فهرست مطالب

نشریه تحقیقات موتور
پیاپی 65 (Winter 2022)

  • تاریخ انتشار: 1400/12/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • علیرضا نعمتی، صیاد نصیری*، حسین رحیمی آسیابرکی، امیرحسین خانکی صفحات 3-20
    ارزیابی عملکرد موتورهای احتراق داخلی و تعیین استانداردهای مختلف آلایندگی، اهمیت کاهش آلایندگی و همچنین مصرف بهینه سوخت در این موتورها را آشکار کرده است. بر همین اساس، سامانه های مدیریت موتور مورد استفاده قرار می گیرند که از طریق تهیه مخلوط هوا و سوخت مناسب، منجر به بهینه سازی توان و کاهش انتشار آلاینده های خروجی می شوند. سامانه های مدیریت موتور امروزه قادر به تعیین و تامین دقیق مخلوط هوا و سوخت هستند. با این حال، عملکرد موتورهای احتراق داخلی که سوخت آن ها در داخل چندراهه ورودی پاشش می شود، بسیار وابسته به زمان عملیات سوخت رسانی است که فاز تزریق سوخت نامیده می شود. روش های مختلفی جهت تشخیص فاز تزریق سوخت وجود دارد که متداول ترین آن ها استفاده از حسگر موقعیت میل بادامک است. بااین وجود، این موضوع همچنان به عنوان یکی از چالش هایی که بیشتر کار محققان را به خود اختصاص داده است، در نظر گرفته می شود. چراکه استفاده از حسگرهای موقعیت میل بادامک و موارد مشابه منجر به افزایش هزینه های تولید و همچنین برخی پیچیدگی ها در خدمات پس از فروش می شود. بنابراین، این تحقیق با هدف طراحی یک الگوی مدیریتی برای تعیین فاز تزریق سوخت و همچنین شناسایی لحظه بسته شدن دریچه ورودی با ارزیابی داده حسگر فشار چندراهه ورودی موتور تک استوانه انجام شده است. در مرحله بعد این قابلیت به سامانه مدیریت موتور اضافه و عملکرد آن ارزیابی شد. نتایج به دست آمده نشان داد که تعیین فاز تزریق از طریق این روش به خوبی امکان پذیر است. علاوه بر این، به منظور شناسایی تاثیر این الگو بر کاهش آلاینده های خروجی، آزمون آلایندگی ECE-R40 انجام و نتایج آن با سطح آلاینده های خروجی در زمانی که سامانه مدیریت موتور مجهز به این الگو نبود، مقایسه شد. این مقایسه نشان می دهد که با استفاده از الگوریتم تشخیص فاز، میانگین مونوکسید کربن، هیدروکربن های نسوخته و اکسیدهای ازت هر کدام به ترتیب 5.9، 9.4 و 2.6 درصد کاهش می یابد.
    کلیدواژگان: موتور تک استوانه، تشخیص فاز سوخت، زمان بندی تزریق، موتور چهارزمانه، مهار آلایندگی موتور
  • رضا فیروزی*، فرید باقرپور، امیرحمزه فرج الهی صفحات 21-41
    در مقاله حاضر، تاثیر استفاده از هندسه های مختلف دهانه و بالابرهای سوزنی بر انتقال گذرا جرم گرما و مقادیر نشان دهنده احتراق و گونه های آلاینده هوا در انژکتورهای سوخت سیستم محرکه دریایی با استفاده از کد AVL-Fire CFD مورد بررسی قرار گرفته است. تاثیر هر یک از پروفیل های هندسی پیشنهادی و حرکت سوزن (مثلثی، ذوزنقه ای و چکمه ای) با کمک یک مش متحرک سه بعدی به وسیله مدل عددی در نرم افزار AVL Fire که با داده های آزمایشی در هر قسمت تایید شده است، بر روی عملکرد و گونه های آلاینده هوا سیستم پیشران دریایی توسط ماژول ANALYZER بررسی شده است. نتایج عددی نشان می دهد که مخروطی همگرا با پروفیل بالابر سوزنی ذوزنقه ای عملکرد موتور، راندمان و آلودگی کمتر NO را دارد. اگرچه، مخروطی واگرا با پروفیل بالابر سوزنی ذوزنقه دارای آلودگی CO کمتری است. مصرف سوخت 18.5 درصد کاهش می یابد و قدرت و گشتاور آن 64 درصد افزایش می یابد. همچنین در این حالت آلاینده های مونوکسید کربن 14 درصد و آلاینده های اکسید نیتروژن 10 درصد کاهش می یابند تا وضعیت بهینه به دست آید. در این حالت راندمان نشان داده شده و بازده مکانیکی به ترتیب 22% و 41.5% افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: سیستم پیشرانش دریایی، انتقال حرارت و جرم، گونه های الاینده هوا، پروفیل ذوزنقه، حرکت سوزن
