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系統識別號 U0002-1901200912493300
中文論文名稱 機車引擎進排氣系統的實驗計畫分析及設計
英文論文名稱 Experimental Analysis and Design for Intake and Exhaust Air System in Small Engine
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 97
學期 1
出版年 98
研究生中文姓名 張庭豪
研究生英文姓名 Ting-Hao Chang
學號 695370311
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-01-07
論文頁數 253頁
口試委員 指導教授-史建中
委員-史建中
委員-葉啟南
委員-鄧作樑
中文關鍵字 引擎進排氣系統  實驗計畫與分析  最佳化設計 
英文關鍵字 Small engine  Intake and Exhaust pipeline  Design of experiment and analysis  Design optimization 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究應用實驗計畫,實驗分析與多目標最佳化方法,以提高四行程機車引擎的輸出扭力。近年來因地球暖化現象與替代能源開發不易的情況下,使得更注重節能減碳的研究。由文獻探討得知可經由進排氣管路系統的設計,提高引擎輸出扭力。所以本研究改善機車引擎進排氣管路系統設計,提高引擎輸出扭力,並降低油耗與污染物的排放量。經研究得知,機車在4000rpm至5500rpm的輸出扭力不足,影響加速性能,所以特別注重在此轉速區域的性能改善與提升。
本研究採用排氣量為125c.c的引擎原型機車為對象,以管路的長度與直徑為設計因子,採用3水準的實驗設計。經由實驗計畫與分析方法獲得扭力、燃油消耗量、CO與HC的反應方程式,利用多目標最最佳化方法,同時求解最大輸出扭力,最小燃油消耗量,最少的一氧化碳與碳氫化合物排放量,得到最佳的進氣管路設計。首先,改良原型車單管進氣系統的設計,設定扭力及燃油消耗量在不同轉速的權重比與4項性能的權重設計,能有效改善低轉速區域的輸出扭力之不足,也降低油耗及碳氫化合物。根據改良單管設計的基礎,進行二管模式的模擬可變容積進氣管路系統的實驗計畫分析與最佳設計,當扭力在5500rpm至6500rpm有較大的權重比與4項性能的權重設計,得到二支管的最佳管長,最佳管徑及最佳閥門切換轉速時間點,比改良的最佳化單管進氣系統增加全域扭力1.64%,同時降低一氧化碳與碳氫化合物排放量為1.92%與4.41%。再進一步研究三管模式的模擬可變容積進氣管路系統設計,得到三支管的最佳管長,最佳管徑與兩個最佳閥門切換轉速時間點,比改良最佳化單管進氣系統增加全域扭力2.6%,降低一氧化碳與碳氫化合物排放量分別為0.63%與6.87%,並繪製最佳進氣管長與管徑的管路設計配置圖。排氣管路系統以排氣管長度、直徑與擴管大小為實驗變數,經由實驗及研究得知實驗設計變數與引擎性能的關係及得到排氣管路之設計準則。
本研究能有效改善原型機車的性能,尤以三管模式可變容積進氣管路系統更加顯著提升機車加速性與全域輸出扭力,並降低油耗與碳氫化合物的排放。降低一氧化碳排放量並不顯著,可能需由引擎的燃燒或空氣燃料比的部份去研究改善。另外,三管模式的研發與製造成本較高,由此推論得知,二管模式不失為可行的最簡可變容積進氣管路。本研究亦得知排氣管的管長增加,可增加些許的輸出扭力。當管徑減小時,可減少些許碳的排放。排氣管的擴大效應能有效增大輸出扭力。本文以標準實驗計劃法,結合反應曲面式及最佳化的設計方法,能有效應用於機車引擎進排氣系統設計。
英文摘要 This thesis contains the design of experiments, experimental execution, analyses of experiments, and multi-objective design optimization that promotes the overall engine torque characteristics in a small type of 4-stroke engine. Particularly to promote the accelerating engine torque between 4000 to 5500 rpm, the primary target requires to redesign the intake air pipeline system and exhaust pipe line system. Moreover, in the current age, a common knowledge of saving energy and to maintain a clean and high level environmental quality is extremely urgent in developing the engine pipeline system used injection fuel system so that the high engine torque performance can be achieved.
