JP5397634B2 - Thermal analysis method - Google Patents

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Description

本発明は、熱解析方法に関し、特に、自動車の排気管の温度分布を解析する方法に関する。   The present invention relates to a thermal analysis method, and more particularly to a method of analyzing a temperature distribution of an exhaust pipe of an automobile.

従来、自動車の開発においては、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）システムが用いられている（例えば、特許文献１参照）。このようなシステムは、自動車の熱の挙動を計算する機能を有しており、その計算結果に基づいて、熱の挙動を考慮した自動車の設計を行うことができる。   Conventionally, in the development of automobiles, a CAE (Computer Aided Engineering) system has been used (see, for example, Patent Document 1). Such a system has a function of calculating the thermal behavior of the automobile, and based on the calculation result, the automobile can be designed in consideration of the thermal behavior.

特に、高温となる排気管の温度分布は、その周辺部分の遮熱対策などを設計するために重要な情報であるので、排気管の温度分布を精度よく計算することは、重要な課題となっている。   In particular, the temperature distribution of the exhaust pipe, which is at a high temperature, is important information for designing measures for heat shielding in the surrounding area. Therefore, it is important to accurately calculate the temperature distribution of the exhaust pipe. ing.

排気管の温度を推定する方法としては、コンピュータを用いた熱流体解析が知られている。熱流体解析では、計算対象の排気管をモデル化し、所定の形状、大きさの計算格子に分割する。そして、計算格子に対して、排気管に流れる排気ガスの温度や粘度や密度などの流体物性、排気管の材質の熱伝導率等の物性値などを設定し、コンピュータで解析することで、計算格子における温度を求めることができる。   As a method for estimating the temperature of the exhaust pipe, thermal fluid analysis using a computer is known. In thermal fluid analysis, an exhaust pipe to be calculated is modeled and divided into calculation grids of a predetermined shape and size. Then, set the physical properties such as the temperature, viscosity and density of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe, the physical properties such as the thermal conductivity of the exhaust pipe material, etc. to the calculation grid, and analyze it with a computer. The temperature at the grid can be determined.

排気管には、その周囲に遮熱板が設けられる場合があり、この遮熱板を考慮して排気管の温度分布を計算しなければならない。すなわち、対流や輻射より車体の熱が遮熱板に伝わり、さらに、遮熱板からその内側の排気管に対流や輻射により熱が伝わるので、このことを考慮した計算が必要となる。したがって、排気管と遮熱板との間の空間にも計算格子を設定し、その空間での対流や輻射を考慮した解析を行う必要がある。   A heat shield plate may be provided around the exhaust pipe, and the temperature distribution of the exhaust pipe must be calculated in consideration of the heat shield plate. That is, the heat of the vehicle body is transmitted to the heat shield plate by convection and radiation, and further, the heat is transmitted from the heat shield plate to the exhaust pipe inside thereof by convection and radiation. Therefore, it is necessary to set a calculation grid also in the space between the exhaust pipe and the heat shield, and perform analysis in consideration of convection and radiation in the space.

しかし、排気管と遮熱板との間は、狭いところで数ミリ程度と狭く、この空間を計算格子に分割することは困難である。また、その空間に多量の計算格子を設定して解析すると、解析に要する時間が膨大となり、収束しない虞がある。   However, the space between the exhaust pipe and the heat shield is as narrow as several millimeters in a narrow space, and it is difficult to divide this space into calculation grids. Also, if a large amount of calculation grid is set in the space and analyzed, the time required for the analysis becomes enormous and may not converge.

特開２００８−２４３０６３号公報JP 2008-243063 A

本発明は、上記事情に鑑み、遮熱板が配設された排気管の温度分布を高速かつ高精度に解析することができる熱解析方法を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a thermal analysis method capable of analyzing a temperature distribution of an exhaust pipe provided with a heat shield plate at high speed and with high accuracy.

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、排気ガスが流通する排気管及び該排気管の周囲に空間を隔てて配設された遮熱板を備える排気系のモデルを用いて前記排気管の温度分布を解析する熱解析方法であって、前記排気管及びその内部の流路には計算格子を設定すると共に、前記排気管と前記遮熱板との間の空間部には計算格子を設定せずに前記排気系のモデルに計算格子を設定するステップと、前記遮熱板から前記排気管への輻射と、前記空間部の対流伝熱とにより前記排気管に伝熱することを表す境界条件を設定し、前記排気管の温度分布の熱解析を行うステップとをコンピュータにより実行させることを特徴とする熱解析方法にある。 In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention uses an exhaust system model including an exhaust pipe through which exhaust gas flows and a heat shield disposed around the exhaust pipe with a space therebetween. A thermal analysis method for analyzing a temperature distribution of the exhaust pipe, wherein a calculation grid is set for the exhaust pipe and a flow path inside the exhaust pipe, and in a space portion between the exhaust pipe and the heat shield plate Heat is transferred to the exhaust pipe by setting a calculation grid in the exhaust system model without setting a calculation grid, radiation from the heat shield plate to the exhaust pipe, and convective heat transfer in the space. And a step of performing a thermal analysis of the temperature distribution of the exhaust pipe by a computer .

