Parametric Investigation of Theoretical Cycles of Two-Stroke Gasoline Engines

Abstract

Two-stroke engines, which are frequently preferred especially in small agricultural machines, small transportation vehicles and low-capacity power generators, have been used since the 19th century. In this study, a simple thermodynamic model was created and the effects of geometric compression ratio, exhaust opening angle and connecting rod length-crank length ratio parameters, which are design parameters affecting engine performance, were numerically investigated for the performance of an engine with 50 cc stroke volume. Accordingly, the effects of these three parameters on the effective compression ratio, maximum temperature, maximum pressure and effective power parameters were examined with triple graphs. Thus, the effects of all three design parameters were examined with a single graphic. As a result of the numerical analysis, it has been seen that the design parameter that most affects the engine performance is the geometric compression ratio. In addition, increasing the connecting rod length-crank length ratio significantly improves engine performance. It has been observed that choosing a low exhaust opening angle improves engine performance. The results presented here are particularly useful to engine designers.

Keywords

• Two-stroke engine
• engine performance
• thermodynamic cycle

İki Zamanlı Benzinli Motorların Teorik Çevrimlerinin Parametrik İncelenmesi

Öz

Özellikle küçük tarım makinelerinde, küçük ulaşım araçlarında ve düşük kapasiteli güç jeneratörlerinde sıklıkla tercih edilen iki zamanlı motorlar 19. yüzyıldan bu yana kullanılmaktadır. Bu çalışmada basit bir termodinamik model oluşturulmuş ve motor performansını etkileyici tasarım parametrelerinden geometrik sıkıştırma oranı, egzoz açılma açısı ve biyel uzunluğu-krank yarıçapı oranı parametrelerinin etkileri 50 cc kurs hacmine sahip bir motorun performansı için sayısal olarak incelenmiştir. Buna göre bu üç parametrenin efektif sıkıştırma oranı, maksimum sıcaklık, maksimum basınç ve efektif güç parametrelerine etkileri üçlü grafiklerle incelenmiştir. Böylelikle her üç tasarım parametresinin etkisi tek bir grafikle incelenmiştir. Yapılan sayısal inceleme neticesinde motor performansını en etkileyen tasarım parametresinin geometrik sıkıştırma oranı olduğu görülmüştür. Bununla birlikte biyel uzunluğu-krank yarıçapı oranının artırılması da motor performansını belirgin bir biçimde iyileştirmektedir. Egzoz açılma açısının düşük tercih edilmesinin motor performansını iyileştirdiği görülmüştür. Burada sunulan sonuçlar özellikle motor tasarımcılarının kullanabileceği niteliktedir.

Anahtar Kelimeler

• İki zamanlı motor
• motor performansı
• termodinamik çevrim

Kaynakça

1. [1] Blair, G. P. (1996). Design and simulation of two-stroke engines. Warrendale, PA: Society of Automotive Engineers.
2. [2] Heywood, J. B., & Sher, E. (2017). The two-stroke cycle engine: its development, operation, and design. Routledge.
3. [3] Pulkrabek, W. W. (2000). Engineering fundamentals of the internal combustion engine. Prentice hall of India.
4. [4] Zhu, S., Gu, Y., Yuan, H., Ma, Z., & Deng, K. (2020). Thermodynamic analysis of the turbocharged marine two-stroke engine cycle with different scavenging air control technologies. Energy, 191, 116533.
5. [5] Ji, W., Li, A., Lu, X., Huang, Z., & Zhu, L. (2019). Numerical study on NOx and ISFC co-optimization for a low-speed two-stroke engine via Miller cycle, EGR, intake air humidification, and injection strategy implementation. Applied Thermal Engineering, 153, 398-408.
6. [6] Theotokatos, G., Guan, C., Chen, H., & Lazakis, I. (2018). Development of an extended mean value engine model for predicting the marine two-stroke engine operation at varying settings. Energy, 143, 533-545.
7. [7] Xu, Z., Ji, F., Ding, S., Zhao, Y., Wang, Y., Zhang, Q., ... & Zhou, Y. (2021). Simulation and experimental investigation of swirl-loop scavenging in two-stroke diesel engine with two poppet valves. International Journal of Engine Research, 22(6), 2021-2034.
8. [8] Arabacı, E. (2021). Yakıt olarak benzin ve LPG kullanılan buji ateşlemeli bir motorun simülasyonu ve performans analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 36(1), 447-458

9. [9] Chen, L., Sun, F., & Wu, C. (2004). Optimal performance of an irreversible dual-cycle. Applied Energy, 79(1), 3-14.
10. [10] Arabacı, E. (2018). Artık gaz kesri ve kurs oranının tersinmez Otto çevriminin performansına ve entropi üretimine etkileri. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (14), 83-89.
11. [11] Ding, Z., Chen, L., & Sun, F. (2011). Finite time exergoeconomic performance for six endoreversible heat engine cycles: Unified description. Applied Mathematical Modelling, 35(2), 728-736.