DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-08259-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40676063
تاريخ النشر: 2025-07-17
المؤلف: Krishnamoorthy Ramalingam وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في أداء وانبعاثات محرك الاحتراق منخفض الحرارة (LTC) باستخدام ستة أنواع مختلفة من الوقود، بما في ذلك الديزل، والوقود الحيوي من السترونيلا، ومزيجات مختلفة غنية بالهيدروجين (H20، H40، H60، وH40E). تجد الدراسة أن مزيج H40 (40% وقود غني بالهيدروجين) يحقق أعلى كفاءة حرارية مكبحية (BTE)، متفوقًا على الديزل التقليدي. كانت تخفيضات الانبعاثات ملحوظة، حيث انخفضت الهيدروكربونات (HC) بنسبة تصل إلى 65%، وأول أكسيد الكربون (CO) بنسبة 37%، وثاني أكسيد الكربون (CO₂) بنسبة 8%، وأكاسيد النيتروجين (NOx) بنسبة 6%، وعتامة الدخان بنسبة 20.8% مقارنة بالديزل. كما أن إضافة 10% من غاز العادم المعاد تدويره (R-EGR) إلى مزيج H40 يقلل من انبعاثات NOx بنسبة 3%، على الرغم من أنه يزيد قليلاً من انبعاثات HC وCO.
تؤكد النتائج أن دمج الوقود الحيوي الغني بالهيدروجين مع مكونات مؤكسدة وR-EGR يمكن أن يقلل بشكل فعال من الانبعاثات الضارة مع تعزيز كفاءة الاحتراق. يظهر مزيج H40 ليس فقط انبعاثات أقل مقارنة بالديزل والوقود القائم على السترونيلا، ولكن أيضًا خصائص احتراق محسنة، كما يتضح من انخفاض انبعاثات CO₂ وزيادة ضغط الأسطوانة ومعدلات تحرير الحرارة. تسلط نتائج الدراسة، التي تم التحقق منها من خلال تحليلات مخطط سانكي، الضوء على إمكانيات هذه المزيجات من الوقود لدعم عمليات المحركات الأكثر نظافة وكفاءة، مما يساهم في التحول العالمي بعيدًا عن الوقود الأحفوري.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على إمكانيات عشب السترونيلا (Cymbopogon nardus) كمصدر للوقود الحيوي بسبب نموه السريع، ومرونته، وقدرته على التكيف مع ظروف المياه المختلفة. يُوجد هذا النبات، الذي يُعتبر بشكل رئيسي في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية، بسرعة – في غضون أسبوع إلى أسبوعين – ويمكن أن يصل ارتفاعه إلى متر واحد. الزيوت الأساسية المستخرجة من عشب السترونيلا، المعروفة بخصائصها الطاردة للحشرات، تحمل أيضًا وعدًا كبيرًا لإنتاج الوقود الحيوي، خاصة في شكل الإيثانول الحيوي، مما يساهم في حلول الطاقة المستدامة.
يتم استخراج زيت السترونيلا من خلال عملية تقطير بخاري كثيفة الطاقة، تتطلب طاقة حرارية كبيرة لعزل الزيوت الأساسية من الكتلة الحيوية. تم التحقق من جودة الزيت المستخرج باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) وكروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة (GC-MS)، كما هو موضح في الأبحاث السابقة. بشكل عام، يجمع مزيج النمو السريع، والقدرة على التكيف، والفائدة المزدوجة لعشب السترونيلا ليجعله مرشحًا قيمًا في قطاع الوقود الحيوي.
طرق
في هذه الدراسة، تضمنت المنهجية استخدام أسطوانة غاز الهيدروجين لتعزيز خصائص الوقود الحيوي المستمد من زيت السترونيلا. تم الحصول على الهيدروجين من صناعة علمية محلية، مما يضمن إمدادًا موثوقًا لعملية الإثراء. تم استخراج زيت السترونيلا، الذي عمل كوقود حيوي، من خلال طريقة كثيفة الطاقة، حيث تم جمع المواد الخام من مصدر مائي قريب. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على الديزل المرجعي من محطة وقود شل محلية للتحليل المقارن. كانت هذه الطريقة تهدف إلى تقييم الفوائد المحتملة لإثراء الهيدروجين في تطبيقات الوقود الحيوي.
نتائج
تشير النتائج إلى أن انبعاثات أول أكسيد الكربون (CO) تتأثر بشكل كبير بنوع الوقود وظروف الاحتراق في محركات الاحتراق الداخلي (IC). ينتج وقود الديزل انبعاثات CO أعلى (6-37%) بسبب الاحتراق غير الكامل ونقص الأكسجين، بينما يظهر الديزل الحيوي كفاءة احتراق محسنة ولكن بتأخيرات اشتعال أطول. حقق مزيج H40، الذي يستخدم إعادة تدوير غاز العادم المعاد تشكيله (R-EGR)، أقل انبعاثات CO، ويعزى ذلك إلى تحسين استحلاب الوقود والاحتراق الكامل. من ناحية أخرى، أدى الهيدروجين الزائد في مزيج H60 إلى زيادة انبعاثات CO بسبب تأثيرات الإطفاء.
