تحقیقات موتور

تحقیقات موتور

مقایسه عملکرد چرخه اتو و اتکینسون با طرح بادامک بهینه شده در یک موتور اشتعال جرقه‌ای پرخوران

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.2026.2078266.1120
چکیده
در این تحقیق، یک موتور احتراق جرقه‌ای با افزایش نسبت تراکم از طریق آزمون موتور با چرخه اتکینسون با طراحی شکل بادامک هوای ورودی بررسی شد. یک موتور پرخوران اشتعال جرقه‌ای چهار زمانه معمولی با نسبت تراکم 9.2 و حداکثر توان 112 کیلووات برای موتور پایه انتخاب شد. پس از یک الگوی شبیه‌سازی موتور یک بعدی معتبر که شامل تنظیم فشار داخل استوانه با طرح احتراق آشفته موتور اشتعال جرقه‏‌ای بود، بررسی‌های موتور اتکینسون از جمله بهینه‌سازی میل بادامک ورودی انجام شد. طیف کاملی از سرعت و جابجایی بار برای مقایسه مصرف سوخت ویژه ترمزی انجام شد، مصرف سوخت و گشتاور بین موتور پایه و موتور چرخه اتکینسون با بهینه‌سازی زمان‌بندی دریچه نیز بررسی شد. نتایج حاصل از این مطالعه نشان می‌دهد که میانگین نرخ مصرف سوخت پس از بهینه‌سازی 2-3 درصد کاهش می‌یابد، نرخ کاهش مصرف سوخت 2.5 درصد است که نشان می‌دهد اقتصاد سوخت در این شرایط عملیاتی بهبود یافته است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Comparison of the Otto cycle and the Atkinson cycle with an optimized intake cam profile for a turbocharged spark-ignition engine

نویسندگان English

Arash Mohammadi 1
Mohsen Mohsenirad 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

This study investigates the performance of a spark-ignition engine featuring an increased effective compression ratio, achieved by implementing the Atkinson cycle through intake cam profile design. A conventional four-stroke, turbocharged spark-ignition engine with a geometric compression ratio of 9.2 and a peak power output of 112 kW served as the baseline. A validated 1D engine simulation model was developed, incorporating in-cylinder pressure calibration based on a turbulent combustion model. Using this model, Atkinson-cycle operation was realized via intake camshaft optimization. Engine performance was evaluated across a wide range of speeds and loads, focusing primarily on brake-specific fuel consumption (BSFC), torque, and overall fuel economy. A comparative analysis was conducted between the baseline engine and the optimized Atkinson-cycle configuration. The results indicate that optimizing the intake valve timing yields an approximate 2–3% reduction in average fuel consumption, achieving a 2.5% overall improvement. These findings demonstrate that implementing the Atkinson cycle via valve timing modifications effectively enhances fuel economy under the investigated operating conditions.

کلیدواژه‌ها English

Turbocharged Spark-Ignition Engine
Optimized Cam Profile
Fuel Economy
BSFC
[1] 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;92:492–502.
[2] Zhao J, Li Y, Xu F. The effects of the engine design and operation parameters on the performance of an Atkinson engine considering heat-transfer, friction, combustion efficiency and variable specific-heat. Energy Conversion and Management. 2017 Nov 1;151:11-22. doi: 10.1016/j.enconman.2017.08.066
[3] 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
[4] 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.
[5] 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
[6] 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.
[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] 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.
[9] 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.
[10] 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
[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 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
[13] 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.
[14] 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.
دوره 72، شماره 4 - شماره پیاپی 81
مقالات انگلیسی
زمستان 1404
صفحه 50-63

  • تاریخ دریافت 14 دی 1404
  • تاریخ بازنگری 09 اسفند 1404
  • تاریخ پذیرش 11 اردیبهشت 1405