臺灣博碩士論文加值系統

本研究針對一部單缸二閥四行程115 c.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，對歧管噴油無燃燒之缸內流場進行計算模擬，並計算油氣濃度分佈、平均燃油粒徑、進氣閥平均油膜質量、滾轉比與燃油蒸氣率。不同汽門開度及轉速會使缸內油氣分佈型態隨著曲軸角度改變。考慮(1)缸內油氣濃度分佈、(2)點火時(壓縮上死點前15°)缸內油汽濃度分佈、(3)隨曲軸角度變化以及循環平均的缸內空間油氣濃度分佈變異值、(4)隨曲軸角度變化的缸內空間平均燃油粒徑、(5)點火時缸內空燃比、(6)點火時缸內火星塞附近空燃比、(7)體平均循環渦度滾轉比做為判斷油氣油氣混合良窳的主要物理參數。固定引擎轉速為5500 RPM，更改噴油嘴位置與噴油嘴角度時，探討以上7種主要物理參數的改變，綜合比較參數之間的相關性，判斷較佳的噴油嘴位置與噴油方向。更改的噴油嘴位置與方向包括：(a)將噴油嘴固定在原廠引擎於歧管的裝設位置 [(絕對座標 (X, Y, Z) = (84.762 mm, 0, 43.645 mm)；在Y = 0平面上，從進氣閥裙部靠近火星塞的位置至噴油嘴位置沿歧管的弧長為91.3 mm；軸向傾斜角20o、橫向傾斜角0o )]，改變噴油嘴插入歧管深度、噴油嘴的軸向傾斜角度；(b)改變噴油嘴裝設在歧管的軸向位置，在改變後的軸向位置變化軸向傾斜角；(c)改變噴油嘴裝設在歧管的橫向位置，在改變後的橫向位置變化橫向傾斜角。本研究結果發現：(I)更改噴油嘴位置與角度，使與原廠引擎的安裝參數不同時，並不影響前述第(5)項參數缸內整體的空燃比；(II)在原廠噴油嘴裝設的位置與角度附近，改變噴油至某些特殊的位置與角度(在本研究的案例中共有8個組合)，可以使點火時火星塞附近的空燃比變得稍濃且缸內其他位置的空燃比分佈並未劣化且缸內體平均循環滾轉比不會劣化或者會增強，可能有助於燃燒點火、火焰傳遞、燃燒產物等等特性的增進；(III)除了第(II)所述的某些位置與角度之外，在已調校好的原廠引擎噴油嘴位置與角度附近改變噴油嘴的安裝位置與角度(在原廠引擎安裝位置，噴油嘴插入歧管的深度改變在7 mm範圍內、軸向傾斜角改變在+7° ~ -17°範圍內、橫向傾斜角改變在4°範圍內；軸向位置改變+16 ~ -19 mm)，使得前述(1)~(4)以及(6)~(7)項參數的分佈以及數值改變頗為明顯，所以可能會影響引擎燃燒時缸內的點火、火焰傳遞、燃燒產物等等特性。原廠引擎已經過調校並經過整體性能測試，證實目前噴油嘴位置與角度是安裝在洽當的位置。因此，若要設計新引擎時，可先參考原廠引擎，已經調校好的噴油嘴位置與角度，再以CFD計算改變噴油嘴位置與角度時以上7項參數的變化，據以判斷噴油嘴位置與角度的恰當性。

The in-cylinder flow characteristics of a single-cylinder, two-stroke motorcycle engine, which would affetct the mixing and combustion performance were studied. A commercial engine with displancement of 115 c.c. was used as the benckmark which was hereafter called the “original engine”. The computational fluid dynamic software CONVERGE was used to calculate fuel distributions, fuel distribution at ignition, concentration variation, air-fuel ratio at ignition, air-fuel ratio near the spark plug at ignition and tumble ratio as main physical parameters by optimizing the injector position and injector angle. Fixed engine injection parameters (total fuel mass, starting injection crack angle and end injection crack angle), and change the position and angle of injector, discuss the changes of the above 7 main physical parameters. The results show that: (I) changing the position and angle of the injector so that it doesn’t affect the overall air-fuel air ratio in the cylinder. (II) Changing the injector to some special position and angle (There are 10 combinations in the case of this study), the air fuel ratio near the spark plug at ignition can be optimized and the air-fuel distribution at other positions in the cylinder is not deteriorated and the tumble ratio is not deteriorated or enhanced. This may contribute to the improvement of the combustion ignition, flame transfer, combustion producets, etc. (III) Except some of the position and angles described in (II), change the injector position and angle make the aforementioned parameters change obviously, so it may affect the combustion ignition, flame transfer, combustion producets, etc. The original engine has been tuned and tested for overall performance, confirming that the injector position and angle are good. Therefore, it can refer to the original engine, and according to above 7 main physical parameters adjust injector position and angle when designing a new engine.

