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研究生: 楊智皓
ZHI-HAO YANG
論文名稱: 機車單缸四閥四行程引擎之屋脊型燃燒室最適化設計
Optimizing the Roof Type Combustion Chamber Design of a Single-Cylinder, Four-Stroke Scooter Engine with Four Valves
指導教授: 黃榮芳
Rong-Fung Huang
口試委員: 許清閔
林怡均
黃榮芳
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: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 318
中文關鍵詞: 機車引擎單缸四閥四行程屋脊型燃燒室
外文關鍵詞: Scooter Engine, Single-Cylinder, Roof Type Combustion Chamber, Four-Stroke
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本研究針對一部單缸四閥四行程125c.c.機車引擎(在此稱為原廠引擎),使用商用套裝計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟體CONVERGE,對汽缸內未噴油燃燒之流場進行計算模擬,探討節氣門開度與引擎轉速對汽缸內流場的影響,並計算容積效率、缸內平均壓力與溫度、紊流動能及滾轉比的變化。以面平均渦度滾轉比、體平均循環渦度滾轉比等數值來呈現缸內滾轉運動的量化強度。不同汽門開度及轉速會使缸內流場模態隨著曲軸角度改變,而使得缸內氣流滾轉強度有所差異。容積效率、循環紊流動能、體平均循環渦度滾轉比、餘隙(squish)是判斷氣流品質與油氣混合良窳的主要物理參數。固定節氣門開度於100%,引擎轉速7000RPM,探討更改燃燒室幾何形狀與尺寸時,以上四種主要物理參數的改變,綜合比較其相關性,判斷較佳之燃燒室設計幾何。更改的燃燒室幾何包括:穹頂傾斜角、活塞頂部形狀(中央球形、偏置球型、偏置槽型、淺碟型以及拱型(I))與餘隙。過去研究顯示,缸內氣流滾轉比改變會影響紊流強度以及油氣於渦流中的停駐時間,進而影響油氣混和的品質,最終會影響引擎之燃燒效率與污染物排放濃度。在進行引擎燃燒室設計時,必須同時考慮容積效率、循環紊流動能、體平均循環渦度滾轉比與餘隙。本研究發現循環紊流動能與體平均循環渦度滾轉比有相似的變化趨勢,但體平均循環渦度滾轉比可以呈現較明顯的特徵。因此,若容積效率與餘隙能控制在合理的數值時,缸內氣流滾體平均循環渦度滾轉可以作為設計較佳燃燒室幾何時的主要參數。


The in-cylinder flow characteristics of a single-cylinder, four-stroke motorcycle engine, which would affect the mixing and combustion performance were studied. A commercial engine with a displacement of 125cc was used as the benckmakr which was hereafdter called the “original engine.” Analyzed by the commercial computational fluid dynamic (CFD) software (Converge), the in-cylinder flow characteristics, such as the flow evolution patterns, turbulence kineytic energy (TKE), tumble ratio, were obtained. The effects of the parameters induced by the geometric arrangement of the engine combustion chamber, such as the volumetric efficiency and squish, were specifically studied. The angle of pent roof and the shape of the piston head which may significantly affect the in-cylinder flow characteristics were varied to examine the optimized designs for the combustion chamber. The engine spped and throttle opening were varied for the cases of study. The results showed that the pent roof angle at 22o to 23o may induce largest TKE and tumble ratio. The “original engne” had a pent roof angle of 22.9o which fell within the range of optimation design. A piston head with a slight concave or a slight convex of special designed geometries could increase tumble ratio up to about 10%. The variations of TKE and tumble ratio were almost unchanged under the conditions with and without installing the throttle value.