  • محمدرضا همایی نژاد*، صادق یعقوبی، وحید خرمی راد صفحات 42-59
    این مقاله، روش جدیدی را برای کنترل مد لغزشی گسسته، مبتنی بر مدل، برای استارت سرد یک موتور اشتعال جرقه ای با در نظر گرفتن اثرات دینامیک غیرخطی، عدم قطعیت مدل سازی و پیکربندی های سوییچ چندگانه دینامیک را ارایه می دهد. الگوریتم کنترل با مساله تثبیت و ردیابی سرعت میل لنگ، نسبت هوا به سوخت و دمای کاتالیزور در حالت استارت سرد سروکار دارد. برای این منظور، یک تابع لغزش منحصر به فرد به هر مساله ردیابی اختصاص داده شده که متعاقبا در ساخت تابع لیاپانوف مرتبط استفاده می شود. سرعت میل لنگ با استفاده از نرخ جریان جرم هوا در راهگاه ورودی با در نظر گرفتن معادلات دینامیکی مرتبط که جریان جرم هوا را توصیف می کنند، تنظیم می شود. برای اطمینان از کنترل دقیق نسبت هوا به سوخت، مدل کنترل لغزشی با در نظر گرفتن نرخ جریان جرم هوا محاسبه است که منجر به عبارات غیر خطی می شود که متعاقبا در محاسبه نرخ جریان جرم سوخت مناسب به کار می روند. تثبیت دمای کاتالیزور از طریق تعریف ورودی کنترلی مجازی مربوط به زاویه جرقه انجام می شود. از آنجایی که دمای کاتالیزور با استفاده از عبارات ریاضی لگاریتمی توصیف می شود، مراحل اضافی باید برای اطمینان از امکان سنجی الگوریتم کنترل در شرایط عملیاتی مختلف در نظر گرفته شود. کنترل طراحی شده به صورت عددی در مدل ریاضی معتبر موتور تویوتا 2AZ-FE اعمال شد تا کارایی و دقت عملکرد بازخورد را ارایه دهد.
    کلیدواژگان: کنترل دیجیتال موتور، فرآیند سوئیچینگ، موتور اشتعال جرقه ای، کنترل مد لغزشی، کنترل مقاوم
  • جعفر بذرافشان، سید علی جزایری*، حسام الدین سالاریان، مجتبی ابراهیمی، جهانفر خالقی نیا صفحات 60-74
    هدف از این مطالعه بررسی اثر افزودن هیدروژن بر عملکرد و انتشار آلاینده یک موتور دیزل سنگین تحت احتراق RCCI با سوخت گاز طبیعی و گازوییل است. بر این اساس، یک موتور دیزل تک سیلندر دیزل سنگین برای کار در محدوده بار پایین از فشار موثر متوسط اندیکاتوری ناخالص از 5.6 تا 7.7 بار، دور ثابت موتور، و مقدار ثابت گازوییل مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر این، برای کاهش مصرف سوختهای هیدروکربنی، به تدریج هیدروژن به گاز طبیعی اضافه می شود در حالیکه محتوای کل انرژی سوخت ثابت نگهداشته می شود. نتایج نشان می دهد که با افزودن هیدروژن به گاز طبیعی در موتور RCCI در فشار موثر متوسط اندیکاتوری ناخالص 5.6، 6.3 و 7.7 بار، سهم انرژی هیدروژن به ترتیب تا 35.7٪، 23.70٪ و 9.93٪ ارتقا می یابد. همچنین، مصرف کلی سوخت هیدروکربنی در هر چرخه را می توان به ترتیب تا 45/23 درصد، 29/26 درصد و 12/07 درصد کاهش داد. اگرچه انتشار آلاینده های CO و UHC به شدت کاهش می یابد اما آلاینده NOx به طور قابل توجهی با افزودن هیدروژن در مقایسه با احتراق RCCI با سوختهای گاز طبیعی و گازوییل افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: احتراق RCCI، گاز طبیعی، هیدروژن، انتشار آلاینده، محدوده بار پائین