فيما يتعلق بانبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO₂)، أظهر الديزل مستويات أعلى مقارنة بمزيجات الديزل الحيوي، حيث زادت انبعاثات CO₂ مع زيادة حمل المحرك بسبب تحسين الاحتراق. أنتج مزيج H60 أقل انبعاثات CO₂، على الأرجح بسبب الهيدروجين الزائد الذي يؤدي إلى احتراق غير كامل. كما قلل R-EGR من انبعاثات CO₂ في مزيج H40، مما يشير إلى أن تخفيف الشحنة يمكن أن يؤثر على كفاءة الاحتراق.
تم العثور على انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) تزداد مع حمل المحرك، حيث أظهر وقود السترونيلا انبعاثات NOx أعلى بحوالي 13% من الديزل بسبب محتواه من الأكسجين. كان لمزيج H60 أقل انبعاثات NOx، ويعزى ذلك إلى انخفاض درجات حرارة ذروة الأسطوانة بسبب الهيدروجين الزائد. كانت انبعاثات الدخان، التي تنتج بشكل رئيسي عن الاحتراق غير الكامل، أقل لمزيجات الهيدروجين مقارنة بالديزل والسترونيلا، حيث أظهر مزيج H60 أكبر تخفيض. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات الوقود الغني بالهيدروجين وتكنولوجيا R-EGR لتعزيز كفاءة الاحتراق وتقليل الانبعاثات الضارة في محركات الاحتراق الداخلي.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل الخصائص الفيزيائية والكيميائية للوقود الحيوي من السترونيلا ومقارنتها بالديزل التقليدي، مما يكشف عن عدة مزايا مثل نقطة الوميض الأعلى، وجودة الاشتعال المحسنة (رقم السيتان ~60)، ومحتوى الكبريت المنخفض، مما يشير إلى تقليل انبعاثات SOx. ومع ذلك، تم ملاحظة تحديات مثل اللزوجة الأعلى والقيمة الحرارية المنخفضة (~35 MJ/kg) مقارنة بالديزل، مما قد يؤثر على أداء المحرك. استخدمت الدراسة محرك ديزل كيرلوسكار المعدل الذي يعمل في وضع الاحتراق المضبوط (RCCI)، واختبرت مزيجات وقود مختلفة، بما في ذلك السترونيلا الغني بالهيدروجين. أظهرت النتائج أن مزيج H40 (40% هيدروجين) حقق أعلى كفاءة حرارية مكبحية (BTE) واستهلاك طاقة محدد مكبح (BSEC)، متفوقًا على الديزل بنسبة 0.5-11% بسبب تحسين كفاءة الاحتراق التي يسهلها خصائص الهيدروجين.
أظهرت اختبارات الانبعاثات أن مزيج H40 قلل بشكل كبير من انبعاثات الهيدروكربونات (HC) بنسبة 13-65% مقارنة بالديزل، ويعزى ذلك إلى تحسين كفاءة الاحتراق من تركيبته الغنية بالأكسجين. بالإضافة إلى ذلك، أظهر دمج إعادة تدوير غاز العادم المعاد تشكيله (R-EGR) إمكانيات لمزيد من تخفيض الانبعاثات، على الرغم من أن R-EGR المفرط قد يؤدي إلى تخفيف الشحنة وتقليل كفاءة الاحتراق. خلصت الدراسة إلى أن مزيج H40، خاصة مع مستويات R-EGR المعتدلة، يمثل استراتيجية واعدة لتحقيق احتراق أنظف وانبعاثات أقل في محركات الاحتراق الداخلي، تم التحقق منها من خلال تحليلات مخطط سانكي التي توضح تدفق الطاقة وتخفيضات الانبعاثات عبر أنواع الوقود.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-08259-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40676063
Publication Date: 2025-07-17
Author(s): Krishnamoorthy Ramalingam et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
The research investigates the performance and emissions of a low-temperature combustion (LTC) engine using six different fuels, including diesel, citronella biofuel, and various hydrogen-enriched blends (H20, H40, H60, and H40E). The study finds that the H40 blend (40% hydrogen-enriched fuel) achieves the highest brake thermal efficiency (BTE), outperforming conventional diesel. Emission reductions are significant, with hydrocarbons (HC) decreasing by up to 65%, carbon monoxide (CO) by 37%, carbon dioxide (CO₂) by 8%, nitrogen oxides (NOx) by 6%, and smoke opacity by 20.8% compared to diesel. The addition of 10% recirculated exhaust gas (R-EGR) to the H40 blend further reduces NOx emissions by 3%, although it slightly increases HC and CO emissions.
