DOI: https://doi.org/10.3390/jmse13101961
تاريخ النشر: 2025-10-14
المؤلف: Panagiotis Karvounis وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تشغيل محرك ديزل بحري متوسط السرعة يعمل بالوقود المزدوج باستخدام نسبة 60% من طاقة الهيدروجين، بهدف معالجة التحديات التي تطرحها التفاعلية العالية للهيدروجين، والتي يمكن أن تؤدي إلى زيادة انبعاثات NOx وعدم استقرار الاحتراق. من خلال نمذجة الديناميكا الهوائية الحاسوبية (CFD)، قام الباحثون بمحاكاة محرك بحري رباعي الأشواط بقوة 10.5 ميغاوات يعمل عند 90% من الحمل مع حقن الهيدروجين عند منفذ السحب. تم التحقق من صحة النموذج مقابل البيانات التجريبية من عمليات الديزل والهيدروجين.
تكشف النتائج عن زيادة كبيرة في انبعاثات NOx مقارنة بعملية الديزل، والتي تُعزى إلى درجات حرارة الاحتراق الأعلى وزيادة زمن الإقامة للمزيج داخل الأسطوانة. كما أبرز التحليل وجود أنواع تفاعلية مثل HO₂ و OH، والتي تعتبر حاسمة لفهم ديناميات الاحتراق واستقراره. من الجدير بالذكر أن الدراسة تشير إلى أن الاحتراق يبدأ في وقت مبكر في عملية الوقود المزدوج، مما يؤدي إلى زيادة ضغط الذروة داخل الأسطوانة؛ ومع ذلك، يبقى بعض الهيدروجين غير محترق بسبب قيود التفاعلية. تسهم هذه الرؤى في تطوير أنظمة الدفع البحري المستدامة المعتمدة على الهيدروجين وتؤكد على التبادلات بين الانبعاثات والأداء الكامنة في نسب طاقة الهيدروجين العالية.
مقدمة
وضعت المنظمة البحرية الدولية (IMO) أهدافًا طموحة لتقليل غازات الدفيئة (GHG) لقطاع الملاحة، تهدف إلى تقليل بنسبة 20% بحلول عام 2030، و70% بحلول عام 2040، وتحقيق انبعاثات صافية صفرية بحلول عام 2050. في سعيها لتحقيق هذه الأهداف، تكتسب استكشاف الوقود البديل، وخاصة الهيدروجين، زخمًا بسبب إمكانيته للاحتراق المحايد للكربون. تشير الدراسات الحديثة إلى جدوى محركات تعمل بالهيدروجين في التطبيقات البحرية، على الرغم من أن التحديات مثل صعوبات الاشتعال، والاحتراق السريع، ودرجات حرارة الاحتراق العالية تعقد التكامل في محركات الاشتعال بالضغط البحرية.
لمعالجة هذه التحديات، ظهرت عملية الوقود المزدوج – حيث يتم استخدام الهيدروجين جنبًا إلى جنب مع وقود تجريبي أكثر تفاعلية مثل الديزل – كاستراتيجية واعدة. تسمح هذه الطريقة بتحسين أداء المحرك والتحكم في الانبعاثات، كما يتضح من النتائج التجريبية التي تظهر زيادة في العزم، والقوة، والكفاءة الحرارية مع إضافة الهيدروجين. ومع ذلك، يركز الجسم الحالي من الأبحاث بشكل أساسي على نسب طاقة الهيدروجين المنخفضة والمتوسطة، مما يترك فجوة في فهم خصائص الاحتراق عند نسب الهيدروجين الأعلى. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في أداء الأسطوانة لمحرك بحري يعمل بالديزل والهيدروجين في عملية وقود مزدوج عند نسبة 60% من طاقة الهيدروجين من خلال نمذجة الديناميكا الهوائية الحاسوبية (CFD). ستستكشف الأبحاث ظروف الاحتراق التي تؤدي إلى زيادة انبعاثات أكسيد النيتروجين (NOx) وتقترح تدابير التخفيف، مع معالجة الحاجة الملحة لاستخدام الهيدروجين بشكل أمثل في المحركات البحرية لتلبية الأهداف البيئية والتشغيلية.
الطرق
تحدد الورقة البحثية منهجية شاملة لتطوير والتحقق من صحة نموذج الديناميكا الهوائية الحاسوبية (CFD) الذي يهدف إلى تحليل خصائص الاحتراق لمحركات بحرية كبيرة، خاصة تحت تشغيل وقود مزدوج هيدروجين-ديزل. تم التحقق من صحة النموذج، الذي تم التحقق منه أولاً مقابل البيانات التجريبية من محركات صغيرة، من خلال سلسلة من الخطوات بما في ذلك إنشاء نموذج CFD أساسي لتشغيل الديزل، تليه تكييف هذا النموذج لسيناريوهات الوقود المزدوج. تشمل الافتراضات الرئيسية معالجة الوسط العامل كغاز مثالي وتجانس مزيج الهواء والهيدروجين، مع حقن الديزل مباشرة في الأسطوانة لتسهيل الاشتعال.