摘要 i Abstract ii 誌謝 iii 目錄 iv 符號索引 ix 表圖索引 xii 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧 3 1.3 研究目的與方法 7 第二章 標的引擎規格 9 2.1 幾何構造 9 2.2 尺寸 10 第三章 計算方法 11 3.1 計算流力軟體簡介 11 3.2 統御方程式 12 3.2.1 紊流模式 14 3.3 數值模擬 17 3.3.1 計算網格 17 3.3.2 邊界條件 18 3.3.3 初始條件 19 3.3.4 離散化方程式 19 3.3.5 PISO解法理論 21 3.3.6 網格獨立性 27 3.3.7 收斂標準 27 第四章 分析參數定義 28 4.1 物理參數 28 4.1.1 容積效率 (ηv) 28 4.1.2 滾轉比 (tumble ratio) 28 4.1.3 紊流動能 (TKE, Turbulence kinetic energy) 32 4.2 量化模式 32 4.2.1 算數平均 (arithmetic average over planes) 32 4.2.2 體積分率權重 (weighted by are factor) 33 第五章 原廠引擎之冷流場計算結果 35 5.1 缸內瞬時平均壓力與溫度、缸內氣體淨質量及容積效率分析 35 5.1.1 缸內瞬時平均壓力 35 5.1.2 缸內瞬時平均溫度 36 5.1.3 缸內氣體淨質量 37 5.1.4 容積效率 (ηv) 37 5.2 紊流動能(TKE) 38 5.2.1 紊流動能 (TKE) 38 5.2.2 循環紊流動能 (TKE) 39 5.3 滾轉比分析 39 5.3.1 隨曲軸角(CA)變化的截面平均渦度滾轉比(TCA) 39 5.3.2 截面平均循環渦度滾轉比( ) 40 5.3.3 隨CA變化的體平均渦度滾轉比 (TV, CA) 40 5.3.4 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 42 5.4 缸內流場分析 44 5.4.1 截面與流場之關係 44 5.4.2 節氣門開度及轉速與流場之關係 44 5.4.3 節氣門開度為100%及無節氣門(NOTH)與流場之關係 45 5.5 討論 45 第六章 更改燃燒室幾何之冷流場計算結果 47 6.1 更改燃燒室幾何:穹頂傾斜角 47 6.1.1 幾何參數 47 6.1.2 容積效率 (ηv) 47 6.1.3 循環紊流強度 (TKE) 47 6.1.4 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 48 6.2 更改活塞頂部幾何:中央球型 48 6.2.1 幾何參數 48 6.2.2 容積效率 (ηv) 48 6.2.3 循環紊流強度 (TKE)+ 48 6.2.4 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 49 6.2.5 討論 49 6.3 更改活塞頂部幾何:偏置球型 49 6.3.1 幾何參數 49 6.3.2 容積效率 (ηv) 50 6.3.3 循環紊流強度 (TKE) 50 6.3.4 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 50 6.3.5 討論 51 6.4 更改活塞頂部幾何:偏置槽型 51 6.4.1 幾何參數 51 6.4.2 容積效率 (ηv) 51 6.4.3 循環紊流強度 (TKE) 51 6.4.4 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 52 6.4.5 討論 52 6.5 更改活塞頂部幾何:淺碟型(Ⅰ) 52 6.5.1 幾何參數 52 6.5.2 容積效率 (ηv) 53 6.5.3 循環紊流強度 (TKE) 53 6.5.4 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 54 6.5.5 討論 56 6.6 更改活塞頂部幾何:淺碟型(ⅠI) 56 6.6.1 幾何參數 56 6.6.2 容積效率 (ηv) 56 6.6.3 循環紊流強度 (TKE) 56 6.6.4 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 57 6.6.5 討論 57 6.7 更改活塞頂部幾何:淺碟型(ⅠII) 57 6.7.1 幾何參數 57 6.7.2 容積效率 (ηv) 58 6.7.3 循環紊流強度 (TKE) 58 6.7.4 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 58 6.7.5 討論 58 6.8 更改活塞頂部幾何:拱型(I) 59 6.8.1 幾何參數 59 6.8.2 容積效率 (ηv) 59 6.8.3 循環紊流強度 (TKE) 60 6.8.4 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 61 6.9 更改活塞頂部幾何:拱型(II) 62 6.9.1 幾何參數 63 6.9.2 容積效率 (ηv) 63 6.9.3 循環紊流強度 (TKE) 64 6.9.4 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 64 第七章 結論與建議 67 7.1 結論 67 7.2 建議 71 參考文獻 72

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無法下載圖示 全文公開日期 2023/08/28 (校內網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
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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