A 125cc original motor bicycle is used for the study by applying the formal technique of experimental design and analysis to obtain the optimum output torque, fuel consumption, CO and HC compound of a small engine. The response surface functions of those four performances corresponding to the mechanical factors of pipeline are investigated. Such mathematical information is utilized for constructing four objectives design optimization so that the optimum sizes of intake pipeline can be obtained. Several cases studies under this investigation include the weighting method for four design objectives. Three primary stages with strategies are performed for the redesign to the pipeline. First of all, the redesign of the intake and exhaust air pipeline for an existing motor bicycle. The second important phase is to simulate the variable volume pipeline by a two-pipe model with a switch valve. The design variables are diameters of two pipe, two pipe lengths and the optimum speed of switch valve opening. This two-pipe model has a torque-drop phenomenon during the opening of switch valve. Therefore, a three-pipe model is proposed for the further study. In that case, eight design variables including three diameters, three lengths and two speeds of opening switch valves to maximize the engine torque, minimize the fuel consumption, and minimize pollutions, simultaneously.
This study proposed a workable design of experiment, analysis and optimization in a sequent process for improving the engine characteristics. A three-pipe model of simulating the variable volume of intake air system is the most recommended to enhancing the output torque, save energy and reduce the outcome pollution. The two-pipe model is usable due to its economic and simple structure.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 III
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1動機與目的 1
1.2研究背景 4
1.3研究方法與步驟 7
1.4本文架構 8
