مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی عددی تأثیر پاراترهای هندسی، زمان‌بندی جرقه و مبدل کاتالیستی بر عملکرد موتور بنزینی EF7 توسعه‌یافته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
جعفر لنگری 1
کریم علی اکبری 2
محمد شیخی 3
حمید خوشبخت فرخد 2
امیرحسین زحمتکش ‏خوب 2
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه بجنورد، بجنورد، ایران
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران
3 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
10.48311/mme.2026.118857.82950
چکیده
بهبود عملکرد موتورهای احتراق داخلی مستلزم درک دقیق تعامل پارامترهای مختلف موتور تحت شرایط کاری دینامیکی است. در این مطالعه، اثر پارامترهای زبری منیفولد، پارامترهای هندسی (نسبت تراکم و نسبت قطر به کورس)، زمان‌بندی جرقه‌ و مبدل کاتالیست بر عملکرد یک موتور بنزینی بررسی شده است. شبیه‌سازی‌ها در بازه سرعت ۱۰۰۰ تا ۶۰۰۰ دور بر دقیقه با استفاده از چارچوب تحلیل پارامتری انجام گرفت. نوآوری این پژوهش در ارزیابی جامع پارامترهای موتور و تأثیر ترکیبی آن‌ها بر شاخص‌های کلیدی عملکرد شامل گشتاور، توان و مصرف ویژه سوخت ترمزی (BSFC) نهفته است. از یک مدل جامع موتور برای ارزیابی تغییرات پارامترها استفاده شد و ترکیب‌های بهینه برای هر هدف عملکردی شناسایی گردید. نتایج نشان داد که بهینه‌سازی هم‌زمان پارامترهای هندسی، زمان‌بندی احتراق و مشخصات سامانه اگزوز عملکرد موتور بنزینی را بهبود می‌بخشد، به‌طوری که در تاخیر جرقه صفر درجه بیشینه گشتاور و توان در ۴۰۰۰ و ۶۰۰۰ دور در دقیقه حاصل شد و BSFC از 5 تا 8 درصد کاهش یافت، و در پیکربندی بهینه حجم اگزوز ۴۰۰۰۰ میلی‌متر مکعب و چگالی کاتالیزور CPI ۱۰۰، کمترین مصرف سوخت ویژه برابر 285/0 کیلوگرم بر کیلووات‌ساعت در ۳۰۰۰ دور در دقیقه به دست آمد.
کلیدواژه‌ها
بهینه‌سازی موتور
زمان‌بندی جرقه
نسبت تراکم
نسبت قطر به کورس
مصرف سوخت ویژه ترمزی
منیفولد و کاتالیزور

موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Investigation of the Effects of Geometric Parameters, Spark Timing, and Catalytic Converter on the Performance of the Developed EF7 Gasoline Engine

نویسندگان English

Jafar Langari 1
Karim Aliakbari 2
Mohammad Sheykhi 3
Hamid Khoshbakht Farokhad 2
Amir Hossein Zahmatkash Khoob 2
1 Mechanical Engineering Department, Bojnord University, Bojnord, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran
3 Faculty of Mechanical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده English

Improving the performance of internal combustion engines requires a thorough understanding of the interactions among various engine parameters under dynamic operating conditions. This study investigates the effects of manifold roughness, geometric parameters (compression ratio and bore-to-stroke ratio), spark timing, and catalytic converter characteristics on the performance of a gasoline engine. Simulations were conducted over a speed range of 1000 to 6000 rpm using a parametric analysis framework. The novelty of this research lies in the comprehensive assessment of engine parameters and their combined impact on key performance indicators — torque, power, and brake specific fuel consumption (BSFC). A comprehensive engine model was employed to evaluate parameter variations, and optimal combinations for each performance objective were identified. The results demonstrated that simultaneous optimization of geometric parameters, ignition timing, and exhaust system characteristics enhances gasoline engine performance, such that at zero-degree spark advance, maximum torque and power were achieved at 4000 and 6000 rpm with a 5–8% reduction in BSFC, and in the optimal exhaust configuration with a volume of 40,000 mm³ and catalyst density of 100 CPI, the minimum BSFC of 0.258 kg/kWh was obtained at 3000 rpm.

کلیدواژه‌ها English

Optimization
Spark Timing
Compression Ratio
Bore-to-Stroke Ratio
Brake Specific Fuel Consumption (BSFC)
Manifold and Catalyst
 