かかる第１の態様では、遮熱板と排気管との間の空間部に計算格子を設けずに熱解析を行うため、計算格子を設ける時間が短縮され、かつ熱解析に要する計算時間が短縮される。さらに、遮熱板から排気管への輻射の影響と、空間部での対流の影響とを考慮した境界条件を用いるので、実測の温度に近似した排気管及び遮熱板の温度分布を得ることができる。 In the first aspect, since the thermal analysis is performed without providing the calculation grid in the space between the heat shield and the exhaust pipe, the time for providing the calculation grid is reduced and the calculation time required for the thermal analysis is also reduced. Is done. In addition, since boundary conditions that take into account the effects of radiation from the heat shield to the exhaust pipe and the effects of convection in the space are used, the temperature distribution of the exhaust pipe and heat shield that approximates the measured temperature can be obtained. Can do.

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する熱解析方法において、前記排気系を備える車体のモデルを用い、前記車体及び当該車体から前記遮熱板の外表面までの空間に計算格子を設定して熱解析を行うことで、前記車体から前記遮熱板への入射輻射量、前記遮熱板の外表面側の流体温度及び熱伝達係数を解析するステップと、これらの入射輻射量、流体温度及び熱伝達係数を含む前記境界条件に基づいて熱解析を行うステップとをコンピュータにより実行させることを特徴とする熱解析方法にある。 According to a second aspect of the present invention, in the thermal analysis method described in the first aspect, calculation is performed on a space from the vehicle body and the vehicle body to the outer surface of the heat shield plate using a vehicle body model including the exhaust system. set the grid by performing thermal analysis, the incident amount of radiation to the heat shield plate from the vehicle body, and a step of analyzing the fluid temperature and heat transfer coefficient of the outer surface of the heat shield plate, these incoming radiation And a step of performing a thermal analysis based on the boundary conditions including a quantity, a fluid temperature and a heat transfer coefficient by a computer .

かかる第２の態様では、車体から遮熱板及び排気管に伝わる熱の影響を解析する際に、計算格子を設定する範囲を遮熱板の外表面までとしたので、複雑な遮熱板の内側に計算格子を設定する必要がない。このため、車体のモデルに計算格子を作成する時間と、解析に要する時間を大幅に短縮することができる。 In the second aspect, when analyzing the influence of the heat transmitted from the vehicle body to the heat shield and the exhaust pipe, the range for setting the calculation grid is extended to the outer surface of the heat shield. There is no need to set a calculation grid inside. For this reason, it is possible to greatly reduce the time required to create a calculation grid in the vehicle body model and the time required for analysis.

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する熱解析方法において、前記遮熱板が前記排気管を覆っていない部分については、前記入射輻射量、前記流体温度、前記熱伝達係数及び前記排気管の内表面の温度から構成された境界条件に基づいて熱解析を行うステップをコンピュータにより実行させることを特徴とする熱解析方法にある。 According to a third aspect of the present invention, in the thermal analysis method according to the second aspect, the incident radiation amount, the fluid temperature, and the heat transfer coefficient for a portion where the heat shield plate does not cover the exhaust pipe. And a step of performing a thermal analysis on the basis of a boundary condition constituted by the temperature of the inner surface of the exhaust pipe.

かかる第３の態様では、排気管の全長に亘って遮熱板が覆っていない場合においても、排気管の温度分布を解析することができる。
In the third aspect, the temperature distribution of the exhaust pipe can be analyzed even when the heat shield does not cover the entire length of the exhaust pipe.

本発明によれば、遮熱板が配設された排気管の温度分布を高速かつ高精度に解析することができる熱解析方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the thermal analysis method which can analyze the temperature distribution of the exhaust pipe in which the heat shield was arrange | positioned at high speed and with high precision is provided.

自動車の排気系を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the exhaust system of a motor vehicle. 排気管及び遮熱板の一部断面を拡大した図である。It is the figure which expanded the partial cross section of the exhaust pipe and the heat shield. 車体及び遮熱板から排気管に伝わる熱の挙動を説明する図である。It is a figure explaining the behavior of the heat | fever transmitted from a vehicle body and a heat shield to an exhaust pipe. 本実施形態に係る熱解析方法の処理手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the process sequence of the thermal analysis method which concerns on this embodiment. 車体のモデルに設定した計算格子を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the calculation grid set to the model of the vehicle body. 排気系に設定した計算格子を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the calculation grid set to the exhaust system. 本実施形態に係る熱解析方法で得られた遮熱板の温度及び排気管の外表面の温度と、実測の遮熱板の温度及び排気管の外表面の温度とを比較したグラフである。It is the graph which compared the temperature of the heat shield plate and the temperature of the outer surface of the exhaust pipe obtained by the thermal analysis method according to the present embodiment, the temperature of the measured heat shield plate and the temperature of the outer surface of the exhaust pipe.

本実施形態に係る熱解析方法の対象となる排気管及び遮熱板について説明する。
図１は、自動車の排気系を示す概略構成図であり、図２は、排気管及び遮熱板の一部断面を拡大した図である。 An exhaust pipe and a heat shield that are targets of the thermal analysis method according to the present embodiment will be described.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an exhaust system of an automobile, and FIG. 2 is an enlarged view of a partial cross section of an exhaust pipe and a heat shield plate.

