臺灣博碩士論文加值系統

引擎性能的提升可由許多不同的設計及控制方法來達成，而利用進排氣行程時，汽門正時與升程之控制，則可提高引擎容積效率及性能。為了瞭解汽門正時與升程之改變對引擎各項性能之影響，傳統實驗方法必須做許多不同汽門角度與升程的實驗，不但耗費時間與成本，所能研究的範圍亦有限，無法獲致足夠的結果正確性與代表性。本研究使用電腦模擬方法來進行汽門正時與升程影響之研究，在本研究中建立了引擎可變汽門正時與升程的引擎動態模擬系統軟體，用來分析在各種不同進排汽門正時及不同進排汽門升程條件下，引擎容積效率與性能的變化，並且透過此一動態模擬系統配合田口法來進行汽門正時控制之最佳化設計與分析。由研究結果顯示，在汽門早開角度之影響上，進汽門與排汽門的早開角度對引擎容積效率與性能的影響較小，但排汽門早開角度對扭力、馬力的影響較大；在汽門晚關角度之影響上，進汽門與排汽門的晚關角度對引擎容積效率與性能的影響較大；至於汽門升程的影響，以進汽門升程對引擎容積效率與性能的影響較大。由分析之結論可知在不同引擎轉速下，適當調整汽門正時與升程可提高引擎容積效率及各項性能值，而依照引擎不同之轉速下所建立之最佳汽門正時控制策略，將可以大大地改善引擎輸出的性能。

Engine performance can be improved by many different methods. Among these methods, electronic control of variable valve timing and lift is a good way to improve engine volumetric efficiency and performance. In such a method, optimization of valve timing decides how the performance can be improved. Conventionally, the optimization is achieved by experimental methods. Those methods analyze the effects of different valve timings and lifts on an SI engine to get a set of optimal performance. But those methods are limited, time consumed and costly. In this research, computer simulation that simulates a real dynamic SI engine is adopted to analyze the varieties of different valve timings and lifts on engine volumetric efficiency and performance. Then Taguchi method is used in this research to design an optimal set of valve timings and lifts. Results show that early openings of intake valve and outlet valve have no significant effects on engine volumetric efficiency and performance, but early opening of outlet valve changes engine torques and powers significantly. Late closings of valves have significant effects on all kinds of engine volumetric efficiency and performance. Lift of intake valve changes engine volumetric efficiency and performance significantly. It is obvious that appropriate adjustment of valve timings and lifts under different engine speeds will result in better engine volumetric efficiency and performance. Therefore, an engine control strategy that provides optimal setting of valve timing and lift under different engine speeds can significantly improve performance of an SI engine.

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 3
1.3 研究方法 4
1.4 文獻回顧 6
1.5 論文大綱 9
第二章 引擎動態模型建立 11
2.1 進氣行程與排氣行程模型 12
2.1.1 節流閥開啟面積計算數學式 13
2.1.2 通過節流閥與進排汽閥之氣體流率計算數學式 14
2.1.3 進排汽閥開啟面積與汽閥升程之數學式 16
2.1.4 氣體在進排氣中流動模型 19
2.1.5 進氣量與容積效率之計算數學式 23
2.1.6 氣體流動慣性力之進氣彌補量計算數學式 23
2.1.7 影響容積效率的其它因素 24
2.2 動力行程模型 25
2.2.1 混合氣已燃質量分數計算數學式 25
2.2.2 壓縮燃燒行程汽缸壓力計算數學式 27
2.2.3 曲軸扭力計算數學式 29
2.2.4 機械摩擦扭力計算數學式 32
2.2.5 引擎轉速計算數學式 33
2.3 性能計算模型 36
第三章 氣體流動慣性補償模型 39
3.1 歧管壓力、汽缸壓力、氣體流率、進氣量之分析 39
3.1.1 歧管壓力分析 40
3.1.2 汽缸壓力分析 42
3.1.3 氣體流率分析 45
3.1.4 進氣量分析 48
3.2 氣體慣性補償數學式 50
3.3 未補償與已補償之進氣系統模型比較 54
