تحقیقات موتور

تحقیقات موتور

بهینه‌سازی مصرف سوخت چرخه اتکینسون یک موتور اشتعال جرقه‌‏ای پرخوران با روش وراثت در سرعت کُند و بار جزئی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران
2 شرکت تحقیق، طراحی و تولید موتور ایران خودرو (ایپکو)، تهران، ایران
10.22034/er.2026.2078113.1119
چکیده
دستیابی به سوخت‌های پاک‌تر و افزایش بهره‌وری انرژی در بخش خودرو، علاقه به خودروهای دورگه برقی، بویژه آن‌هایی که از موتورهای چرخه اتکینسون استفاده می‌کنند، را افزایش داده است. این مقاله بهینه‌سازی و پیاده‌سازی موتور بنزینی پرخوران با چرخه اتکینسون را با هدف کاهش مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانه‌ای در سرعت و بار کم را بررسی می‌کند. یک چارچوب بهینه‌سازی چند متغیره مبتنی بر روش وراثت با تمرکز بر زمان‌بندی دریچه ورودی، دامنه دریچه و بازخورانی گازهای خروجی برای بهبود عملکرد موتور در شرایط مختلف سرعت-بار به کار گرفته شده است. یک الگوی شبیه‌سازی یک بعدی جی‌‏تی‌‏پاور معتبر، همراه با شبیه‌‏ساز متلب، برای ارزیابی اثرات راهبرد‌های زمان‌بندی دریچه بر تشکیل مخلوط، ویژگی‌های احتراق و انتشار گازهای گلخانه‌ای استفاده شده است. آزمایش‌های تجربی بر روی یک موتور 1.6 لیتری پرخوران اتکینسون، یافته‌های شبیه‌سازی را تأیید می‌کنند و بهبود 2 تا 3 درصدی در مصرف سوخت ویژه ترمزی، کاهش 18 درصدی در انتشار اکسیدهای ازت و کاهش تا 2.5 درصدی در انتشار دی اکسید کربن را نشان می‌دهند. نتایج، ظرفیت چرخه اتکینسون را برای افزایش قابل توجه بازده در سرعت و بار کم را، بویژه هنگامی که با راهبرد‌های دریچه متغیر و بهینه‌سازی مبتنی بر روش وراثت بهبود می‌یابد، برجسته می‌کند. توصیه‌هایی برای تحقیقات آینده شامل دورگه‌‏کردن چرخه‌های اتو و اتکینسون و ادغام مجموعه‌های پرخوران پیشرفته برای رفع محدودیت‌های چگالی توان است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Fuel consumption optimization of the atkinson cycle in a turbocharged SI engine using a genetic algorithm at low speed and part load

نویسندگان English

Arash Mohammadi 1
AmirHossein Hamad 2
Nima Ajami 2
AmirHossein Parivar 2
Mohammad Nejat 2
1 Faculty of Mechanical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran
2 Irankhodro Powertrain Company (IPCo), Tehran, Iran
چکیده English

The growing demand for cleaner fuels and improved energy efficiency in the automotive industry has intensified research into turbocharged engines, particularly those based on the Atkinson cycle. This study focuses on the optimization and implementation of a turbocharged Atkinson-cycle gasoline engine to reduce fuel consumption and emissions under low-speed and part-load operating conditions. A genetic algorithm (GA)-based multi-variable optimization framework is developed to simultaneously optimize intake valve timing, valve lift, and exhaust gas recirculation (EGR) rates, thereby enhancing engine performance across a wide range of speed–load conditions. A validated one-dimensional GT-Power simulation model, integrated with MATLAB/Simulink, is employed to analyze the influence of valve timing strategies on mixture formation, combustion behavior, and emission characteristics. Both experimental testing and numerical simulations conducted on a 1.6 L turbocharged Atkinson-cycle engine corroborate the model predictions. The optimized configuration achieves a 2-3% reduction in brake-specific fuel consumption (BSFC), an 18% decrease in NOx emissions, and up to a 2.5% reduction in CO2 emissions. The findings demonstrate the significant potential of the Atkinson cycle to improve thermal efficiency under low-speed and part-load conditions, particularly when combined with advanced variable valve strategies and GA-based optimization techniques. Future research should explore the hybridization of Otto and Atkinson cycles, as well as the integration of advanced turbocharging technologies, to mitigate inherent power density limitations.