図１に示すように、自動車の排気系１は、エンジン（図示せず）からの排気ガスの流路となる排気管２を備えている。排気管２には、排気ガスを浄化する排気浄化装置４が設けられ、さらに、排気浄化装置４の下流には、マフラー５が設けられている。エンジンから排出された排気ガスは、排気管２を介して排気浄化装置４に送られ、浄化される。さらに浄化された排気ガスは、排気管２を介してマフラー５に送られ、減音され外部に放出される。   As shown in FIG. 1, an exhaust system 1 of an automobile includes an exhaust pipe 2 serving as an exhaust gas flow path from an engine (not shown). The exhaust pipe 2 is provided with an exhaust purification device 4 for purifying exhaust gas, and further, a muffler 5 is provided downstream of the exhaust purification device 4. The exhaust gas discharged from the engine is sent to the exhaust purification device 4 through the exhaust pipe 2 and purified. Further, the purified exhaust gas is sent to the muffler 5 through the exhaust pipe 2 and is reduced in sound and released to the outside.

図２に示すように、排気管２は、円筒状に形成されており、その内表面２ａ側に排気ガスが流れるようになっている。また、排気管２の周囲には、空間を隔てて遮熱板３が配設されている。具体的には、遮熱板３は、排気管２よりも径の大きい円筒状又は円筒状の一部に形成されており、その内側（内表面３ａ側）に排気管２が配設されている。また、排気管２と遮熱板３との間には、空間部６があり、空間部６には流体（空気）が存在している。   As shown in FIG. 2, the exhaust pipe 2 is formed in a cylindrical shape, and the exhaust gas flows to the inner surface 2a side. A heat shield plate 3 is disposed around the exhaust pipe 2 with a space therebetween. Specifically, the heat shield plate 3 is formed in a cylindrical shape or a part of a cylindrical shape having a diameter larger than that of the exhaust pipe 2, and the exhaust pipe 2 is disposed on the inner side (the inner surface 3a side). Yes. Further, there is a space portion 6 between the exhaust pipe 2 and the heat shield plate 3, and fluid (air) exists in the space portion 6.

本実施形態では、遮熱板３は、排気管２の全長に亘って設けられてはおらず、排気管２の外表面２ｂの一部が外部に露出している（この露出した部分を排気管露出部７と称する）。すなわち、排気系１としては、排気管露出部７と遮熱板３の外表面３ｂとが外部に露出している。   In the present embodiment, the heat shield 3 is not provided over the entire length of the exhaust pipe 2, and a part of the outer surface 2b of the exhaust pipe 2 is exposed to the outside (this exposed portion is the exhaust pipe). Called the exposed portion 7). That is, as the exhaust system 1, the exhaust pipe exposed portion 7 and the outer surface 3 b of the heat shield plate 3 are exposed to the outside.

図３は、車体及び遮熱板から排気管に伝わる熱の挙動を説明する図である。図示するように、排気管２の表面の温度は、その内部の流路８を流れる排気ガスに影響を受ける。また、遮熱板３には、車体９で生じた熱が輻射及び対流により伝わり、排気管２には、その遮熱板３からの熱が輻射及び空間部６での対流により伝わる。すなわち、排気管２の温度分布を解析するためには、排気管２を流通する排気ガスだけでなく、遮熱板３からの熱を考慮する必要がある。   FIG. 3 is a diagram for explaining the behavior of heat transmitted from the vehicle body and the heat shield to the exhaust pipe. As shown in the figure, the temperature of the surface of the exhaust pipe 2 is affected by the exhaust gas flowing through the flow path 8 inside. The heat generated in the vehicle body 9 is transmitted to the heat shield plate 3 by radiation and convection, and the heat from the heat shield plate 3 is transmitted to the exhaust pipe 2 by radiation and convection in the space 6. That is, in order to analyze the temperature distribution of the exhaust pipe 2, it is necessary to consider not only the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 2 but also the heat from the heat shield plate 3.

ここで、上述した構造の排気管２を対象とし、本実施形態に係る熱解析方法を詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る熱解析方法の処理手順を示すフロー図である。各ステップは、コンピュータによって実行される。コンピュータは、演算を行うＣＰＵ、演算中のデータなどの各種データやプログラムを記憶させておくＲＡＭやＲＯＭなどの記憶装置、キーボードやマウスなどの入力装置、演算結果などを表示するモニタなどの出力装置を備えている。   Here, the thermal analysis method according to the present embodiment will be described in detail with the exhaust pipe 2 having the above-described structure as a target. FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure of the thermal analysis method according to the present embodiment. Each step is performed by a computer. The computer is a CPU that performs computation, a storage device such as RAM and ROM that stores various data and programs such as data being computed, an input device such as a keyboard and a mouse, and an output device such as a monitor that displays computation results. It has.

まず、車体９の熱解析をすることで、車体９から遮熱板３への入射輻射量と、遮熱板３表面の流体の温度及び熱伝達係数を計算する（ステップＳ１）。これらの入射輻射量、流体の温度及び熱伝達係数は、排気管２の温度分布を解析する際に用いる境界条件に必要とされるデータである。   First, by performing thermal analysis of the vehicle body 9, the amount of incident radiation from the vehicle body 9 to the heat shield plate 3, the temperature of the fluid on the surface of the heat shield plate 3, and the heat transfer coefficient are calculated (step S1). The amount of incident radiation, the temperature of the fluid, and the heat transfer coefficient are data required for boundary conditions used when analyzing the temperature distribution of the exhaust pipe 2.

