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研究生: 吳文宸
Wen-Chen Wu
論文名稱: 預燃室噴孔幾何與物理參數設計對引擎性能與廢氣排放的影響
Effects of prechamber design on performance and exhaust of a four-stroke reciprocating engine
指導教授: 黃榮芳
Rong-Fung Huang
口試委員: 許清閔
Ching-Min Hsu
閻順昌
Shun-Chang Yen
趙振綱
Ching-Kong Chao
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2021
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 274
中文關鍵詞: 預燃室噴孔
外文關鍵詞: Prechamber design
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  • 本研究探討二閥單缸四行程預燃室引擎汽缸內的燃燒情形、汙染物生成量與引擎性能,並與單火星塞引擎、雙火星塞引擎做比較。使用商業套裝計算流體力學軟體CONVERGE分析二閥單缸四行程預燃室引擎,在引擎轉速固定5500RPM、進氣效率37%時,改變預燃室噴孔數目n、噴孔等總截面積無因次參數β、噴孔傾斜角δ、噴孔圓周角γ、預燃室空燃比(A/F)PC、預燃室噴油時機to、預燃室點火時機ti、主燃室空燃比(A/F)MC,分析 (1)汽缸內平均壓力峰值、(2)平均溫度峰值、(3)輸出指示功、(4)熱效率、(5)燃燒持續角度、(6)單位燃料消耗量等六個性能量化指標以及燃燒後產物(1)碳氫化合物質量、(2)氮氧化合物質量、(3)一氧化碳質量、(4)二氧化碳質量等四個汙染量化指標,並探討缸內溫度分布、油氣濃度分布與火焰傳遞行為。 比較預燃室引擎、單火星塞引擎、雙火星塞引擎的量化指標,判斷預燃室最佳噴孔幾何設計以及物理參數。計算分析結果顯示,當(A/F)MC = 14.5時,選擇預燃室噴孔設計(n, β, δ, γ) = (5, 0.5, 75°, 6°)以及物理 參數(to, ti) = (690°, 700°)、(A/F)PC = 14 ~15可得到最大的預燃室引擎的缸內平均壓力峰值、平均 溫度峰值、輸出指示功、熱效率、最短的持續燃燒角度、氮氧化合物排放增加(但仍低於法規標準值,可使用三元觸媒降低 )、碳氫化合物排放減少(遠低於法規標準值 )。這些結果表示預燃室技術有助於提升缸內燃燒效率並改善污染排放。另外,為了使燃油消耗更具經濟效益,可利用稀薄燃燒改變預燃室引擎(A/F)MC至16 雖然會犧牲少許性能,但可以提升燃油經濟性以及降低汙染排放,與單火星塞引擎相比,可減少油耗28%。


    The characteristics of flow, fuel distribution, combustion, power performance, and pollutant generation of a prechambered, two-valve, four-stroke reciprocating engine were analyzed using the commercial CFD code of CONVERGE. The engine speed and the intake efficiency were set at 5500 RPM and 37%, respectively. The typical parameters such as peak mean pressure, peak mean temperature, indicated work, thermal efficiency, crank angle at 10% - 50% MFB (mass fraction burning), specific fuel consumption, amount of flame remaining before exhaust valve opening, the masses of hydrocarbon, nitrogen oxides, carbon monoxide, and carbon dioxide were calculated. The results were compared with corresponding those of a single-spark-plug engine and four types of dual-spark-plugs engines. The prechamber orifice geometric parameters (i.e., orifice numbers n, equivalent and dimensionless of total cross-sectional area β, tilt angle δ and circumferential angle γ) as well as the physical parameters (i.e., air-fuel ratio of prechamber (A/F)PC, oil injection time of prechamber to, spark time of prechamber ti, air-fuel ratio of main chamber (A/F)MC) were focused for analysis. The results showed that by optimizing the prechamber orifices diameter and arrangement, the prechambered engine presented significant improvement in engine performances compared with corresponding those of other engines. The optimized parameters (n, β, δ, γ, to, ti) = (5, 0.5, 75°, 6°, 690°, 700°) could lead to increase of engine power output by 34% and reduce the mass of hydrocarbon emission by 77% at (A/F)PC = 14 - 15 when compared with corresponding those of the single-spark-plug engine. At lean-burn combustion, the engine performances of the optimized prechambered engine were supreme when compared with those of the single-spark-plug engine. The specific fuel consumption of the prechambered engine operated at the lean-burn condition of (A/F)MC = 16 could be drastically lowered by 28% when compared with that of the single-spark-plug engine.

