TOP ＞ バックナンバー ＞ Vol.12 No.3 ＞ 気液二相流解析によるオイルリング溝内の潤滑油挙動予測
ピストンリング周辺の潤滑油輸送メカニズムの把握に向けリング溝内に着目した二相流シミュレーションを実施した。気液界面と物体境界の定義にLevel set法およびGhost cellを用いるプログラムを開発した。本研究では3ピースオイルリングの周辺に着目した二次元の計算領域を対象とし、ピストン下部からリング溝内に流入する潤滑油の挙動に関する解析を行った。本稿ではクランク回転数の変更によるピストンの加速度の変化が潤滑油に与える影響について述べる。
ピストンリング周辺の摩擦損失の低減に対する方策として低張力のピストンリングや低粘度の潤滑油が使用されるが、シリンダ下部から供給された潤滑油が燃焼室に輸送されオイル消費に繋がる懸念が生じる。リング周りの潤滑油の輸送経路（図1）としては1のリング摺動面、2の合口隙間、3のリング溝内部が考えられる。特に3はリングの背面に位置し実験的な可視化が困難であることから、この領域における輸送メカニズムの把握には数値計算が有効である（1）。本研究ではNavier-Stokes方程式に基づく二相流解析により、ピストンリング溝の内部の潤滑油の挙動に関するシミュレーションを実施した。
解析対象は3ピースオイルリング周辺とし、リングの断面を模擬した二次元の計算領域（図2）においてピストン下降時にリング下部から潤滑油が供給される条件を定義した。支配方程式は連続の式と非圧縮性Navier-Stokes方程式とし、これらは等間隔直交格子上で離散化される。本研究では油膜を明確に解像するため符号付き距離関数であるLevel set法により気液界面を定義するプログラムを開発した。また本手法は物体境界に対しても用いられ（2）、複雑形状を有する移動物体の定義を可能とした。また界面付近の格子にはGhost cellを定義することで任意の境界条件が与えられる。格子数は約70万点で、計算時間はクランク20回転に対しMPIによる並列計算（56コア）で約2週間実施した。
クランク回転数が潤滑油挙動に与える影響（3）について述べる。2000rpmと5000 rpmの気液界面の可視化結果（図3）より、リング下部から供給された潤滑油がリング下部の隙間を通じて溝内部へ流入する様子が確認できる。また溝内部に流入した潤滑油はピストンの上下動による加速度に対応して溝上下面に移動している。また5000 rpmの結果は2000 rpmに比べ潤滑油が溝内の複数の箇所に分布する傾向を示し、左側壁面を油膜として移動する部分、中央部を油滴化して移動する部分、上下サイドレール間に分布する挙動に分かれた。これは慣性力の増加により表面張力の影響が相対的に低下したためと考えられる。
Fig.3 気液界面の可視化
輸送量の定量的な評価のため、溝内にA、B、C、Dの四つの領域（図4）を定義した（3）。クランク1回転あたりに流入した油量に対する分配量（図5左）より、前半のピストン下降時には溝内に流入した潤滑油が主にA（溝左部）に蓄積されるが、B（溝右部）とC（ドレン穴）への移動も見られる。またピストン上昇時にはD（リング上部隙間）を通過する油量が増加している。クランク回転数による比較（図5右）では、高回転側においてCとDが増加する傾向を示した。Dはピストン上部への輸送に繋がる経路であることから、本結果よりリング下部から流入した潤滑油は回転数の増加に伴い燃焼室側への輸送が顕著となることが示された。
気液二相流解析によりオイルリング周りの潤滑油挙動の予測を実施した。本解析よりクランク回転数の増加によりリング溝内の潤滑油が複数の箇所に分布する傾向が得られた。リング溝に流入した潤滑油は主にドレン穴から排出されるが、残留分の一部がリング上面の隙間に流入した。高回転領域ではこの傾向が顕著となり、オイル消費の増加に繋がることが示唆された。今後はピストンの周方向を考慮した三次元解析により合口隙間による輸送の検討を実施する必要がある。また本研究で得られた知見はエンジンの設計に有効な低次元モデルの開発に応用していく。
本研究は自動車用内燃機関技術研究組合の委託事業の成果である。関係各位に感謝の意を表する。
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