第四章 模擬結果與分析討論 59
4.1 改變汽門正時對引擎性能影響分析 59
4.1.1 改變進汽門開啟角度(IVO)分析 59
4.1.2 改變進汽門關閉角度(IVC)分析 63
4.1.3 改變排汽門開啟角度(EVO)分析 66
4.1.4 改變排汽門關閉角度(EVC)分析 70
4.2 改變汽門升程對引擎性能影響分析 73
4.2.1 改變IVLmax對容積效率分析 73
4.2.2 改變EVLmax對容積效率分析 75
4.2.3 同時改變IVLmax與EVLmax對引擎性能分析 77
4.3 改變排汽門正時與升程對排氣效率引影響分析 80
4.3.1 改變EVO對排氣效率影響分析 80
4.3.2 改變EVC對排氣效率影響分析 81
4.3.3 改變EVLmax對排氣效率影響分析 83
4.4 使用模擬分析方法找出理想容積效率與性能的汽門正時控制組合 85
第五章 田口法進行汽門正時之最佳化 93
5.1 田口法簡介 93
5.2 使用田口法進行汽門正時最佳化 94
5.2.1 直交表的選擇與因子水準的排列組合 95
5.2.2 直交表之模擬結果與S/N(dB)之計算分析 96
5.2.3 各轉速範圍因子效應分析與最佳汽門正時排列組合 104
5.2.4 最佳汽門正時角度確認分析 105
5.3 低、中、高及全轉速範圍之最佳汽門正時組合比較 108
5.4 汽門正時控制函數式之建立 109
第六章 結論與未來展望 115
參考文獻 117
符號彙整 123
作者簡介 129

書籍
[1]李宜達，控制系統設計與模擬，台北市：全華科技圖書公司，2000，第21-47頁，第71-82頁。
[2]鈦思科技股份有限公司，視覺化建模環境，台北市：鈦思科技股份有限公司，2001。
[3]Watson, N., and Janota, M. S. ,Turbocharging the Internal Combustion Engine, Wiley, New York 1982.
[4]Benson, R.S. in J. H. Horlock and D. E. Winterbone ,The Thermodynamics and Gas Dynamics of Internal Combustion Engines, vol. 1, Clarendon Press, Oxford, 1982.
[5]Ferguson Colin R., Internal Combustion Engines, New York Copyright by John Wiley & Sons,Inc.,1986, pp.105-113, pp.211-224.
[6]Heywood, J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, New York McGraw-Hill Book Company.,1988, pp.306-310, pp.390-402.
[7]Willard W. Pulkrabek., Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine, Australia Pty. Limited, Sydney by Prentice-Hall,Inc.,1997, pp.45-78.
[8]Winterbone D.E. and Pearson R., Design Techniques for Engine Manifolds, Warrendale, Pennsylvania, USA Society of Automotive Engineers, lnc.,1999, pp57-73,pp123-142,pp167-181.
期刊論文
[9]蘭真，“可變汽門正時引擎性能實驗設計最佳化分析”，中華民國第八屆燃燒科技應用研討會，1998。
[10]許友維，盧昭暉，“單缸二行程引擎性能模擬與量測”，中華民國第八屆燃燒科技應用研討會，1998。
[11]蕭耀榮、吳浴沂、許文賢，“可變汽門正時及升程對機車引擎容積效率影響”，中國機械工程學會第二十屆全國學術研討會，2003。
[12]張一屏、曾國華、吳建勳，“機車引擎汽門正時對性能影響之最佳化研究”, 中華民國第八屆車輛工程學術研討會，2003。
[13]蕭耀榮、吳浴沂、許文賢，“機車引擎即時控制模式中之進氣量補償模式之建立”，中華民國燃燒學會第十四屆學術研討會，2004。
[14]蕭耀榮、吳浴沂、許文賢，“機車引擎可變汽門正時及升程之最佳化研究”，中華民國燃燒學會第十四屆學術研討會，2004。
[15]Kastner, L. J.,Williams, T. J., and White, J. B. “Poppet Inlet Valve Characteristics and Their Influence on the Induction Process,” Proc. Instn Mech. Engrs, vol.178,pt.1,no.36,pp.955-978, 1963-1964.
[16]Woods, W.A., and Khan, S. R. “An Experimental Study of Flow through Poppet Valves,” Proc. Instn Mech. Engrs, vol.180,pt. 3N,pp.32-41,1965-1966.
[17]Janota, M. S., Hallam, A. J., Brock, E. K., and Dexter, S. G. “The Prediction of Diesel Engine Performance and Combustion Chamber Component Temperatures Using Digital Computers,” Proc. Instn Mech. Engrs,vol. 182, pt. 3L, pp.58-70, 1967-1968.
[18]Benson, J. D., and Stebar, R. F. “Effects of Charge Diluation on Nitric Oxide Emission from a Single-Cylinder Engine,” SAE paper 710008, SAE Trans., vol.80, 1971.