第二章 進排氣系統的研究與發展 10
2.1進排氣系統的理論 10
2.2可變進氣系統的研究與發展 15
第三章 單管進排氣系統的改良設計 19
3.1實驗計畫的基礎理論 19
3.2進氣管路實驗計畫與實施 23
3.3進氣管路實驗分析 35
3.4進氣管路最佳化設計 43
3.5進氣管路配置設計 59
3.6排氣系統實驗與管路配置設計 60
第四章 模擬可變容積之二管進氣系統的實驗計畫分析
與最佳設計 68
4.1二管模式可變進氣管路實驗計畫與實施 69
4.2二管模式可變進氣管路實驗分析 78
4.3二管模式可變進氣管路最佳化設計 86
4.4二管模式可變進氣管路配置設計 109
第五章 模擬可變容積之三管進氣系統實驗計畫分析
與最佳設計 110
5.1三管模式可變進氣管路實驗計畫與實施 110
5.2三管模式可變進氣管路實驗分析 122
5.3三管模式可變進氣管路最佳化設計 132
5.4三管模式可變進氣管路配置設計 161
第六章 結論 163
6.1結論 163
6.2未來展望 164
參考文獻 165
附錄 168

圖目錄
圖1-1 機車引擎扭力曲線圖 1
圖2-1 負壓波與正壓波互相重合為合成波 14
圖2-2 壓力波在進氣閥門開啟時再度合成 14
圖2-3 二管模式可變進氣管路系統扭力曲線假想圖 18
圖2-4 三管模式可變進氣管路系統扭力曲線假想圖 18
圖3-1 常態分配圖形 20
圖3-2 原型機車配置 24
圖3-3 引擎架設於動力計實驗基台上 29
圖3-4 引擎動力計 30
圖3-5 污染物排放量測儀器 30
圖3-6 進氣管路的引擎輸出扭力曲線圖 31
圖3-7 進氣管路的制動燃油消耗量曲線圖 32
圖3-8 進氣管路的一氧化碳排放量曲線圖 33
圖3-9 進氣管路的碳氫化合物排放量曲線圖 34
圖3-10 4000rpm扭力實驗的常態機率圖 39
圖3-11 4000rpm扭力實驗的對時間順序的殘差圖 40
圖3-12 4000rpm扭力實驗的對配適值的殘差圖 40
圖3-13 各設計狀況最佳化結果在各轉速扭力比較 53
圖3-14 各設計狀況最佳化結果在各轉速燃油消耗量比較 53
圖3-15 各設計狀況最佳化結果在各轉速一氧化碳排放量
比較 54
圖3-16 各設計狀況最佳化結果在各轉速碳氫化合物排放量比較 54
圖3-17 改良進氣管路設計配置圖 59
圖3-18 H6T引擎排氣管路與其性能關係之1 62
圖3-19 H6T引擎排氣管路與其性能關係之2 63
圖4-1 二管模式可變進氣管路系統管路配置構想圖 69
圖4-2 二管模式可變進氣管路系統管路1的
輸出扭力曲線圖 71
圖4-3 二管模式可變進氣管路系統管路1的
制動燃油消耗量曲線圖 71
圖4-4 二管模式可變進氣管路系統管路1的
一氧化碳排放量曲線圖 72
圖4-5 二管模式可變進氣管路系統管路1的
碳氫化合物排放量曲線圖 72
圖4-6 二管模式可變進氣管路系統管路2的
引擎輸出扭力曲線圖 73
圖4-7 二管模式可變進氣管路系統管路2的
制動燃油消耗量曲線圖 73
圖4-8 二管模式可變進氣管路系統管路2的
一氧化碳排放量曲線圖 74
圖4-9 二管模式可變進氣管路系統管路2的
碳氫化合物排放量曲線圖 74
圖4-10 二管模式管路1 4000rpm扭力實驗的常態機率圖 82
圖4-11 二管模式管路1 4000rpm扭力實驗的
對時間順序的殘差圖 82
圖4-12 二管模式管路1 4000rpm扭力實驗的
對配適值的殘差圖 83
圖4-13 二管模式各設計結果的扭力曲線 91
圖4-14 二管模式各設計結果的制動燃油消耗量曲線 91
圖4-15 二管模式各設計結果的一氧化碳排放量曲線 92
圖4-16 二管模式各設計結果的碳氫化合物排放量曲線 92
圖4-17 二管模式與改良單管進氣系統的扭力曲線圖 104
圖4-18 二管模式與改良單管進氣系統的制動燃油消耗量曲線圖 105
圖4-19 二管模式與改良單管進氣系統的一氧化碳排放量曲線圖 105
圖4-20 二管模式與改良單管進氣系統的碳氫化合物排放量曲線圖 106
圖4-21 諧振器設計示意圖(參考於文獻[15]) 107
圖4-22 二管模式可變進氣管路系統的配置 109
圖5-1 三管模式可變進氣管路系統管路配置構想圖 111
圖5-2 三管模式可變進氣管路系統管路1的
引擎輸出扭力曲線圖 112
圖5-3 三管模式可變進氣管路系統管路1的
制動燃油消耗量曲線圖 113
圖5-4 三管模式可變進氣管路系統管路1的
