DOI: https://doi.org/10.5937/fme2601159h
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Ha Hoc وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في أداء وخصائص الاحتراق والانبعاثات لمحرك ديزل ثابت أحادي الأسطوانة يعمل على خلطات الأمونيا والديزل، مع التركيز بشكل خاص على تركيزات طاقة الأمونيا تصل إلى 10%. باستخدام نموذج محاكاة AVL BOOST، تفحص الدراسة محرك RV-125، المستخدم بشكل شائع في المناطق الريفية في فيتنام، تحت فترات احتراق متغيرة (80 و100 و120 درجة من زاوية الكرنك) وعند تحميل محرك بنسبة 85%. تشير النتائج الرئيسية إلى أنه بينما تعزز خلطات الأمونيا بنسبة 10% طاقة المحرك قليلاً بحوالي 1%، فإنها تزيد أيضاً من استهلاك الوقود المحدد عند الكبح بسبب كثافة الطاقة المنخفضة للأمونيا. تؤدي وجود الأمونيا إلى زيادة معتدلة في معدل تحرير الحرارة الأقصى (HRR) عند فترات الاحتراق القصيرة ولكنها تؤدي إلى انخفاض في الفترات الأطول. ومن الجدير بالذكر أن خلط الأمونيا يقلل بشكل كبير من انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) بأكثر من 22% وانبعاثات أول أكسيد الكربون (CO) بحوالي 27%، بينما تبقى انبعاثات السخام دون تغيير كبير.
تؤكد استنتاجات الدراسة على إمكانية أنظمة الوقود المزدوج من الأمونيا والديزل في التخفيف من الانبعاثات الضارة دون التضحية بأداء المحرك. تكشف التحليلات أن إضافة الأمونيا تؤخر باستمرار معدل HRR الأقصى، وضغط الأسطوانة، ودرجة الحرارة بمقدار 1.5 إلى 2.8 درجة من زاوية الكرنك مقارنة بالديزل النقي. علاوة على ذلك، ينخفض الضغط الأقصى مع زيادة محتوى الأمونيا ومدة الاحتراق، بينما تشهد العزم والطاقة تحسينات معتدلة. تدعو النتائج إلى مزيد من البحث في تحسين توقيت الاحتراق لنسب طاقة الأمونيا المختلفة واستكشاف المقارنات مع وقود خالٍ من الكربون آخر، مثل الهيدروجين، لتعزيز فهم أنظمة الوقود المزدوج في المحركات الثابتة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لحلول الوقود البديلة بسبب تراجع احتياطيات الوقود الأحفوري والضرورة لتحقيق انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) الصفرية في قطاعات مثل الشحن والتصنيع. تؤكد التزام المنظمة البحرية الدولية بتقليل انبعاثات غازات الدفيئة بحلول عام 2050 على ضرورة وجود استراتيجيات شاملة لإزالة الكربون. من بين البدائل المختلفة، تبرز الأمونيا (NH₃) كوسيلة طاقة خالية من الكربون واعدة، حيث تقدم مزايا مثل سهولة التسييل، وكثافة الطاقة الحجمية العالية، وبنية تحتية راسخة للإنتاج والتوزيع. ومع ذلك، فإن التحديات المتعلقة بخصائص الاشتعال وقيمة التسخين المنخفضة مقارنة بوقود الديزل تتطلب مزيدًا من التحقيق في تطبيقها في محركات الاحتراق الداخلي (ICEs).
تستعرض الورقة الأدبيات الموجودة حول استخدام الأمونيا في المحركات المترددة، مشيرة إلى أنه بينما يمكن أن تؤدي نسب استبدال الأمونيا الأعلى إلى تقليل انبعاثات NH₃ غير المحترقة، إلا أنها قد تؤدي أيضًا إلى زيادة انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NO₃) بسبب ارتفاع درجات الحرارة داخل الأسطوانة. تهدف هذه الدراسة إلى سد فجوة بحثية من خلال استكشاف نسب طاقة الأمونيا المنخفضة، مع فرضية أنها يمكن أن تخفف من تكوين NO₃ مع الاحتفاظ بفوائد الأمونيا كوقود خالٍ من الكربون. التركيز هو على محرك ديزل ثابت أحادي الأسطوانة، تم نمذجته باستخدام برنامج AVL BOOST، لتقييم تأثير نسب خلط الأمونيا والديزل على خصائص الاحتراق وأداء المحرك والانبعاثات تحت ظروف تحميل عالية. من المتوقع أن توفر النتائج رؤى قيمة لتطوير حلول طاقة أنظف وأكثر استدامة في السياقات الزراعية، حيث تكون المحركات الثابتة شائعة.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المستخدمة، بما في ذلك الكواشف المحددة، والمعدات، وأي عينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية العمليات خطوة بخطوة لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، والمدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. تعتبر الدقة في المنهجية ضرورية لتأسيس موثوقية النتائج وآثارها اللاحقة في مجال الدراسة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضيات الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في مقاييس الأداء، تم قياسها بواسطة المعادلة $Y = \beta_0 + \beta_1X + \epsilon$، حيث يمثل $Y$ المتغير الناتج، و$X$ المتغير المستقل، و$\epsilon$ مصطلح الخطأ.