[19]Tabaczynski, R. J., Heywood, J. B., and Keck, J. C. “Time-Resolved Measurements of Hydrocarbon Mass Flow Rate in the Exhaust of a Spark-Ignition Engine,” SAE paper 720112, SAE Trans., vol. 81, 1972.
[20]Annand, W.J.D., and Roe, G.E. “Gas Flow in the Internal Combustion Engine,” Haessner Publishing, Newfoundland, N.J., 1974.
[21]Kay, I. W. “Manifold Fuel Film Effects in an SI Engine,” SAE paper 780944, 1978.
[22]Fukutani, I., and Watanabe, E. “An Analysis of the Volumetric Efficiency Characteristics of 4-Stroke Cycle Engines Using the Mean Inlet Mach Number Mim,” SAE paper 790484, SAE Trans., vol.88, 1979.
[23]Tabaczysnki, R. J. “Effects of Inlet and Exhaust System Design on Engine Performance,” SAE paper 821577. 1982.
[24]Chapman, M., Novak, J. M., and Stein, R. A. “Numerical Modeling of Inlet and Exhaust Flows in Multi-cylinder Internal Combustion Engines,” in flow in Internal Combustion Engines, ASME, New York Nov. 14-19, 1982.
[25]Asmus, T. W. “Valve Events and Engine Operation,” SAE paper 820749, SAE Trans., Vol. 91, 1982.
[26]Takizawa, M., Uno, T., Oue, T., and Yura, T. “A Study of Gas Exchange Process Simulation of an Automotive Multi-Cylinder Internal Combustion Engine,” SAE paper 820410, SAE Trans., vol. 91, 1982.
[27]Ohata, A., and Ishida, Y. “Dynamic Inlet Pressure and Volumetric Efficiency of Four Cycle Four Cylinder Engine,” SAE paper 820407, SAE Trans., vol.91 1982.
[28]Grohn, M. and K. Wolf, ”Variable Valve Timing in the new Four Valve Engines,” SAE paper 891990,1989.
[29]Maekawa, K. and N. Ohsawa, ”Development of a Valve Timing Control System,” SAE paper 890680,1989.
[30]Stone, R. and E. Kwan, ”Variable Valve Actuation Mechanisms and the Potential for their Application,” SAE paper 890673,1989.
[31]Yagi, S. et al., ”Estimate of Total Engine Loss and Engine Output in Four Stroke S.I. Engine, ”SAE paper 910347,1991.
[32]Higashi, H. and S. Murata, “Development of a New Multi-Mode Variable Valve Timing Engine,” SAE paper 930878,1993.
[33]Zhang and Assanis, “Manifold gas dynamics modeling and its coupling with single cylinder engine models using SIMULINK,”ASME, Vol. 28-1, 1997.
[34]Sher, E. and T. Bar-Kohany “Optimization of variable valve timing for maximizing performance of an unthrottled SI engine-a theoretical study,” J. of Energy, Vol.27, pp.757-775, 2002.
學位論文
[35]吳志偉，汽油引擎之調諧進排氣系統設計，碩士論文，國立清華大學動力機械研究所，新竹，1991。
[36]李維忠，單缸四行程引擎瞬時進氣流量之計算與量測，碩士論文，國立中興大學機械工程研究所，台中，2001。
[37]鄒源磊，使用Simulink/Matlab進行引擎進氣模擬，碩士論文，國立台北科技大學車輛工程系，台北，2002。　
[38]白國平，四行程引擎進排氣閥門開關角度之決定，碩士論文，私立大葉大學工業工程研究所，彰化，2003。
[39]李成禎，應用田口法實現感應電動機之參數量測與強健速度控制器設計，碩士論文，中正理工學院電子工程研究所，桃園，1999。
[40]郭耿東，田口方法應用於CNC車削模具鋼之最佳參數設計，碩士論文，國立 高雄第一科技大學機械與自動化工程研究所，高雄，2002。
[41]黃呈福，田口品質工程方法之控制系統參數調整，碩士論文，國立中正大學機械系碩士班，嘉義，2002。
[42]蘇安瑜，田口法在汽車零件製造最佳化參數設計之應用，碩士論文，國立雲林科技大學機械工程系碩士班，雲林，2000。
[43]Moskwa, J.J., ”Automotive Engine Modeling for Real Time Control,” Ph.D. dissertation, Massachusetts Institute of Technology, USA, pp.45-71, 1988.
網站
[44] http://www.honda-taiwan.com.tw/home.asp
[45] http://civicfans.impact-computer.com/apple.html