(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリングのピストンリング摺動面の形状と、シリンダライナのシリンダライナ摺動面の形状と、前記ピストンリング摺動面と前記シリンダライナ摺動面とに供給される潤滑油の供給位置と、前記潤滑油の供給量とを収集する入力部と、
前記ピストンリングと前記シリンダライナとを備える内燃機関の駆動中の前記潤滑油の挙動を模擬的に導出するシミュレーション部と、
前記挙動を表示する表示部とを具備し、
前記挙動は、前記ピストン摺動面と前記シリンダライナ摺動面との相対運動の第１方向と異なる第２方向の前記潤滑油の移動を含む
内燃機関設計装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記シリンダライナ摺動面と前記ピストンリング摺動面との間は、複数微小領域に分割され、
前記挙動は、前記複数微小領域の各微小領域に存在する前記潤滑油の質量を示す油量分布を含む
内燃機関設計装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記シミュレーション部は、
前記各微小領域で前記潤滑油に加わる潤滑油圧力を導出する潤滑油圧力導出部と、
前記相対運動を導出する摺動面相対運動導出部と、
前記各微小領域で前記潤滑油圧力により移動する前記潤滑油の圧力流れ量を導出する圧力流れ導出部と、
前記各微小領域で前記相対運動により移動する前記潤滑油の速度流れ量を導出する速度流れ導出部と、
前記油量分布を導出する油量分布導出部とを備える
内燃機関設計装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記圧力流れ導出部は、前記ピストンリング摺動面の形状と前記シリンダライナ摺動面の形状と前記潤滑油圧力とに基づいて前記潤滑油の油膜厚さを導出し、前記油膜厚さに更に基づいて前記圧力流れ量を導出する
内燃機関設計装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記摺動面相対運動導出部は、前記潤滑油圧力に基づいて前記相対運動に加わる荷重を導出し、前記荷重に基づいて前記相対運動を導出する
内燃機関設計装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記複数微小領域は、
前記潤滑油圧力が油膜破断圧力より大きい流体潤滑域と、
前記流体潤滑域と異なる油膜破断域とを含み、
前記速度流れ導出部は、前記油膜破断域の前記速度流れ量と前記流体潤滑域の前記速度流れ量とを互いに異なるアルゴリズムで導出する
内燃機関設計装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記シミュレーション部は、前記各微小領域に存在する前記潤滑油の温度を導出する潤滑油温度導出部を更に備え、
前記潤滑油圧力、前記圧力流れ量、前記相対運動、前記速度流れ量、前記油量分布、前記油膜厚さ、前記荷重、前記油膜破断圧力から形成される集合から選択される単数または複数の物理量は、前記温度の関数である
内燃機関設計装置。
【請求項８】
ピストンリングのピストンリング摺動面の形状と、シリンダライナのシリンダライナ摺動面の形状と、前記ピストンリング摺動面と前記シリンダライナ摺動面とに供給される潤滑油の供給位置と、前記潤滑油の供給量とを収集するステップと、
前記ピストンリングと前記シリンダライナとを備える内燃機関の駆動中の前記潤滑油の挙動を模擬的に導出するステップと、
前記挙動を表示するステップとを具備し、
前記挙動は、前記ピストン摺動面と前記シリンダライナ摺動面との相対運動の第１方向と異なる第２方向の前記潤滑油の移動を含む
内燃機関設計方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記シリンダライナ摺動面と前記ピストンリング摺動面との間は、複数微小領域に分割され、
前記挙動は、前記複数微小領域の各微小領域に存在する前記潤滑油の質量を示す油量分布を含む
内燃機関設計方法。
【請求項１０】
請求項９において、
前記挙動を模擬的に導出するステップは、
前記各微小領域で前記潤滑油に加わる潤滑油圧力を導出するステップと、
前記相対運動を導出するステップと、
前記各微小領域で前記潤滑油圧力により移動する前記潤滑油の圧力流れ量を導出するステップと、
前記各微小領域で前記相対運動により移動する前記潤滑油の速度流れ量を導出するステップと、
前記油量分布を導出するステップとを備える
内燃機関設計方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記挙動を模擬的に導出するステップは、
前記ピストンリング摺動面の形状と前記シリンダライナ摺動面の形状と前記潤滑油圧力とに基づいて前記潤滑油の油膜厚さを導出するステップと、
前記油膜厚さに更に基づいて前記圧力流れ量を導出するステップとを更に備える