これらのデータは、具体的には、排気系１を含む車体９全体のモデルを形成し、モデル化された車体９を計算格子に分割し、各種の解析条件を設定して、熱解析を行うことにより得られる。   Specifically, these data form a model of the entire vehicle body 9 including the exhaust system 1, divide the modeled vehicle body 9 into calculation grids, set various analysis conditions, and perform thermal analysis. Can be obtained.

排気系１を含む車体９のモデルは、車体９の形状を表した数値データであり、３次元ＣＡＤシステムなどにより作成されたものである。この車体９のモデルを計算格子に分割する。   The model of the vehicle body 9 including the exhaust system 1 is numerical data representing the shape of the vehicle body 9 and is created by a three-dimensional CAD system or the like. The model of the vehicle body 9 is divided into calculation grids.

図５に、車体のモデルに設定した計算格子を例示する。図示するように、車体９の熱解析においては、車体９及び遮熱板３の外表面３ｂまでの間の空間に計算格子１０を設定する。なお、特に図示しないが、排気管露出部７（図２参照）については、車体９から排気管２の外表面２ｂの露出した部分までの空間に計算格子１０を設定する。   FIG. 5 shows an example of a calculation grid set in the vehicle body model. As shown in the figure, in the thermal analysis of the vehicle body 9, the calculation grid 10 is set in the space between the vehicle body 9 and the outer surface 3 b of the heat shield plate 3. Although not particularly shown, the calculation grid 10 is set in the space from the vehicle body 9 to the exposed portion of the outer surface 2b of the exhaust pipe 2 for the exhaust pipe exposed portion 7 (see FIG. 2).

そして、排気系１及び車体９が計算範囲に入るように境界条件を設定し、車体９の表面から遮熱板３の外表面３ｂへの輻射、及び車体９と遮熱板３の外表面３ｂとの間での対流とによる伝熱を解析する。なお、排気管露出部７に関しては、車体９の表面からの排気管２の外表面２ｂへの輻射、及び車体９と排気管２との間での対流による伝熱を解析する。   Then, boundary conditions are set so that the exhaust system 1 and the vehicle body 9 are within the calculation range, radiation from the surface of the vehicle body 9 to the outer surface 3b of the heat shield plate 3, and outer surfaces 3b of the vehicle body 9 and the heat shield plate 3 are set. Heat transfer due to convection between the two. As for the exhaust pipe exposed portion 7, radiation from the surface of the vehicle body 9 to the outer surface 2 b of the exhaust pipe 2 and heat transfer by convection between the vehicle body 9 and the exhaust pipe 2 are analyzed.

この解析により、車体９から遮熱板３（及び排気管露出部７における排気管２の外表面２ｂ）への入射輻射量と、車体９と遮熱板３（及び排気管露出部７における排気管２の外表面２ｂ）との間における流体の温度及び熱伝達係数が得られる。   By this analysis, the amount of incident radiation from the vehicle body 9 to the heat shield plate 3 (and the outer surface 2b of the exhaust pipe 2 in the exhaust pipe exposed portion 7), the exhaust gas in the vehicle body 9 and the heat shield plate 3 (and the exhaust pipe exposed portion 7). The temperature of the fluid and the heat transfer coefficient between the outer surface 2b) of the tube 2 are obtained.

車体９の熱解析においては、計算格子１０を設定する範囲を遮熱板３の外表面までとしたので、複雑な遮熱板３の内側に計算格子１０を設定する必要がない。このため、車体９のモデルに計算格子１０を作成する時間と、解析に要する時間を大幅に短縮することができる。   In the thermal analysis of the vehicle body 9, the calculation grid 10 is set up to the outer surface of the heat shield plate 3, so that it is not necessary to set the calculation grid 10 inside the complicated heat shield plate 3. For this reason, the time for creating the calculation grid 10 in the model of the vehicle body 9 and the time required for the analysis can be greatly reduced.

次に、排気管２の外表面２ｂの温度を計算する。具体的には、図１及び図２に示した排気系１のモデルを形成する（図４ステップＳ２）。このモデルは、排気系１の形状を表した数値データであり、３次元ＣＡＤシステムなどにより作成されたものである。   Next, the temperature of the outer surface 2b of the exhaust pipe 2 is calculated. Specifically, a model of the exhaust system 1 shown in FIGS. 1 and 2 is formed (step S2 in FIG. 4). This model is numerical data representing the shape of the exhaust system 1, and is created by a three-dimensional CAD system or the like.

次に、モデル化された排気系１に計算格子１０を設定する（図４ステップＳ３）。図６に、排気系に設定した計算格子１０を例示する。図示するように、排気系１の熱解析においては、排気管２及びその内部の流路８に計算格子１０を設定し、排気管２の外表面２ｂから遮熱板３の内表面３ａの間の空間部６には計算格子１０を設定しない。   Next, the calculation grid 10 is set in the modeled exhaust system 1 (step S3 in FIG. 4). FIG. 6 illustrates a calculation grid 10 set in the exhaust system. As shown in the figure, in the thermal analysis of the exhaust system 1, a calculation grid 10 is set in the exhaust pipe 2 and the flow path 8 inside the exhaust pipe 2, and between the outer surface 2 b of the exhaust pipe 2 and the inner surface 3 a of the heat shield plate 3. The calculation grid 10 is not set in the space portion 6.

