臺灣博碩士論文加值系統

本研究利用商業套裝計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟體STAR-CD，發展一套不需分析燃燒與排氣行程的方法，以尋找引擎缸內噴油的適當設計與操作參數。針對一四閥單缸四行程250c.c.引擎之兩類噴油嘴(扇頁式與多孔式)作分析，依據缸內噴油在homogeneous charge的模態，以最小的油滴粒徑與均勻的油氣濃度分佈做為準則，找出較佳之噴油嘴安裝位置與噴油角度。依據stratified charge的模態，透過油氣濃度集中現象來設計活塞頭形狀與火星塞安裝位置。以homogeneous charge的噴油時機作計算，改變不同的噴油嘴位置與噴油角度，判斷液滴大小與油氣濃度分佈，扇頁式噴嘴安裝在汽缸中央、噴油角度α=10°時，缸內燃油液滴平均粒徑(SMD)可達到最小且濃度分佈均勻；安裝在汽缸中央、噴油角度α=0°度的SMD次之且濃度分佈均勻；安裝在汽缸側邊、噴油角度α=-21°時的SMD很大且濃度分佈不平均。多孔式噴嘴安裝在汽缸中央、噴油角度α=10°時，缸內燃油液滴平均粒徑(SMD)可達到最小且濃度分佈均勻；安裝在汽缸中央、噴油角度α=0°的SMD次之；安裝在進氣閥側邊、噴油角度α=49°的SMD很大且濃度分佈不平均。將噴油嘴安裝在進氣閥側邊、噴油角度α=45°，透過stratified charge的油氣濃度集中現象來設計活塞頭形狀。結果顯示，活塞頭形狀設計為偏置的凹球狀弧(#3)且噴油時機CAinj=270°時，油氣濃度在汽缸頭中央最集中且靠近汽缸頂部，火星塞可以置於該區域。

CFD software (STAR-CD) was used to simulate the combustion mechanism of 4-strokes motorcycle engine. Fuel injection arrangements inside a cylinder during intake and compression strokes were studied through computer simulation. Fan-shaped and spray injector have been studied and air fuel mixture inside the engine cylinder has been analyzed in homogeneous and stratified charges. In homogenous charge, injector location and injection angle were varied to study droplet size and oil concentration distribution. In stratified charge, piston concave crown and spark plug location were determined based on oil concentration distribution. Sauter mean diameter (SMD) and uniform concentration techniques were used to compute droplet size formed by different injector locations and injection angles. When fan-shaped injector was placed at the the center of the cylinder, better uniform concentaration and smallest droplet size were found at 10 degrees injection angle. While the injector was placed at the center and 0 degree, uniform concentration was observed but droplet size was larger than that of 10 degrees. However for the case of injector placed near the rim of the cylinder and -21 degrees, both concentration distribution and droplet size were worst of the cases studied here. Similar results were obtained when spray injector was investigated. Piston concave crown model No. 3 showed better spark plug focus and provided concentrated droplet at the center of the cylinder head.