内燃機関設計方法。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記相対運動を導出するステップは、
前記潤滑油圧力に基づいて前記相対運動に加わる荷重を導出するステップと、
前記荷重に基づいて前記相対運動を導出するステップとを備える
内燃機関設計方法。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記複数微小領域は、
前記潤滑油圧力が油膜破断圧力より大きい流体潤滑域と、
前記流体潤滑域と異なる油膜破断域とを含み、
前記油膜破断域の前記速度流れ量と前記流体潤滑域の前記速度流れ量とは、互いに異なるアルゴリズムで導出される
内燃機関設計方法。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記挙動を模擬的に導出するステップは、前記各微小領域に存在する前記潤滑油の温度を導出するステップを更に備え、
前記潤滑油圧力、前記圧力流れ量、前記相対運動、前記速度流れ量、前記油量分布、前記油膜厚さ、前記荷重、前記油膜破断圧力から形成される集合から選択される単数または複数の物理量は、前記温度の関数である
内燃機関設計方法。
【請求項１５】
ピストンリングのピストンリング摺動面の形状と、シリンダライナのシリンダライナ摺動面の形状と、前記ピストンリング摺動面と前記シリンダライナ摺動面とに供給される潤滑油の供給位置と、前記潤滑油の供給量とを収集するステップと、
前記ピストンリングと前記シリンダライナとを備える内燃機関の駆動中の前記潤滑油の挙動を模擬的に導出するステップと、
前記挙動を表示するステップとを具備し、
前記挙動は、前記ピストン摺動面と前記シリンダライナ摺動面との相対運動の第１方向と異なる第２方向の前記潤滑油の移動を含む
内燃機関設計プログラム。
【請求項１６】
請求項１５において、
前記シリンダライナ摺動面と前記ピストンリング摺動面との間は、複数微小領域に分割され、
前記挙動は、前記複数微小領域の各微小領域に存在する前記潤滑油の質量を示す油量分布を含む
内燃機関設計プログラム。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記挙動を模擬的に導出するステップは、
前記各微小領域で前記潤滑油に加わる潤滑油圧力を導出するステップと、
前記相対運動を導出するステップと、
前記各微小領域で前記潤滑油圧力により移動する前記潤滑油の圧力流れ量を導出するステップと、
前記各微小領域で前記相対運動により移動する前記潤滑油の速度流れ量を導出するステップと、
前記油量分布を導出するステップとを備える
内燃機関設計プログラム。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記挙動を模擬的に導出するステップは、
前記ピストンリング摺動面の形状と前記シリンダライナ摺動面の形状と前記潤滑油圧力とに基づいて前記潤滑油の油膜厚さを導出するステップと、
前記油膜厚さに更に基づいて前記圧力流れ量を導出するステップとを更に備える
内燃機関設計プログラム。
【請求項１９】
請求項１８において、
前記相対運動を導出するステップは、
前記潤滑油圧力に基づいて前記相対運動に加わる荷重を導出するステップと、
前記荷重に基づいて前記相対運動を導出するステップとを備える
内燃機関設計プログラム。
【請求項２０】
請求項１９において、
前記複数微小領域は、
前記潤滑油圧力が油膜破断圧力より大きい流体潤滑域と、
前記流体潤滑域と異なる油膜破断域とを含み、
前記油膜破断域の前記速度流れ量と前記流体潤滑域の前記速度流れ量とは、互いに異なるアルゴリズムで導出される
内燃機関設計プログラム。
【請求項２１】
請求項２０において、
前記挙動を模擬的に導出するステップは、前記各微小領域に存在する前記潤滑油の温度を導出するステップを更に備え、
前記潤滑油圧力、前記圧力流れ量、前記相対運動、前記速度流れ量、前記油量分布、前記油膜厚さ、前記荷重、前記油膜破断圧力から形成される集合から選択される単数または複数の物理量は、前記温度の関数である
内燃機関設計プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関設計装置及び内燃機関設計方法に関し、特に、内燃機関を設計するときに利用される内燃機関設計装置及び内燃機関設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
