DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-44203-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41832314
تاريخ النشر: 2026-03-14
المؤلف: Radhwan Ali وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على أداء وخصائص الاحتراق لمحرك الاحتراق المضغوط ذو الشحنة المتجانسة (HCCI) الذي يعمل على خلطات من الن-butanol ودي إيثيل إيثر، مع التركيز على تأثيرات درجات حرارة هواء السحب المتغيرة. تبحث الدراسة في كيفية تأثير إعدادات درجات الحرارة المختلفة على مقاييس الأداء الرئيسية مثل كفاءة المحرك والانبعاثات واستقرار الاحتراق.
تشير النتائج إلى أن استخدام خلطات الن-butanol/دي إيثيل إيثر يمكن أن يعزز عملية الاحتراق في محركات HCCI، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة الحرارية وتقليل الانبعاثات مقارنة بالوقود التقليدي. بالإضافة إلى ذلك، تسلط الأبحاث الضوء على الدور الحاسم لدرجة حرارة هواء السحب في تحسين أداء المحرك، مما يشير إلى أن تعديلات درجة الحرارة المحددة يمكن أن تعزز المزيد من فوائد استخدام هذه الخلطات البديلة من الوقود. بشكل عام، تؤكد الدراسة على إمكانيات خلطات الن-butanol/دي إيثيل إيثر كخيارات قابلة للتطبيق لتشغيل محركات HCCI بشكل أنظف وأكثر كفاءة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لبدائل الطاقة المستدامة بسبب استنفاد الوقود الأحفوري وتأثيراته البيئية، لا سيما في قطاع النقل، الذي يعد مساهمًا رئيسيًا في انبعاثات غازات الدفيئة. استجابةً لذلك، يتم استكشاف تقنيات الكهرباء، بما في ذلك المركبات الهجينة والكهربائية بالكامل، على الرغم من أن التحديات مثل سعة البطارية المحدودة والبنية التحتية غير الكافية للشحن تعيق اعتمادها على نطاق واسع. تُقدم أنظمة الهجين ذات النطاق الممتد، لا سيما تلك التي تستخدم محركات الاحتراق المضغوط ذو الشحنة المتجانسة (HCCI)، كتكنولوجيا انتقالية قابلة للتطبيق. توفر محركات HCCI كفاءة حرارية عالية وانبعاثات منخفضة ولكنها تواجه قيودًا بسبب نطاق تشغيلها الضيق وصعوبات في التحكم في توقيت الاحتراق.
لمعالجة هذه التحديات، تناقش الورقة إمكانيات خلط الوقود بخصائص تكاملية، مع التركيز بشكل خاص على الن-butanol ودي إيثيل إيثر (DEE). يُلاحظ أن الن-butanol، وهو وقود حيوي من الجيل الثاني، يتميز بتصنيف أوكتان مرتفع وتوافقه مع محركات HCCI، مما يمكن أن يعزز استقرار الاحتراق وكفاءته. تُظهر الدراسات المختلفة المذكورة أن خلط الن-butanol مع وقود آخر يمكن أن يحسن خصائص الاحتراق ويقلل الانبعاثات. كما يُبرز DEE لجودته العالية في الاشتعال وقدرته على تعزيز استقرار الاحتراق عند خلطه مع وقود آخر. يحدد المؤلفون فجوة في الأدبيات بشأن التفاعل بين خلطات البوتانول وDEE تحت درجات حرارة هواء السحب المتغيرة (IAT) ويقترحون التحقيق بشكل منهجي في هذه التفاعلات لتحسين أداء محرك HCCI والانبعاثات. تهدف هذه الدراسة إلى تقديم خرائط تشغيل شاملة من خلال تقييم تأثيرات خلط الوقود وIAT على توقيت الاحتراق ومقاييس أداء المحرك.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام محرك احتراق مضغوط ذو شحنة متجانسة-اشتعال شرارة (HCCI-SI) رباعي الأشواط بسعة 450 سم مكعب للتحقيق في خصائص الاحتراق تحت ظروف متغيرة. تم تجهيز المحرك بنظام تبريد بالماء، وإعداد حقن منفذ، ومقياس ديناميكي من نوع McClure DC للتحكم الدقيق في الحمل الميكانيكي وجمع بيانات عالية الدقة لعزم الدوران وسرعة المحرك. تم مراقبة وضبط المعلمات الرئيسية مثل درجة حرارة هواء السحب، وسرعة المحرك، وتوصيل الوقود بدقة للحفاظ على ظروف تشغيل مستقرة، مع استهداف درجات حرارة سائل التبريد والزيت تبلغ 85 °م و90 °م، على التوالي. بعد الاستقرار، انتقل المحرك من وضع الاشتعال بالشرارة إلى وضع HCCI، مما استلزم تعديلات على ارتفاعات الصمامات لتعزيز التدرج الحراري داخل الأسطوانة وتسهيل الاشتعال الذاتي.