The findings confirm that integrating hydrogen-enriched biofuels with oxygenated components and R-EGR can effectively reduce harmful emissions while enhancing combustion efficiency. The H40 blend not only demonstrates lower emissions compared to both diesel and citronella-based fuels but also shows improved combustion characteristics, as evidenced by lower CO₂ emissions and enhanced in-cylinder pressure and heat release rates. The study’s results, validated through Sankey diagram analyses, highlight the potential of these fuel combinations to support cleaner and more efficient engine operations, contributing to the global shift away from fossil fuels.
Introduction
The introduction highlights the potential of citronella grass (Cymbopogon nardus) as a biofuel source due to its rapid growth, resilience, and adaptability to various water conditions. This plant, predominantly found in tropical and subtropical regions, matures quickly—within one to two weeks—and can reach heights of up to one meter. The essential oils extracted from citronella grass, known for their insect-repellent properties, also hold significant promise for biofuel production, particularly in the form of bioethanol, thereby contributing to sustainable energy solutions.
The extraction of citronella oil is achieved through an energy-intensive steam distillation process, which requires considerable heat energy to isolate the essential oils from the biomass. The quality of the extracted oil was validated using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) and Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS), as detailed in prior research. Overall, the combination of rapid growth, adaptability, and the dual utility of citronella grass positions it as a valuable candidate in the biofuel sector.
Methods
In this study, the methodology involved the use of a hydrogen gas cylinder to enhance the properties of biofuel derived from citronella grass oil. The hydrogen was sourced from a local scientific industry, ensuring a reliable supply for the enrichment process. The citronella oil, which served as the biofuel, was extracted through an energy-intensive method, with the feedstock being collected from a nearby water resource. Additionally, reference diesel was obtained from a local Shell fuel station for comparative analysis. This approach aimed to evaluate the potential benefits of hydrogen enrichment in biofuel applications.
Results
The results indicate that carbon monoxide (CO) emissions are significantly influenced by the fuel type and combustion conditions in internal combustion (IC) engines. Diesel fuel produces higher CO emissions (6-37%) due to incomplete combustion and lack of oxygen, while biodiesel shows improved combustion efficiency but longer ignition delays. The H40 blend, utilizing reformed exhaust gas recirculation (R-EGR), achieved the lowest CO emissions, attributed to better fuel atomization and complete combustion. Conversely, excess hydrogen in the H60 blend resulted in increased CO emissions due to quenching effects.
In terms of carbon dioxide (CO₂) emissions, diesel exhibited higher levels compared to biodiesel blends, with CO₂ emissions increasing with engine load due to enhanced combustion. The H60 blend produced the lowest CO₂ emissions, likely due to excess hydrogen leading to incomplete combustion. R-EGR further reduced CO₂ emissions in the H40 blend, suggesting that charge dilution can impact combustion efficiency.
Nitrogen oxides (NOx) emissions were found to increase with engine load, with citronella fuel showing approximately 13% higher NOx emissions than diesel due to its oxygen content. The H60 blend had the lowest NOx emissions, attributed to reduced peak cylinder temperatures from excess hydrogen. Smoke emissions, primarily resulting from incomplete combustion, were lower for hydrogen blends compared to diesel and citronella, with the H60 blend demonstrating the most significant reduction. Overall, the findings underscore the potential of hydrogen-enriched fuels and R-EGR technology to enhance combustion efficiency and reduce harmful emissions in IC engines.
Discussion
In this study, the physical and chemical properties of citronella biofuel were analyzed and compared to conventional diesel, revealing several advantages such as a higher flash point, improved ignition quality (cetane number ~60), and lower sulfur content, which suggests reduced SOx emissions. However, challenges such as higher viscosity and lower calorific value (~35 MJ/kg) compared to diesel were noted, potentially impacting engine performance. The research utilized a modified Kirloskar diesel engine operating in Reactivity-Controlled Compression Ignition (RCCI) mode, testing various fuel blends, including hydrogen-enriched citronella. The results indicated that the H40 blend (40% hydrogen) achieved the highest Brake Thermal Efficiency (BTE) and Brake Specific Energy Consumption (BSEC), outperforming diesel by 0.5-11% due to enhanced combustion efficiency facilitated by hydrogen’s properties.
The emission tests demonstrated that the H40 blend significantly reduced hydrocarbon (HC) emissions by 13-65% compared to diesel, attributed to better combustion efficiency from its oxygen-rich composition. Additionally, the integration of Reformed Exhaust Gas Recirculation (R-EGR) showed potential for further emission reductions, although excessive R-EGR could lead to charge dilution and reduced combustion efficiency. The study concluded that the H40 blend, particularly with moderate R-EGR levels, represents a promising strategy for achieving cleaner combustion and lower emissions in internal combustion engines, validated through Sankey diagram analyses that illustrated energy flow and emission reductions across fuel types.