舶用の大型２サイクルディーゼルエンジンは、ピストンリングとシリンダライナの摺動面を潤滑するため、ライナに数カ所設けられた注油口から潤滑油としてシリンダ油が供給されている。このシリンダ油は、高価であり、船舶の運行経費削減のために注油率低減を要求され、少量のシリンダ油をシリンダライナに広範囲に広げて有効に利用することが望まれている。シリンダ油を低減する内燃機関の構造を設計し、または、内燃機関の潤滑油の最適な供給量を設計するために、潤滑油の挙動を詳細にシミュレーションする装置が望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ランニングコストがより安価である内燃機関を設計する内燃機関設計装置及び内燃機関設計方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、ランニングコストがより安価である内燃機関の運転方法を設計する内燃機関設計装置及び内燃機関設計方法を提供することにある。
本発明のさらに他の課題は、ランニングコストがより安価である内燃機関の構造を設計する内燃機関設計装置及び内燃機関設計方法を提供することにある。
本発明のさらに他の課題は、潤滑油の供給量をより低減する内燃機関の運転方法を設計する内燃機関設計装置及び内燃機関設計方法を提供することにある。
本発明のさらに他の課題は、潤滑油の供給量をより低減する内燃機関の構造を設計する内燃機関設計装置及び内燃機関設計方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００５】
本発明による内燃機関設計装置（１０）は、ピストンリング（４−１〜４−４）のピストンリング摺動面（６−１〜６−４）の形状と、シリンダライナ（２）のシリンダライナ摺動面（５）の形状と、ピストンリング摺動面（６−１〜６−４）とシリンダライナ摺動面（５）とに供給される潤滑油（７）の供給位置と、潤滑油（７）の供給量とを収集する入力部（１１）と、ピストンリング（４−１〜４−４）とシリンダライナ（２）とを備えている内燃機関（１）の駆動中の潤滑油（７）の挙動を模擬的に導出するシミュレーション部（１２）と、挙動を表示する表示部（１３）とを具備している。挙動は、ピストン摺動面とシリンダライナ摺動面（５）との相対運動（ｕＬ）の第１方向と異なる第２方向の潤滑油（７）の移動を含んでいる。
【０００６】
第２方向は、さらに、シリンダライナ摺動面（５）またはピストンリング摺動面（６−１〜６−４）の法線とも異なることが好ましい。内燃機関（１）の設計者は、内燃機関設計装置（１０）により導出された潤滑油（７）の挙動に基づいて、内燃機関（１）に潤滑油（７）を供給する最適な量を設計し、または、潤滑油（７）の注油口（８）の最適な位置を設計することができる。
【０００７】
シリンダライナ摺動面（５）とピストンリング摺動面（６−１〜６−４）との間は、複数微小領域に分割され、挙動は、複数微小領域の各微小領域（ΔＳ）に存在する潤滑油（７）の質量を示す油量分布（Ｍ）を含んでいる。このような複数微小領域は、第１方向と第２方向とに切られる格子であることが好ましく、潤滑油（７）の挙動を導出し易い点で好ましい。
【０００８】
シミュレーション部（１２）は、各微小領域（ΔＳ）で潤滑油（７）に加わる潤滑油圧力（ｐ）を導出する潤滑油圧力導出部（２２）と、相対運動（ｕＬ）を導出する摺動面相対運動導出部（２４）と、各微小領域（ΔＳ）で潤滑油圧力（ｐ）により移動する潤滑油（７）の圧力流れ量（Ｑｐ）を導出する圧力流れ導出部（２５）と、各微小領域（ΔＳ）で相対運動（ｕＬ）により移動する潤滑油（７）の速度流れ量（Ｑｖ）を導出する速度流れ導出部（２６）と、油量分布（Ｍ）を導出する油量分布導出部（２７）とを備えている。シミュレーション部（１２）は、潤滑油圧力導出部（２２）、摺動面相対運動導出部（２４）、圧力流れ導出部（２５）および速度流れ導出部（２６）が協調して、潤滑油圧力（ｐ）、圧力流れ量（Ｑｐ）、相対運動（ｕＬ）、速度流れ量（Ｑｖ）および油量分布（Ｍ）を、互いに矛盾しないように収束させる。
【０００９】
圧力流れ導出部（２５）は、ピストンリング摺動面（６−１〜６−４）の形状とシリンダライナ摺動面（５）の形状と潤滑油圧力（ｐ）とに基づいて潤滑油（７）の油膜厚さ（ｈ）を導出し、油膜厚さ（ｈ）に更に基づいて圧力流れ量（Ｑｐ）を導出する。シリンダライナ摺動面（５）とピストンリング摺動面（６−１〜６−４）は、潤滑油（７）の潤滑油圧力（ｐ）により変形する。内燃機関設計装置（１０）は、その変形に基づいて油膜厚さ（ｈ）を導出することにより、より詳細な挙動を導出することができる。
【００１０】
摺動面相対運動導出部（２４）は、潤滑油圧力（ｐ）に基づいて相対運動（ｕＬ）に加わる荷重（ｗ）を導出し、荷重（ｗ）に基づいて相対運動（ｕＬ）を導出する。このような内燃機関設計装置（１０）は、より詳細な挙動を導出することができ好ましい。
【００１１】
複数微小領域は、潤滑油圧力（ｐ）が油膜破断圧力より大きい流体潤滑域（ＳＦ）と、流体潤滑域（ＳＦ）と異なる油膜破断域（ＳＣ）とを含んでいる。速度流れ導出部（２６）は、油膜破断域（ＳＣ）の速度流れ量（Ｑｖ）と流体潤滑域（ＳＦ）の速度流れ量（Ｑｖ）とを互いに異なるアルゴリズムで導出する。潤滑油（７）は、潤滑油圧力（ｐ）の変動により、液体中に気相が発生し、成長し、または、崩壊する油膜破断が発生する。油膜破断が発生した潤滑油（７）は、発生していない潤滑油（７）と挙動が異なる。このような内燃機関設計装置（１０）は、より詳細な挙動を導出することができ好ましい。
