پژوهش‌های مکانیک ماشینهای کشاورزی

پژوهش‌های مکانیک ماشینهای کشاورزی

بررسی عددی اثرات متغیرهای نسبت تراکم، زمان جرقه‌زنی و نقشه کار توربوشارژر بر پارامترهای عملکردی و آلایندگی موتور دیزل تبدیل‌ شده به CNG

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی فنی کشاورزی، پردیس ابوریحان، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 هیات علمی، گروه مهندسی فنی کشاورزی، پردیس ابوریحان، دانشگاه تهران، تهران، ایران
3 شرکت تحقیق طراحی و تولید موتور ایران خودرو، تهران، ایران
چکیده
افزایش قیمت سوخت و مقررات سختگیرانه آلایندگی، تقاضای زیادی را برای توسعه موتورهای جدید با بازده بالا و آلایندگی کم ایجاد کرده است. این تحقیق با تمرکز بر اثر متغیرهای نسبت تراکم، زمان جرقه‌زنی، و نقشه توربوشارژر بر پارامترهای عملکردی و آلایندگی به شبیه‌سازی موتور دیزل 4 سیلندر توربوشارژ برای تبدیل به موتور CNG با استفاده از نرم‌افزار تک‌بعدی جی‌تی‌پاور پرداخته است. با استفاده از نتایج حاصل از آزمون‌های تجربی اقدام به صحه‌گذاری نتایج خروجی از مدل دیزل شبیه‌سازی شده گردید. سپس مدل شبیه‌سازی شده به موتور CNG تبدیل گردید. پس از تبدیل، اثر پارامترهای کلیدی نسبت تراکم (11:1 تا 14:1)، زمان جرقه‌زنی (13 تا 21 درجه میل‌لنگ قبل از نقطه مرگ بالا) و تغییر نقشه توربوشارژر (نقشه‌های 1 تا 5) به عنوان متغیرهای مستقل بر پارامترهای عملکردی و آلایندگی اگزوز (متغیرهای وابسته) موتور CNG بررسی گردید. تعداد 45 مدل در 11 سرعت مختلف شبیه‌سازی شدند. نتایج صحه‌گذاری نشان‌داد که توان و گشتاور ترمزی موتور دیزل شبیه‌سازی شده در مقایسه با داده‌های تجربی، دارای خطای کمتر از 1 درصد در اکثریت نقاط و در موارد محدود بین 3 تا 5 درصد می‌باشد. نتایج نشان داد که بیشترین مقادیر پارامترهای عملکردی (BMEP و گشتاور ترمزی) و کمترین مقادیر آلاینده‌های اگزوز (NOx، CO، CO2 و HC) مربوط به مدل با زمان جرقه‌زنی 13 درجه میل‌لنگ قبل از نقطه مرگ بالا بود. میزان انتشار NOx، CO2 و CO موتور CNG تبدیل شده به ترتیب 60%، 50% و 40% کمتر از میزان انتشار موتور دیزل پایه بود. اگرچه میزان انتشار HC موتور تبدیل شده بیشتر از موتور دیزل پایه بوده است. بهترین عملکرد موتور CNG تبدیل شده در مدل با نسبت تراکم 14:1، زمان جرقه‌زنی 13 درجه میل‌لنگ قبل از نقطه مرگ بالا و نقشه 4 توربوشارژر به‌دست آمد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

Aliramezani, M., Koch, C.R. and Shahbakhti, M., (2022). Modeling, diagnostics, optimization, and control of internal combustion engines via modern machine learning techniques: A review and future directions. Progress in Energy and Combustion Science, 88, p.100967. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2021.100967
 
Ahmadi Pour, S., Agha Khani, M. and Zarei, J., (2021).The effect of compression ratio and alternative fuels on the performance  turbocharged diesel engine by GT-POWER software. https://doi.org/10.22067/jam.v11i2.71613 (In Persian).
 
Aosaf, M.R., Wang, Y. and Du, K., (2022). Comparison of the emission factors of air pollutants from gasoline, CNG, LPG and diesel fueled vehicles at idle speed. Environmental pollution, 305, p.119296. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.119296
 
Aktaş, F., (2022). A 0/1-dimensional numerical analysis of performance and emission characteristics of the conversion of heavy-duty diesel engine to spark-ignition natural gas engine. International Journal of Automotive Science And Technology, 6(1), pp.1-8. https://doi.org/10.30939/ijastech..980338
 
Ahmed, S.A., Zhou, S., Zhu, Y., Feng, Y., Malik, A. and Ahmad, N., (2019). Influence of injection timing on performance and exhaust emission of CI engine fuelled with butanol-diesel using a 1D GT-power model. Processes, 7(5), p.299. https://doi.org/10.3390/pr.7050299
 
Boretti, A.A., (2011). Numerical evaluation of the performance of a compression ignition CNG engine for heavy duty trucks with an optimum speed power turbine. International Journal of Engineering and Technology Innovation, 1(1), pp.12-26. Available at: https://ojs.imeti.org/index.php/IJETI/article/view/4
 
Chiong, M.S., Rajoo, S., Martinez-Botas, R.F. and Costall, A.W., (2012). Engine turbocharger performance prediction: One-dimensional modeling of a twin entry turbine. Energy Conversion and Management, 57, pp.68-78. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2011.12.001
 
Dziewiątkowski, M. and Szpica, D., (2023). Diesel Engine Full Load External Characteristic Comparison after Alternative Fuel Conversion Process. In Transport Means-Proceedings of the International Conference (Vol. 1, pp. 191-195).
 
d'Ambrosio, S., Spessa, E., Vassallo, A., Ferrera, M. and Peletto, C., (2006). Experimental investigation of fuel consumption, exhaust emissions and heat release of a small-displacement turbocharged CNG engine (No. 2006-01-0049). SAE Technical Paper
 
Delavari, M.M., Aliakbari, K. and Sheikhi, M., (2023). Numerical simulation of the EF7 engine under various operating conditions. Journal of Science and Technology in Mechanical Engineering, Autumn–Winter issue, No. 2, pp. 101–109. https://doi.org/10.22034/STME.2024.446307.1056 (In Persian).
 
