ケーススタディ - 低温環境でのウォームアップ

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低温環境でのウォームアップ性能予測

正確で統合された 1D モデリング手法を使用して結果を達成する

使用する 波 そして フローマスター、 計算科学専門家グループ (CSEG) は、低温周囲熱の遮断を予測および定量化するために、2L ガソリン ターボチャージャー付き直噴エンジンをモデル化しました。

チャレンジ

車両の迅速かつ効率的な暖機運転は、乗員の快適性、車両の性能、テールパイプの排気ガスに大きな影響を与えます。車両を製造する前に、熱システム開発チームは、特に寒冷地での運転において、車両の理想的な周囲始動性能を予測し、達成するという課題に常に取り組んでいます。

困難には次のようなものがあります。

  • エンジンの熱遮断と摩擦に関する知識が不完全
  • 頻繁な校正変更
  • 気候制御されたテストに関連する多大なコスト

検証

計算 1D モデルは、エンジニアが目標のパフォーマンスと効率を達成するために重要なパラメーターの効果を定量化するために不可欠です。この方法を使用して、実験的検証テストが WAVE、旧 Ricardo Software の 1D シミュレーション パッケージである Realis Simulation、および Mentor Graphics の 1D 計算流体力学 (CFD) ツールである Flowmaster を使用して CSEG によって実行されました。最初に、WAVE を使用して、冷却排気ガス再循環 (EGR) を備えた 2 リッター 4 気筒ガソリン ターボチャージ直噴エンジンの熱力学エンジン モデルが作成および検証されました。このモデルは、エンジンの熱遮断をシミュレーションおよび予測し、その効果を定量化するために使用されました。点火タイミング、空燃比、マニホールド圧力、シリンダー壁温度などの定義済みの校正パラメータを、摂氏 -20 度/華氏 -4 度の低い周囲温度で測定します。

次に、定義された校正パラメータが Flowmaster で開発された冷却システムに適用され、エンジンと冷却剤の熱慣性の影響とコンポーネントの性能低下が考慮され、さまざまな主要パラメータが車室内の気温に及ぼす最終的な影響が定量化されました。結合された WAVE-Flowmaster 1D モデルは次の分析を提供し、HVAC パフォーマンスへの影響を示しました。

  • スパークタイミング – 50 ℃に達するまでに必要な時間は、15 度のクランク角で点火タイミングを遅らせた場合は 110 秒 (23%)、25 度のクランク角で点火タイミングを設定した場合は 160 秒 (33%) 短縮されました。同様に、冷却水の温度もそれぞれ 4 ℃、6 ℃上昇しました。
  • 空燃比 – 空燃比がリッチになると、クーラントの暖機が悪影響を受けます。空気流が豊富になると、化学量論的 AFR と比較した場合、冷却剤が 50 ℃に達するまでにかかる時間は、AFR-3 では 220 秒 (150%)、AFR-5 では 900 秒 (290%) 増加しました。同様に、10 分後の冷却液温度はそれぞれ 10 ℃ および 20 ℃低下しました。
  • エンジン回転数 – 冷却液の暖機運転に対するエンジン速度の変化の影響は、エンジン速度を 1500 rpm から 1700 rpm に増加させることによって評価されました。エンジン回転数の増加により冷却液の暖機運転が改善され、冷却液が 50℃に達するまでの時間が 1700 rpm で 100 秒 (21%) 短縮されました。

機会

CSEG のエンジニアは、1D 計算モデル (エンジンと冷却) を使用して、低温条件におけるエンジンの熱遮断とエンジン校正の影響を予測することができました。この完全に計算による予測アプローチは、低温周囲の暖機運転時のエンジン動作の複雑な相互作用と仕組み、および設計の初期段階で目標を達成するために HVAC エンジニアが必要とするレベルを理解する上で不可欠です。