【００１２】
シミュレーション部（１２）は、各微小領域（ΔＳ）に存在する潤滑油（７）の温度を導出する潤滑油温度導出部（２３）を更に備えている。潤滑油圧力（ｐ）、圧力流れ量（Ｑｐ）、相対運動（ｕＬ）、速度流れ量（Ｑｖ）、油量分布（Ｍ）、油膜厚さ（ｈ）、荷重（ｗ）、油膜破断圧力から形成される集合から選択される単数または複数の物理量は、温度の関数である。このような内燃機関設計装置（１０）は、より詳細な挙動を導出することができ好ましい。
【００１３】
本発明による内燃機関設計方法は、ピストンリング（４−１〜４−４）のピストンリング摺動面（６−１〜６−４）の形状と、シリンダライナ（２）のシリンダライナ摺動面（５）の形状と、ピストンリング摺動面（６−１〜６−４）とシリンダライナ摺動面（５）とに供給される潤滑油（７）の供給位置と、潤滑油（７）の供給量とを収集するステップ（Ｓ１）と、ピストンリング（４−１〜４−４）とシリンダライナ（２）とを備えている。内燃機関（１）の駆動中の潤滑油（７）の挙動を模擬的に導出するステップ（Ｓ２〜Ｓ６）と、挙動を表示するステップ（Ｓ７）とを具備している。挙動は、ピストン摺動面とシリンダライナ摺動面（５）との相対運動（ｕＬ）の第１方向と異なる第２方向の潤滑油（７）の移動を含んでいる。
【００１４】
第２方向は、さらに、シリンダライナ摺動面（５）またはピストンリング摺動面（６−１〜６−４）の法線とも異なることが好ましい。内燃機関（１）の設計者は、本発明による内燃機関設計方法により導出された潤滑油（７）の挙動に基づいて、内燃機関（１）に潤滑油（７）を供給する最適な量を設計し、または、潤滑油（７）の注油口（８）の最適な位置を設計することができる。
【００１５】
シリンダライナ摺動面（５）とピストンリング摺動面（６−１〜６−４）との間は、複数微小領域に分割され、挙動は、複数微小領域の各微小領域（ΔＳ）に存在する潤滑油（７）の質量を示す油量分布（Ｍ）を含んでいる。このような複数微小領域は、第１方向と第２方向とに切られる格子であることが好ましく、潤滑油（７）の挙動を導出し易い点で好ましい。
【００１６】
挙動を模擬的に導出するステップ（Ｓ２〜Ｓ６）は、各微小領域（ΔＳ）で潤滑油（７）に加わる潤滑油圧力（ｐ）を導出するステップと、相対運動（ｕＬ）を導出するステップと、各微小領域（ΔＳ）で潤滑油圧力（ｐ）により移動する潤滑油（７）の圧力流れ量（Ｑｐ）を導出するステップと、各微小領域（ΔＳ）で相対運動（ｕＬ）により移動する潤滑油（７）の速度流れ量（Ｑｖ）を導出するステップと、油量分布（Ｍ）を導出するステップとを備え、各ステップを協調させて、潤滑油圧力（ｐ）、圧力流れ量（Ｑｐ）、相対運動（ｕＬ）、速度流れ量（Ｑｖ）および油量分布（Ｍ）を、互いに矛盾しないように収束させる。
【００１７】
挙動を模擬的に導出するステップ（Ｓ２〜Ｓ６）は、ピストンリング摺動面（６−１〜６−４）の形状とシリンダライナ摺動面（５）の形状と潤滑油圧力（ｐ）とに基づいて潤滑油（７）の油膜厚さ（ｈ）を導出するステップと、油膜厚さ（ｈ）に更に基づいて圧力流れ量（Ｑｐ）を導出するステップとを更に備えている。シリンダライナ摺動面（５）とピストンリング摺動面（６−１〜６−４）は、潤滑油（７）の潤滑油圧力（ｐ）により変形する。本発明による内燃機関設計方法は、その変形に基づいて油膜厚さ（ｈ）を導出することにより、より詳細な挙動を導出することができる。
【００１８】
相対運動（ｕＬ）を導出するステップは、潤滑油圧力（ｐ）に基づいて相対運動（ｕＬ）に加わる荷重（ｗ）を導出するステップと、荷重（ｗ）に基づいて相対運動（ｕＬ）を導出するステップとを備えている。このような内燃機関設計装置（１０）は、より詳細な挙動を導出することができ好ましい。
【００１９】
複数微小領域は、潤滑油圧力（ｐ）が油膜破断圧力より大きい流体潤滑域（ＳＦ）と、流体潤滑域（ＳＦ）と異なる油膜破断域（ＳＣ）とを含んでいる。油膜破断域（ＳＣ）の速度流れ量（Ｑｖ）と流体潤滑域（ＳＦ）の速度流れ量（Ｑｖ）とは、互いに異なるアルゴリズムで導出される。潤滑油（７）は、潤滑油圧力（ｐ）の変動により、液体中に気相が発生し、成長し、または、崩壊する油膜破断が発生する。油膜破断が発生した潤滑油（７）は、発生していない潤滑油（７）と挙動が異なる。このような内燃機関設計装置（１０）は、より詳細な挙動を導出することができ好ましい。
【００２０】
挙動を模擬的に導出するステップ（Ｓ２〜Ｓ６）は、各微小領域（ΔＳ）に存在する潤滑油（７）の温度を導出するステップを更に備えている。潤滑油圧力（ｐ）、圧力流れ量（Ｑｐ）、相対運動（ｕＬ）、速度流れ量（Ｑｖ）、油量分布（Ｍ）、油膜厚さ（ｈ）、荷重（ｗ）、油膜破断圧力から形成される集合から選択される単数または複数の物理量は、温度の関数である。このような内燃機関設計装置（１０）は、より詳細な挙動を導出することができ好ましい。