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
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 7
第二章 計算模擬之模型與方法 9
2.1 標的引擎 9
2.1.1 引擎規格 9
2.1.2 活塞頭型式 9
2.1.3 噴嘴型式 10
2.2 計算流力軟體簡介 10
2.3 統御方程式 12
2.3.1 紊流模式 13
2.3.2 液滴分裂模型 16
2.3.3 液滴與壁面交互作用模型 18
2.4 數值求解方法 19
2.4.1 離散化方程式 19
2.4.2 PISO解法理論 21
2.4.3 收斂標準 27
2.5 網格與條件 28
2.5.1 計算網格 28
2.5.2 邊界條件 29
2.5.3 初始條件 30
2.5.4 取像相位與座標定義 31
2.5.5 物理參數定義 31
2.5.5.1 缸內燃油液滴平均粒徑SMD 31
2.5.5.2 空燃比A/F 34
2.5.5.3 燃燒比? 35
2.5.5.4 空間分佈變異值Iy 35
第三章 缸內流場結構 37
3.1 扇頁式噴嘴速度與流線圖 37
3.1.1 Homogeneous injection 37
3.1.1.1 平面活塞頭之缸內流場結構與衍化過程 37
3.1.1.2 凹面活塞頭之缸內流場結構與衍化過程 38
3.1.2 Stratified injection 39
3.1.2.1 平面活塞頭之缸內流場結構與衍化過程 39
3.1.2.2 凹面活塞頭之缸內流場結構與衍化過程 39
3.2 多孔式噴嘴速度與流線圖 39
3.2.1 Homogeneous injection 39
3.2.1.1 平面活塞頭之缸內流場結構與衍化過程 39
3.2.1.2 凹面活塞頭之缸內流場結構與衍化過程 40
3.2.2 Stratified injection 41
3.2.2.1 平面活塞頭之缸內流場結構與衍化過程 41
3.2.2.2 凹面活塞頭之缸內流場結構與衍化過程 41
第四章 扇頁式噴嘴的缸內噴油－homogeneous injection 43
4.1 策略 43
4.2 燃油液滴缸內平均SMD變化 44
4.3 平面活塞頭的油氣濃度分佈 44
4.3.1 噴油嘴置於汽缸側邊(噴油角度? = - 21o)之油氣濃度 44
4.3.1.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 44
4.3.1.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 44
4.3.2 噴油嘴置於汽缸中央在不同噴油角度之油氣濃度 45
4.3.2.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 45
4.3.2.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 46
4.3.3 噴油嘴置於進氣閥側邊在不同噴油角度之油氣濃度 46
4.3.3.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 46
4.3.3.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 47
4.4 凹面與平面活塞頭之油氣濃度比較 48
4.4.1 噴油嘴置於汽缸中央(噴油角度? = 10o)之油氣濃度 48
4.4.1.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 48
4.4.1.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 48
4.4.2噴油嘴置於進氣閥側邊(噴油角度? = 45o)之油氣濃度 49
4.4.2.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 49
4.4.2.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 50
4.5 噴油嘴的位置、噴油角度與噴油時機 50
第五章 扇頁式噴嘴的缸內噴油－stratified injection 51
5.1 策略 51
5.2 平面活塞頭的油氣濃度分佈 51
5.2.1不同空燃比之油氣濃度 51
5.2.1.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 51
5.2.1.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 51
5.2.2 不同噴油時機之油氣濃度 52
5.2.2.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 52
5.2.2.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 52
5.3 凹面與平面活塞頭之油氣濃度比較 52
5.3.1 噴油嘴置於汽缸中央之油氣濃度 52
5.3.1.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 52
5.3.1.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 53
5.3.2 噴油嘴置於進氣閥側邊之油氣濃度 53
5.3.2.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 53
5.3.2.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 53
5.4 活塞頭設計與噴油時機 54
第六章 多孔式噴嘴的缸內噴油－homogeneous injection 55
6.1 策略 55
6.2 燃油液滴缸內平均SMD變化 55
6.3 平面活塞頭之油氣濃度 56
6.3.1 噴油嘴置於汽缸中央在不同噴油角度之油氣濃度 56
6.3.1.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 56
6.3.1.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 56
6.3.2 噴油嘴置於進氣閥側邊在不同噴油角度之油氣濃度 57
6.3.2.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 57
6.3.2.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 58
6.4 凹面活塞頭之油氣濃度比較 58
6.4.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 59
6.4.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 59
6.5 空間分佈變異值 60
第七章 多孔式噴嘴的缸內噴油－stratified injection 61
7.1策略 61
7.2 平面活塞頭的油氣濃度分佈 61
7.2.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 61
7.2.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 61
7.3 凹面活塞頭的油氣濃度分佈 62
7.3.1 #0凹面活塞頭在不同噴油時機之油氣濃度 62
7.3.1.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 62
7.3.1.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 62
7.3.2 #1凹面活塞頭在不同噴油時機之油氣濃度 62
7.3.2.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 62
7.3.2.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 62
7.3.3 #2凹面活塞頭在不同噴油時機之油氣濃度 63
7.3.3.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 63
7.3.3.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 63
7.3.4 #3凹面活塞頭在不同噴油時機之油氣濃度 63
7.3.4.1 正面對稱面(z = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 63
7.3.4.2 側面對稱面(x = 0)之油氣濃度分佈衍化過程 64
7.4 活塞頭凹面位置與噴油時機 64
第八章 結論與建議 65
8.1 結論 65
8.1.1 噴油嘴的安裝位置與噴油角度對於缸內油氣濃度與流場
影響 65
8.1.2 火星塞的安裝位置對於缸內油氣濃度影響 66
8.2 建議 66
參考文獻 68

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