一氧化碳排放量曲線圖 113
圖5-5 三管模式可變進氣管路系統管路1的
碳氫化合物排放量曲線圖 114
圖5-6 三管模式可變進氣管路系統管路2的
引擎輸出扭力曲線圖 114
圖5-7 三管模式可變進氣管路系統管路2的
制動燃油消耗量曲線圖 115
圖5-8 三管模式可變進氣管路系統管路2的
一氧化碳排放量曲線圖 115
圖5-9 三管模式可變進氣管路系統管路2的
碳氫化合物排放量曲線圖 116
圖5-10 三管模式可變進氣管路系統管路3的
引擎輸出扭力曲線圖 116
圖5-11 三管模式可變進氣管路系統管路3的
制動燃油消耗量曲線圖 117
圖5-12 三管模式可變進氣管路系統管路3的
一氧化碳排放量曲線圖 117
圖5-13 三管模式可變進氣管路系統管路3的
碳氫化合物排放量曲線圖 118
圖5-14 三管模式管路1 4000rpm扭力實驗的常態機率圖 126
圖5-15 三管模式管路1 4000rpm扭力實驗的
對時間順序的殘差圖 127
圖5-16 三管模式管路1 4000rpm扭力實驗的
對配適值的殘差圖 127
圖5-17 三管模式設計狀況A扭力與制動燃油消耗量
設計結果 137
圖5-18 三管模式設計狀況A一氧化碳與碳氫化合物排放量設計結 果 137
圖5-19 三管模式設計狀況B扭力與制動燃油消耗量
設計結果 144
圖5-20 三管模式設計狀況B一氧化碳與碳氫化合物排放量設計結 果 145
圖5-21 三管模式設計狀況C扭力與制動燃油消耗量
設計結果 150
圖5-22 三管模式設計狀況C一氧化碳與碳氫化合物排放量設計結
果 150
圖5-23 三管模式各設計結果的扭力曲線 153
圖5-24 三管模式各設計結果的制動燃油消耗量曲線 154
圖5-25 三管模式各設計結果的一氧化碳排放量曲線 155
圖5-26 三管模式各設計結果的碳氫化合物排放量曲線 156
圖5-27 二管模式與三管模式可變進氣管路系統的扭力比較 159
圖5-28 二管模式與三管模式可變進氣管路系統的
制動燃油消耗量比較 160
圖5-29 二管模式與三管模式可變進氣管路系統的
一氧化碳排放量比較 160
圖5-30 二管模式與三管模式可變進氣管路系統的
碳氫化合物排放量比較 161
圖5-31 三管模式可變進氣管路系統的配置 162


表目錄
表3-1 4000rpm至6500rpm改良原進氣管路實驗配置表 25
表3-2 7000rpm至9000rpm改良原進氣管路實驗配置表 26
表3-3 原型管實驗結果 35
表3-4 4000rpm扭力實驗的變異數分析表 37
表3-5 各轉速下扭力與制動燃油消耗量的p-value值 38
表3-6 各轉速下一氧化碳與碳氫化合物排放量的p-value值 38
表3-7 改良原進氣管與扭力關係之反應曲面式係數值 41
表3-8 改良原進氣管與制動燃油消耗量關係之
反應曲面式係數值 42
表3-9 改良原進氣管與一氧化碳排放量關係之
反應曲面式係數值 42
表3-10 改良原進氣管與碳氫化合物排放量關係之
反應曲面式係數值 42
表3-11 各性能的極大與極小值 48
表3-12 各設計狀況最佳化結果在各轉速所得之扭力值 55
表3-13 各設計狀況最佳化結果在各轉速所得之
制動燃油消耗量值 55
表3-14 各設計狀況最佳化結果在各轉速所得之
一氧化碳排放量 55
表3-15 各設計狀況最佳化結果在各轉速所得之
碳氫化合物排放量 56
表3-16 改良單管進氣系統設計狀況6與原L型進氣管比較 59
表3-17 實驗排氣管的規格 61
表3-18 A管的4種性能輸出結果 64
表3-19 B管的4種性能輸出結果 64
表3-20 C管的4種性能輸出結果 64
表3-21 D管的4種性能輸出結果 65
表3-22 4種管路在低轉速與全域性能比較 65
表4-1 二管模式管路1(4000rpm至6000rpm)實驗配置表 75
表4-2 二管模式管路2 (5000rpm至7500rpm)實驗配置表 76
表4-3 二管模式管路2 (8000rpm至9000rpm)實驗配置表 77
表4-4 二管模式管路1於 4000rpm的扭力 變異數分析表 79
表4-5 二管模式管路1各轉速下扭力與
制動燃油消耗量的p-value值 79
表4-6 二管模式管路1各轉速下一氧化碳與
碳氫化合物排放量的p-value值 80
表4-7 二管模式管路2 各轉速下扭力與
制動燃油消耗量的p-value值 80
表4-8 二管模式管路2各轉速下一氧化碳與