このように計算格子１０を設定することで、狭い空間部６に多数の計算格子１０を設定することに要する時間を短縮することができる。また、空間部６に計算格子１０を設定しないので排気系１の熱解析に要する時間を短縮することができ、また、解析が収束しないということを回避することができる。   By setting the calculation grid 10 in this way, the time required to set a large number of calculation grids 10 in the narrow space 6 can be shortened. Further, since the calculation grid 10 is not set in the space 6, the time required for the thermal analysis of the exhaust system 1 can be shortened, and it can be avoided that the analysis does not converge.

次に、計算格子１０を設定した排気系１に、境界条件を設定して熱解析を実行する（図４ステップＳ４）。排気管２の遮熱板３に覆われている部分については、遮熱板３から排気管２の外表面２ｂへの輻射により伝熱し、かつ遮熱板３と排気管２との間の空間部６における対流により排気管２に伝熱することを表す境界条件を設定する。   Next, boundary conditions are set in the exhaust system 1 in which the calculation grid 10 is set, and thermal analysis is performed (step S4 in FIG. 4). The portion of the exhaust pipe 2 covered by the heat shield plate 3 transfers heat by radiation from the heat shield plate 3 to the outer surface 2 b of the exhaust pipe 2, and the space between the heat shield plate 3 and the exhaust pipe 2. A boundary condition representing heat transfer to the exhaust pipe 2 by convection in the part 6 is set.

具体的には、排気管２の遮熱板３に覆われている部分については、次の式（１）〜（６）を境界条件として用いる。   Specifically, the following formulas (1) to (6) are used as boundary conditions for the portion of the exhaust pipe 2 covered by the heat shield plate 3.

Figure 0005397634
Figure 0005397634

ただし、ε１：排気管２外表面２ｂの輻射放射率、ε２：遮熱板３の輻射放射率、σ：ボルツマン定数、Ｇ１：排気管２の外表面２ｂの射度、Ｇ２：遮熱板３の射度、Ｔｗ０：排気管２の外表面２ｂの温度、Ｔｗ：遮熱板３の温度（厚さは無視している）、Ｔｉ：排気管２の内表面２ａの温度、λ：排気管２の熱伝導率、ｄ：排気管２の壁面の厚さ、ｈ１：空間部６の熱伝達係数、Ｔａ：空間部６の温度、Ｆｘ，ｘ：輻射形態係数、Ｉ：車体９から遮熱板３への入射輻射量、Ｔｆ：遮熱板３の外表面３ｂ側の流体の温度、ｈ２：遮熱板３の外表面３ｂ側の流体の熱伝達係数、α、β：係数である。 Where ε 1 : radiation emissivity of the outer surface 2 b of the exhaust pipe 2, ε 2 : radiation emissivity of the heat shield 3, σ: Boltzmann constant, G 1 : emissivity of the outer surface 2 b of the exhaust pipe 2, G 2 : Emissivity of the heat shield 3, T w0 : temperature of the outer surface 2 b of the exhaust pipe 2, T w : temperature of the heat shield 3 (thickness is ignored), T i : inner surface 2 a of the exhaust pipe 2 , Λ: thermal conductivity of the exhaust pipe 2, d: thickness of the wall surface of the exhaust pipe 2, h 1 : heat transfer coefficient of the space 6, T a : temperature of the space 6, F x, x : radiation Form factor, I: amount of incident radiation from the vehicle body 9 to the heat shield 3, T f : temperature of fluid on the outer surface 3 b side of the heat shield 3, h 2 : fluid on the outer surface 3 b side of the heat shield 3 Heat transfer coefficient, α, β: coefficients.

また、排気管２の遮熱板３に覆われていない排気管露出部７については、次の式（７）を境界条件として用いる。   For the exhaust pipe exposed portion 7 not covered by the heat shield plate 3 of the exhaust pipe 2, the following equation (7) is used as a boundary condition.

Figure 0005397634
Figure 0005397634

これらの境界条件に加えて、入口境界として、排気管２の上流のエンジン（排気マニホールド）出口の排気ガスの流量、密度、温度などの物性値を用い、出口境界として、マフラー５から外部に排出される排気ガスの圧力を用いる。本実施形態では、エキゾーストマニホールドについて熱解析を行うことにより排気ガスの流量、密度、温度の物性値を計算し、これらを入口境界として用いた。また、入口境界は、エキゾーストマニホールドの出口であり、排気ガスの非定常性の影響が弱くなることから、定常計算で排気管２の表面温度を解析することとした。   In addition to these boundary conditions, exhaust gas flow rate, density, temperature, and other physical property values at the outlet of the engine (exhaust manifold) upstream of the exhaust pipe 2 are used as the inlet boundary, and the exhaust boundary is discharged from the muffler 5 to the outside. The exhaust gas pressure is used. In the present embodiment, the exhaust gas flow rate, density, and temperature properties are calculated by performing thermal analysis on the exhaust manifold, and these are used as the inlet boundary. Further, the inlet boundary is the outlet of the exhaust manifold, and the influence of the unsteadiness of the exhaust gas becomes weak. Therefore, the surface temperature of the exhaust pipe 2 is analyzed by steady calculation.