يتم التحقق من صحة نموذج CFD من خلال المقارنة مع بيانات ضغط الأسطوانة ومعدل تحرير الحرارة من قياسات على متن السفن، مما يكشف عن خطأ في ضغط الذروة يبلغ حوالي 1% لعملية الديزل وخطأ متوسط الجذر التربيعي (RMSE) يبلغ 5 بار لعملية الهيدروجين. تتماشى توقعات النموذج لعدم احتراق الهيدروجين مع البيانات التجريبية، مما يظهر هامش خطأ يتراوح بين 9-13%. تستخدم الدراسة آلية تفاعل مناسبة لكل من احتراق الديزل والهيدروجين، مؤكدة على دقة النموذج في محاكاة سلوك المحرك على الرغم من بعض التباينات المنسوبة إلى عدم تجانس المزيج وتغيرات معدل الحقن. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن نموذج CFD المطور هو أداة موثوقة للتحقيق في احتراق الهيدروجين عند الأحمال العالية في المحركات البحرية.
النتائج
تستكشف نتائج الدراسة سلوك الأسطوانة لمحرك بحري يعمل في كل من أوضاع الوقود المزدوج (DF) والديزل، مع التركيز على مقاييس الأداء والانبعاثات. يكشف التحليل أنه خلال عملية الوقود المزدوج مع نسبة 60% من طاقة الهيدروجين، يبدأ الاحتراق في وقت مبكر مقارنة بوضع الديزل، حيث يحدث ضغط الذروة عند 10° CA ATDC مقارنة بـ 15° CA ATDC للديزل. يظهر معدل تحرير الحرارة ملفًا ذو ذروتين، حيث تكون الذروة الأولى أصغر في حالة الوقود المزدوج بسبب الاحتراق غير الكامل للهيدروجين، الذي لديه كفاءة احتراق تبلغ 92.4% مما يؤدي إلى انزلاق هيدروجين قدره 3.31 جرام/كيلوواط ساعة. تنخفض الكفاءة الحرارية المعلنة بنسبة 4.5% في عملية الوقود المزدوج، والتي تُعزى إلى الاحتراق غير الفعال للهيدروجين.
تشير تحليل الانبعاثات إلى أن انبعاثات NOx أعلى في عملية الوقود المزدوج (10.03 جرام/كيلوواط ساعة) مقارنة بالديزل (6.46 جرام/كيلوواط ساعة)، ويرجع ذلك أساسًا إلى زيادة درجات حرارة الأسطوانة وزيادة زمن الإقامة لمنتجات الاحتراق عند درجات حرارة مرتفعة. يرتبط تكوين NO ارتباطًا وثيقًا بارتفاع درجات حرارة الأسطوانة التي تتجاوز 1800 كلفن، بينما يتأثر تكوين NO2 بدرجات حرارة ما بعد اللهب وتوافر الأكسجين. تسلط الدراسة أيضًا الضوء على دور الجذور OH و HO2 في انتشار اللهب واستقرار الاحتراق، حيث تشير تركيزات HO2 إلى احتراق غير كامل في المناطق ذات درجات الحرارة المنخفضة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أنه بينما يمكن أن تعزز عملية الوقود المزدوج كفاءة الاحتراق، فإنها تقدم أيضًا تحديات تتعلق بالانبعاثات واكتمال الاحتراق.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الدراسة الضوء على تداعيات تشغيل محرك ديزل بحري كبير في وضع الوقود المزدوج مع نسبة 60% من طاقة الهيدروجين. تؤكد النتائج أن إثراء الهيدروجين يسرع من الاشتعال، مما يؤدي إلى احتراق مبكر ودرجات حرارة ذروة أعلى داخل الأسطوانة، مما يؤدي بدوره إلى زيادة انبعاثات NOx بسبب زيادة زمن الإقامة في المناطق ذات درجات الحرارة العالية. يشير وجود الهيدروجين غير المحترق بالقرب من جدران الأسطوانة، جنبًا إلى جنب مع تركيزات عالية من الجذور HO₂، إلى أكسدة غير كاملة وتحديات في استغلال تفاعلية الهيدروجين بالكامل، حتى عند درجات حرارة سحب مرتفعة.
يؤكد التحليل على وجود تبادل معقد بين الكفاءة والانبعاثات في سيناريوهات نسبة الهيدروجين العالية، مما يستلزم استراتيجيات تخفيف مستهدفة مثل تدوير غاز العادم وتوقيت الحقن المحسن. بينما من المتوقع أن تستمر الاتجاهات الملحوظة عند الأحمال العالية في الأحمال المنخفضة، قد تختلف شدة التأثيرات مع ظروف التشغيل. تسهم الدراسة في جهود إزالة الكربون في قطاع الملاحة من خلال تحديد الإمكانيات والتحديات المرتبطة بتحديث محركات الديزل الحالية لاستخدام الهيدروجين، بما يتماشى مع أهداف المنظمة البحرية الدولية لتقليل غازات الدفيئة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين استراتيجيات الحقن ودمج تقنيات المعالجة المتقدمة لضمان كل من الجدوى التقنية والامتثال التنظيمي.
