تحقیقات موتور

تحقیقات موتور

کاهش مصرف سوخت و آلایندگی موتور ملی تنفس طبیعی روی خودرو سمند با استفاده از مدیریت ‏حرارتی سامانه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران
2 مرکز تحقیقات موتور ایران‌خودرو (ایپکو)، تهران، ایران
3 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران
چکیده
کاهش مصرف سوخت و آلایندگی در موتورهای احتراق داخلی، یکی از مهم‌ترین اهداف برای تولیدکننده‌های خودرو است و در این راستا استفاده از سیستم‏‌های خنک‌کننده مدرن راه حل مهمی برای دستیابی به این هدف است. در این مقاله به‌منظور به‌کارگیری دمابان برقی ابتدا اثر دمای سیال عامل به‌صورت تجربی روی مصرف سوخت ویژه ترمزی، HC، CO، NOX و گازهای نشتی موتور در نقطه پرتکرار چرخه رانندگی اروپایی (سرعت 2000 دور در دقیقه و  فشار مؤثر ترمزی 2 بار)، در موتور ملی تنفس طبیعی بررسی شده است. در این مطالعه، تأثیر تغییر دور تلمبه آب بر مقدار شار سیال خنک‌کننده بررسی شده است. سپس، در یازده نقطه پرتکرار از چرخه رانندگی اروپایی، اثر این تغییر شار بر مصرف سوخت و همچنین اختلاف دمای سیال خنک‌کننده در ورودی و خروجی موتور اندازه‌گیری شده است. با مشخص شدن حداقل شار مجاز برای هریک از این یازده نقطه گانه، دور تلمبه آب برقی با بیشینه اختلاف دمای مجاز 6 درجه تعیین می‏‌شود. همچنین دمای قبل و بعد واکنشگر در این 11 نقطه کاری بین تلمبه آب مکانیکی و دور متغیر با هم مقایسه شده است. در نهایت با استفاده از نرم‌افزار GT-SUITE مدار عملکرد، خنک‌‏کاری و انتقال قدرت خودرو سمند با موتور ملی تنفس طبیعی چرخه رانندگی اروپایی بررسی شده است و مقدار مصرف سوخت و آلاینده‌‏های CO، NOx و HC در چرخه رانندگی اروپایی با خنک‏‌کاری معمول و خنک‏‌کاری هوشمند با هم مقایسه می‌‏شود. نتایج نشان می‌‏دهد با استفاده از سامانه خنک‏‌کاری هوشمند در مقایسه با سامانه مرسوم مکانیکی مصرف سوخت و CO2 به 1.2 درصد کاهش می‌یابد. همچنین HC به 43 درصد، CO به 10 درصد کاهش داشته اما NOx به 27 درصد، افزایش می‌‏دهد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Reduction of fuel consumption and emissions of Iranian naturally aspirated engine on Samand ‎vehicle with thermal management

نویسندگان English

Arash Mohammadi 1
Yaghoub Montazer 2
Hossein Rahimi Asiabaraki 3
1 Faculty of Mechanical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran
2 Iran Khodro Powertrain Company (IPCO), Tehran, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, National University of Skills (NUS), Tehran, Iran
چکیده English

Reducing fuel consumption and greenhouse gas emissions in internal combustion engines is a key objective for automobile manufacturers. Employing advanced cooling systems is an effective solution to achieve this goal. In this study, the impact of coolant temperature on brake-specific fuel consumption (BSFC), HC, CO, and NOX emissions, as well as blowby, was first investigated experimentally at the most frequent operating point of the European driving cycle (2000 rpm, 2 bar brake mean effective pressure) in a naturally aspirated engine using an electric thermostat. Subsequently, the influence of an externally driven water pump’s speed on fuel consumption was evaluated at the eleven most frequent operating points of the European driving cycle, with consideration given to the coolant temperature difference between the engine’s inlet and outlet as a function of coolant flow rate. By determining the minimum required flow rate for each of these points, the optimal speed of the electric water pump was established, constrained by a maximum allowable temperature difference of 6°C between the engine’s inlet and outlet. Additionally, the pre- and post-catalyst temperatures at these eleven operating points were compared for both mechanical and variable-speed water pumps. Finally, a simulation using GT-SUITE software, validated with experimental data, was conducted to analyze the performance, cooling system, and power transmission circuit of the Samand vehicle equipped with the domestic naturally aspirated engine under the European driving cycle. The results demonstrate that adopting a smart cooling system in place of a conventional mechanical cooling system reduces fuel consumption (in terms of CO2 emissions) by 1.2%. Furthermore, HC and CO emissions decreased by 10% and 43%, respectively, while NOx emissions increased by 27%.

