تحقیقات موتور

تحقیقات موتور

بهینه‌سازی شکل محفظه احتراق با ذرات معلق بسیار اندک برای یک موتور دیزلی لوله مشترک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محمد ملک‌پور 1
رحیم خوش‌بختی سرای 1، 2
سید مهدی لشکرپور 3
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران
2 پژوهشکده خودرو، دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران
3 شرکت موتورسازان، تراکتورسازی ایران، تبریز، ایران
10.22034/er.2026.2076354.1110
چکیده
بهره‌برداری بهینه از سوخت در موتورهای درون‌سوز نقش مهمی در بهبود اقتصاد سوخت، کاهش آلایندگی و در نتیجه محدودسازی اثرات زیست‌محیطی دارد. در این پژوهش، بهینه‌سازی هندسه محفظه احتراق یک موتور دیزلی لوله مشترک با هدف کاهش مصرف سوخت و آلاینده‌های خروجی، بدون افت توان موتور، مدنظر قرار گرفته است. بدین منظور ابتدا الگوی چرخه بسته موتور در نرم‌افزار اِی‏‌وی‌‏اِل فایِر توسعه داده شد و در شرایط کاری ۲۰۰۰ ددد صحت‌سنجی شد. در فرایند بهینه‌سازی، شاخص‌های مصرف سوخت، اکسیدهای ازت و دوده به‌عنوان اهداف اصلی تعریف شدند. همچنین متغیرهای هندسی کاسه سمبه با تعیین حدود بالا و پایین، به‌عنوان ورودی روش‏ بهینه‌سازی چندهدفه استفاده شدند. خروجی‌های شبیه‌‏سازی شامل مقادیر اکسیدهای ازت و دوده در هر پیکربندی محفظه، ارزیابی و روند تغییرات آن‌ها در طول فرآیند بهینه‌سازی تحلیل شد. در مجموع ۲۴۰ طرح در چارچوب روش‏ ایجاد و بررسی شد. از میان پنج طرح منتخب اولیه، دو طرح به دلیل افت توان کنار گذاشته شد. از سه طرح باقی‌مانده، یک طرح نهایی انتخاب گردید که در آن تغییر محسوسی در دوده و مصرف سوخت مشاهده نشد؛ مصرف سوخت تنها 0.052 درصد افزایش یافت که تقریباً برابر با حالت پایه است، اما مقدار اکسیدهای ازت حدود ۲ درصد کاهش پیدا کرد. در نهایت، هندسه‌ای به‌دست آمد که ضمن حفظ مصرف سوخت نزدیک به محفظه پایه، کمترین مقدار آلاینده‌های اکسیدهای ازت و دوده را تولید می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موتور دیزلی لوله ‌مشترک
بهینه‌سازی
محفظه احتراق
احتراق کم دود
روش وراثت چندهدفه

عنوان مقاله English

Optimizing the shape of an ultra-low particulate combustion (ULPC) chamber for a common-rail diesel engine

نویسندگان English

Mohammad Malekpoor 1
Rahim Khoshbakhti Saray 1 2
Seyed Mehdi Lashkarpour 3
1 Faculty of Mechanical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
2 Vehicle Research Institute, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
3 Motorsazan Company, Iran Tractor Manufacturing, Tabriz, Iran
چکیده English

Optimal fuel utilization in internal combustion engines plays a crucial role in enhancing fuel economy, reducing emissions, and mitigating environmental impacts. In this study, the combustion chamber geometry of a common-rail diesel engine is optimized to lower fuel consumption and exhaust emissions while maintaining the baseline power output. To this end, a closed-cycle engine model was developed using AVL FIRE software and validated at an operating speed of 2000 rpm. Indicated Specific Fuel Consumption (ISFC), NOx, and soot emissions were defined as the primary objective functions. The geometric parameters of the piston bowl, constrained by specified upper and lower bounds, served as inputs for a Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA). Computational Fluid Dynamics (CFD) outputs, including NOx and soot levels for each design configuration, were evaluated to analyze emission variations throughout the optimization process. The algorithm generated a total of 240 design cases. Among the five optimal candidates initially identified, two were discarded due to power degradation. From the remaining three, a final optimum design was selected. For this selected geometry, changes in soot and ISFC were negligible (ISFC increased by only 0.052% compared to the baseline), whereas NOx emissions were reduced by approximately 2%. Overall, the optimization yielded a piston bowl design that minimizes NOx and soot emissions while keeping fuel consumption strictly comparable to the baseline combustion chamber.