  • یوسف درویشی، رضا حسن بیگی*، پیام زرافشان، خدیجه هوشیاری صفحات 75-87
    پیل سوختی بهترین پیشنهاد برای جایگزینی موتورهای درونسوز می باشد. سیستم های پیل سوختی هیچ گونه آلودگی نداشته و اجزای متحرک ندارند. بازده پیل های سوختی بیش از سه برابر موتورهای درونسوز است. مدلسازی رفتار پیل سوختی غشای تبادل پروتون دارای پیچیدگی های ویژه ای می باشد و تعیین عملکرد آن بر حسب ویژگی های ساختاری آن یکی از پارامترهای مورد نیاز برای شناخت بیشتر رفتار پیل های سوختی غشای تبادل پروتون می باشد. در این مطالعه، یک نوع پیل سوختی غشا پلیمری برای کاربرد در خودرو تحلیل گردید. در این مدل سازی، انواع حرارت های تولیدی-مصرفی در سمت های آند و کاتد (از قبیل: حرارت نیم واکنش ها، حرارت اکتیواسیون، حرارت جذب/دفع و...) لحاظ گردید و تحت این شرایط عملکرد پیل سوختی بررسی شد. نتایج حاصل از شبیهسازیها نشان داد که مقدار همهی احرارتها در طول کانال جریان کاهش پیدا میکند (با متوسط عدد رینولدز 612). بررسی تاثیر رطوبت نسبی نشان داد که رطوبت نسبی آند در طول کانال جریان کاهش می باید .سرعت در لایه غشا به دلیل کوچک تر بودن ضریب نفوذپذیری این لایه نسبت به لایه های پخش گاز و واکنشگرها  (کاتد) بسیار کمتر می باشد.
    کلیدواژگان: خودرو، سامانه، پیل سوختی، غشا پلیمری، مدل سازی
  • سید اشکان موسویان* صفحات 88-99
    این مقاله به ارایه یک روش بینایی ماشین برای تشخیص خطای نصب یاتاقان شاتون (متحرک) در موتورهای چهار سیلندر می پردازد. از آنجایی که همواره خطاهای انسانی در خطوط تولید موتور وجود دارد که باعث کاهش کیفیت محصول نهایی می شود، راه اندازی سیستم های بینایی ماشین هوشمند به منظور رصد فرایند همبندی قطعات و جلوگیری از خطاهای نصب بسیار لازم است. روش پیشنهادی به این صورت است که با گرفتن تصویر بدنه موتور، یک تصویر دودویی ایجاد می کند که کل تصویر سیاه بوده و فقط محل هایی که یاتاقان های متحرک وجود دارد سفید است، و همچنین اعلام می کند که کدام یاتاقان ها وجود دارند و کدام ها نصب نشده اند. بدین منظور ابتدا تصاویر 16 حالت مختلف از نصب یاتاقان توسط دوربین گرفته شد. سپس تمام تصاویر با ترکیبی از روش های پردازش تصویر شامل فیلتر گاوسی، آستانه گذاری و بخش بندی تصویر، و تکنیک های ریخت شناسی از جمله فرسایش و گسترش تجزیه و تحلیل شدند. در نهایت، با اعمال قواعد اگر-آنگاه در مورد ویژگی های اشیاء ایجاد شده در تصویر، وضعیت آن تصمیم گیری شد. نتایج نشان داد که بهترین محدوده آستانه برای جداسازی یاتاقان از سایر قسمت های تصویر بین 110 تا 245 است. همچنین یک المان ساختاری دیسکی شکل با شعاع 60، بهترین ابزار ریخت شناسی برای تشخیص یاتاقان ها را ارایه داد. علاوه بر این، نتایج نشان داد که نواحی متعلق به یاتاقان های متحرک مساحتی بین 30  تا حدود 80 هزار پیکسل داشتند. با استفاده از قواعد اگر-آنگاه، حالات مختلف نصب یاتاقان در تمام تصاویر، به طور موفقیت آمیز با دقت 100 درصد تشخیص داده شد. کل زمان تجزیه و تحلیل هر تصویر حدود 1 ثانیه بود. بنابراین نتایج نشان داد که سامانه بینایی ماشین پیشنهادی، ابزاری بدون خطا و سریع برای تشخیص وجود یاتاقان های متحرک را فراهم می کند که می تواند به عنوان یک سامانه ضدخطا در خط تولید موتور مورد استفاده قرار گیرد.
