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研究生:盛國彰
研究生(外文):Kuo-chang Sheng
論文名稱:內燃機缸內氣流滾轉運動最佳化技術
論文名稱(外文):Optimizing Tumble Motion in Cylinder of an Internal Combustion Engine
指導教授:黃榮芳黃榮芳引用關係
指導教授(外文):R.F. Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:256
中文關鍵詞:滾轉運動
外文關鍵詞:Tumble motion
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內燃機氣缸內的燃燒特性是決定引擎性能與污染排放的重要參數。因此工業上常利用增強缸內氣流滾轉運動的技術,製造恰當的燃燒條件,增強氣缸內的燃燒,以達成上述之目的。本研究利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)商用軟體STAR-CD與引擎專家軟體es-ice,針對一部四閥單缸四行程250 c.c.引擎,在進氣與壓縮行程期間,探討及分析缸內氣流在改變進氣閥入射角及活塞頭幾何設計時,繞著缸徑軸上滾轉(tumble)運動的變化。因進氣閥的入射角是影響汽缸內滾轉強度的最主要參數,所以本研究發展出一套系統性的方法,可以簡便尋找達成最大滾轉比的進氣閥入射角最佳化程序。藉由截面渦度滾轉比、面平均渦度滾轉比及體平均滾轉比等量化指標,定量分析流場結構以尋求此兩種設計參數之最佳化設計。計算結果顯示,當入射角設計在21度時,截面渦度滾轉比、面平均渦度滾轉比及體平均滾轉比相較於其它射角都會達到最高值;表示當射角在21度時,氣缸內的滾轉強度最強,有助於空氣與燃料均勻混合,並可達到最佳之燃燒。活塞頭幾何變化的計算結果顯示,當凹面太淺時,不利於滾轉比的提升。活塞頭的下凹必須深達一個程度以後,才可能顯現效果,且凹面活塞頭的體平均滾轉比並不因壓縮比下降而降低,此點與過去的實驗結果相吻合。
The flow patterns inside the cylinder dominates the overall combustion performance of an internal combustion engine. Tumble motion plays a significant role during induction and compression stroke. This study employed computational fluid dynamics (CFD) technique to unveil the effect of inlet valve angle and piston crown on the flow characteristics. The conceptual physical model is a 0.25 L, 4-stroke direct injection engine running at wide open throttle condition. The computations were carried out by the fluid dynamic code STAR-CD where the ensemble averaged conservation equations for mass, momentum, and energy were used. The transient conditions were treated with the turbulence k-ε model and the moving grid were generated by using es-ice software. Quantified strengths of the rotating motions in axial planes were presented by dimensionless tumble ratios. The quantitative results of the cycle-averaged tumble number yielded a correlation between inlet valve angle and strong tumble during induction and compression stroke. Pistons with flat and concave crowns were used for comparison of the tumble adjustment. The deeper concave piston head induced large tumble flow than flat head. The results obtained from the numerical analysis could be used as an efficient design tool to produce an optimum engine configurations of induction angle and piston crown shape.
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 7
第二章 計算模擬之模型與方法 8
2.1 標的引擎 8
2.1.1 引擎規格 8
2.1.2 活塞頭型式 8
2.2 計算流力軟體簡介 9
2.3 統御方程式與紊流模型 11
2.4 數值方法 15
2.4.1 離散化方程式 15
2.4.2 PISO解法理論 17
2.4.3 收斂標準 23
2.5 數值模擬 24
2.5.1 計算網格 24
2.5.2 邊界條件 25
2.5.3 初始條件 26
2.5.4 網格獨立性 26
2.5.5 取像相位與座標定義 27
2.5.6 物理參數定義 27
2.5.7 體平均滾轉比量化模式定義 29
第三章 進氣閥入射角Tumble motion衍化計算結果 31
3.1 進氣閥18o之缸內氣流衍化過程 31
3.1.1 計算截面於前視方向對稱面上 31
3.1.2 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = 15.5 mm) 33
3.1.3 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = - 15.5 mm) 35
3.2 進氣閥19o之缸內氣流衍化過程 36
3.2.1 計算截面於前視方向對稱面上 36
3.2.2 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = 15.5 mm) 38
