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研究生: 吳品誠
Pin-Cheng
論文名稱: 中置型預燃室幾何與物理參數設計對引擎效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
許清閔
Ching-Min Hsu
口試委員: 黃榮芳
Rong-Fung Huang
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: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 270
中文關鍵詞: 預燃室熱效率提升最適化雙火星塞引擎
外文關鍵詞: Prechamber, Increase of thermo efficiency, Optimized, Dual spark plugs engine
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  • 本研究探討二閥單缸四行程中置型預燃室引擎的燃燒情形、汙染物生成量與引擎性能,並與原廠單火星塞引擎、雙火星塞引擎、側置型預燃室引擎做比較。使用計算流體力學軟體CONVERGE分析二閥單缸四行程預燃室引擎,在引擎轉速固定5500 RPM、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、預燃室傾斜角φ、噴孔圓周角γ、預燃室軸向噴孔孔徑dc、預燃室空燃比 (A/F)PC、主燃室空燃比 (A/F)MC、預燃室噴油時機to,PC、點火時機ti,分析七個性能量化指標:(1)汽缸內平均壓力峰值、(2)平均溫度峰值、(3)輸出指示功、(4)指示熱效率、(5)燃燒持續角度、(6)循環變異係數、(7)單位燃料消耗量以及四個燃燒產物汙染量化指標:(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,並探討缸內流場、溫度分布、油氣濃度分布、殘留油氣分布與火焰傳播行為,藉此判斷中置型預燃室最佳幾何設計以及物理參數,並與其餘種類引擎比較。與原廠單火星塞引擎相比,可減少油耗25.46 %,碳氫化合物排放減少84 %;雖然氮氧化合物排放增加117%,但此一氮氧化合物可使用三元觸媒降低。這些結果表示中置型預燃室引擎不但可以提升缸內燃燒效率,還有助於解決側置型預燃室引擎之火焰傳播缺陷,改善污染排放,同時增進燃油經濟性。


    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 the peak mean pressure, peak mean temperature, indicated work, thermal efficiency, crank angle elapsed at 10%  50% MFB (mass fraction burning), specific fuel consumption, flame remaining before opening of exhaust valve, and the masses of exhaust pollutants (hydrocarbon, nitrogen oxides, carbon monoxide, and carbon dioxide) were calculated. The results were compared with those of a single-spark-plug engine and four types of dual-spark-plugs engines. Analyses were focused on the prechamber orifice geometric parameters (i.e., orifice numbers n, equivalent and dimensionless total cross-sectional area β, tilt angle δ, tilt angle δ, 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 timing of prechamber to,PC, spark timing of prechamber ti, air-fuel ratio of main chamber (A/F)MC). The results showed that by optimizing the prechamber orifices diameter and arrangement, the prechambered engine presented significant improvement in engine performances over other engines. The optimized one could lead to increase of engine power output by 26% and reduction of hydrocarbon emission by 84% at (A/F)PC = 14.5 when compared with 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 (A/F)MC = 15.5 could be drastically lowered by 25.46% when compared with single-spark-plug engine.

    摘要 i Abstract ii 誌謝 iv 目錄 v 符號索引 xiii 表圖索引 xvi 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 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 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 17 3.3 數值方法 18 3.3.1 離散化方程式 18 3.3.2 PISO解法理論 20 3.3.3 收斂標準 26 3.4 數值模擬 26 3.4.1 計算網格 26 3.4.2 邊界條件 28 3.4.3 初始條件 29 3.4.4 網格獨立性 30 第四章 預燃室和參數定義 31 4.1 預燃室定義 31 4.2 幾何設計參數 32 4.3 物理參數 33 4.3.1 空燃比 Air-fuel ratio A/F 33 4.3.2 平均壓力峰值 "P" peak 33 4.3.3 平均溫度峰值 "T" peak 34 4.3.4 指示功 Wi 34 4.3.5 指示熱效率 ηt 34 4.3.6 燃燒持續角度 I10-50 35 4.3.7 循環變異係數 "C" _(〖"v,W" 〗_"i" ) 35 4.3.8 預燃室噴油時機 to,PC 與點火時機 ti 35 4.3.9 單位燃料消耗量 SFC 35 4.4 引擎燃燒汙染生成物質量 36 4.4.1 碳氫化合物質量 mHC 36 4.4.2 氮氧化合物質量 mNOx 36 4.4.3 一氧化碳質量 mCO 37 4.4.4 二氧化碳質量 "m" _(〖"CO" 〗_"2" " " ) 37 第五章 單火星塞引擎性能與汙染排放計算分析 38 5.1 單火星塞引擎性能與汙染排放計算結果 38 5.2 單火星塞引擎缸內流場演化 38 5.2.1 Y方向中心切面 38 5.2.2 X方向中心切面 40 5.3 單火星塞引擎缸內燃油分布 41 5.3.1 Y方向中心切面 42 5.3.2 X方向中心切面 42 5.3.3 殘留油氣分布 42 5.4 單火星塞引擎點火後缸內溫度分布 43 5.4.1 Y方向中心切面 43 5.4.2 X方向中心切面 43 第六章 中置型預燃室引擎之噴孔幾何與空燃比對性能及汙染排放的影響 44 6.1 改變噴孔數n與等總截面積無因次參數β 44 6.1.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 44 6.1.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 45 6.1.3 引擎輸出指示功Wi 45 6.1.4 引擎指示熱效率ηt 45 6.1.5 引擎燃燒持續角度I10-50 46 6.1.6 引擎循環變異係數 "C" _(〖"v,W" 〗_"i" ) 46 6.1.7 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 46 6.1.8 引擎燃燒氮氧化合物質量mNOx 47 6.1.9 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 47 6.1.10 引擎燃燒二氧化碳質量 "m" _(〖"CO" 〗_"2" " " ) 47 6.2 改變噴孔傾斜角δ 47 6.2.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 48 6.2.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 48 6.2.3 引擎輸出指示功Wi 48 6.2.4 引擎指示熱效率ηt 48 6.2.5 引擎燃燒持續角度I10-50 49 6.2.6 引擎循環變異係數 "C" _(〖"v,W" 〗_"i" ) 49 6.2.7 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 49 6.2.8 引擎燃燒氮氧化合物質量mNOx 49 6.2.9 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 50 6.2.10 引擎燃燒二氧化碳質量 "m" _(〖"CO" 〗_"2" " " ) 50 6.3 改變預燃室傾斜角φ 50 6.3.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 50 6.3.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 51 6.3.3 引擎輸出指示功Wi 51 6.3.4 引擎指示熱效率ηt 51 6.3.5 引擎燃燒持續角度I10-50 52 6.3.6 引擎循環變異係數 "C" _(〖"v,W" 〗_"i" ) 52 6.3.7 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 52 6.3.8 引擎燃燒氮氧化合物質量mNOx 52 6.3.9 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 53 6.3.10 引擎燃燒二氧化碳質量 "m" _(〖"CO" 〗_"2" " " ) 53 6.4 改變空燃比A/F 53 6.4.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 53 6.4.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 54 6.4.3 引擎輸出指示功Wi 54 6.4.4 引擎指示熱效率ηt 54 6.4.5 引擎燃燒持續角度I10-50 55 6.4.6 引擎循環變異係數 "C" _(〖"v,W" 〗_"i" ) 55 6.4.7 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 55 6.4.8 引擎燃燒氮氧化合物質量mNOx 55 6.4.9 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 56 6.4.10 引擎燃燒二氧化碳質量" " "m" _(〖"CO" 〗_"2" " " ) 56 6.5 改變噴孔圓周角γ 56 6.5.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 56 6.5.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 57 6.5.3 引擎輸出指示功Wi 57 6.5.4 引擎指示熱效率ηt 57 6.5.5 引擎燃燒持續角度I10-50 57 6.5.6 引擎循環變異係數 "C" _(〖"v,W" 〗_"i" ) 58 6.5.7 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 58 6.5.8 引擎燃燒氮氧化合物質量mNOx 58 6.5.9 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 58 6.5.10 引擎燃燒二氧化碳質量"m" _(〖"CO" 〗_"2" " " ) 59 6.6 最佳n, β, δ, φ, γ, dc 之綜合討論 59 第七章 中置型預燃室引擎之噴油時機與點火時機對性能及汙染排放的影響 61 7.1 改變預燃室噴油時機to,PC 61 7.1.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 61 7.1.