کلیدواژه‌ها English

Thermal Management
National Engine
Electric Thermostat
Electric Water Pump
Fuel Consumption
[1] Thomas S, Saroop A, Rajak R, Muthiah S. Investigation on the effect of coolant temperature on the performance and emissions of naturally aspirated gasoline engine. SAE Technical Paper; 2011 Jan 19. doi: 10.4271/2011-26-0089
[2] Ribeiro EG, de Carvalho Meira JL, de Andrade Filho AP. Electric valve for coolant temperature control (TCV). SAE Technical Paper; 2007 Nov 28. doi: 10.4271/2007-01-2791
[3] Guillemot P, Gatellier B, Rouveirolles P. The influence of coolant temperature on unburned hydrocarbon emissions from spark ignition engine. SAE transactions. 1994 Jan 1:1237-47. doi: 10.4271/941962
[4] Tomlinson SP, Burrows CR. Design of a feedback controlled thermostat for a vehicle cooling system. SAE transactions. 1996 Jan 1:1677-83. doi: 10.4271/961823
[5] Khanjani K, Deng J, Ordys A. Controlling variable coolant temperature in internal combustion engines and its effects on fuel consumption. SAE Technical Paper; 2014 Nov 11. doi: 10.4271/2014-32-0064
[6] Fang L, Lou D, Hu Z, Tan P. The emission of a diesel engine in different coolant temperature during cold start at high altitude. SAE Technical Paper; 2019 Apr 2. doi: 10.4271/2019-01-0730
[7] Bakatwar R, Nesamani K, Bhargava A, Jain R. Performance analysis & optimization of engine cooling system by using electronically controlled thermostat for improving thermal efficiency. SAE Technical Paper; 2018 Apr 3. doi: 10.4271/2018-01-0053
[8] Jawad B, Zellner K, Riedel C. Small engine cooling and the electric water pump. SAE Technical Paper; 2004 Sep 27. doi: 10.4271/2004-32-0084
[9] Chalgren RD. Thermal comfort and engine warm-up optimization of a low-flow advanced thermal management system. SAE Technical Paper; 2004 Mar 8. doi: 10.4271/2004-01-0047
[10] Cho H, Jung D, Filipi ZS, Assanis DN, Vanderslice J, Bryzik W. Application of controllable electric coolant pump for fuel economy and cooling performance improvement. Journal of engineering for gas turbines and power. 2007;129(1):239-44. doi: 10.1115/1.2227035
[11] Mitchell T. Advanced thermal management for internal combustion engines [master's thesis]. Clemson: Clemson University; 2007.
[12] Ribeiro EG, de Andrade Filho AP, de Carvalho Meira JL. Electric water pump for engine cooling. SAE Technical Paper; 2007 Nov ‎‎ doi: 10.4271/2007-01-2785
[13] Torregrosa AJ, Broatch A, Olmeda P, Romero C. Assessment of the influence of different cooling system configurations on ‎engine warm-up, emissions and fuel consumption. International Journal of Automotive Technology. 2008 Aug;9:447-58. doi: 10.1007/s12239-008-0054-1
[14] Nessim W, Zhang F. Powertrain warm-up improvement using thermal management systems. International Journal of Scientific ‎& Technology Research. 2012 May;1(4):151-5.
[15] Santhosh KV, Sharma NK. LabVIEW Implementation of an Automated Cooling Technique for Internal Combustion Engine using ‎ International Conference on Computing and Control Engineering (ICCCE 2012), 12 & 13 April, ‎‎2012.
[16] Iskandar MA, Adade Filho A. Design and analysis of a cooling control system of a diesel engine, to reduce emissions and fuel ‎ InABCM Symposium Series in Mechatronics 2012 (Vol. 5, pp. 39-48).
[17] Shin YH, Kim SC, Kim MS. Use of electromagnetic clutch water pumps in vehicle engine cooling systems to reduce fuel ‎ Energy. 2013 Aug 1;57:624-31. doi: 10.1016/j.energy.2013.04.073
[18] Jung D, Yong J, Choi H, Song H, Min K. Analysis of engine temperature and energy flow in diesel engine using engine thermal ‎ Journal of Mechanical science and Technology. 2013 Feb;27:583-92. doi: 10.1007/s12206-012-1235-4
[19] Arunachalam K, Jawahar PM. Conversion of Mechanical Water Pump to Electric Water Pump for a CI Engine. International ‎Journal of Science and Technology. 2014;8(12):2087-90.
[20] Al-Tamimi A, Al-Jarrah AM, Salah MH. Inteligent Control Technoques for Electrical Actuated AAutomative Cooling Systems. Journal Control and Intelligent System. 2014;42(2).
[21] Shancita I, Masjuki HH, Kalam MA, Fattah IR, Rashed MM, Rashedul HK. A review on idling reduction strategies to improve fuel economy and reduce exhaust emissions of transport vehicles. Energy conversion and management. 2014 Dec 1;88:794-807. doi: 10.1016/j.enconman.2014.09.036
[22] Mohammadi K, Mohammadi A, Aghamirsalim SM. Simulation of cooling circuit with eletrical water ‎pump in Iranian national engine with using Fuzzy controller. The Journal of Engine Research. 2022 Nov 27;44(44):19-30. [In Persian]
دوره 71، شماره 4 - شماره پیاپی 77
مقالات انگلیسی
زمستان 1403
صفحه 58-76

  • تاریخ دریافت 06 اسفند 1403
  • تاریخ بازنگری 10 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 12 اردیبهشت 1404