    کلیدواژگان: بینایی ماشین، موتور درونسوز، یاتاقان متحرک، بخش بندی تصویر، ریخت شناسی
|
  • Alireza Nemati, Sayyad Nasiri *, Hossein Rahimi Asiabaraki, Amirhossein Khanaki Pages 3-20
    Performance evaluation of Internal Combustion Engines (ICEs) and setting different emission standards has manifested the importance of pollution reduction as well as the optimal fuel consumption of these engines. Accordingly, the Engine Management Systems (EMS) are utilized which resulted in optimizing the power alongside the decrease in pollutant emission, through preparing the appropriate air-fuel mixture. Engine management systems are nowadays able to provide an accurate air-fuel mixture. However, the performance of Port Fuel Injection (PFI) engines is also highly dependent on the time of fueling operation which is called the fuel injection phase. There are several methods to achieve the fuel injection phase, the most common of which is using the camshaft position sensor. Nevertheless, this issue is still considered as one of the challenges, devoting much of the researchers’ work, in that using camshaft position sensors and similar ones result in increased production costs as well as some complexities in after-sales services. Therefore, this study aimed to design a control algorithm and determine the fuel injection phase as well as identify the moment of inlet valve closure by evaluation of manifold pressure sensor signal of a single-cylinder engine. In the next step, this feature was added to the engine management system and the engine performance was assessed. The results indicated that it is perfectly possible to determine the injection phase through this method. Moreover, to define the effect of this algorithm on emission reduction, the ECE-R40 emission test was held and its results were compared with the emissions level when the engine management system was not equipped with this algorithm. This comparison shows, by using the phase-detection algorithm, the mean carbon monoxide, unburned hydrocarbons, and nitrogen oxides reduced each by 5.9%, 9.4%, and 2.6%, respectively.
    Keywords: Single cylinder engine, Fuel phase detection, injection timing, Four-stroke engine, Engine emission control
  • Reza Firuzi *, Farid Bagherpoor, Amirhamzeh Farajollahi Pages 21-41
    In the present paper, the effect of using Different Orifice Geometries & Needle Lifts on transient heat-mass transfer and Combustion Indicated Quantities & Air Pollutant Species has been investigated in Marine Propulsion System Fuel Injectors using AVL-Fire CFD code. The effect of each of the proposed geometry and needle movement profiles (triangular, trapezius & boot) with the help of a three-dimensional moving mesh by numerical model in AVL Fire software, which has been validated with experimental data in each part, on the performance & Air Pollutant Species of the Marine Propulsion System has been investigated by ANALYSER module. Numerical results show that converged conical with trapezius needle lift profile has better engine performance, efficiencies and lower NO pollution. Although, diverged conical with trapezius needle lift profile has lower CO pollution. Fuel consumption decreases by 18.5% and its power and torque increase 64%. Also in this case, carbon monoxide pollutants decrease by 14% and nitrogen oxide pollutants decreasing by 10% for optimum status. In these case, indicated and mechanical efficiencies are increasing 22% and 41.5%, respectively.
    Keywords: Marine Propulsion System, Heat, mass transfer, Air Pollutant Species, trapezius profile, Needle Lifts
  • Mohammad Reza Homaeinezhad *, Sadegh Yaqubi, Vahid Khorrami Rad Pages 42-59
    This paper details a new method for model-based discrete sliding mode control of a spark ignition (S.I.) engine cold start considering nonlinear dynamic effects, modeling uncertainty and multiple switched dynamic configurations. Control algorithm deals with stabilization and tracking problems that correspond to crank-shaft velocity, air-to-fuel ratio (AFR) and catalyst temperature in cold start operating mode. To this end, an individual sliding function is assigned to each tracking problem which is subsequently used in construction of associated Lyapunov function. Crank-shaft velocity is regulated using air mass flow rate into intake manifold considering associated dynamic equations describing air mass flow. To ensure precise AFR control, the sliding control model is constructed considering the previously calculated air mass flow rate which leads to nonlinear expressions that are subsequently employed in calculation of appropriate fuel mass flow rate. Stabilization of catalyst temperature is conducted through definition of a virtual control input corresponding to spark angle. As catalyst temperature is described using logarithmic mathematical expressions, additional steps have to be considered to ensure feasibility of control algorithm in various operating conditions. The designed control was numerically applied to validated mathematical model of Toyota 2AZ-FE engine so as to render efficiency and precision of feedback performance.