3.2.3 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = - 15.5 mm) 40
3.3 進氣閥20o之缸內氣流衍化過程 41
3.3.1 計算截面於前視方向對稱面上 41
3.3.2 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = 15.5 mm) 43
3.3.3 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = - 15.5 mm) 44
3.4 進氣閥21o之缸內氣流衍化過程 46
3.4.1 計算截面於前視方向對稱面上 46
3.4.2 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = 15.5 mm) 48
3.4.3 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = - 15.5 mm) 49
3.5 進氣閥22o之缸內氣流衍化過程 51
3.5.1 計算截面於前視方向對稱面上 51
3.5.2 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = 15.5 mm) 53
3.5.3 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = - 15.5 mm) 54
3.6 進氣閥23o之缸內氣流衍化過程 56
3.6.1 計算截面於前視方向對稱面上 56
3.6.2 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = 15.5 mm) 58
3.6.3 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = - 15.5 mm) 59
3.7 進氣閥24o之缸內氣流衍化過程 61
3.7.1 計算截面於前視方向對稱面上 61
3.7.2 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = 15.5 mm) 62
3.7.3 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = - 15.5 mm) 64
3.8 相異進氣閥入射角量化分析 65
3.8.1 進氣岐管質量流率 65
3.8.2 容積效率 66
3.8.3 缸內平均壓力和溫度 66
3.9 相異進氣閥入射角對於缸內滾轉運動量化分析 66
3.9.1 正面對稱面(z = 0 mm)之截面渦度滾轉比 67
3.9.2 正面非對稱面(z = 7.75 mm)之截面渦度滾轉比 67
3.9.3 正面非對稱面(z = - 7.75 mm)之截面渦度滾轉比 68
3.9.4 正面非對稱面(z = 15.5 mm)之截面渦度滾轉比 68
3.9.5 正面非對稱面(z = - 155 mm)之截面渦度滾轉比 68
3.9.6 正面非對稱面(z = 23.41 mm)之截面渦度滾轉比 69
3.9.7 正面非對稱面(z = - 23.41 mm)之截面渦度滾轉比 69
3.9.8 正面非對稱面(z = 31.47 mm)之截面渦度滾轉比 69
3.9.9 正面非對稱面(z = - 31.47 mm)之截面渦度滾轉比 70
3.9.10 相異進氣閥入射角各截面渦度滾轉比之平均值 70
3.9.11 採用算術平均方法對於體平均滾轉比之影響 71
3.9.12 採用體積分率方法對於體平均滾轉比之影響 71
3.9.13 比較不同量化模式對於體平均滾轉比的結果 71
第四章 凹面活塞頭Tumble motion衍化計算結果 72
4.1深盤狀無補體積的凹面活塞頭之壓縮比為9.15,缸內氣流衍化過程 72
4.1.1 計算截面於前視方向對稱面上 72
4.1.2 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = 15.5 mm) 74
4.1.3 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = - 15.5 mm) 75
4.2淺盤狀無補體積的凹面活塞頭之壓縮比為9.51,缸內氣流衍化過程 77
4.2.1 計算截面於前視方向對稱面上 77
4.2.2 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = 15.5 mm) 79
4.2.3 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = - 15.5 mm) 80
4.3淺盤狀有補體積的凹面活塞頭之壓縮比為10.5,缸內氣流衍化過程 82
4.3.1 計算截面於前視方向對稱面上 82
4.3.2 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = 15.5 mm) 84
4.3.3 計算截面於前視方向非對稱面位移(z = - 15.5 mm) 85
4.4 相異凹面活塞頭量化分析 87
4.4.1 進氣岐管質量流率 87
4.4.2 容積效率 87
4.4.3 缸內平均壓力和溫度 88
4.5 相異凹面活塞頭對於缸內滾轉運動量化分析 88
4.5.1 正面對稱面(z = 0 mm)之截面渦度滾轉比 88
4.5.2 正面非對稱面(z = 7.75 mm)之截面渦度滾轉比 89
4.5.3 正面非對稱面(z = - 7.75 mm)之截面渦度滾轉比 89
4.5.4 正面非對稱面(z = 15.5 mm)之截面渦度滾轉比 90
4.5.5 正面非對稱面(z = - 155 mm)之截面渦度滾轉比 90
4.5.6 正面非對稱面(z = 23.41 mm)之截面渦度滾轉比 90
4.5.7 正面非對稱面(z = - 23.41 mm)之截面渦度滾轉比 91
4.5.8 正面非對稱面(z = 31.47 mm)之截面渦度滾轉比 91
4.5.9 正面非對稱面(z = - 31.47 mm)之截面渦度滾轉比 92
4.5.10 相異凹面活塞頭各截面渦度滾轉比之平均值 92
4.5.11 採用算術平均方法對於體平均滾轉比之影響 93
4.5.12 採用體積分率方法對於體平均滾轉比之影響 93
4.5.13 比較不同量化模式對於體平均滾轉比的結果 94
第五章 結論與建議 95
5.1 結論 95
5.1.1 進氣閥入射角對於缸內滾轉運動影響 95
5.1.2 凹面活塞頭設計對於缸內滾轉運動影響 96
5.2 建議 96
參考文獻 98
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