علاوة على ذلك، تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين التدخل والتحسينات الملحوظة، كما يتضح من معامل الارتباط $r = 0.85$. تدعم هذه النتيجة الفرضية القائلة بأن الاستراتيجيات المنفذة تعزز الأداء بشكل فعال. تسلط المناقشة الضوء على آثار هذه النتائج على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية، مع التأكيد على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في الآليات الأساسية التي تدفع هذه التحسينات.
مناقشة
يستعرض قسم المناقشة في ورقة البحث تطوير ونمذجة نموذج محرك مزدوج الوقود باستخدام AVL BOOST، مع التركيز بشكل خاص على محرك Vikyno RV 125_2. يتضمن النموذج تكوين محرك ديزل-NH₃، مع مكونات مختلفة مثل نقاط القياس وعناصر تقييد التدفق لمراقبة حالات الغاز والتحكم في عملية حقن الأمونيا. تبرز الدراسة إمكانيات الأمونيا كوقود نظيف بسبب احتراقها الخالي من الكربون وحرارة التبخر الكبيرة، على الرغم من كثافتها الطاقية المنخفضة مقارنة بالديزل. تعرف البحث نسبة طاقة الأمونيا (RAE) لتقييم المساهمة الطاقية من الأمونيا في إعداد الوقود المزدوج، مع التأكيد على أهمية التحكم الدقيق في الجرعة لتحقيق الأداء الأمثل.
تستخدم نماذج الاحتراق وانتقال الحرارة في الدراسة نهج “Vibe 2-zone” لمحاكاة عملية احتراق الأسطوانة، مع الأخذ في الاعتبار الخصائص الديناميكية الحرارية وآليات انتقال الحرارة. تشير النتائج إلى أن خلط الأمونيا يؤثر على سلوك الاحتراق، حيث تؤدي النسب الأعلى من الأمونيا إلى زيادة معدلات تحرير الحرارة (HRR) وتغيير ملفات ضغط الأسطوانة. تظهر النتائج أنه بينما يمكن أن يعزز خلط الأمونيا العزم وإنتاج الطاقة، فإنه يؤدي أيضًا إلى زيادة استهلاك الوقود المحدد عند الكبح (BSFC) بسبب القيمة الحرارية المنخفضة للأمونيا. تكشف تحليل الانبعاثات أن الأمونيا تقلل بشكل كبير من انبعاثات NOx بينما تؤثر أيضًا على انبعاثات CO والسخام، مع تفاعلات معقدة تعتمد على سرعة المحرك ومدة الاحتراق. بشكل عام، توضح الدراسة أنه يمكن دمج الأمونيا بشكل فعال في محركات الديزل، مما يوفر طريقًا نحو احتراق أنظف وتحسين أداء المحرك.
DOI: https://doi.org/10.5937/fme2601159h
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Ha Hoc et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
This study investigates the performance, combustion characteristics, and emissions of a stationary single-cylinder diesel engine operating on ammonia-diesel blends, specifically focusing on ammonia energy concentrations of up to 10%. Utilizing the AVL BOOST simulation model, the research examines the RV-125 engine, commonly used in rural Vietnam, under varying combustion durations (80, 100, and 120 crank angle degrees) and at 85% engine load. Key findings indicate that while a 10% ammonia blend slightly enhances engine power by approximately 1%, it also increases brake specific fuel consumption due to ammonia’s lower energy density. The presence of ammonia leads to a modest increase in the peak heat release rate (HRR) at shorter combustion durations but results in a decrease at longer durations. Notably, ammonia blending significantly reduces nitrogen oxides (NOx) emissions by over 22% and carbon monoxide (CO) emissions by about 27%, while soot emissions remain largely unchanged.