そして、上述した各種条件を用いると共に、ステップＳ１で算出した入射輻射量Ｉ、遮熱板３の外表面３ｂ側の流体の温度Ｔａ、熱伝達係数ｈ２を読み込み、かつ、排気管２に流れる排気ガスの熱解析をして排気管の内表面２ａの温度Ｔｉを計算し、上記式（１）〜（６）の連立方程式を解いて排気管２の外表面２ｂの温度Ｔｗ０と遮熱板３の温度Ｔｗを計算する。なお、式（１）〜（６）の解法の一例は、本明細書の最後に示す。 And while using the various conditions mentioned above, the incident radiation amount I calculated in step S1, the temperature T a of the fluid on the outer surface 3b side of the heat shield 3 and the heat transfer coefficient h 2 are read, and the exhaust pipe 2 is read. The temperature T i of the inner surface 2a of the exhaust pipe is calculated by thermal analysis of the flowing exhaust gas, the simultaneous equations of the above formulas (1) to (6) are solved, and the temperature T w0 of the outer surface 2b of the exhaust pipe 2 is calculated. to calculate the temperature T w of the heat shield plate 3. In addition, an example of the solution of Formula (1)-(6) is shown at the end of this specification.

排気管露出部７については、同様にして、入射輻射量Ｉを読み込み、かつ、排気管２に流れる排気ガスの熱解析をして排気管の内表面２ａの温度Ｔｉを計算し、上記式（７）を解いて排気管２の外表面２ｂの温度Ｔｗ０と遮熱板３の温度Ｔｗを計算する。 For the exhaust pipe exposed portion 7, similarly, the incident radiation amount I is read, the thermal analysis of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 2 is performed, and the temperature T i of the inner surface 2 a of the exhaust pipe is calculated. (7) by solving the calculating the temperature T w of the temperature T w0 and the heat shield plate 3 of the outer surface 2b of the exhaust pipe 2.

なお、本実施形態では、排気浄化装置４についてもモデル化している。排気浄化装置４は、排気ガスから窒素酸化物等を除去する触媒が設けられており、触媒の発熱を解析してある。   In the present embodiment, the exhaust purification device 4 is also modeled. The exhaust purification device 4 is provided with a catalyst for removing nitrogen oxides and the like from the exhaust gas, and analyzes the heat generation of the catalyst.

このようにして計算格子１０ごとに得られた排気管２の外表面２ｂの温度Ｔｗ０と、遮熱板３の温度Ｔｗを車体９の熱解析の排気系境界に与え、車体各部品の温度を算出することができる。これにより、各部品の温度を考慮した自動車の設計を行うことができる。 And thus calculated temperature of the outer surface 2b of the exhaust pipe 2 obtained for each grating 10 T w0, gives the temperature T w of the heat shield plate 3 in the exhaust system boundary of the thermal analysis of the body 9, the body of each part The temperature can be calculated. As a result, the automobile can be designed in consideration of the temperature of each component.

以上に説明したように、本実施形態に係る熱解析方法では、遮熱板３と排気管２との間の空間部６に計算格子１０を設けずに熱解析を行うため、計算格子１０を設ける時間が短縮され、かつ熱解析に要する計算時間が短縮される。   As described above, in the thermal analysis method according to the present embodiment, since the thermal analysis is performed without providing the calculation grid 10 in the space 6 between the heat shield plate 3 and the exhaust pipe 2, the calculation grid 10 is used. The installation time is shortened and the calculation time required for the thermal analysis is shortened.

さらに、排気管２の温度を解析する際に、遮熱板３から排気管２への輻射の影響と、空間部６での対流の影響とを考慮した境界条件を用いたので、実測の温度に近似した排気管２及び遮熱板３の温度分布を得ることができる。   Furthermore, when analyzing the temperature of the exhaust pipe 2, boundary conditions that consider the effects of radiation from the heat shield 3 to the exhaust pipe 2 and the effects of convection in the space 6 are used. Thus, the temperature distribution of the exhaust pipe 2 and the heat shield 3 can be obtained.

また、排気管２には、遮熱板３が外側に配設され、また排気管２の一部は遮熱板３に覆われずに外部に露出した部分がある排気系１について熱解析を行ったが、これに限らず、排気管２は全長に亘って遮熱板３に覆われた排気系１であってもよい。また、排気系１は、排気管２、遮熱板３、排気浄化装置４、及びマフラー５から構成されていたが、これに限らず、少なくとも排気管２（排気管２のみの場合は式（７）を利用する）から構成されていればよい。   Further, the exhaust pipe 2 is provided with a heat shield plate 3 on the outside, and a part of the exhaust pipe 2 is not covered with the heat shield plate 3 and exposed to the outside. Although it performed, it is not restricted to this, The exhaust pipe 2 may be the exhaust system 1 covered with the heat shield 3 over the full length. Moreover, although the exhaust system 1 was comprised from the exhaust pipe 2, the heat-shielding board 3, the exhaust purification apparatus 4, and the muffler 5, it is not restricted to this but at least the exhaust pipe 2 (in the case of only the exhaust pipe 2, formula ( 7) is used.

さらに、上述の実施形態では、自動車の排気系１を対象としたが、これに限らず、自動車以外の排気系についても本発明の熱解析方法を適用することができる。   Furthermore, in the above-described embodiment, the exhaust system 1 of the automobile is targeted. However, the present invention is not limited thereto, and the thermal analysis method of the present invention can be applied to an exhaust system other than the automobile.