[1]         I. Veza, M. Z. Asy’ari, M. Idris, V. Epin, I. M. Rizwanul Fattah, and M. Spraggon, “Electric vehicle (EV) and driving towards sustainability: Comparison between EV, HEV, PHEV, and ICE vehicles to achieve net zero emissions by 2050 from EV,” Alexandria Eng. J., vol. 82, pp. 459–467, 2023, doi:10.1016/j.aej.2023.10.020.
[2]         B. Dogru, R. Lot, and K. K. J. Ranga Dinesh, “Valve timing optimisation of a spark ignition engine with skip cycle strategy,” Energy Convers. Manag., vol. 173, pp. 95–112, 2018, doi:10.1016/j.enconman.2018.07.064.
[3]         H. Talati, A. Ebrahimi-Moghadam, and K. Aliakbari, “Design and evaluation of an innovative variable-length manifold with variable runner connection on a 4-cylinder spark ignition engine,” Appl. Therm. Eng., p. 123796, 2024.
[4]         B. Sun, Y. Wang, C. Shi, F. Nie, and X. Yan, “Combined effect of chamber geometry and compression ratio on the combustion process in a methanol-enriched rotary engine,” Energy, vol. 318, p. 134772, 2025, doi:10.1016/j.energy.2025.134772.
[5]         J. Lee, C. Park, J. Bae, Y. Kim, Y. Choi, and B. Lim, “Effect of different excess air ratio values and spark advance timing on combustion and emission characteristics of hydrogen-fueled spark ignition engine,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 44, no. 45, pp. 25021–25030, 2019, doi:10.1016/j.ijhydene.2019.07.181.
[6]         B. Deng et al., “Key design and layout factors influencing performance of three-way catalytic converters: Experimental and semidecoupled numerical study under real-life driving conditions,” J. Clean. Prod., vol. 425, p. 138993, 2023, doi:10.1016/j.jclepro.2023.138993.
[7]         A. Kakaee and M. Karimi, “A comparative study on influence of natural gas composition on the performance of a CNG engine,” Mapta J. Mech. Ind. Eng., vol. 2, no. 3, pp. 9–18, 2018.
[8]         A.-H. Kakaee and M. Keshavarz, “Simultaneous dynamic optimization of valves timing and waste gate to improve the load step transient response of a turbocharged spark ignition engine,” J. Brazilian Soc. Mech. Sci. Eng., vol. 39, pp. 2383–2394, 2017.
[9]         M. Sheykhi, M. Chahartaghi, A. A. S. Pirooz, and R. G. J. Flay, “Investigation of the effects of operating parameters of an internal combustion engine on the performance and fuel consumption of a CCHP system,” Energy, vol. 211, p. 119041, 2020.
[10]      M. Sheykhi, M. Mehregan, A. Emamian, S. Ghorbani, K. Aliakbari, and A. A. Delouei, “Multi-objective optimization of combined cooling, heating, and power (CCHP) system based on CNG engine,” Case Stud. Therm. Eng., vol. 61, p. 105020, 2024.
[11]      H. Hosseini, A. Hajialimohammadi, I. J. Gavzan, and M. A. Hajimousa, “Numerical and experimental investigation on the effect of using blended gasoline-ethanol fuel on the performance and the emissions of the bi-fuel Iranian national engine,” Fuel, vol. 337, p. 127252, 2023.
[12]      M. M. Balakheli, M. Chahartaghi, M. Sheykhi, S. M. Hashemian, and N. Rafiee, “Analysis of different arrangements of combined cooling, heating and power systems with internal combustion engine from energy, economic and environmental viewpoints,” Energy Convers. Manag., vol. 203, p. 112253, 2020.
[13]      GT-Power v2016 user’s manual.
[14]      M. Sheykhi and M. Mehregan, “Technical and economic modeling of a trigeneration system with EF7 engine as a prime mover,” Case Stud. Therm. Eng., vol. 52, p. 103743, 2023.
[15]      A. Barjaneh and H. Sayyaadi, “A new closed-form thermodynamic model for thermal simulation of spark ignition internal combustion engines,” Energy Convers. Manag., vol. 105, pp. 607–616, 2015.
[16]      J. Heywood, “Internal combustion engine fundamentals,” 2018.
[17]      C. R. Ferguson and A. T. Kirkpatrick, Internal combustion engines: applied thermosciences. John Wiley & Sons, 2015.
[18]      J. B. Taylor, A. L. Carrano, and S. G. Kandlikar, “Characterization of the effect of surface roughness and texture on fluid flow—past, present, and future,” Int. J. Therm. Sci., vol. 45, no. 10, pp. 962–968, 2006.
[19]      R. C. Costa and J. R. Sodré, “Compression ratio effects on an ethanol/gasoline fuelled engine performance,” Appl. Therm. Eng., vol. 31, no. 2, pp. 278–283, 2011, doi:10.1016/j.applthermaleng.2010.09.007.
[20]      J. Li, W. M. Yang, and D. Z. Zhou, “Modeling study on the effect of piston bowl geometries in a gasoline/biodiesel fueled RCCI engine at high speed,” Energy Convers. Manag., vol. 112, pp. 359–368, 2016, doi:10.1016/j.enconman.2016.01.041.
[21]      L. Qian, J. Wan, Y. Qian, Y. Sun, and Y. Zhuang, “Experimental investigation of water injection and spark timing effects on combustion and emissions of a hybrid hydrogen-gasoline engine,” Fuel, vol. 322, p. 124051, 2022.
[22]      P. Piqueras, M. J. Ruiz, J. M. Herreros, and A. Tsolakis, “Influence of the cell geometry on the conversion efficiency of oxidation catalysts under real driving conditions,” Energy Convers. Manag., vol. 233, p. 113888, 2021, doi:10.1016/j.enconman.2021.113888.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 26، شماره 6
خرداد 1405
صفحه 437-450