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研究生: 王品翰
Pin-Han Wang
論文名稱: 機車單缸引擎燃燒室最適化設計
Optimizing Combustion Chamber Design of a Motorcycle Engine
指導教授: 黃榮芳
Rong Fung Huang
口試委員: 許清閔
Ching-Min Hsu
林怡均
Lin, Yi-Jiun
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: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 381
中文關鍵詞: 引擎內燃機缸內流場燃燒室滾轉運動
外文關鍵詞: Internal Combustion Engine, Combustion Chamber, tumble motion, Squish
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  • 本研究針對機車單缸125 c.c.引擎,進行球形燃燒室幾何設計最適化研究。主要探討的設計參數是穹頂半徑與活塞頂部幾何;次要探討的設計參數是Squish區域的圓角半徑及穹頂與缸壁之夾角。使用套裝計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD) 軟體CONVERGE,探討引擎在固定轉速6000 RPM及節氣門開度全開時,對汽缸缸內未噴油之冷流場進行計算模擬。分析引擎燃燒室幾何結構改變時,缸內氣流徑向滾轉(Tumble)運動的值化變化,並計算容積效率、缸內平均壓力與溫度、紊流動能及滾轉比在不同設計條件下的量化變化。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。燃燒室幾何結構改變會使缸內流場模態隨著曲軸角改變,而造成缸內氣流滾轉強度有所差異。缸內氣流滾轉比改變會影響紊流強度及油氣混和的優劣,過去研究顯示,最終會影響引擎之燃燒效率與污染物排放濃度。由於缸內氣流滾轉運動的強度會影響最終引擎之性能,所以欲設計較佳的燃燒室幾何時,缸內流場模態衍化、體平均循環渦度滾轉比是必須考慮的重要參數之一。本研究共進行六十四個燃燒室幾何設計分析計算。結果顯示:原始引擎的體平均循環渦度滾轉比為0.158,而最佳化的穹頂與活塞幾何改變案例之體平均循環渦度滾轉比為0.183,兩者相差將近16%。分析各研究參數之重要性,顯示穹頂半徑是影響缸內滾轉運動的主要參數之一。然而,本研究未進行燃燒計算、燃燒分析及性能測試實驗,所以,體平均循環渦度滾轉比增加16%對引擎最終性能之影響尚待探討。


    The in-cylinder flows in the axial planes of a motored two-vavle, single-cylinder, four-stroke engine during the intake and compression strokes at an engine speed of 6000 RPM and throttle opening of 100% were diagnosed by using computational methods. Moderate and intense tumble motions were generated by changing the combustion chamber geometric design. The computations were carried out by the computational fluid dynamics (CFD) software CONVERGE. The ensemble averaged conservation equations for mass, momentum, and energy in transient state conditions with the k-ε thubulence model were solved. The orthogonal, structured grid which reproduced the geometry of the inlet port, exhaust port, combustion chamber, and real fluid system was automatically generated by CONVERGE. Quantified strengths of the rotationg motions in the axial planes were represented by a dimensionless variable tumble ratio, which was defined as the ratio of mean angular velocity of the vortices in the target plane at a certain crank angle to the average angular velocity of the crank. The quantitative results of cycle-averaged tumble ratio indicated the correlation between strengths of tumble motion and combustion chamber geometric design. The results showed that the engine with an optimized combustion chamber presented an significant increase in cycle-averaged tumble ratio by about 16% when compared with that of the original engine.