【００２１】
本発明による内燃機関設計プログラムは、情報処理装置（コンピュータ）により実行されるコンピュータプログラムであり、そのコンピュータプログラムの部分として、ピストンリング（４−１〜４−４）のピストンリング摺動面（６−１〜６−４）の形状と、シリンダライナ（２）のシリンダライナ摺動面（５）の形状と、ピストンリング摺動面（６−１〜６−４）とシリンダライナ摺動面（５）とに供給される潤滑油（７）の供給位置と、潤滑油（７）の供給量とを収集するステップと、ピストンリング（４−１〜４−４）とシリンダライナ（２）とを備えている。内燃機関（１）の駆動中の潤滑油（７）の挙動を模擬的に導出するステップと、挙動を表示するステップとを具備している。挙動は、ピストン摺動面とシリンダライナ摺動面（５）との相対運動（ｕＬ）の第１方向と異なる第２方向の潤滑油（７）の移動を含んでいる。
【００２２】
第２方向は、さらに、シリンダライナ摺動面（５）またはピストンリング摺動面（６−１〜６−４）の法線とも異なることが好ましい。内燃機関（１）の設計者は、本発明による内燃機関設計プログラムにより導出された潤滑油（７）の挙動に基づいて、内燃機関（１）に潤滑油（７）を供給する最適な量を設計し、または、潤滑油（７）の注油口（８）の最適な位置を設計することができる。
【００２３】
シリンダライナ摺動面（５）とピストンリング摺動面（６−１〜６−４）との間は、複数微小領域に分割され、挙動は、複数微小領域の各微小領域（ΔＳ）に存在する潤滑油（７）の質量を示す油量分布（Ｍ）を含んでいる。このような複数微小領域は、第１方向と第２方向とに切られる格子であることが好ましく、潤滑油（７）の挙動を導出し易い点で好ましい。
【００２４】
挙動を模擬的に導出するステップは、各微小領域（ΔＳ）で潤滑油（７）に加わる潤滑油圧力（ｐ）を導出するステップと、相対運動（ｕＬ）を導出するステップと、各微小領域（ΔＳ）で潤滑油圧力（ｐ）により移動する潤滑油（７）の圧力流れ量（Ｑｐ）を導出するステップと、各微小領域（ΔＳ）で相対運動（ｕＬ）により移動する潤滑油（７）の速度流れ量（Ｑｖ）を導出するステップと、油量分布（Ｍ）を導出するステップとを備え、各ステップを協調させて、潤滑油圧力（ｐ）、圧力流れ量（Ｑｐ）、相対運動（ｕＬ）、速度流れ量（Ｑｖ）および油量分布（Ｍ）を、互いに矛盾しないように収束させる。
【００２５】
挙動を模擬的に導出するステップは、ピストンリング摺動面（６−１〜６−４）の形状とシリンダライナ摺動面（５）の形状と潤滑油圧力（ｐ）とに基づいて潤滑油（７）の油膜厚さ（ｈ）を導出するステップと、油膜厚さ（ｈ）に更に基づいて圧力流れ量（Ｑｐ）を導出するステップとを更に備えている。シリンダライナ摺動面（５）とピストンリング摺動面（６−１〜６−４）は、潤滑油（７）の潤滑油圧力（ｐ）により変形する。本発明による内燃機関設計プログラムは、その変形に基づいて油膜厚さ（ｈ）を導出することにより、より詳細な挙動を導出することができる。
【００２６】
相対運動（ｕＬ）を導出するステップは、潤滑油圧力（ｐ）に基づいて相対運動（ｕＬ）に加わる荷重（ｗ）を導出するステップと、荷重（ｗ）に基づいて相対運動（ｕＬ）を導出するステップとを備えている。このような内燃機関設計装置（１０）は、より詳細な挙動を導出することができ好ましい。
【００２７】
複数微小領域は、潤滑油圧力（ｐ）が油膜破断圧力より大きい流体潤滑域（ＳＦ）と、流体潤滑域（ＳＦ）と異なる油膜破断域（ＳＣ）とを含んでいる。油膜破断域（ＳＣ）の速度流れ量（Ｑｖ）と流体潤滑域（ＳＦ）の速度流れ量（Ｑｖ）とは、互いに異なるアルゴリズムで導出される。潤滑油（７）は、潤滑油圧力（ｐ）の変動により、液体中に気相が発生し、成長し、または、崩壊する油膜破断が発生する。油膜破断が発生した潤滑油（７）は、発生していない潤滑油（７）と挙動が異なる。このような内燃機関設計装置（１０）は、より詳細な挙動を導出することができ好ましい。
【００２８】
挙動を模擬的に導出するステップは、各微小領域（ΔＳ）に存在する潤滑油（７）の温度を導出するステップを更に備えている。潤滑油圧力（ｐ）、圧力流れ量（Ｑｐ）、相対運動（ｕＬ）、速度流れ量（Ｑｖ）、油量分布（Ｍ）、油膜厚さ（ｈ）、荷重（ｗ）、油膜破断圧力から形成される集合から選択される単数または複数の物理量は、温度の関数である。このような内燃機関設計装置（１０）は、より詳細な挙動を導出することができ好ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明による内燃機関設計装置により設計される対象である舶用ディーゼルエンジンの実施の形態を説明する。その舶用ディーゼルエンジン１は、図１に示されているように、円筒状のシリンダライナ２の内部に円柱状のピストン３が設けられている。ピストン３の側面には、周方向に複数の溝が切られ、その溝に環状の複数のピストンリング４−１〜４−４が嵌め合わされて設けられている。