کلیدواژه‌ها English

Atkinson Cycle Engine
Low Speed and Part Load
Genetic Algorithm Optimization
Fuel Economy
Emission Reduction
[1] Yang Z, Narasimhamurthy NM, Miller T, Naber J. Investigation and optimization of cam actuation of an over-expanded atkinson cycle spark-ignited engine. SAE International Journal of Advances and Current Practices in Mobility. 2019 Apr 2;1(2019-01-0250):639-53.
[2] Wang Y, Biswas A, Rodriguez R, Keshavarz-Motamed Z, Emadi A. Hybrid electric vehicle specific engines: State-of-the-art review. Energy Reports. 2022 Nov 1;8:832-51. doi: 10.1016/j.egyr.2021.11.265
[3] Cordier M, Laget O, Duffour F, Gautrot X, De Francqueville L. Increasing modern spark ignition engine efficiency: a comprehension study of high CR and Atkinson cycle. InSAE 2016 International Powertrains, Fuels & Lubricants Meeting 2016 Oct 17. SAE Technical Paper.
[4] Niu Q, Sun B, Wu Y, Bao L, Luo Q. Effects of intake valve opening duration on performance optimization of an Atkinson cycle engine under part load. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering. 2021 Dec;235(14):3557-70.
[5] Asghar M, Bhatti AI, Ahmed Q, Murtaza G. Energy management strategy for Atkinson cycle engine based parallel hybrid electric vehicle. IEEE Access. 2018 May 15;6:28008-18.
[6] Zhao J, Xu M, Li M, Wang B, Liu S. Design and optimization of an Atkinson cycle engine with the Artificial Neural Network Method. Applied energy. 2012 Apr 1;92:492-502. doi: 10.1016/j.apenergy.2011.11.060
[7] Niu Q, Sun B, Zhang D, Luo Q. Research on performance optimization and fuel-saving mechanism of an Atkinson cycle gasoline engine at low speed and part load. Fuel. 2020 Apr 1;265:117010. doi: 10.1016/j.fuel.2020.117010
[8] Zhao J. Research and application of over-expansion cycle (Atkinson and Miller) engines–A review. Applied Energy. 2017 Jan 1;185:300-19. doi: 10.1016/j.apenergy.2016.10.063
[9] Hou SS. Comparison of performances of air standard Atkinson and Otto cycles with heat transfer considerations. Energy Conversion and Management. 2007 May 1;48(5):1683-90. doi: 10.1016/j.enconman.2006.11.001
[10] Takahashi D, Nakata K, Yoshihara Y, Ohta Y, Nishiura H. Combustion development to achieve engine thermal efficiency of 40% for hybrid vehicles. SAE Technical Paper; 2015 Apr 14.
[11] Li X, Song J, Yu G, Liang Y, Tian H, Shu G, Markides CN. Organic Rankine cycle systems for engine waste-heat recovery: Heat exchanger design in space-constrained applications. Energy conversion and management. 2019 Nov 1;199:111968. doi: 10.1016/j.enconman.2019.111968
[12] Li Y, Wang S, Duan X, Liu S, Liu J, Hu S. Multi-objective energy management for Atkinson cycle engine and series hybrid electric vehicle based on evolutionary NSGA-II algorithm using digital twins. Energy Conversion and Management. 2021 Feb 15;230:113788. doi: 10.1016/j.enconman.2020.113788
[13] Li J, Yang Z, Hu S, Yang F, Duan Y. Effects of shell-and-tube heat exchanger arranged forms on the thermo-economic performance of organic Rankine cycle systems using hydrocarbons. Energy Conversion and Management. 2020 Jan 1;203:112248. doi: 10.1016/j.enconman.2019.112248
[14] Lutsey N, Meszler D, Isenstadt A, German J, Miller J. Efficiency technology and cost assessment for US 2025–2030 light-duty vehicles. International Council on Clean Transportation (ICCT), Washington, USA, White Paper, 22nd March. 2017 Mar 15;45.
دوره 72، شماره 4 - شماره پیاپی 81
مقالات انگلیسی
زمستان 1404
صفحه 36-49

  • تاریخ دریافت 14 دی 1404
  • تاریخ بازنگری 08 اسفند 1404
  • تاریخ پذیرش 11 اردیبهشت 1405