    摘要i Abstractii 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13 3.2.1紊流模式14 3.3邊界條件與初始條件17 3.3.1邊界條件17 3.3.2初始條件18 3.4數值模擬19 3.4.1計算網格19 3.4.2離散化方程式19 3.4.3PISO解法理論21 3.4.4網格獨立性27 3.4.5收斂標準28 第四章 分析參數定義29 4.1物理參數29 4.2量化模式34 第五章 修改燃燒室穹頂幾何參數Rc之滾轉運動計算結果36 5.1a2模型冷流場計算36 5.1.1垂直截面#10(y/D = 0), CA = 0o ~ 180o ATDC36 5.1.2垂直截面#10(y/D = 0), CA = 210o ~ 360o ATDC37 5.1.3垂直截面#6(y/D = -0.20), CA = 0o ~ 180o ATDC38 5.1.4垂直截面#6(y/D = -0.20), CA = 210o ~ 360o ATDC39 5.1.5垂直截面#2(y/D = -0.40), CA = 0o ~ 180o ATDC40 5.1.6垂直截面#2(y/D = -0.40), CA = 210o ~ 360o ATDC40 5.2a4模型冷流場計算41 5.2.1垂直截面#10(y/D = 0), CA = 0o ~ 180o ATDC41 5.2.2垂直截面#10(y/D = 0), CA = 210o ~ 360o ATDC42 5.2.3垂直截面#6(y/D = -0.20), CA = 0o ~ 180o ATDC43 5.2.4垂直截面#6(y/D = -0.20), CA = 210o ~ 360o ATDC44 5.2.5垂直截面#2(y/D = -0.40), CA = 0o ~ 180o ATDC45 5.2.6垂直截面#2(y/D = -0.40), CA = 210o ~ 360o ATDC45 5.3容積效率及缸內溫度與壓力分析46 5.3.1容積效率46 5.3.2缸內平均壓力與溫度46 5.3.3紊流動能47 5.4滾轉比分析47 5.4.1隨CA變化的截面平均渦度滾轉比 (TCA)48 5.4.2截面平均循環渦度滾轉比 (¯("T" _"CA" ))55 5.4.3隨CA變化的體平均渦度滾轉比 (Tv,CA)56 5.5兩種量化模式趨勢比較56 5.6量化模式與CONVERGE算法比較57 5.7計算結果之比較與討論57 5.7.1容積效率57 5.7.2循環紊流動能57 5.7.3體平均循環渦度滾轉比57 5.8討論58 第六章 修改燃燒室穹頂幾何參數Rr與θ之滾轉運動計算結果59 6.1b4模型冷流場計算59 6.1.1垂直截面#10(y/D = 0), CA = 0o ~ 180o ATDC59 6.1.2垂直截面#10(y/D = 0), CA = 210o ~ 360o ATDC60 6.1.3垂直截面#6(y/D = -0.20), CA = 0o ~ 180o ATDC61 6.1.4垂直截面#6(y/D = -0.20), CA = 210o ~ 360o ATDC62 6.1.5垂直截面#2(y/D = -0.40), CA = 0o ~ 180o ATDC63 6.1.6垂直截面#2(y/D = -0.40), CA = 210o ~ 360o ATDC63 6.2b7模型冷流場計算64 6.2.1垂直截面#10(y/D = 0), CA = 0o ~ 180o ATDC64 6.2.2垂直截面#10(y/D = 0), CA = 210o ~ 360o ATDC65 6.2.3垂直截面#6(y/D = -0.20), CA = 0o ~ 180o ATDC66 6.2.4垂直截面#6(y/D = -0.20), CA = 210o ~ 360o ATDC67 6.2.5垂直截面#2(y/D = -0.40), CA = 0o ~ 180o ATDC67 6.2.6垂直截面#2(y/D = -0.40), CA = 210o ~ 360o ATDC68 6.3容積效率及缸內溫度與壓力分析68 6.3.1容積效率68 6.3.2缸內平均壓力與溫度69 6.3.3紊流動能70 6.4滾轉比分析70 6.4.1隨CA變化的截面平均渦度滾轉比 (TCA)70 6.4.2截面平均循環渦度滾轉比 (¯("T" _"CA" ))78 6.4.3隨CA變化的體平均渦度滾轉比 (Tv,CA)78 6.5兩種量化模式趨勢比較79 6.6量化模式與CONVERGE算法比較79 6.7計算結果之比較與討論79 6.7.1容積效率79 6.7.2循環紊流動能80 6.7.3體平均循環渦度滾轉比80 6.8討論80 第七章 原始穹頂改變活塞頂部幾何設計之滾轉運動計算結果81 7.1c1模型冷流場計算81 7.1.1垂直截面#10(y/D = 0), CA = 0o ~ 180o ATDC81 7.1.2垂直截面#10(y/D = 0), CA = 210o ~ 360o ATDC82 7.1.3垂直截面#6(y/D = -0.20), CA = 0o ~ 180o ATDC83 7.1.4垂直截面#6(y/D = -0.20), CA = 210o ~ 360o ATDC84 7.1.5垂直截面#2(y/D = -0.40), CA = 0o ~ 180o ATDC84 7.1.6垂直截面#2(y/D = -0.40), CA = 210o ~ 360o ATDC85 7.2容積效率及缸內溫度與壓力分析86 7.2.1容積效率86 7.2.2缸內平均壓力與溫度86 7.2.3紊流動能87 7.3滾轉比分析87 7.3.1隨CA變化的截面平均渦度滾轉比 (TCA)88 7.3.2截面平均循環渦度滾轉比 (¯("T" _"CA" ))94 7.3.3隨CA變化的體平均渦度滾轉比 (Tv,CA)95 7.4兩種量化模式趨勢比較95 7.5量化模式與CONVERGE算法比較95 7.6計算結果之比較與討論96 7.6.1容積效率96 7.6.2循環紊流動能96 7.6.3體平均循環渦度滾轉比96 7.7討論97 第八章 選定Rr並改變活塞頂部幾何設計之滾轉運動計算結果98 8.1d2模型冷流場計算98 8.1.1垂直截面#10(y/D = 0), CA = 0o ~ 180o ATDC98 8.1.2垂直截面#10(y/D = 0), CA = 210o ~ 360o ATDC99 8.1.3垂直截面#6(y/D = -0.20), CA = 0o ~ 180o ATDC100 8.1.4垂直截面#6(y/D = -0.20), CA = 210o ~ 360o ATDC101 8.1.5垂直截面#2(y/D = -0.40), CA = 0o ~ 180o ATDC101 8.1.6垂直截面#2(y/D = -0.40), CA = 210o ~ 360o ATDC102 8.2容積效率及缸內溫度與壓力分析102 8.2.1容積效率102 8.2.2缸內平均壓力與溫度103 8.2.3紊流動能104 8.3滾轉比分析104 8.3.1隨CA變化的截面平均渦度滾轉比 (TCA)104 8.3.2截面平均循環渦度滾轉比 (¯("T" _"CA" ))111 8.3.3隨CA變化的體平均渦度滾轉比 (Tv,CA)111 8.4兩種量化模式趨勢比較112 8.5量化模式與CONVERGE算法比較112 8.6計算結果之比較與討論112 8.6.1容積效率112 8.6.2循環紊流動能112 8.6.3體平均循環渦度滾轉比113 8.7討論113 第九章 結果與討論114 9.1結論114 9.2建議115 參考文獻116

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    無法下載圖示 全文公開日期 2022/06/21 (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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