で別の詳細な検証研究が実施され、最先端のGDIエンジン構成で、高速/高分解能のPIV測定とSimcenter STAR-CCM+の予測との間に優れた相関関係があることが証明されました。

燃焼検証の詳細については、2019年にバーチャルで開催されたシリンダー内燃焼のCFDシミュレーションに関するオンデマンド・ウェビナーをご覧ください。

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内燃機関市場へのコミットメント

シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェアは、内燃機関が今後も存在し、高度なシミュレーションによって社会にふさわしいクリーンで効率的な内燃機関を提供できることを認識し、内燃機関シミュレーション市場に専念しています。

Simcenter STAR-CCM+の一部として、In-Cylinder Solutionアドオンは年に3回更新され、これらのシミュレーションに対応する機能を継続的に追加していきます。

いつでも、優れた内燃機関CFDの専任チームがお客様をサポートし、シリンダー内CFDの最も困難な問題も解決します。

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シーメンスの内燃機関 (ICE) アプリケーション向けCFD製品の詳細、Simcenter STAR-CCM+のダウンロード、サポートに関するお問い合わせについては、サポートセンターにアクセスしてください。 

ご質問やコミュニティへの参加については、In-Cylinder Flow & Combustionコミュニティ・ページをご覧ください。