تأثیر زمان‌بندی و فازبندی تزریق سوخت بر آلایندگی موتور تک‌استوانه بنزینی

نعمتی, علیرضا; نصیری, صیاد; رحیمی آسیابرکی, حسین; خانکی, امیرحسین

doi:10.22034/er.2022.697903

تأثیر زمان‌بندی و فازبندی تزریق سوخت بر آلایندگی موتور تک‌استوانه بنزینی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ کارشناس مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

² عضو هیات علمی، مرکز آموزش مهارت‌های مهندسی، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

³ عضو هیات علمی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران، ایران

10.22034/er.2022.697903

چکیده

ارزیابی عملکرد موتورهای احتراق داخلی و تعیین استانداردهای مختلف آلایندگی، اهمیت کاهش آلایندگی و همچنین مصرف بهینه سوخت در این موتورها را آشکار کرده است. بر همین اساس، سامانه‌های مدیریت موتور مورد استفاده قرار می‌گیرند که از طریق تهیه مخلوط هوا و سوخت مناسب، منجر به بهینه‌سازی توان و کاهش انتشار آلاینده‌های خروجی می‌شوند. سامانه‌های مدیریت موتور امروزه قادر به تعیین و تأمین دقیق مخلوط هوا و سوخت هستند. با این‌حال، عملکرد موتورهای احتراق داخلی که سوخت آن‌ها در داخل چندراهه ورودی پاشش می‌شود، بسیار وابسته به زمان عملیات سوخت‌رسانی است که فاز تزریق سوخت نامیده می‌شود. روش‌های مختلفی جهت تشخیص فاز تزریق سوخت وجود دارد که متداول‌ترین آن‌ها استفاده از حسگر موقعیت میل بادامک است. بااین‌وجود، این موضوع همچنان به‌عنوان یکی از چالش‌هایی که بیشتر کار محققان را به خود اختصاص داده است، در نظر گرفته می‌شود. چراکه استفاده از حسگرهای موقعیت میل بادامک و موارد مشابه منجر به افزایش هزینه‌های تولید و همچنین برخی پیچیدگی‌ها در خدمات پس از فروش می‌شود. بنابراین، این تحقیق با هدف طراحی یک الگوی مدیریتی برای تعیین فاز تزریق سوخت و همچنین شناسایی لحظه بسته شدن دریچه ورودی با ارزیابی داده حسگر فشار چندراهه ورودی موتور تک استوانه انجام شده است. در مرحله بعد این قابلیت به سامانه مدیریت موتور اضافه و عملکرد آن ارزیابی شد. نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که تعیین فاز تزریق از طریق این روش به‌خوبی امکان‌پذیر است. علاوه بر این، به‌منظور شناسایی تأثیر این الگو بر کاهش آلاینده‌های خروجی، آزمون آلایندگی ECE-R40 انجام و نتایج آن با سطح آلاینده‌های خروجی در زمانی که سامانه مدیریت موتور مجهز به این الگو نبود، مقایسه شد. این مقایسه نشان می‌دهد که با استفاده از الگوریتم تشخیص فاز، میانگین مونوکسید کربن، هیدروکربن‌های نسوخته و اکسیدهای ازت هر کدام به ترتیب 5.9، 9.4 و 2.6 درصد کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The Effect of Injection Timing and Phasing on the Emission of a Gasoline Single Cylinder Engine

نویسندگان [English]

Alireza Nemati ¹
Sayyad Nasiri ²
Hossein Rahimi Asiabaraki ³
Amirhossein Khanaki ¹

¹ Mechanic Expert, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

² Faculty Member, Center for Engineering Skills, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

³ Faculty Member, Department of Mechanical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran

چکیده [English]

Performance evaluation of Internal Combustion Engines (ICEs) and setting different emission standards has manifested the importance of pollution reduction as well as the optimal fuel consumption of these engines. Accordingly, the Engine Management Systems (EMS) are utilized which resulted in optimizing the power alongside the decrease in pollutant emission, through preparing the appropriate air-fuel mixture. Engine management systems are nowadays able to provide an accurate air-fuel mixture. However, the performance of Port Fuel Injection (PFI) engines is also highly dependent on the time of fueling operation which is called the fuel injection phase. There are several methods to achieve the fuel injection phase, the most common of which is using the camshaft position sensor. Nevertheless, this issue is still considered as one of the challenges, devoting much of the researchers’ work, in that using camshaft position sensors and similar ones result in increased production costs as well as some complexities in after-sales services. Therefore, this study aimed to design a control algorithm and determine the fuel injection phase as well as identify the moment of inlet valve closure by evaluation of manifold pressure sensor signal of a single-cylinder engine. In the next step, this feature was added to the engine management system and the engine performance was assessed. The results indicated that it is perfectly possible to determine the injection phase through this method. Moreover, to define the effect of this algorithm on emission reduction, the ECE-R40 emission test was held and its results were compared with the emissions level when the engine management system was not equipped with this algorithm. This comparison shows, by using the phase-detection algorithm, the mean carbon monoxide, unburned hydrocarbons, and nitrogen oxides reduced each by 5.9%, 9.4%, and 2.6%, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

Single cylinder engine
Fuel phase detection
Injection timing
Four-Stroke engine
Engine emission control

مراجع

[1] T. N. C. Anand and R. V. Ravikrishna, Modelling of mixture preparation in a small engine with Port Fuel Injection, Progress in Computational Fluid Dynamics, an International Journal, Vol. 12, No. 6, pp. 375-388, 2012.