本実施形態に係る熱解析方法で得られた遮熱板３の温度及び排気管２の外表面２ｂの温度と、実測の遮熱板３の温度及び排気管２の外表面２ｂの温度とを比較した。   The temperature of the heat shield 3 and the temperature of the outer surface 2b of the exhaust pipe 2 obtained by the thermal analysis method according to the present embodiment, the temperature of the measured heat shield 3 and the temperature of the outer surface 2b of the exhaust pipe 2 are obtained. Compared.

解析対象のモデルは、図１に示した排気系１を対象とし、空間部６を除いた排気系１全体を約５３万の計算格子に分割した。   The model to be analyzed is the exhaust system 1 shown in FIG. 1, and the entire exhaust system 1 excluding the space 6 is divided into about 530,000 calculation grids.

解析条件の一例として次のものを用いた。
解析タイプ ：定常解析
乱流モデル ：ｋ−ε／ＲＮＧ乱流モデル
入口境界 ：排気菅の入口における排気ガスの流量、密度、温度
出口境界 ：排気菅の出口における排気ガスの圧力
境界条件 ：壁面熱流速条件
排気ガス物性 ：圧縮性がある熱空気
密度 ：温度と圧力の関数
粘性 ：定数、4.61E-05kg/ms
比熱 ：定数、995J/kgK
熱伝導率 ：温度の関数
Con = 1.5207E-11 × T3 - 4.8574E-08 ×T2
＋1.0184E-04 ×T - 3.9333E-04
分子量 ：26.68kg/kmol
触媒 ：ポーラス、体積発熱
発熱量 ：Ｑ＝Ｌ×Ｃｐ×ΔＴ＝0.0481×995×38=1.82KW
Ｌはガス流量（kg/s）、Wave04にて算出
Ｃｐは定圧比熱（Ｊ/kgK）
ΔTは出入口の排気ガス温度差(K) The following was used as an example of analysis conditions.
Analysis type: Steady analysis Turbulence model: k-ε / RNG turbulence model Inlet boundary: Exhaust gas flow rate, density and temperature at the exhaust soot Outlet boundary: Exhaust gas pressure at the exhaust soot Boundary condition: Wall heat Flow rate condition Exhaust gas physical property: Hot air with compressibility Density: Function of temperature and pressure Viscosity: Constant, 4.61E-05kg / ms
Specific heat: Constant, 995J / kgK
Thermal conductivity: function of temperature
Con = 1.5207E-11 × T3-4.8574E-08 × T2
+ 1.0184E-04 × T-3.9333E-04
Molecular weight: 26.68kg / kmol
Catalyst: Porous, Volumetric heat generation Calorific value: Q = L × Cp × ΔT = 0.0481 × 995 × 38 = 1.82KW
L is gas flow rate (kg / s), calculated by Wave04
Cp is constant pressure specific heat (J / kgK)
ΔT is the exhaust gas temperature difference at the inlet and outlet (K)

図７に、解析結果を示すグラフを示す。横軸は、排気管２の上流から順に適宜選択した部位の番号であり、縦軸は温度である。同図には、各部位の排気ガスの温度と、遮熱板３及び排気管２の外表面２ｂの温度の折れ線グラフが示されている。折れ線グラフの各部位にある四角印は、本実施形態に係る熱解析方法で得られた遮熱板３及び排気管２の外表面２ｂの温度（計算値）を表し、×印は、実測の遮熱板３及び排気管２の外表面２ｂの温度（実測値）を表している。   FIG. 7 shows a graph showing the analysis results. The horizontal axis is the number of the part appropriately selected from the upstream of the exhaust pipe 2, and the vertical axis is the temperature. In the figure, a line graph of the temperature of the exhaust gas at each part and the temperature of the heat shield 3 and the outer surface 2b of the exhaust pipe 2 is shown. The square marks in each part of the line graph represent the temperatures (calculated values) of the heat shield 3 and the outer surface 2b of the exhaust pipe 2 obtained by the thermal analysis method according to the present embodiment. The temperature (measured value) of the heat shield 3 and the outer surface 2b of the exhaust pipe 2 is shown.

排気管２の上流（横軸左側）から下流（横軸右側）までの全体に亘り、計算値は実測値との誤差が小さく、非常に精度が高いことが示されている。   From the upstream (left side of the horizontal axis) to the downstream (right side of the horizontal axis) of the exhaust pipe 2, the calculated value is small in error from the actually measured value, and it is shown that the accuracy is very high.

［式（１）〜（６）の解法例］
上述した境界条件方程式（１）〜（６）の解法を説明する。
ここで、輻射形態係数Ｆx,xは、排気管２を「１」、遮熱板３を「２」とすると、F1,1＝０、F1,2＝１、F2,1＝A2/A1、F2,2＝（A2−A1）/A2である。遮熱板３と排気管２の距離が近くA2≒A1とすると、F2,1＝１、F2,2＝２となる。 [Example of solving equations (1) to (6)]
A method for solving the above-described boundary condition equations (1) to (6) will be described.
Here, when the exhaust pipe 2 is “1” and the heat shield 3 is “2”, the radiation form factor Fx, x is F 1,1 = 0, F 1,2 = 1, F 2,1 = A 2 / a 1, F 2,2 = (a 2 -A 1) a / a 2. Assuming that the distance between the heat shield 3 and the exhaust pipe 2 is short and A 2 ≈A 1 , F 2,1 = 1 and F 2,2 = 2 are obtained.

