車輛中心 工程分析中心 蔡起源

近年來，隨著國內外車輛環保法規要求的日益嚴苛，機車引擎已朝向高效率、低排放的發展趨勢。對於機車廠來說，也需考量符合引擎馬力、扭力等各項性能需求。機車引擎的組成大致包括汽缸、汽缸頭、活塞、活塞環、墊片、連桿、曲軸…等，如圖1所示。過去，在引擎的開發研測過程中，開發人員甚難直接觀測其內部情況(如：結構強度、熱變形、缸內流場…等)，但倘若引擎汽缸結構設計不佳而造成強度不足或熱變形現象，其輕則造成洩漏而降低引擎性能，重則造成引擎零件如活塞(或活塞環)的斷裂破損；而引擎進氣道及缸內流場狀態，直接關係引擎進氣及燃燒效率，對於車輛性能影響甚大。有鑑於此，開發人員若能於引擎設計階段即運用CAE分析技術，將所遭遇到的問題可視化後進行問題解析與對策因應，將可加速產品對策效率並縮短開發時程。

圖1 引擎部件
圖片來源http://www.charmo.com.tw

CAE技術於機車引擎開發應用包含：引擎效率及性能模擬、引擎結構強度分析、引擎進氣及缸內流場分析、閥機構及曲軸動態分析…等。因本文篇幅有限，將針對1.引擎結構變形分析、2.缸內流場分析及3.進氣道設計分析進行簡要介紹。

引擎結構變形分析
引擎的運轉主要是由汽缸頭燃燒室內氣體燃燒產生一爆炸壓力，進而推動引擎相關零件運轉。為確保此爆炸壓力的大小，引擎汽缸頭組裝後之氣密性十分地重要。氣密性主要藉由施加扭力於螺栓，螺栓再夾緊依汽缸頭、缸頭墊片與汽缸排列的組件，如圖2所示， 進而使彼此間緊密接觸而不漏氣。

圖2. 螺栓、缸頭墊片、汽缸頭與汽缸組裝圖

然而，當施加密封壓力倘若過大或汽缸頭結構強度不足，將會導致汽缸頭在進、排汽門閥座與汽門密合處產生過大變形量，無法達成密合接觸情況，進而造成漏氣。另一方面，倘若此密封壓力過小，汽缸床墊上的接觸壓力不足則將無法抵抗爆炸壓力而漏氣。因此，引擎開發過程有必要使用CAE分析技術計算汽缸及汽缸墊片之密封壓力與接觸情況，以進而確保汽缸之密封設計。如圖3顯示汽缸與汽缸墊片之接觸過程中汽缸墊片的變形，圖4顯示接觸過程汽缸墊片接觸壓力變化。

圖3 汽缸與汽缸墊片之接觸過程

圖4汽缸墊片之接觸壓力

缸內流場分析
四行程引擎產生動力的過程大致分為四個步驟：
(1)活塞下移且進氣閥打開吸入油氣
(2)活塞上移時進氣閥關閉壓縮油氣
(3)點火燃燒油氣並推動活塞下移
(4)活塞上移排氣閥打開排出廢氣
在引擎運轉時進入燃燒室的紊流強度會影響引擎的燃燒效率，若紊流強度高則會提升引擎能力反之則會下降，欲使引擎性能提升有幾個性能參數必須注意，如增加進氣道的流量係數(Flow Coefficient)、燃燒室之渦旋比(Swirl Ratio)、滾流比(Tumble Ratio)、紊流強度(Turbulence Kinetic Energy)以及缸內氣流行為等，但氣流運動並無法透過實驗量測清楚觀測，因此，運用CFD數值方法進行引擎缸內流場模擬分析，將可直接且有效地瞭解引擎缸內之氣流運動狀況，如圖5所示。

圖5 引擎缸內流場

除了關注渦旋比、滾流比等指標外，紊流強度在活塞上死點接近火星塞時最高則可增加點火爆炸燃燒效率，可藉由變更活塞表面幾何設計等作法進行調整，如圖6所示。

圖6 活塞運動及紊流強度位置

進氣道設計分析
在引擎進氣道設計上，可藉由調整截面積變化、進氣道的平整度與傾斜角等參數設計，以提升引擎性能。當調整前述設計參數時，其可直接影響進口流量及降低表面幾何不平整而損失的能量，傾斜角越大則流量係數降低，當流量係數增大時進而影響渦旋比、滾流比，亦使引擎提高總馬力及總扭力，如圖7所示。

圖7 進氣道與流量係數、渦旋比、滾流比之關係

在眾多的引擎參數中如何能確保所設計的引擎結構、汽缸頭及進氣道設計符合要求呢？除了實際試作出測試件執行測試外，運用CAE技術，可以在設計階段就依據設計資料，建立電腦數值分析模型，模擬引擎工作情境，計算引擎效率與性能、結構強度、氣閥及曲軸機構運動、進氣道及缸內流場等特性，解析問題對症下藥，方能在兢爭激烈的引擎發展的競賽中脫穎而出。

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