[2] E. Movahednejad, F. Ommi, M. Hossinalipour, and M. Karbasforoushha, Experimental and Theoretical Study of Injection Parameters on Performance and Fuel Consumption in a Port-Injected Gasoline Engine, SAE Technical Paper 2005-01-3805, 2005.

[3] C. Arcoumanis, M. R. Gold, J. H. Whitelaw, H. M. Xu, J. E. Gaade, S. Wallace, Droplet Velocity/Size and Mixture Distribution in a Single-Cylinder Four-Valve Spark-Ignition Engine, SAE Technical Paper 981186, 1998.

[4] R. Meyer, J. B. Heywood, Effect of Engine and Fuel Variables on Liquid Fuel Transport into the Cylinder in Port-Injected SI Engines, SAE Technical Paper 1999-01-0563, 1999.

[5] A. Abdi Aghdam, M. Bashi, Experienced Study of Combustion Delay and Heat Rate to Air Fuel Mixture in an Spark Combustion Engine, Fifth Iran Fuel and Combustion Conference, Iran University of Science and Technology, 2013, (in Persian).

[6] F. Ommi, E. Movahednejad, K. Nekofar, Study of Injection Parameters on Performance and Fuel Consumption in a Port-Injected Gasoline Engine with Experimental and Theoretical Methods, ANNALS of Faculty Engineering Hunedoara - Journal of Engineering, Vol. 6, No. 2, 2008.

[7] K. Horie, K. Nishizawa, T. Ogawa, S. Akazaki, K. Miura, The Development of a High Fuel Economy and High Performance Four-Valve Lean Burn Engine, SAE Technical Paper 920455, 1992.

[8] S. Matsushita, T. Inoue, K. Nakanishi, K. Kato, N. Kobayashi, Development of the Toyota Lean Combustion System, SAE Technical Paper 850044, 1985.

[9] F. Galtier, H. Zhang, Method and device for determining a phase position between a crankshaft and a camshaft of an internal combustion engine, United States Patent, U.S. Patent No. 7,302,835, 2007.

[10] K. E. E. Schwulst, T. Pattantyus, Engine timing control with intake air pressure sensor, United States Patent, U.S. Patent No. 7,225,793, 2007.

[11] D. G. Mc Kendry, K. D. Leininger, M. G. Thomas, M. T. Hamilton, Engine position detection using manifold pressure, United States Patent, U.S. Patent No. 5,321,979, 1994.

[12] S. Akama, Y. Murayama, S. Sakoda, Reduced-Order Modeling of Intake Air Dynamics in Single-Cylinder Four-Stroke Engine, SAE International Journal of Engines, Vol. 6, No. 4, pp. 2092-2099, 2013.

[13] B. A. Olshausen, Aliasing, PSC 129 - Sensory Processes, University of California, Berkeley, 2000.

[14] J. M. Blackledge, Digital Signal Processing: Mathematical and Computational Methods, Software Development and Applications, Woodhead, 2nd edition, 2006.

[15] S. W. Smith, The Scientist and Engineer's Guid to Digita Signal Processing, California Technical, 2nd edition, 1999.

[16] E. G. Giakoumis, Driving and Engine Cycles, Springer, 2017.

[17] K. Reif, Gasoline Engine Management: Systems and Components, Springer, 2015.

[18] F. J. P. Pujatti, M. A. S. Mendes, G. T. Braga, V. M. Araújo, DESIGN AND TESTS OF ELECTRONIC MANAGEMENT SYSTEM FOR SMALL MOTORCYCLE SPARK IGNITION ENGINES, ABCM Symposium Series in Mechatronics - Vol. 5, Section IV - Industrial Informatics, Discrete and Hybrid Systems, pp. 704-712, 2012.

[19] L. W. Wan, Y. Jiang, G. Hong, X. Liu, J. Zhang, Development of Electronic Control System for a Single Cylinder Motorcycle Engine, SAE International Journal of Passenger Cars: Electronic and Electrical Systems, Vol. 5, No. 2, pp. 462-469, 2012.

[20] C. Y. Y. Wu, Y. Peng, T. Gau, Emission Control of Four-Stroke Motorcycle Engine. SAE Transactions, JOURNAL OF PASSENGER CARS, Part 2, Vol. 104, No. 6, pp. 2571-2580, 1995.