摘要 i
Abstract iii
誌謝 iv
目錄 v
符號索引 x
表圖索引 xiii
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
2.2.1 引擎規格 10
2.2.2 噴油嘴規格 10
第三章 計算方法 12
3.1 計算流力軟體簡介 12
3.2 統御方程式 13
3.2.1 紊流模式 15
3.2.2 液滴與壁面交互作用模型 18
3.3 數值模擬 19
3.3.1 計算網格 19
3.3.2 邊界條件 20
3.3.3 初始條件 21
3.3.4 離散化方程式 22
3.3.5 PISO解法理論 24
3.3.6 網格獨立性 29
3.3.7 收斂標準 29
第四章 分析參數定義 31
4.1 物理參數 31
4.1.1 容積效率 (ηv) 31
4.1.2 滾轉比 (tumble ratio) 31
4.1.3 紊流動能 (TKE, Turbulence kinetic energy) 35
4.1.4 缸內燃油液滴平均粒徑(SMD) 35
4.1.5 空燃比 37
4.1.6 截面濃度變異值 38
4.1.7 蒸氣率 39
4.2 量化模式 39
4.2.1 體積分率權重 (weighted by are factor) 40
第五章 原廠引擎之冷流場與噴油計算結果 41
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 41
5.1.1 缸內瞬時平均壓力 41
5.1.2 缸內瞬時平均溫度 41
5.1.3 缸內氣體淨質量 42
5.1.4 容積效率 (ηv) 42
5.2 紊流動能(TKE) 42
5.2.1 紊流動能 (TKE) 42
5.2.2 循環紊流動能 (TKE) 42
5.3 滾轉比分析 43
5.3.1 隨CA變化的體平均渦度滾轉比 (TV, CA) 43
5.3.2 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 44
5.4 噴油特性分析 44
5.4.1 缸內油氣濃度隨曲軸角變化 44
5.4.2 點火時的缸內油氣濃度 44
5.4.3 點火時的缸內各區域的濃度變異值與空燃比 46
5.4.4 缸內整體濃度變異值變化 46
5.4.5 缸內燃油平均粒徑(SMD)隨曲軸角變化 46
5.4.6 缸內燃油蒸氣率隨曲軸角變化 47
5.4.7 殘留於進氣閥上的燃油油膜質量 47
5.4.8 缸內整體與火星塞附近空燃比 48
5.5 討論 49
第六章 更噴油嘴位置與噴油嘴向量之噴油冷流場計算結果 50
6.1 更改噴油嘴位置：噴油嘴插入歧管深度 50
6.1.1 幾何參數 50
6.1.2 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 50
6.1.3 點火時油氣濃度分佈 50
6.1.4 缸內整體濃度變異變化 51
6.1.5 缸內燃油平均粒徑(SMD)隨曲軸角變化 52
6.1.6 缸內燃油蒸氣率隨曲軸角變化 52
6.1.7 殘留於進氣閥上的燃油油膜質量 52
6.1.8 缸內整體與火星塞附近空燃比 53
6.1.9 討論 54
6.2 更改噴油嘴位置：噴油嘴在軸向的傾斜角度 54
6.2.1 幾何參數 54
6.2.2 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 55
6.2.3 點火時油氣濃度分佈 55
6.2.4 缸內整體濃度變異變化 56
6.2.5 缸內燃油平均粒徑(SMD)隨曲軸角變化 57
6.2.6 缸內燃油蒸氣率隨曲軸角變化 57
6.2.7 殘留於進氣閥上的燃油油膜質量 57
6.2.8 缸內整體與火星塞附近空燃比 58
6.2.9 討論 59
6.3 更改噴油嘴位置：噴油嘴在橫向的傾斜角度 59
6.3.1 幾何參數 59
6.3.2 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 59
6.3.3 點火時油氣濃度分佈 59
6.3.4 缸內整體濃度變異變化 60
6.3.5 缸內燃油平均粒徑(SMD)隨曲軸角變化 61
6.3.6 缸內燃油蒸氣率隨曲軸角變化 61
6.3.7 殘留於進氣閥上的燃油油膜質量 61
6.3.8 缸內整體與火星塞附近空燃比 62
6.3.9 討論 63
6.4 更改噴油嘴位置：改變噴油嘴裝設在歧管的軸向位置，在改變後的軸向位置變化軸向傾斜角 63
6.4.1 幾何參數 63
6.4.2 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 63
6.4.3 點火時油氣濃度分佈 64
6.4.4 缸內整體濃度變異變化 65
6.4.5 缸內燃油平均粒徑(SMD)隨曲軸角變化 65
6.4.6 缸內燃油蒸氣率隨曲軸角變化 66
6.4.7 殘留於進氣閥上的燃油油膜質量 66
6.4.8 缸內整體與火星塞附近空燃比 67
6.4.9 討論 68
6.5 更改噴油嘴位置：改變噴油嘴裝設在歧管的軸向位置與角度 68
6.5.1 幾何參數 68
6.5.2 體平均循環渦度滾轉比 (Tv,CA) 69
6.5.3 點火時油氣濃度分佈 70
6.5.4 缸內整體濃度變異變化 74
6.5.5 缸內燃油平均粒徑(SMD)隨曲軸角變化 75
6.5.6 缸內燃油蒸氣率隨曲軸角變化 75
6.5.7 殘留於進氣閥上的燃油油膜質量 76
6.5.8 缸內整體與火星塞附近空燃比 77
6.5.9 討論 79
第七章 結論與建議 80
7.1 結論 80
參考文獻 83

[1] Mayer, H., “Air Pollution in Cities,” Atmospheric Environment, Vol. 33, October 1999, pp. 4029-4036.
