بررسی تأثیر درصد اکسیژن هوای ورودی موتور بر توان، مصرف سوخت و آلایندگی

با رشد چشمگیر تعداد وسایل نقلیه موتوری و با توجه به میزان آلایندگی و مصرف سوخت برگشت ناپذیر قابل ملاحظه آن ها، امروزه پژوهش های بسیاری در زمینه بهینه سازی موتورهای وسایل نقلیه موتوری در راستای کاهش آلایندگی و مصرف سوخت و همچنین افزایش توان آن ها توسط پژوهشگران صورت گرفته است. از این رو، هدف این تحقیق بررسی تأثیر غلظت اکسیژن موجود در هوای ورودی و سرعت دورانی موتور بر آلایندگی، توان و مصرف سوخت موتور اشتعال جرقه ای بنزینی به منظور یافتن مقدار بهینه غلظت اکسیژن و سرعت دورانی موتور جهت حداقل آلودگی و مصرف سوخت و حداکثر توان می باشد. در این راستا، هوا با غلظت های اکسیژن 8/20% (هوای محیط)، 6/21%، 6/22%، 6/23%، 8/24% و 27% تهیه و در دسترس موتور قرار داده شد. سپس تأثیر آن ها بر پارامترهای آلاینده ی مونوکسیدکربن (co)، دی اکسیدکربن (co2)، هیدروکربن های نسوخته (hc) و نیتروژن-اکسیدها (nox) و همچنین گشتاور ترمزی و مصرف سوخت مورد اندازه گیری، توصیف، تجزیه واریانس anova، بررسی، مقایسه، مدل سازی رگرسیونی، مدل سازی فازی-عصبی و بهینه سازی توسط الگوریتم ژنتیک قرار گرفتند. نتایج توصیفات آماری با حدقل انحراف معیار و ضریب تغییرات مناسب نشان داد که با افزایش میزان غلظت اکسیژن موجود در هوای منیفولد ورودی موتور، میزان co و hc کاهش چشمگیر و co2، nox، گشتاور ترمزی و مصرف سوخت هرکدام به نسبتی افزایش داشتند. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش سرعت دورانی موتور همزمان با افزایش میزان غلظت اکسیژن، میزان co، co2، hc و nox کاهشی قابل ملاحظه و گشتاور ترمزی و مصرف سوخت نیز افزایش چشمگیری داشتند. با توجه به نتایج تجزیه واریانس یک طرفه anova، سرعت دورانی و غلظت اکسیژن موجود در هوای منیفولد ورودی موتور بر خروجی های co، co2، hc، nox، گشتاور ترمزی و مصرف سوخت اثر معنی داری در سطح یک درصد داشتند. همچنین، آزمون چند دامنه ای دانکن نشان داد که خروجی های co، co2، hc، nox، گشتاور ترمزی و مصرف سوخت در سرعت های دورانی و غلظت های اکسیژن مختلف دارای اختلاف معنی داری در سطح یک درصد هستند. از طرفی، تجزیه واریانس (میانگین مربعات) چند متغیره نشان داد که غلظت اکسیژن موجود در هوا، سرعت دورانی موتور و غلظت اکسیژن موجود در هوا و سرعت دورانی بطور هم زمان اثر معنی داری در سطح یک درصد بر خروجی های co، co2، hc، nox، گشتاور ترمزی و مصرف سوخت داشتند. نتایج تجربی به دست آمده مورد مدل سازی رگرسیونی دو بعدی و سه بعدی قرار گرفتند. برای هر پارامتر در دو بعد و سه بعد با ضریب تعیین بالای 90% مدل های رگرسیونی ایجاد گردید. همچنین برای هر پارامتر مدل های فازی-عصبی با ضریب تعیین بالای 98% و rmse بسیار مناسب ایجاد گردید. مدل های رگرسیونی دو بعدی به