【００３０】
シリンダライナ２は、円筒の内側にシリンダライナ摺動面５を有している。ピストンリング４−１〜４−４は、シリンダライナ摺動面５に対向するピストンリング摺動面６−１〜６−４をそれぞれ有している。シリンダライナ２は、さらに、シリンダ油７をその摺動面に供給する注油口８を備えている。
【００３１】
内燃機関１は、シリンダライナ２とピストン３は、ピストン進行方向９に往復運動する。このとき、シリンダライナ摺動面５とピストンリング摺動面６−１〜６−４とは、ピストン３とシリンダライナ２との間から燃焼ガスが漏洩することを防止している。シリンダ油７は、シリンダライナ摺動面５とピストンリング摺動面６−１〜６−４とに供給され、生じる摩擦力、摩擦熱を低減し、シリンダライナ摺動面５とピストンリング摺動面６−１〜６−４と摩耗を防止する。
【００３２】
図２は、シリンダ油７が供給される領域を示している。その領域Ｓは、シリンダライナ摺動面５とピストンリング摺動面６−１〜６−４とに挟まれたリング接触域ＳＲとリング接触域ＳＲに異なるランド部域ＳＬとから形成されている。その領域Ｓは、実際には円柱の側面を形成しているが、本明細書では直交座標平面上に展開されて表現される。その直交座標平面では、ｘ軸がピストン進行方向９に平行に表現され、ｙ軸がピストン進行方向９に垂直に表現されている。
【００３３】
ある時刻ｔに領域Ｓの位置（ｘ，ｙ）に存在するシリンダ油７は、時刻ｔと位置（ｘ，ｙ）との関数であるシリンダ油７の密度ρ、シリンダライナ摺動面５の半径方向のシリンダ油７の油膜厚さｈ、シリンダライナ２とピストン３との相対速度ｕＬおよびシリンダ油７の油膜圧力ｐを用いて、次式：
【数１】
0003764695.tif 000002
が一般に成り立つ。
【００３４】
領域Ｓがピストンリング摺動面６−１〜６−４に固定されてシリンダライナ摺動面５に対して移動するときに、油膜厚さｈは、シリンダライナ摺動面５の半径方向の高さを示す形状ΔＬ（ｘ＋ｕＬｔ，ｙ）、ピストンリング摺動面６−１〜６−４の半径方向の高さを示す形状ΔＲ（ｘ，ｙ）およびシリンダライナ摺動面５とピストンリング摺動面６−１〜６−４との間の近接量Ｄｚ（ｘ，ｙ，ｔ）を用いて、次式：
【数２】
0003764695.tif 000003
により表現される。
【００３５】
シリンダライナ２とピストン３との往復運動に加わる単位長さ当たりの荷重ｗは、シリンダライナ摺動面５の円周の長さＬｙを用いて、次式：
【数３】
0003764695.tif 000004
が成り立つ。
【００３６】
シリンダ油７は、潤滑油圧力の変動により、液体中に気相が発生し、成長し、または、崩壊する油膜破断が発生する。領域Ｓは、シリンダ油７に油膜破断が発生している油膜破断域ＳＣ、シリンダ油７に油膜破断が発生していない流体潤滑域ＳＦとから形成される。シリンダ油７は、油膜破断域ＳＣでｙ軸方向に移動しない。本明細書では、２面の速度ｕ￣を領域Ｓに対するピストンリング摺動面６−１〜６−４の速度ｕＲを用いて、次式：
【数４】
0003764695.tif 000005
により定義する。このとき、単位面積当たりの油質量Ｍは、次式：
【数５】
0003764695.tif 000006
が成り立つ。
【００３７】
なお、油質量Ｍは、シリンダライナ摺動面５側に配置されるシリンダ油７の油質量ＭＬとピストンリング摺動面６−１〜６−４の側に配置されるシリンダ油７の油質量ＭＲとを用いて、次式：
Ｍ＝ＭＬ＋ＭＲ
により表現されることができる。このとき、油質量ＭＬと油質量ＭＲに関して、次式：
【数６】
0003764695.tif 000007
が成り立つ。
【００３８】
図３は、本発明による内燃機関設計装置の実施の形態を示している。その内燃機関設計装置１０は、コンピュータプログラムを実行する情報処理装置（コンピュータ）であり、図示されていない入力装置と表示装置とを備え、コンピュータプログラムである入力部１１、シミュレーション部１２、表示部１３および設計部１４を備えている。
【００３９】
入力部１１は、注油口８の位置、供給される潤滑油の供給量、位置（ｉ，ｊ））の関数であるピストンリング摺動面５の形状ΔＲ、シリンダライナ摺動面５の形状ΔＬを収集する。この情報は、使用者により内燃機関設計装置１０の入力装置に入力される。
【００４０】
シミュレーション部１２は、荷重ｗと速度ｕＬとを含みシリンダライナ２とピストン３とに関する運動方程式と数１〜数５の式とに基づいて、内燃機関１の駆動中のシリンダ油７の挙動を模擬的に導出する。その挙動は、シリンダ油７の移動量およびシリンダ油７の油量分布Ｍを示している。
【００４１】
表示部１３は、その挙動を表示装置に表示する。設計部１４は、内燃機関の設計者の操作により、その挙動に基づいて内燃機関１の駆動中のシリンダ油７の最適な供給量を設計し、シリンダ油７を有効に使用する内燃機関の構造を設計する。
【００４２】