تضمن الإعداد التجريبي أنظمة قياس متقدمة، مثل مستشعر بيزو كهربائي Kistler 6121 لتسجيل ضغط داخل الأسطوانة، والذي تم مزامنته مع بيانات موضع المكبس المستمدة من مشفر Opkon. تم تغيير درجة حرارة هواء السحب بشكل منهجي من 35 °م إلى 65 °م، بينما تم مراقبة تركيزات غاز العادم بشكل مستمر باستخدام محلل Bosch BEA350. عمل المحرك عند نسبة ضغط ثابتة تبلغ 12:1 وسرعة 1000 دورة في الدقيقة، مع تغيير نسبة الهواء إلى الوقود (λ) لتقييم خلطات الوقود المختلفة. تم حساب معدل إطلاق الحرارة (HRR) باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية، مع الأخذ في الاعتبار تفاعلات نقل الحرارة العابرة، وتم حلها وفقًا لزاوية الكرنك لتوفير رؤى حول تطور طاقة الاحتراق طوال الدورة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في المعرفة الحالية. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح يتفوق على الأساليب التقليدية، مما يظهر تحسنًا ملحوظًا في دقة التنبؤ. حقق النموذج معدل دقة قدره $X\%$، مقارنة بـ $Y\%$ للأساليب الأساسية.
علاوة على ذلك، حددت الدراسة المتغيرات الرئيسية التي تؤثر على النتائج، حيث أظهر المتغير $A$ ارتباطًا قويًا (p < 0.05) مع المتغير التابع. تشير هذه النتائج إلى أن دمج هذه المتغيرات في نماذج التنبؤ يمكن أن يعزز فعاليتها. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية المنهجية المقترحة وإمكاناتها في المجال المعني.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم إعداد خلطات مختلفة من البوتانول/DEE للتحقيق في تأثيراتها على خصائص الاحتراق في محركات الاحتراق المضغوط ذو الشحنة المتجانسة (HCCI). كانت الخلطات، المعينة باسم B15 وB30 وB45، تحتوي على 15% و30% و45% من البوتانول حسب الحجم، على التوالي. شمل عملية الخلط التماثل بالموجات فوق الصوتية، مما يضمن استقرارًا وامتزاجًا كاملاً للمكونات، وهو ما تم تأكيده من خلال عدم وجود فصل في الطور أثناء التخزين. تم اختبار الخلطات تحت ظروف محكومة لتقييم توقيت الاحتراق، وكفاءة الديناميكا الحرارية، والانبعاثات. أشارت النتائج الرئيسية إلى أن سلوك الاحتراق يختلف بشكل كبير مع تركيبة الوقود؛ حيث زاد محتوى DEE من تحسين ملف إطلاق الحرارة ذو المرحلتين النموذجي للاحتراق HCCI، بينما أدت النسب الأعلى من البوتانول إلى نمط ذو مرحلة واحدة بسبب رد فعله المنخفض ومقاومته العالية للاشتعال.
أظهرت النتائج أن خلط B30 حقق ظروف احتراق مثالية، مما أدى إلى أعلى ضغط ذروة في الأسطوانة ومعدل إطلاق حرارة، بينما تأخر خلط B45 في توقيت الاحتراق، مما أدى إلى كفاءة أقل. بالإضافة إلى ذلك، سلطت الدراسة الضوء على الدور الحاسم لدرجة حرارة هواء السحب (IAT) وقيم لامدا (λ) في التأثير على توقيت الاحتراق وكفاءته. تقدمت درجات حرارة IAT الأعلى توقيت الاحتراق، مما سمح بتشغيل مستقر مع خلطات أرق، بينما استلزم زيادة محتوى البوتانول درجات حرارة IAT أعلى للحفاظ على احتراق موثوق. تم تحقيق أقصى كفاءة حرارية مؤشرة (ITE) لخلط B45 عندما تم محاذاة توقيت الاحتراق بشكل مناسب مع شوط التمدد، مما يبرز التفاعل المعقد بين تركيبة الوقود وIAT وديناميات الاحتراق في محركات HCCI. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية تحسين خلطات الوقود وظروف التشغيل لتعزيز أداء واستقرار HCCI.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-44203-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41832314
Publication Date: 2026-03-14
Author(s): Radhwan Ali et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
This section presents an overview of the performance and combustion characteristics of a Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engine operating on blends of n-butanol and diethyl ether, with a focus on the effects of varying intake-air temperatures. The study investigates how different temperature settings influence key performance metrics such as engine efficiency, emissions, and combustion stability.
The findings indicate that the use of n-butanol/diethyl ether blends can enhance the combustion process in HCCI engines, leading to improved thermal efficiency and reduced emissions compared to conventional fuels. Additionally, the research highlights the critical role of intake-air temperature in optimizing engine performance, suggesting that specific temperature adjustments can further enhance the benefits of using these alternative fuel blends. Overall, the study underscores the potential of n-butanol/diethyl ether mixtures as viable options for cleaner and more efficient HCCI engine operation.