    摘要 i Abstract ii 誌謝 iv 目錄 v 符號索引 xii 表圖索引 xv 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 研究目的與方法 7 第二章 標的引擎規格 8 2.1 幾何構造 8 2.2 引擎參數 8 第三章 計算方法 9 3.1 計算軟體簡介 9 3.2 統御方程式和物理模型 10 3.2.1 質量守恆方程式 11 3.2.2 動量守恆方程式 (Navier-Stokes Equations) 12 3.2.3 能量傳輸方程式 12 3.2.4 物質傳輸方程式 13 3.2.5 紊流模型 14 3.2.6 燃燒模型 18 3.4 數值方法 18 3.4.1 離散化方程式 18 3.4.2 PISO解法理論 20 3.4.3 收斂標準 25 3.5 數值模擬 26 3.5.1 計算網格 26 3.5.2 邊界條件 27 3.5.3 初始條件 28 3.5.4 網格獨立性 29 第四章 預燃室和參數定義 30 4.1 預燃室定義 30 4.2 幾何設計參數 31 4.3 物理參數 32 4.3.1 平均壓力峰值 Ppeak (Bar) 32 4.3.2 平均溫度峰值 Tpeak (K) 32 4.3.3 指示功 Wi (J) 33 4.3.4 熱效率 ηt (%) 33 4.3.5 燃燒持續角度 I10-50 (deg.) 33 4.3.6 空燃比 Air-fuel ratio A/F 34 4.3.7 預燃室噴油與點火時機 (to, ti) 34 4.3.8 噴流平均速度峰值 ¯V_max (m/s) 34 4.3.9 面油氣殘留率 R_(A_o ) (%) 35 4.3.10 單位燃料消耗量 SFC (mg/J) 35 4.4 引擎燃燒汙染生成物質量 35 4.4.1 碳氫化合物質量 mHC (kg) 35 4.4.2 氮氧化合物質量 mNox (kg) 36 4.4.3 一氧化碳質量 mCO (kg) 36 4.4.4 二氧化碳質量 mCO2 (kg) 36 第五章 單火星塞引擎性能與汙染排放計算分析 38 5.1 引擎性能與汙染排放計算結果 38 5.2 引擎缸內流場演化 38 5.2.1 Y方向流場中心切面 38 5.2.2 X方向流場中心切面 40 5.3 引擎缸內燃油分布 42 5.3.1 Y方向油氣分布中心切面 42 5.3.2 X方向油氣分布中心切面 42 5.3.3 面油氣殘留率 R_(A_o ) 43 5.4 引擎點火後缸內溫度分布 43 5.4.1 Y方向溫度分布中心切面 43 5.4.2 X方向溫度分布中心切面 43 第六章 預燃室噴孔幾何參數和預燃室空燃比對引擎性能與汙染排放的影響 45 6.1 改變噴孔個數n與等總截面積無因次參數β 45 6.1.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 45 6.1.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 46 6.1.3 引擎輸出指示功Wi 46 6.1.4 引擎熱效率ηt 46 6.1.5 引擎燃燒持續角度I10-50 47 6.1.6 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 47 6.1.7 引擎燃燒氮氧化物質量mNOx 47 6.1.8 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 48 6.1.9 引擎燃燒二氧化碳質量mCO2 48 6.2 改變噴孔傾斜角δ 48 6.2.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 49 6.2.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 49 6.2.3 引擎輸出指示功Wi 49 6.2.4 引擎熱效率ηt 49 6.2.5 引擎燃燒持續角度I10-50 50 6.2.6 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 50 6.2.7 引擎燃燒氮氧化物質量mNOx 50 6.2.8 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 50 6.2.9 引擎燃燒二氧化碳質量mCO2 51 6.3 改變噴孔圓周角γ 51 6.3.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 51 6.3.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 51 6.3.3 引擎輸出指示功Wi 52 6.3.4 引擎熱效率ηt 52 6.3.5 引擎燃燒持續角度I10-50 52 6.3.6 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 53 6.3.7 引擎燃燒氮氧化物質量mNOx 53 6.3.8 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 53 6.3.9 引擎燃燒二氧化碳質量mCO2 54 6.4 主要變數 (A/F)PC, n, β, δ, γ 綜合討論 54 第七章 預燃室噴油時機與點火時機對引擎性能與汙染排放的影響 56 7.1 改變噴油時機to 56 7.1.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 56 7.1.