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 61 7.1.3 引擎輸出指示功Wi 62 7.1.4 引擎指示熱效率ηt 62 7.1.5 引擎燃燒持續角度I10-50 62 7.1.6 引擎循環變異係數 "C" _(〖"v,W" 〗_"i" ) 62 7.1.7 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 63 7.1.8 引擎燃燒氮氧化合物質量mNOx 63 7.1.9 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 63 7.1.10 引擎燃燒二氧化碳質量〖" m" 〗_(〖"CO" 〗_"2" " " ) 63 7.2 改變點火時機ti 64 7.2.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 64 7.2.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 64 7.2.3 引擎輸出指示功Wi 64 7.2.4 引擎指示熱效率ηt 65 7.2.5 引擎燃燒持續角度I10-50 65 7.2.6 引擎循環變異係數 "C" _(〖"v,W" 〗_"i" ) 65 7.2.7 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 65 7.2.8 引擎燃燒氮氧化合物質量mNOx 66 7.2.9 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 66 7.2.10 引擎燃燒二氧化碳質量〖" m" 〗_(〖"CO" 〗_"2" " " ) 66 7.3 最佳to,PC及ti之綜合討論 66 第八章 中置型預燃室引擎之主燃室空燃比對性能及汙染排放的影響 68 8.1 改變主燃室空燃比 (A/F)MC 68 8.1.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 68 8.1.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 68 8.1.3 引擎輸出指示功Wi 69 8.1.4 引擎指示熱效率ηt 69 8.1.5 引擎燃燒持續角度I10-50 69 8.1.6 引擎循環變異係數 "C" _(〖"v,W" 〗_"i" ) 69 8.1.7 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 70 8.1.8 引擎燃燒氮氧化合物質量mNOx 70 8.1.9 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 70 8.1.10 引擎燃燒二氧化碳質量"m" _(〖"CO" 〗_"2" " " ) 71 8.1.11 引擎單位燃料消耗量SFC 71 8.2 最佳to,PC及 (A/F)MC之綜合討論 71 第九章 中置型預燃室引擎燃燒分析 73 9.1 火焰傳播 73 9.1.1 n, β, dc 73 9.1.2 δ 74 9.1.3 φ 74 9.1.4 γ 74 9.2 最佳預燃室引擎缸內流場演化 75 9.2.1 Y方向中心切面 75 9.2.2 X方向中心切面 77 9.3 最佳預燃室引擎缸內燃油分布 78 9.3.1 Y方向中心切面 78 9.3.2 X方向中心切面 79 9.3.3 殘留油氣分布 79 9.4 最佳預燃室引擎點火後缸內溫度分布 79 9.4.1 Y方向中心切面 80 9.4.2 X方向中心切面 80 第十章 各式引擎性能與汙染排放計算分析 81 10.1 缸內平均壓力峰值P̅peak 81 10.2 缸內平均溫度峰值T̅peak 81 10.3 引擎輸出指示功Wi 81 10.4 引擎指示熱效率ηt 82 10.5 引擎燃燒持續角度I10-50 82 10.6 引擎循環變異係數 "C" _(〖"v,W" 〗_"i" ) 82 10.7 引擎燃燒碳氫化合物質量mHC 83 10.8 引擎燃燒氮氧化合物質量mNox 83 10.9 引擎燃燒一氧化碳質量mCO 83 10.10 引擎燃燒二氧化碳質量〖" m" 〗_(〖"CO" 〗_"2" " " ) 84 10.11 引擎單位燃料消耗量SFC 84 第十一章 結論與建議 85 11.1 結論 85 11.2 建議 86 參考文獻 87

    [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」,動力機械工程系碩士論文,江蘇大學,鎮江,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, 2018, 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」,機械工程系碩士論文,國立臺灣科技大學,臺北,2012。
    [19] 楊智皓,「機車單缸四閥四行程引擎之屋脊型燃燒室最佳化設計」,機械工程系碩士論文,國立臺灣科技大學,臺北,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」,機械工程系碩士論文,國立臺灣科技大學,臺北,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」,機械工程系碩士論文,國立臺灣科技大學,臺北,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.
    [25] Blankmeister, M., Alp, M., Shimizu, E., “Passive Pre-Chamber Spark Plug for Future Gasoline Combustion Systems with Direct Injection,” Ignition Systems for Gasoline Engines : 4th International Conference, 2018, pp. 149-174.
    [26] 吳文宸,「預燃室噴孔幾何與物理參數設計對引擎效能與廢氣排放的影響」,機械工程系碩士論文,國立臺灣科技大學,臺北,2021。

    無法下載圖示 全文公開日期 2032/07/18 (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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