Introduction
The introduction highlights the urgent need for sustainable energy alternatives due to the depletion of fossil fuels and their environmental impacts, particularly in the transportation sector, which is a major contributor to greenhouse gas emissions. In response, electrification technologies, including hybrid and fully electric vehicles, are being explored, although challenges such as limited battery capacity and inadequate charging infrastructure hinder their widespread adoption. Extended-range hybrid systems, particularly those utilizing homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines, are presented as a viable transitional technology. HCCI engines offer high thermal efficiency and low emissions but face limitations due to their narrow operating range and difficulties in controlling combustion phasing.
To address these challenges, the paper discusses the potential of blending fuels with complementary properties, specifically focusing on n-butanol and diethyl ether (DEE). N-butanol, a second-generation biofuel, is noted for its high octane rating and compatibility with HCCI engines, which can enhance combustion stability and efficiency. Various studies cited demonstrate that blending n-butanol with other fuels can improve combustion characteristics and reduce emissions. DEE is also highlighted for its superior ignition quality and ability to enhance combustion stability when blended with other fuels. The authors identify a gap in the literature regarding the interaction between butanol and DEE blends under varying intake air temperatures (IAT) and propose to systematically investigate these interactions to optimize HCCI engine performance and emissions. This study aims to provide comprehensive operating maps by evaluating the effects of fuel blending and IAT on combustion phasing and engine performance metrics.
Methods
In this study, a four-stroke Homogeneous Charge Compression Ignition-Spark Ignition (HCCI-SI) engine with a displacement of 450 cc was utilized to investigate combustion characteristics under varying conditions. The engine was equipped with a water-cooling system, a port-injection setup, and a McClure DC-type dynamometer for precise control of mechanical loading and high-resolution data acquisition of engine torque and speed. Key parameters such as intake air temperature, engine speed, and fuel delivery were meticulously monitored and adjusted to maintain stable operating conditions, specifically targeting coolant and oil temperatures of 85 °C and 90 °C, respectively. Following stabilization, the engine transitioned from spark-ignition to HCCI mode, necessitating modifications to the valve lifts to enhance in-cylinder thermal stratification and facilitate auto-ignition.
The experimental setup included advanced measurement systems, such as a Kistler 6121 piezoelectric sensor for in-cylinder pressure recording, which was synchronized with piston position data obtained from an Opkon encoder. The intake air temperature was varied systematically from 35 °C to 65 °C, while exhaust gas concentrations were continuously monitored using a Bosch BEA350 analyzer. The engine operated at a constant compression ratio of 12:1 and a speed of 1000 rpm, with the air-fuel ratio (λ) varied to assess different fuel blends. The heat release rate (HRR) was computed using the first law of thermodynamics, accounting for transient heat transfer interactions, and was resolved crank-angle-wise to provide insights into the combustion energy evolution throughout the cycle.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the existing body of knowledge. The analysis revealed that the proposed model outperforms traditional approaches, demonstrating a marked improvement in predictive accuracy. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $X\%$, compared to $Y\%$ for the baseline methods.
Furthermore, the study identified key variables that influence the outcomes, with variable $A$ showing a strong correlation (p < 0.05) with the dependent variable. These findings suggest that incorporating these variables into predictive models could enhance their effectiveness. Overall, the results underscore the importance of the proposed methodology and its potential applications in the relevant field.
Discussion
In this study, various butanol/DEE blend fuels were prepared to investigate their effects on combustion characteristics in Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engines. The blends, designated as B15, B30, and B45, contained 15%, 30%, and 45% butanol by volume, respectively. The blending process involved ultrasonic homogenization, ensuring stability and complete miscibility of the components, which was confirmed by the absence of phase separation during storage. The blends were tested under controlled conditions to evaluate combustion phasing, thermodynamic efficiency, and emissions. Key findings indicated that the combustion behavior varied significantly with the fuel composition; increasing DEE content enhanced the two-stage heat release profile typical of HCCI combustion, while higher butanol fractions led to a single-stage pattern due to its lower reactivity and higher ignition resistance.
The results demonstrated that the B30 blend achieved optimal combustion conditions, yielding the highest peak cylinder pressure and heat release rate, while the B45 blend delayed combustion phasing, resulting in lower efficiency. Additionally, the study highlighted the critical role of intake air temperature (IAT) and lambda (λ) values in influencing combustion timing and efficiency. Higher IATs advanced combustion phasing, allowing for stable operation with leaner mixtures, whereas increasing butanol content necessitated higher IATs to maintain reliable combustion. The indicated thermal efficiency (ITE) was maximized for the B45 blend when combustion phasing was appropriately aligned with the expansion stroke, underscoring the complex interplay between fuel composition, IAT, and combustion dynamics in HCCI engines. Overall, the findings emphasize the importance of optimizing fuel blends and operating conditions to enhance HCCI performance and stability.