図４は、シミュレーション部１２を詳細に示している。シミュレーション部１２は、コンピュータプログラムであるピストンリング間圧力導出部２１、潤滑油圧力導出部２２、潤滑油温度導出部２３、摺動面相対運動導出部２４、圧力流れ導出部２５、速度流れ導出部２６および油量分布導出部２７を備えている。このコンピュータプログラムは、領域Ｓをｘ軸方向に一定の間隔Δｘにｙ軸方向に一定の間隔Δｙに分割された複数の微小領域ΔＳに存在するシリンダ油７に関する物理量を導出する。すなわち、その物理量は、微小領域ΔＳの位置（ｉ，ｊ）（ｉ＝１，２，３，…，ｎｘ；ｊ＝１，２，３，…，ｎｙ）の関数である。
【００４３】
ピストンリング間圧力導出部２１は、ピストンリング間圧力を初期的に潤滑油圧力ｐとして導出する。このようなアルゴリズムは、周知であり、「古浜庄一，多田寿雄，ピストンリングを漏れるガスの流れ（第２報，漏れの特性），日本機械学会論文集（第２部），２７巻１７４号（１９６１）ｐ．２４７」により示されている。
【００４４】
潤滑油圧力導出部２２は、シリンダ油７に油膜破断が発生する油膜破断圧力ｐｃａｖを導出し、微小領域ΔＳに存在するシリンダ油７の潤滑油圧力ｐを導出する。油膜破断圧力ｐｃａｖを導出するアルゴリズムは、周知であり、「中原綱光，流体油膜の挙動−キャビテーション−，潤滑，２６巻３号（１９８１）ｐ．１４６」により示されている。すなわち、潤滑油圧力導出部２２は、ｐ＜ｐｃａｖであるときに、ｐ＝ｐｃａｖを代入する。
【００４５】
潤滑油温度導出部２３は、微小領域ΔＳに存在するシリンダ油７の潤滑油温度Ｔを導出する。このような潤滑油温度Ｔは、燃焼熱、摩擦熱の発生と、シリンダライナ２の冷却とに基づいて周知である方法により導出される。摺動面相対運動導出部２４は、運動方程式に基づいて相対運動の相対速度ｕＬを導出する。
【００４６】
圧力流れ導出部２５は、潤滑油圧力ｐに基づいて油膜厚さｈを導出して、微小領域ΔＳに存在するシリンダ油７の圧力流れＱｐを導出する。本明細書では、変数νがシリンダ油７の密度ρ、シリンダ油７の粘性係数ηを用いて、次式：
【数７】
0003764695.tif 000008
により定義される。このとき、微小領域ΔＳ（ｉ，ｊ）から微小領域ΔＳ（ｉ＋１，ｊ）に移動するシリンダ油７の質量を示す圧力流れＱｐ，ｘｉ＋１／２，ｊ，ｋは、変数νと微小領域ΔＳ（ｉ，ｊ）のシリンダ油７に加わる潤滑油圧力ｐｉ，ｊ，ｋを用いて、次式：
【数８】
0003764695.tif 000009
により表現される。微小領域ΔＳ（ｉ，ｊ）から微小領域ΔＳ（ｉ，ｊ＋１）に移動するシリンダ油７の質量を示す圧力流れＱｐ，ｙｉ，ｊ＋１／２，ｋは、次式：
【数９】
0003764695.tif 000010
により表現される。
【００４７】
速度流れ導出部２６は、微小領域ΔＳに存在するシリンダ油７の速度流れＱｖを導出する。油量分布導出部２７は、微小領域ΔＳ（ｉ，ｊ）に存在するシリンダ油７の質量を示す油量Ｍを導出する。または、速度流れ導出部２６は、油量分布導出部２７と協調して速度流れＱｖと油量Ｍとを導出する。
【００４８】
すなわち、微小領域ΔＳが油膜破断域ＳＣのランド部域ＳＬであるときに、微小領域ΔＳ（ｉ，ｊ）から微小領域ΔＳ（ｉ＋１，ｊ）に移動するシリンダ油７の質量を示す速度流れＱｖｉ＋１／２，ｊ，ｋと微小領域ΔＳ（ｉ，ｊ）に存在する油量Ｍｉ，ｊ，ｋは、次式：
【数１０】
0003764695.tif 000011
【数１１】
0003764695.tif 000012
を連立して導出される。
【００４９】
微小領域ΔＳが油膜破断域ＳＣのリング接触域ＳＲであるときに、油量Ｍｉ，ｊ，ｋは、次式：
【数１２】
0003764695.tif 000013
により導出され、速度流れＱｖｉ＋１／２，ｊ，ｋは、次式：
【数１３】
0003764695.tif 000014
により導出される。
【００５０】
微小領域ΔＳが流体潤滑域ＳＦであるときに、油量Ｍｉ，ｊ，ｋは、次式：
【数１４】
0003764695.tif 000015
により導出され、速度流れＱｖｉ＋１／２，ｊ，ｋは、次式：
【数１５】
0003764695.tif 000016
により導出される。
【００５１】
潤滑油圧力導出部２２は、圧力流れＱｖ、速度流れＱｐおよび油量Ｍが導出された後に、残差ｆｉ，ｊ，ｋを次式：
【数１６】
0003764695.tif 000017
を用いて導出し、傾き∂ｆｉ，ｊ，ｋ／∂ｐｉ，ｊ，ｋを次式：
【数１７】
0003764695.tif 000018
を用いて導出し、さらに、流体潤滑域ＳＦの微小領域ΔＳの潤滑油圧力ｐｉ，ｊ，ｋを、適当な定数ωを用いて、次式：
【数１８】
0003764695.tif 000019
により表現される値に変更する。
【００５２】