دست آمده توسط الگوریتم ژنتیک بهینه سازی شدند. به ترتیب میزان غلظت اکسیژن و سرعت دورانی بهینه گزارش شده توسط الگوریتم ژنتیک برای مونوکسیدکربن برابر 056/24% و rpm 4103، دی اکسید کربن برابر 7/20% و rpm 5100، هیدروکربن های نسوخته برابر 735/24% و rpm 3454، نیتروژن اکسیدها برابر 7/20% و rpm 5083، گشتاور ترمزی برابر 51/37% و rpm 5000 و مصرف سوخت برابر 7/20% و rpm 920 بودند. با جایگذاری مقادیر ورودی بهینه به دست آمده در مدل های رگرسیونی میزان مونوکسیدکربن برابر 001941/0%، دی اکسیدکربن برابر 7843074/10%، هیدروکربن های نسوخته برابر ppm 00428556/0، نیتروژن اکسیدها برابر ppm 01073446/0، گشتاور ترمزی برابر n.m 036/149 و مصرف سوخت برابر l/100km 23/5 به دست آمدند. مدل های رگرسیونی سه بعدی به دست آمده نیز توسط الگوریتم ژنتیک بهینه سازی چندمنظوره شدند. میزان غلظت اکسیژن و سرعت دورانی بهینه گزارش شده توسط الگوریتم ژنتیک برای آلایندگی به ترتیب برابر 573/22% و rpm 3456 بودند. با جایگذاری مقادیر ورودی بهینه به دست آمده در مدل های رگرسیونی میزان مونوکسیدکربن برابر 077/0%، دی اکسیدکربن برابر 677/11%، هیدروکربن های نسوخته برابر ppm 585/33 و نیتروژن اکسیدها برابر ppm 226/37 به دست آمدند. میزان غلظت اکسیژن و سرعت دورانی بهینه گزارش شده توسط الگوریتم ژنتیک برای گشتاور ترمزی-مصرف سوخت (توأم) مدل های رگرسیونی نیز به ترتیب برابر 068/22% و rpm 1666 بودند. با جایگذاری مقادیر ورودی بهینه به دست آمده در مدل های رگرسیونی میزان گشتاور ترمزی برابر n.m 886/74 و مصرف سوخت برابر l/100km 932/7 به دست آمدند. مدل های فازی-عصبی به دست آمده نیز توسط الگوریتم ژنتیک بهینه سازی چندمنظوره شدند. میزان غلظت اکسیژن و سرعت دورانی بهینه گزارش شده توسط الگوریتم ژنتیک برای آلایندگی به ترتیب برابر 861/22% و rpm 2795 بودند. با جایگذاری مقادیر ورودی بهینه به دست آمده در مدل های فازی-عصبی میزان مونوکسیدکربن برابر 105/0%، دی اکسیدکربن برابر 1/12%، هیدروکربن های نسوخته برابر ppm 271/33 و نیتروژن اکسیدها برابر ppm 614/46 به دست آمدند. میزان غلظت اکسیژن و سرعت دورانی بهینه گزارش شده توسط الگوریتم ژنتیک برای گشتاور ترمزی-مصرف سوخت (توأم) مدل های فازی-عصبی نیز به ترتیب برابر 26/24% و rpm 2426 بودند. با جایگذاری مقادیر ورودی بهینه به دست آمده در مدل های فازی-عصبی میزان گشتاور ترمزی برابر n.m 28/88 و مصرف سوخت برابر l/100km 772/10 به دست آمدند. برای مقایسه دو مدل فازی-عصبی و رگرسیونی نرم افزاری توسط زبان برنامه نویسی matlab نوشته شد که کمک شایانی به پیش بینی آلایندگی، توان و مصرف سوخت موتور بنزینی با توجه به میزان درصد اکسیژن هوای ورودی و سرعت دورانی موتور می کند. دبی هوای مصرفی موتور توسط مدلی خطی با ضریب تبیین 994/0 معرفی گردید.