    Keywords: Digital Engine Control, Switching Process, Spark Ignition (S.I.) Engine, sliding mode control, Robust control
  • Jafar Bazrafshan, Seyed Ali Jazayeri *, Hesamoddin Salarian, Mojtaba Ebrahimi, Jahanfar Khaleghinia Pages 60-74
    The aim of this study is to evaluate the effect of hydrogen addition on a heavy-duty diesel engine performance and emission under RCCI combustion fueled with natural gas and diesel fuel. For this purpose, a single-cylinder heavy-duty diesel engine is used to operate at a low-load range from 5.6 to 7.7 bar gross IMEP, constant engine speed, and a fixed amount of diesel fuel. Furthermore, in order to reduce hydrocarbon fuels consumption, hydrogen is gradually added to natural gas while the total fuel energy content is kept to be constant. The results show that by adding hydrogen to natural gas in the RCCI engine at 5.6, 6.3, and 7.7 bar gross IMEP, the hydrogen energy share would be enhanced up to 35.7%, 23.70%, and 9.93%, respectively. And also, the overall hydrocarbon fuels consumption per cycle can be reduced up to 45.23%, 29.26%, and 12.07%, respectively. Although CO and UHC emissions decrease drastically, NOx increases significantly with the addition of hydrogen compared to RCCI combustion fueled with natural gas and diesel fuel.
    Keywords: RCCI combustion, Natural gas, Hydrogen, Emission, Low load
  • Yousef Darvishi, Reza Hassan-Beygi *, Payam Zarafshan, Khadijeh Hooshyari Pages 75-87
    Not only are Fuel cell vehicles one of the significant options to replace gasoline engines, but they also come with a multitude number of benefits; For instance, fuel cell efficiency is more than about three times the efficiency of engines with internal combustion. According to the specific complexities of modeling the behavior of PEMFC, determining the performance of this system in case of its structural characteristics is considered as one of the parameters needed to better know of behavior the PEMFC. The present study attempts to find and examine a polymer membrane fuel cell for utilizing in a vehicle. To examine the performance of fuel cells, the modeling process was done by addressing diverse production-consumption heat in the anode and cathode positions and waterflood conditions. Using quadratic method, the flow channels were meshed and based on the finite difference method the mathematical equations were numerically discretized in the steady-state. Based on the simulation results, all heat values decrease over the channel of flow. By evaluating the relative humidity effect, it was obvious that the cathode relative humidity didn’t change considerably along the channel of flow and at the same time, the relative humidity of the anode decreased along the channel of flow. There was a significantly low membrane layer velocity given the fact that this layer had a lower permeability coefficient in comparison with reactant layers and gas diffusion (Average Reynolds number: 612).
    Keywords: Fuel cell system, Numerical Modeling, Automotive, FCV
  • Ashkan Moosavian * Pages 88-99
    This paper presents a machine vision approach to detect the installation error of conrod bearing in four-cylinder engines. Since there are always human errors in engine production lines that would reduce the quality of the final product, it is vital to establish the intelligent machine vision systems in order to track the process of assembling parts and prevent installation errors. The proposed method is such that by taking an engine block image, it produces a binary image that the whole image is black and only the places where conrod bearings exist are white, and also it announces which bearings are present and which ones are not installed. To this end, firstly the images of 16 different bearing installation cases were captured by camera. Then, all images were analyzed with a combination of image processing methods including Gaussian filtering, image thresholding and segmentation, and morphological techniques including erosion and dilation. Finally, with applying if-then rules on the characteristics of the objects created in the image, its condition was decided. The results showed that the best threshold range for separating the bearing from other parts of image was between 110 and 245. Also a disk-shaped structuring element with the radius of 60 provided the best morphological tool to detect the bearings. In addition, the results demonstrated that the regions belonged to conrod bearings had an area between 30,000 and about 80,000 pixels. With using if-then rule, the different bearing installation cases in all images were successfully detected with 100% accuracy. The total time for analyzing each image was about 1 s. So the results showed that the proposed machine vision system provided a non-error and fast tool for detecting the existence of conrod bearings which can be served as a Poka-Yoke system in the engine production line.
    Keywords: Machine vision, IC Engine, Conrod Bearing, Image Segmentation, Morphology