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 56 7.1.3 引擎輸出指示功Wi 57 7.1.4 引擎熱效率ηt 57 7.1.5 引擎燃燒持續角度I10-50 57 7.1.6 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 57 7.1.7 引擎燃燒氮氧化物質量mNOx 58 7.1.8 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 58 7.1.9 引擎燃燒二氧化碳質量mCO2 58 7.2 改變點火時機ti 58 7.2.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 58 7.2.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 59 7.2.3 引擎輸出指示功Wi 59 7.2.4 引擎熱效率ηt 59 7.2.5 引擎燃燒持續角度I10-50 59 7.2.6 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 60 7.2.7 引擎燃燒氮氧化物質量mNOx 60 7.2.8 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 60 7.2.9 引擎燃燒二氧化碳質量mCO2 60 第八章 改變主燃室空燃比對預燃室引擎性能與汙染排放的影響 62 8.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 62 8.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 62 8.3 引擎輸出指示功Wi 62 8.4 引擎熱效率ηt 63 8.5 引擎燃燒持續角度I10-50 63 8.6 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 63 8.7 引擎燃燒氮氧化物質量mNox 63 8.8 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 64 8.9 引擎燃燒二氧化碳質量mCO2 64 8.10 引擎單位燃料消耗量SFC 64 第九章 預燃室引擎燃燒分析 65 9.1 火焰傳播 65 9.1.1 不同n, β值 65 9.1.2 不同δ值 66 9.1.3 不同γ值 66 9.2 面油氣殘留率 R_(A_o ) 66 9.2.1 不同n, β值 66 9.2.2 不同δ值 67 9.2.3 不同γ值 67 9.3 最佳預燃室引擎缸內流場演化 67 9.3.1 Y方向流場中心切面 68 9.3.2 X方向流場中心切面 69 9.4 最佳預燃室引擎缸內燃油分布 71 9.4.1 Y方向油氣分布中心切面 71 9.4.2 X方向油氣分布中心切面 71 9.5 最佳預燃室引擎點火後缸內溫度分布 72 9.5.1 Y方向溫度分布中心切面 72 9.5.2 X方向溫度分布中心切面 72 第十章 雙火星塞引擎性能與汙染排放計算分析 73 10.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 73 10.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 73 10.3 引擎輸出指示功Wi 73 10.4 引擎熱效率ηt 74 10.5 引擎燃燒持續角度I10-50 74 10.6 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 74 10.7 引擎燃燒氮氧化物質量mNox 75 10.8 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 75 10.9 引擎燃燒二氧化碳質量mCO2 75 10.10 引擎單位燃料消耗量SFC 75 10.11 面油氣殘留率 R_(A_o ) 76 第十一章 結論與建議 77 11.1 結論 77 11.1.1 預燃室噴孔幾何參數對引擎燃燒之影響 77 11.1.2 預燃室引擎最佳噴油時機與點火時機 78 11.1.3 預燃室引擎最佳主燃室空燃比 78 11.1.4 最佳預燃室引擎中心切面流場、油氣分布、溫度分布 79 11.1.5 預燃室引擎與其他引擎比較 79 11.2 建議 79 參考文獻 81

    [1] Shah, A., Tunestal, P., and Johansson, B., “CFD simulations of pre-chamber jets’ mixing characteristics in a heavy duty natural gas engine,” SAE Technical Paper, No. 9, 2015.
    [2] Toulson E., Schock H., and Attard W.A, “Review of pre-chamber initiated jet ignition combustion systems,” SAE Technical Paper, 2010.
    [3] Gentz, G., Gholamisheeri, M., and Toulson, E., “A study of a turbulent jet ignition system fueled with iso-octane: pressure trace analysis and combustion visualization,” Applied Energy, Vol. 189, No. 1, 2017, pp. 385-394.