Fawzi, M., Hashim, M.N., Zulkifli, F.H. and Amirnordin, S.H., (2014). Optimizing the Ignition timing of a converted cng mono-gas engine. Applied Mechanics and Materials, 554, pp.474-478. 
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.554.474
 
Fiat Powe Industrial, (2023). https://www.fptindustrial.com.
 
Ghaderi, A. and Hassanbeygi, S.R., (2024). Numerical investigation of the effect of diesel-biodiesel-bioethanol fuel mixtures on the performance parameters and emissions of a direct injection diesel engine. 4th International World Energy Conference, Kayseri, Turkey.
 
Ganesan, V. (2012). Internal Combustion Engine. McGraw-Hill.
 
Heywood, J.B. (2018). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill.
 
Hou, X.J., Chen, S. and Liu, Z.E., (2014). EGR System Performance Optimization of Diesel Engine Based on GT-Power and Fluent Co-Simulation. Advanced Materials Research, 860, pp.1703-1709. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.860-863.1703
IPCO, (2022) https://www.ip-co.com.
 
Jahirul, M.I., Masjuki, H.H., Saidur, R., Kalam, M.A., Jayed, M.H. and Wazed, M.A., (2010). Comparative engine performance and emission analysis of CNG and gasoline in a retrofitted car engine. Applied Thermal Engineering, 30(14-15), pp.2219-2226. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2010.05.037Jiang, F., Cao, W., Tan, X., Hu, J., Zhou, J. and Tan, Z., (2022). Optimization Analysis of Locomotive Diesel Engine Intake System Based on Matlab-Simulink and GT-Power. Processes, 10(1), p.157. https://doi.org/10.3390/pr10010157
 
Kumar, M.A. and Gaddipati, A., (2017). Conversion of diesel engine to CNG engine and emission control. International Journal of Science and Research (IJSR), 6(2), pp.874-877. https://doi.or/10.21275/ART2017870
 
Kül, V.S. and Akansu, S.O., (2022). Experimental Investigation of the impact of boron nanoparticles and CNG on performance and emissions of Heavy-Duty diesel engines. Fuel, 324, p.124470. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124470
 
Liu, J., Ulishney, C.J. and Dumitrescu, C.E., (2021). Experimental investigation of a heavy-duty natural gas engine performance operated at stoichiometric and lean operations. Energy Conversion and Management, 243, p.114401. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.114401
 
Likhanov, V.A. and Lopatin, O.P., (2020), April. Development of a program for converting diesel engines to natural gas. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1515, No. 5, p. 052002). IOP Publishing.https://doi.org/10.1088/1742-6596/1515/5/052002
 
Mousavi, S., Nejat, A., Alaviyoun, S.S. and Nejat, M., (2021). An integrated turbocharger matching program for internalcombustion engines. Journal of Applied Fluid Mechanics, 14(4), pp.1209-1222. https://doi.org/10.47176/jafm.14.04.32037
 
Nabi, M.N., Rasul, M. and Gudimetla, P., (2019). Modelling and simulation of performance and combustion characteristics of diesel engine. Energy Procedia, 160, pp.662-669. https://doi.org/10.22067/jam.2021.69149.1023
 
Romanyuk, V., Likhanov, V.A. and Lopatin, O.P., (2018). Reducing the environmental threat of motor vehicles by converting engines for operating on natural gas. Теоретическая и прикладная экология, (3), pp.27-32. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2018-3-027-032
 
Shatrov, M.G., Sinyavski, V.V., Dunin, A.Y., Shishlov, I.G. and Vakulenko, A.V., (2017). Method of conversion of high-and middle-speed diesel engines into gas diesel engines. Facta Universitatis, Series: Mechanical Engineering, 15(3), pp.383-395. https://doi.org/10.22190/FUME171004023S
 
Sinyavski, V.V., Shatrov, M.G., Dunin, A.Y., Shishlov, I.G. and Vakulenko, A.V., (2020), October. A zero-dimensional model for internal combustion engine simulation and some modeling results. In 2020 International Conference on Engineering Management of Communication and Technology (EMCTECH) (pp. 1-6). https://doi.org/10.1109/EMCTECH49634.2020.9311546
 
Torabi, S. and Hassan-Beygi, S.R., (2022). Investigation of the application of GT-POWER software in internal combustion engine simulation. In Seventh National Conference on Mechanical and Aerospace Engineering, Tehran. Available at: https://civilica.com/doc/1608243 (In Persian).
 
Yasar, A., Haider, R., Tabinda, A.B., Kausar, K. and Khan, K., (2013). A comparison of engine emissions from heavy, medium, and light vehicles for CNG, diesel, and gasoline fuels.
 
Yin, X., Li, W., Zhang, W., Lv, X., Yang, B., Wang, Y. and Zeng, K., (2022). Experimental analysis of the EGR rate and temperature impact on combustion and emissions characteristics in a heavy-duty NG engine. Fuel, 310, p.122394. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.122394.