ピストンリング間圧力導出部２１、潤滑油圧力導出部２２、潤滑油温度導出部２３、摺動面相対運動導出部２４、圧力流れ導出部２５、速度流れ導出部２６および油量分布導出部２７は、各物理量が数７〜数１５の式を矛盾しない値に収束するまで繰り返して実行される。すなわち、各物理量は、緩和法により導出される。シミュレーション部１２は、ある時刻ｔの各物理量が導出された後に、時間Δｔだけ経過した次の時刻（ｔ＋Δｔ）での各物理量を導出する動作を繰り返す。このとき、注油口８に対応する微小領域ΔＳの油量分布Ｍは、舶用ディーゼルエンジン１に供給されるシリンダ油７の分だけ増加される。
【００５３】
図５は、本発明による内燃機関設計方法の実施の形態を示している。その内燃機関設計方法は、内燃機関設計装置１０により実行される。内燃機関の設計者は、まず、内燃機関１に関する情報と内燃機関１に供給されるシリンダ油７の属性とを内燃機関設計装置１０に入力する（ステップＳ１）。内燃機関設計装置１０は、初期の時刻ｔの隣接するピストンリング４−１〜４−４の間の圧力をシリンダ油７の潤滑油圧力ｐとして周知の方法により導出する（ステップＳ２）。内燃機関設計装置１０は、さらに、ピストンリング摺動面５がシリンダライナ摺動面６−１〜６−４に接触する部分のピストンリング直接接触圧力ｐを導出する（ステップＳ３）。
【００５４】
内燃機関設計装置１０は、シリンダライナ２とピストン３との相対運動に関する運動方程式を用いて、時刻ｔから所定の間隔Δｔだけ経った時刻（ｔ＋Δｔ）のシリンダライナ２とピストン３との相対位置を導出する（ステップＳ４）。内燃機関設計装置１０は、シリンダ油７の潤滑油温度Ｔを導出し、その油膜破断圧力を周知の方法により導出する（ステップＳ５）。内燃機関設計装置１０は、さらに、数７〜数１６の式に基づいて緩和法によりシリンダ油７の油膜流量Ｑｐ、Ｑｖと油量分布Ｍとを導出する（ステップＳ６）。
【００５５】
内燃機関設計装置１０は、その後、シリンダライナ摺動面５とピストンリング摺動面６−１〜６−４とに供給されるシリンダ油７の量を、注油口８に対応する微小領域ΔＳの油量分布Ｍに加算して、ステップＳ４〜ステップＳ６の動作を繰り返して実行する。
【００５６】
内燃機関設計装置１０は、シミュレーションが終了した後に、油膜流量Ｑｐ、Ｑｖと油量分布Ｍとを示す画面を表示装置に表示する（ステップＳ７）。内燃機関の設計者は、その画面を参照して内燃機関の構造を設計し、その運転方法を設計する（ステップＳ８）。このような設計によれば、設計者は、内燃機関のシリンダ油７の最適な供給量、内燃機関のシリンダ油７の供給量をより低減する注油口８の最適な位置を導出することができる。
【００５７】
図６は、本発明による内燃機関設計方法により導出された油膜厚さｈを示している。曲線３１は、シリンダ油７が摺動面から欠落し、ピストン３が下死点に配置された状態から最初に上死点に運動したときのピストンリング摺動面６−１の１つの微小領域ΔＳの油膜厚さｈを示している。曲線３２は、２回目以降のその微小領域ΔＳの油膜厚さｈを示している。すなわち、図６のグラフは、この微小領域ΔＳは、シリンダ油７により潤滑されていることを示している。このような油膜厚さｈの導出は、すべての微小領域ΔＳについて実行され、設計されたシリンダ油７の供給量と、注油口８の位置が適しているか検証される。
【００５８】
【発明の効果】
本発明による内燃機関設計装置及び内燃機関設計方法によれば、設計者は、ランニングコストがより安価である内燃機関の構造および運転方法を設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、舶用ディーゼルエンジンを示す断面図である。
【図２】図２は、潤滑油の挙動を計算する領域を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明による内燃機関設計装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】図４は、シミュレーション部の実施の形態を示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明による内燃機関設計方法の実施の形態を示すフローチャートである。
【図６】図６は、油膜厚さを示すグラフである。
【符号の説明】
１  ：舶用ディーゼルエンジン
２  ：シリンダライナ
３  ：ピストン
４  ：ピストンリング
５  ：シリンダライナ摺動面
６  ：ピストンリング摺動面
７  ：シリンダ油
８  ：注油口
９  ：ピストン進行方向
１０：内燃機関設計装置
１１：入力部
１２：シミュレーション部
１３：表示部
１４：設計部
２１：ピストンリング間圧力導出部
２２：潤滑油圧力導出部
２３：潤滑油温度導出部
２４：摺動面相対運動導出部
２５：圧力流れ導出部
２６：速度流れ導出部
２７：油量分布導出部
【図１】
0003764695.tif 000020
【図２】
0003764695.tif 000021
【図３】
0003764695.tif 000022
【図４】
0003764695.tif 000023
【図５】
0003764695.tif 000024
【図６】
0003764695.tif 000025