کلیدواژه‌ها English

Common-rail Diesel Engine
Optimization
Combustion Chamber
Ultra-Low Particulate Combustion
Multi-Objective Genetic Algorithm
[1] Yao M, Zheng Z, Liu H. Progress and recent trends in homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines. Progress in energy and combustion science. 2009 Oct 1;35(5):398-437.
[2] Andersson Ö, Miles PC. Diesel and diesel LTC combustion. Encyclopedia of automotive engineering. 2014 Apr 17:1-36. doi: 10.1002/9781118354179.auto120
[3] Yoo D, Song J, Kim Y, Jung W, Kim D. Fuel consumption improvement of 2.4 L ULPC diesel engine by optimizing the combustion system; Nozzle, swirl ratio and piston bowl geometry. InSAE 2015 World Congress & Exhibition 2015 Apr 14. SAE Technical Paper.
[4] Yoo D, Kim D, Jung W, Kim N, Lee D. Optimization of diesel combustion system for reducing PM to meet tier4-final emission regulation without diesel particulate filter. InSAE/KSAE 2013 International Powertrains, Fuels & Lubricants Meeting 2013 Oct 14. SAE Technical Paper. doi: 10.4271/2013-01-2538
[5] Chen Y, Lv L. The multi-objective optimization of combustion chamber of DI diesel engine by NLPQL algorithm. Applied Thermal Engineering. 2014 Dec 5;73(1):1332-9.
[6] Yoo D, Kim D, Jung W, Kim N, Lee D. Optimization of diesel combustion system for reducing PM to meet tier4-final emission regulation without diesel particulate filter. InSAE/KSAE 2013 International Powertrains, Fuels & Lubricants Meeting 2013 Oct 14. SAE Technical Paper. doi: 10.4271/2013-01-2538
[7] Genzale CL, Reitz RD, Wickman DD. A computational investigation into the effects of spray targeting, bowl geometry and swirl ratio for low-temperature combustion in a heavy-duty diesel engine. SAE Transactions. 2007 Jan 1:88-102. doi: 10.4271/2007-01-0119
[8] Şener R, Gül MZ. Optimization of the combustion chamber geometry and injection parameters on a light-duty diesel engine for emission minimization using multi-objective genetic algorithm. Fuel. 2021 Nov 15;304:121379.
[9] Zhou H, Li X, Zhao W, Liu F. Effects of separated swirl combustion chamber geometries on the combustion and emission characteristics of DI diesel engines. Fuel. 2019 Oct 1;253:488-500.
[10] Mobasheri R, Peng Z. Analysis of the effect of re-entrant combustion chamber geometry on combustion process and emission formation in a HSDI diesel engine. InSAE 2012 World Congress & Exhibition 2012 Apr 16. SAE Technical Paper.
[11] Ge HW, Shi Y, Reitz RD, Wickman DD, Willems W. Optimization of a HSDI diesel engine for passenger cars using a multi-objective genetic algorithm and multi-dimensional modeling. SAE International Journal of Engines. 2009 Jan 1;2(1):691-713.
[12] Li X, Chen Y, Su L, Liu F. Effects of lateral swirl combustion chamber geometries on the combustion and emission characteristics of DI diesel engines and a matching method for the combustion chamber geometry. Fuel. 2018 Jul 15;224:644-60.
[13] De Risi A, Donateo T, Laforgia D. Optimization of the combustion chamber of direct injection diesel engines. InSAE 2003 World Congress & Exhibition 2003 Mar 3. SAE technical paper.
[14] Yoo D, Song J, Kim Y, Jung W, Kim D. Fuel consumption improvement of 2.4 L ULPC diesel engine by optimizing the combustion system; Nozzle, swirl ratio and piston bowl geometry. InSAE 2015 World Congress & Exhibition 2015 Apr 14. SAE Technical Paper.
[15] Hu N, Zhou P, Yang J. Comparison and combination of NLPQL and MOGA algorithms for a marine medium-speed diesel engine optimisation. Energy conversion and management. 2017 Feb 1;133:138-52.

  • تاریخ دریافت 17 آبان 1404
  • تاریخ بازنگری 28 آبان 1404
  • تاریخ پذیرش 08 اردیبهشت 1405