The study’s conclusions emphasize the potential of ammonia-diesel dual-fuel systems to mitigate harmful emissions without sacrificing engine performance. The analysis reveals that the addition of ammonia consistently retards the peak HRR, in-cylinder pressure, and temperature by 1.5 to 2.8 crank angle degrees compared to pure diesel. Furthermore, the maximum pressure decreases with increasing ammonia content and combustion duration, while torque and power see modest improvements. The findings advocate for further research into optimizing combustion timing for various ammonia energy ratios and exploring comparisons with other carbon-free fuels, such as hydrogen, to enhance the understanding of dual-fuel systems in stationary engines.
Introduction
The introduction highlights the urgent need for alternative fuel solutions due to the decline in fossil fuel reserves and the imperative to achieve net-zero greenhouse gas (GHG) emissions in sectors like shipping and manufacturing. The International Maritime Organization’s commitment to reducing GHG emissions by 2050 underscores the necessity for comprehensive decarbonization strategies. Among various alternatives, ammonia (NH₃) emerges as a promising carbon-free energy vector, offering advantages such as easy liquefaction, high volumetric energy density, and a well-established production and distribution infrastructure. However, challenges related to its ignition properties and lower heating value compared to diesel fuel necessitate further investigation into its application in internal combustion engines (ICEs).
The paper reviews existing literature on ammonia’s use in reciprocating engines, noting that while higher ammonia substitution ratios can reduce unburned NH₃ emissions, they may also lead to increased nitrogen oxides (NO₃) emissions due to elevated in-cylinder temperatures. This study aims to fill a research gap by exploring lower ammonia energy ratios, hypothesizing that they can mitigate NO₃ formation while retaining the benefits of ammonia as a carbon-free fuel. The focus is on a single-cylinder stationary diesel engine, modeled using AVL BOOST software, to evaluate the impact of ammonia-diesel blend ratios on combustion characteristics, engine performance, and emissions under high-load conditions. The findings are expected to provide valuable insights for developing cleaner and more sustainable energy solutions in agricultural contexts, where stationary engines are prevalent.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the materials used, including specific reagents, equipment, and any biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the step-by-step processes for data collection, including any statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the findings. The rigor in the methodology is crucial for establishing the reliability of the results and their subsequent implications in the field of study.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group exhibited an increase in performance metrics, quantified by the equation $Y = \beta_0 + \beta_1X + \epsilon$, where $Y$ represents the outcome variable, $X$ the independent variable, and $\epsilon$ the error term.
Furthermore, the data suggest a strong correlation between the intervention and the observed improvements, as evidenced by a correlation coefficient of $r = 0.85$. This finding supports the hypothesis that the implemented strategies effectively enhance performance. The discussion highlights the implications of these results for future research and practical applications, emphasizing the need for further investigation into the underlying mechanisms driving these improvements.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the development and simulation of a dual-fuel engine model using AVL BOOST, specifically focusing on the Vikyno RV 125_2 engine. The model incorporates a Diesel-NH₃ engine configuration, with various components such as measuring points and flow restriction elements to monitor gas states and control the ammonia injection process. The study highlights ammonia’s potential as a clean fuel due to its carbon-free combustion and significant latent heat of vaporization, despite its lower energy density compared to diesel. The research defines the Ratio of Ammonia Energy (RAE) to evaluate the energy contribution from ammonia in the dual-fuel setup, emphasizing the importance of precise dosage control for optimal performance.
The combustion and heat transfer models employed in the study utilize a “Vibe 2-zone” approach to simulate the cylinder combustion process, accounting for thermodynamic properties and heat transfer mechanisms. The findings indicate that ammonia blending affects combustion behavior, with higher ammonia ratios leading to increased heat release rates (HRR) and altered in-cylinder pressure profiles. The results show that while ammonia blending can enhance torque and power output, it also leads to higher brake specific fuel consumption (BSFC) due to ammonia’s lower calorific value. Emissions analysis reveals that ammonia significantly reduces NOx emissions while also affecting CO and soot emissions, with complex interactions based on engine speed and combustion duration. Overall, the study demonstrates that ammonia can be effectively integrated into diesel engines, offering a pathway towards cleaner combustion and improved engine performance.