碳氫化合物排放量的p-value值 81
表4-9 二管模式管路1與扭力關係之反應曲面式係數值 84
表4-10 二管模式管路1與制動燃油消耗量關係之
反應曲面式係數值 84
表4-11 二管模式管路1與一氧化碳關係之
反應曲面式係數值 84
表4-12 二管模式管路1與碳氫化合物排放量關係之
反應曲面式係數值 85
表4-13 二管模式管路2與扭力關係之反應曲面式係數值 85
表4-14 二管模式管路2與制動燃油消耗量關係之
反應曲面式係數值 85
表4-15 二管模式管路2與一氧化碳關係之
反應曲面式係數值 86
表4-16 二管模式管路2與碳氫化合物排放量關係之
反應曲面式係數值 86
表4-17 二管模式管路1設計狀況A的性能輸出結果 93
表4-18 二管模式管路2設計狀況A的性能輸出結果 93
表4-19 二管模式管路1各性能的極大與極小值 96
表4-20 二管模式管路2各性能的極大與極小值 98
表4-21 二管模式管路1設計狀況B的性能輸出結果 98
表4-22 二管模式管路2設計狀況B的性能輸出結果 99
表4-23 二管模式管路1設計狀況C的性能輸出結果 101
表4-24 二管模式管路2設計狀況C的性能輸出結果 102
表4-25 改良單管進氣系統與二管模式
模擬可變進氣管路系統比較 106
表5-1 三管模式管路1(4000rpm至6000rpm)實驗配置表 119
表5-2 三管模式管路2(5000rpm至7500rpm)實驗配置表 120
表5-3 三管模式管路3(6500rpm至9000rpm)實驗配置表 121
表5-4 三管模式管路1於 4000rpm的扭力變異數分析表 123
表5-5 三管模式管路1各轉速下扭力與
制動燃油消耗量的p-value值 123
表5-6 三管模式管路1各轉速下一氧化碳與
碳氫化合物排放量的p-value值 124
表5-7 三管模式管路2 各轉速下扭力與
制動燃油消耗量的p-value值 124
表5-8 三管模式管路2各轉速下一氧化碳與
碳氫化合物排放量的p-value值 124
表5-9 三管模式管路3各轉速下扭力與
制動燃油消耗量的p-value值 125
表5-10 三管模式管路3各轉速下一氧化碳與
碳氫化合物排放量的p-value值 125
表5-11 三管模式管路1與扭力關係之反應曲面式係數值 128
表5-12 三管模式管路1與制動燃油消耗量關係之
反應曲面式係數值 129
表5-13 三管模式管路1與一氧化碳關係之
反應曲面式係數值 129
表5-14 三管模式管路1與碳氫化合物排放量關係之
反應曲面式係數值 129
表5-15 三管模式管路2與扭力關係之反應曲面式係數值 129
表5-16 三管模式管路2與制動燃油消耗量關係之
反應曲面式係數值 130
表5-17 三管模式管路2與一氧化碳關係之
反應曲面式係數值 130
表5-18 三管模式管路2與碳氫化合物排放量關係之
反應曲面式係數值 130
表5-19 三管模式管路3與扭力關係之反應曲面式係數值 131
表5-20 三管模式管路3與制動燃油消耗量關係之
反應曲面式係數值 131
表5-21 三管模式管路3與一氧化碳關係之
反應曲面式係數值 131
表5-22 三管模式管路3與碳氫化合物排放量關係之
反應曲面式係數值 132
表5-23 三管模式管路1設計狀況A的性能輸出結果 138
表5-24 三管模式管路2設計狀況A的性能輸出結果 138
表5-25 三管模式管路3設計狀況A的性能輸出結果 138
表5-26 三管模式管路1各性能的極大與極小值 141
表5-27 三管模式管路2各性能的極大與極小值 142
表5-28 三管模式管路3各性能的極大與極小值 145
表5-29 三管模式設計狀況B管路1的性能輸出結果 146
表5-30 三管模式設計狀況B管路2的性能輸出結果 146
表5-31 三管模式設計狀況B管路3的性能輸出結果 146
表5-32 三管模式設計狀況C管路1的性能輸出結果 151
表5-33 三管模式設計狀況C管路2的性能輸出結果 151
表5-34 三管模式設計狀況C管路3的性能輸出結果 151
表5-35 設計狀況A全域轉速性能輸出結果 157
表5-36 設計狀況B全域轉速性能輸出結果 157
表5-37 設計狀況C全域轉速性能輸出結果 158
表5-38 二管模式與三管模式模擬可變進氣管路系統比較 161
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