式（１）〜（６）のＧ１とＧ２とを消去すると、次の式（８）、（９）が得られる。

Figure 0005397634
When G 1 and G 2 in the equations (1) to (6) are deleted, the following equations (8) and (9) are obtained.
Figure 0005397634

式（８）、（９）に示されるように、未知の変数はＴｗ０とＴｗの２つである。ここで、 Equation (8), (9) as shown in, the unknown variables are two of T w0 and T w. here,

Figure 0005397634
とすると、式（８）は式（１０）に、式（９）は、式（１１）に置き換えられる。
Figure 0005397634
 Then, Expression (8) is replaced with Expression (10), and Expression (9) is replaced with Expression (11).

Figure 0005397634
Figure 0005397634

式（１１）について、ニュートン反復法を用いてＴｗを計算し、そのＴｗを式（１０）に代入する。式（１０）の左辺＞右辺であるならば、Ｔｗ０を大きくしてＴｗを再計算し、左辺＜右辺であるならば、Ｔｗ０を小さくしてＴｗを再計算する。左辺と右辺の差が所定の精度以下になるまで繰り返し計算することで、Ｔｗ０とＴｗが算出できる。 For formula (11), to calculate the T w using Newton iterative method, and substitutes the T w in equation (10). If the left side of the equation (10)> the right side, T w0 is increased and T w is recalculated. If the left side <the right side, T w0 is reduced and T w is recalculated. T w0 and T w can be calculated by repeatedly calculating until the difference between the left side and the right side becomes a predetermined accuracy or less.

本発明の熱解析方法は、自動車の排気系の表面温度、特に排気管の表面温度の解析の他、各種交通機関や産業機械の部品であって内部に排気ガスが流れる排気系部品の表面温度を解析する場合に適用できる。   The thermal analysis method of the present invention is applicable to the analysis of the surface temperature of the exhaust system of an automobile, particularly the surface temperature of the exhaust pipe, as well as the surface temperature of exhaust system parts through which exhaust gas flows, which are parts of various transportation and industrial machines. Applicable when analyzing

１ 排気系
２ 排気管
３ 遮熱板
４ 排気浄化装置
５ マフラー
６ 空間部
７ 排気管露出部
８ 流路
９ 車体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Exhaust system 2 Exhaust pipe 3 Heat shield 4 Exhaust purification device 5 Muffler 6 Space part 7 Exhaust pipe exposure part 8 Flow path 9 Car body

Claims (3)

排気ガスが流通する排気管及び該排気管の周囲に空間を隔てて配設された遮熱板を備える排気系のモデルを用いて前記排気管の温度分布を解析する熱解析方法であって、
前記排気管及びその内部の流路には計算格子を設定すると共に、前記排気管と前記遮熱板との間の空間部には計算格子を設定せずに前記排気系のモデルに計算格子を設定するステップと、
前記遮熱板から前記排気管への輻射と、前記空間部の対流伝熱とにより前記排気管に伝熱することを表す境界条件を設定し、前記排気管の温度分布の熱解析を行うステップとをコンピュータにより実行させることを特徴とする熱解析方法。 A thermal analysis method for analyzing a temperature distribution of the exhaust pipe using an exhaust system model including an exhaust pipe through which exhaust gas flows and a heat shield disposed around the exhaust pipe with a space therebetween,
A calculation grid is set for the exhaust pipe and the flow path inside the exhaust pipe, and a calculation grid is set in the exhaust system model without setting a calculation grid in the space between the exhaust pipe and the heat shield plate. Steps to set,
Step of setting the radiation from the heat shield plate to the exhaust pipe, a boundary condition indicating that heat transfer to the exhaust pipe by the convective heat transfer of the space, for thermal analysis of the temperature distribution of the exhaust pipe And a computer-executable thermal analysis method. 請求項１に記載する熱解析方法において、
前記排気系を備える車体のモデルを用い、
前記車体及び当該車体から前記遮熱板の外表面までの空間に計算格子を設定して熱解析を行うことで、前記車体から前記遮熱板への入射輻射量、前記遮熱板の外表面側の流体温度及び熱伝達係数を解析するステップと、
これらの入射輻射量、流体温度及び熱伝達係数を含む前記境界条件に基づいて熱解析を行うステップとをコンピュータにより実行させることを特徴とする熱解析方法。 In the thermal analysis method according to claim 1 ,
Using a model of the car body with the exhaust system,
The amount of incident radiation from the vehicle body to the heat shield plate and the outer surface of the heat shield plate are determined by setting a calculation grid in the vehicle body and a space from the vehicle body to the outer surface of the heat shield plate. a step of analyzing the fluid temperature and heat transfer coefficient of the side,
And a step of performing a thermal analysis based on the boundary condition including the incident radiation amount, the fluid temperature, and the heat transfer coefficient by a computer . 請求項２に記載する熱解析方法において、
前記遮熱板が前記排気管を覆っていない部分については、
前記入射輻射量、前記流体温度、前記熱伝達係数及び前記排気管の内表面の温度から構成された境界条件に基づいて熱解析を行うステップをコンピュータにより実行させることを特徴とする熱解析方法。 In the thermal analysis method according to claim 2 ,
For the part where the heat shield plate does not cover the exhaust pipe,
A thermal analysis method, comprising: causing a computer to execute a step of performing a thermal analysis based on a boundary condition configured from the incident radiation amount, the fluid temperature, the heat transfer coefficient, and the temperature of the inner surface of the exhaust pipe.
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