[2] Heywood, J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1988.
[3] Heywood, J. B., “Fluid Motion within the Cylinder of Internal Combustion Engines”－The 1986 Freeman Scholar Lecture, Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, Vol. 109, No. 1, 1987, pp. 3-35.
[4] Tennekes, H., and Lumley, J. L., A First Course in Turbulence, MIT Press, London, 1972.
[5] Wilson, N. D., Watkins, A. J., and Dopson, C., “Asymmetric Valve Strategies and Their Effect on Combustion,” Journal of Engines, Vol. 102, 1993, pp. 1081-1092. Also in SAE Transactions SAE 930821.
[6] Kent, J. C., Mikulec, A., Rimal, L., Adamczyk, A. A., Mueller, S. R., Stein, R. A., and Warren, C. C., “Observations on the Effects of Intake-Generated Swirl and Tumble on Combustion Duration,” Journal of Engines, Vol. 98, 1989, pp. 2042-203. Also in SAE Transactions SAE 892096.
[7] Endres, H., Neuber, H.-J, and Wurms, R., “Influence of Swirl and Tumble on Economy and Emissions of Multi Valve SI Engines,” Journal of Engines, Vol. 101, 1992, pp. 942-953. Also in SAE Transactions SAE 920516.
[8] Omorl, S., Iwachido, K., Motomochi, M., and Hirako, O.,“Effect of Intake Port Flow Pattern on the In-Cylinder Tumbling Air Flow in Multi-Valve SI Engines,” Journal of Engines, Vol. 100, 1991, pp. 729-740. Also in SAE Transactions SAE 910477.
[9] Ekchian, A., and Hoult, D. P., “Flow Visualization Study of the Intake Process of an Internal Combustion Engine,” Journal of Engines, Vol. 88, 1979, pp. 383-400. Also in SAE Transactions SAE 790095.
[10] Rask, R. B., “Laser Doppler Anemometer Measurements in an Internal Combustion Engine,” Journal of Engines, Vol. 88, 1979, pp. 371-382. Also in SAE Transactions SAE 790094.
[11] Gharakhani, A., and Ghoniem, A. F., “3D Vortex Simulation of Intake Flow in a Port-Cylinder with a Valve Seat and a Moving Piston,” Journal of Engines, Vol. 105, 1996, pp. 1627-1639. Also in SAE Transactions SAE 9961195.
[12] Richter, M., Axelsson, B., Aldén, M., Josefsson, G., Carlsson, L-O., Dahlberg, M., Nisbet, J., and Simonsen, H. “Investigation of the Fuel Distribution and the In-cylinder Flow Field in a Stratified Charge Engine Using Laser Techniques and Comparison with CFD-Modelling,” Journal of Fuels and Lubricants, Vol. 108, 1999, pp. 1652-1663. Also in SAE Transactions SAE 1999-01-3540.
[13] Zolver, M., Klahr, D., and Torres, A., “An Unstructured Parallel Solver for Engine Intake and Combustion Stroke Simulation,” Journal of Engines, Vol. 111, 2002, pp. 1919-1929. Also in SAE Transactions SAE 2002-01-1120.
[14] Versteeg, H.K. and Malalasekera, W., An Introduction to Computational Fluid Dynamic-The FiniteVolume Method, Addison Wesley Longman Limited, New York, 1995.
[15] Kihyung, L., Choongsik, B., and Kernyong, K., “The Effects of Tumble and Swirl Flows on Flame Propagation in a Four-Valve S.I. Engine,” Applied Thermal Engineering, Vol. 27, 2007, pp. 2122-2130.
[16] Surenda, G., Klunal, A., Vamshi, K., and Cho, S., “Steady and Transient CFD Approach for Port Optimization,” Journal of Engines. Also in SAE Transactions SAE 2008-01-1430.
[17] Rakopoulos, C., Kosmadakis, G., and Pariotis, E., “Investigation of Piston Bowl Geometry and Speed Effects in a Motored HSDI Diesel Engine Using a CFD Against a Quasi-Dimensional Model,” Energy Conversion and Management, Vol. 51, 2010, pp. 470-484.
[18] 張小燕：「一款汽油機的性能提升研究」，CDAJ-China中國用戶論文集，長安汽車工程研究院，重慶，四川，中國，2004。
[19] 林冠旭：「增強內燃機缸內氣流滾轉運動的方法與診測：計算模擬與PIV實驗量測」，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，2006。
[20] 林聖諺：「以計算模擬與 PIV量測方法探討二閥引擎的缸內流場」，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，2015。
[21] 陳威元：「引擎球形燃燒室幾何形狀最適化研究」，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，2016。
[22] 許世勳：「歧管噴由引擎的缸內PIV動態量測與計算分析」，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，2016。
[23] 王品翰：「機車單缸引擎燃燒室最適化設計」，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，2017。
[24] 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。