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研究生: 林承佑
CHENG-YOU LIN
論文名稱: 引擎燃燒熱釋放率之即時估測研究
Real-time Estimation of Heat Release Rate in Internal Combustion Engines
指導教授: 姜嘉瑞
Chia-Jui Chiang
口試委員: 吳浴沂
Yuh-Yih Wu
蘇裕軒
Yu-Hsuan Su
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: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 96
中文關鍵詞: 燃燒熱釋放燃燒時間點汽缸壓力峰值
外文關鍵詞: Heat Release, Combustion Timing, Cylinder Peak Pressure
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對於一個內燃引擎來說, 燃燒熱釋放過程為影響引擎整體效能很關鍵的因素。由於
內燃機引擎的燃燒熱釋放過程, 無法直接由目前即有之車用感測裝置得知, 因此希望透
過汽缸壓力的量測及燃燒熱釋放率(Heat release rate) 之計算來得知汽缸內燃燒的情
形, 包含燃燒時間點。在本論文中, 主要利用Matlab-Simulink 來建立引擎燃燒熱釋放
模型, 以xPC-Target 控制介面環境來完成燃燒熱釋放、燃燒時間點、平均有效壓力與
汽缸壓力峰值的即時計算, 以作為日後燃燒分析或引擎回授控制之用。

本論文主要分成模擬和實驗兩部份, 模擬部份主要以一均質進氣壓燃引擎(Homogeneous
Charge Compression Ignition, HCCI) 模型來模擬, 將模型中的汽缸壓力訊號與曲軸轉角訊號當作燃燒熱釋放模型的輸入, 來計算引擎燃燒熱釋放。此外利用改變進氣溫度、閥門關閉時間和燃油噴油噴射量, 來分析對汽缸壓力峰值、燃燒熱釋放和燃燒時間點的變化。為評估實際引擎中雜訊干擾的影響, 我們在模型中加入雜訊與濾波器來計算燃燒熱釋放。發現加入濾波器後, 汽缸壓力的相位會落後, 因此進行相位補償以確認燃燒熱釋放計算的準確。實驗部份主要以四行程150c.c. 機車引擎來做實驗, 包含汽缸壓力訊號濾波、行程判斷與曲軸角度轉換。將燃燒熱釋放模型以xPC-Target 來完成即時計算和資料儲存, 透過實際引擎的汽缸壓力訊號和曲軸角度訊號來計算燃燒熱釋放、燃燒時間點、汽缸壓力峰值與平均有效壓力等。


The heat release process and combustion timing, which are not available in
commercial vehicles, are crucial to the efficiency of internal combustion engines.
Using MATLAB xPC-Target toolbox, real-time estimation of the heat release
rate and combustion timing is achieved by a heat release model and measurement
of cylinder pressure and crank angle. The estimated information also includes
indicated mean effective pressure (IMEP) and peak pressure which can be used
for combustion analysis and control development. Simulation and experiment are
conducted to examine the performance of the real-time estimator.
Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engine model, which includes
18 states, is employed in the simulation study. The performance of the
estimator is evaluated during changes of intake air temperature, intake valve closing
(IVC) timing and the amount of fuel injected. The effect of measurement noise
and filter is also evaluated and a phase-compensation strategy id developed for the
filter. In the experiment, a four stroke 150 C.C. motorcycle engine is used to assess
the performance of the estimator in real-time applications. By integrating
the heat release model and fast measurement of cylinder pressure and crank angle
in the xPC-Target environment, the cylinder peak pressure, heat release rate and
combustion timing are achieved in real-time.

摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II 誌謝 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . III 目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV 圖目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .VII 表目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . X 1 緒論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 背景介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 文獻探討. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 研究目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 論文架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 8 2 實驗設備軟硬體配置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 10 2.1 實驗設備硬體. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 10 2.1.1 實驗引擎. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2 進氣加熱系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 12 2.1.3 進排氣壓力量測器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 13 2.1.4 進排氣溫度量測系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 14 2.1.5 進氣流量感器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .15 2.1.6 燃料流量計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.7 引擎馬力試驗機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.8 燃燒分析系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 19 2.2 實驗設備軟體. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 24 2.2.1 MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 24 2.2.2 Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 25 2.2.3 xPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 25 3 模型組成與演算法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .28 3.1 汽缸體積模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2 燃燒熱釋放模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3 平均有效壓力計算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.4 訊號濾波模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.5 行程判斷. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.6 燃燒時間點估算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.7 汽缸壓力峰值計算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4 模擬與實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.1 模擬結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.1.1 模擬操作點之選擇. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.1.2 改變進氣溫度的影響. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.1.3 改變進氣門關閉時間的影響. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.1.4 改變燃油步階對燃燒時間點與汽缸壓力峰值的影響. . . . . . . . . . . . . 51 4.1.5 汽缸壓力量測雜訊及濾波相位補償. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.2 實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.2.1 實驗操作條件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.2.2 進排氣溫度與溼度量測. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 61 4.2.3 引擎進氣流量量測. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 62 4.2.4 引擎進排氣壓力量測. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.5 汽缸壓力訊號濾波與相位補償. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 65 4.2.6 引擎汽缸壓力和汽缸體積. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.2.7 比熱比γ 估算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.2.8 引擎燃燒熱釋放與燃燒時間點. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.2.9 引擎汽缸壓力峰值. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.10 平均有效壓力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5 結論與未來展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2 未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 附錄A (符號定義) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 附錄B (電壓轉換物理量表) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79 參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

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無法下載圖示 全文公開日期 2013/07/29 (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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