    [4] Chinnathambi, P., Bunce, M., and Cruff, L., “RANS based multidimensional modeling of an ultra-lean burn pre-chamber combustion system with auxiliary liquid gasoline injection,” SAE Technical Paper, No. 4, 2015.
    [5] Syrovatka, Z., Vitek, O., Vavra, J., and Takats, M., “Scavenged pre-chamber volume effect on gas engine performance and emissions,” SAE Technical Paper, No. 4, 2019.
    [6] Attard, W., Fraser, N., Parsons, P., and Toulson, E., “A turbulent jet ignition pre-chamber combustion system for large fuel economy improvements in a modern vehicle powertrain,” SAE International Journal of Engines, No. 5, 2010.
    [7] Jamrozik, A., “Lean combustion by a pre-chamber charge stratification in a stationary spark ignited engine,” Journal of Mechanical Science and Technology, No. 5, 2015.
    [8] Kirkpatrick, A., Kim, G.H., and Olsen, D., “CFD modeling of the performance of a prechamber for use in a large bore natural gas engine,” ASME 2015 Internal Combustion Engine Division Spring Techanical Conference, No. 1, 2005.
    [9] Sine, T.M., and Reif, P.J., “An overview of lean-burn conversion for older dresser-rand engines,” ASME-ICE, No. 12, 1996.
    [10] Hokimoto, S., Kuboyama, T., and Moriyoshi, Y., “Combustion analysis in a natural gas engine with pre-chamber by three-dimensional numerical simulation,” Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 81, No. 830, 2015.
    [11] 陳良, 預燃室式分層稀燃氣體發動機的燃燒和排放特性研究, 江蘇大學, 2016.
    [12] Leng, X., Wang, M., He, Z., Wang, Q., Wei, S., Long, W., and Zhu, C., “Impact of the pre-chamber nozzle orifice configurations on combustion and performance of a natural gas engine,” THERMAL SCIENCE, Vol. 22, No. 3, pp. 1325-1337.
    [13] Bhanu Prakash Reddy, K., “A comparative study between DTS-I engine and single spark ignition engine,” International Journal of Science and Research (IJSR), 2018.
    [14] Kuroda, H., Nakajima, Y., Sugihara, K., Takagi, Y., and Muranaka, S., “The fast burn with heavy EGR, new approach for low NOx and improved fuel economy,” SAE paper, No. 2, 1978.
    [15] Mattavi, J.N., “The attribute of fast burning rates in engines,” SAE paper, No. 8, 1980.
    [16] Sahare, B., Suryawanshi, S., Kumar Tadge, K., and Kumar, S., “To study of dual sparkplug in two stroke IC engine,” IJARIIE-ISSN, Vol. 2, No. 2, 2016.
    [17] Bailkeri, N., Prasad S, K., and Rao B.R, S., “Performance study on twin plug spark ignition engine at different ignition timings,” International Journal of Science and Research (IJSR), Vol. 2, No. 8, 2013.
    [18] 徐偉銘:「雙火星塞引擎機車引擎的氣流分析與性能: 實驗與計算分析」,機械工程技術研究所碩士論文,國立台灣科技大學,台北,臺灣,中華民國,2012。
    [19] 楊智皓:「機車單缸四閥四行程引擎之屋脊型燃燒是最佳化設計」,機械工程技術研究所碩士論文,國立台灣科技大學,台北,臺灣,中華民國,2018。
    [20] 黃源信:「火星塞幾何位置對雙火星塞引擎效能與廢氣排放的影響」,機械工程技術研究所碩士論文,國立台灣科技大學,台北,臺灣,中華民國,2020。
    [21] 黃室翔:「火星塞點火時間與空燃比對雙火星引擎性能與汙染排放的影響」,機械工程技術研究所碩士論文,國立台灣科技大學,台北,臺灣,中華民國,2020。
    [22] Yakhot, V., and Orszag, S.A., “Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory,” Journal of Scientific Computing, No. 3, 1986.
    [23] Versteeg, H.K., and Malalasekera, W., “An introduction to computational fluid dynamic-The Finite Volume Method,” Addison Wesley Longman Limited, 1995.
    [24] Issa, R.I., “Solution of implicitly discretized fluid flow equations by operator-splitting,” Journal of Computational Physics, Vol. 62, No. 1, 1986, pp. 40-65.

    無法下載圖示 全文公開日期 2031/07/09 (校內網路)
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    全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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