DOI: https://doi.org/10.3390/jmse13101961
Publication Date: 2025-10-14
Author(s): Panagiotis Karvounis et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
This study explores the dual-fuel operation of a medium-speed marine diesel engine utilizing a 60% hydrogen energy fraction, aiming to address the challenges posed by hydrogen’s high reactivity, which can lead to increased NOx emissions and combustion instability. Through computational fluid dynamics (CFD) modeling, the researchers simulated a four-stroke, 10.5 MW marine engine operating at 90% load with hydrogen injected at the intake port. The model was validated against experimental data from both diesel and hydrogen operations.
The findings reveal a significant increase in NOx emissions compared to diesel operation, attributed to higher combustion temperatures and prolonged residence time of the mixture within the cylinder. The analysis also highlighted the presence of reactive species such as HO₂ and OH, which are critical for understanding combustion dynamics and stability. Notably, the study indicates that combustion initiates earlier in dual-fuel operation, resulting in an advanced in-cylinder peak pressure; however, some hydrogen remains unburned due to limitations in reactivity. These insights contribute to the development of sustainable hydrogen-based marine propulsion systems and underscore the emissions-performance trade-offs inherent in high hydrogen energy fractions.
Introduction
The International Maritime Organization (IMO) has established ambitious greenhouse gas (GHG) reduction targets for the maritime sector, aiming for a 20% reduction by 2030, 70% by 2040, and achieving net zero emissions by 2050. In pursuit of these goals, the exploration of alternative fuels, particularly hydrogen, is gaining traction due to its potential for carbon-neutral combustion. Recent studies indicate the feasibility of hydrogen-fuelled engines in maritime applications, although challenges such as ignition difficulties, rapid combustion, and high combustion temperatures complicate integration into marine compression ignition engines.
To address these challenges, dual-fuel operation—where hydrogen is used alongside a more reactive pilot fuel like diesel—has emerged as a promising strategy. This approach allows for improved engine performance and emissions control, as evidenced by experimental findings that demonstrate increased torque, power, and thermal efficiency with hydrogen supplementation. However, the current body of research predominantly focuses on low- and medium-hydrogen energy fractions, leaving a gap in understanding the combustion characteristics at higher hydrogen fractions. This study aims to investigate the in-cylinder performance of a diesel-hydrogen dual-fuel marine engine operating at a 60% hydrogen energy fraction through computational fluid dynamics (CFD) modeling. The research will explore combustion conditions that lead to increased nitrogen oxide (NOx) emissions and propose mitigation measures, addressing a critical need for optimized hydrogen use in marine engines to meet environmental and operational objectives.
Methods
The research paper outlines a comprehensive methodology for developing and validating a computational fluid dynamics (CFD) model aimed at analyzing the combustion characteristics of large-bore marine engines, particularly under dual-fuel hydrogen-diesel operation. The model, initially validated against experimental data from small-bore engines, incorporates a series of steps including the establishment of a baseline CFD model for diesel operation, followed by the adaptation of this model for dual-fuel scenarios. Key assumptions include the treatment of the working medium as an ideal gas and the homogeneity of the air-hydrogen mixture, with diesel injected directly into the cylinder to facilitate ignition.
Validation of the CFD model is achieved through comparison with in-cylinder pressure and heat release rate data from shipboard measurements, revealing a peak pressure error of approximately 1% for diesel operation and a root mean square error (RMSE) of 5 bar for hydrogen operation. The model’s predictions for unburned hydrogen slip align closely with experimental data, demonstrating a 9-13% error margin. The study employs a reaction mechanism suitable for both diesel and hydrogen combustion, confirming the model’s accuracy in simulating engine behavior despite some discrepancies attributed to mixture inhomogeneity and injection rate variations. Overall, the findings indicate that the developed CFD model is a reliable tool for investigating high-load hydrogen combustion in marine engines.
Results
The results of the study investigate the in-cylinder behavior of a marine engine operating in both dual-fuel (DF) and diesel modes, focusing on performance metrics and emissions. The analysis reveals that during dual-fuel operation with a 60% hydrogen energy fraction, combustion initiates earlier than in diesel mode, with peak pressure occurring at 10° CA ATDC compared to 15° CA ATDC for diesel. The heat release rate exhibits a two-peak profile, with the first peak being smaller in the dual-fuel case due to incomplete combustion of hydrogen, which has a combustion efficiency of 92.4% and results in a hydrogen slip of 3.31 g/kWh. The indicated thermal efficiency decreases by 4.5% in dual-fuel operation, attributed to the inefficient combustion of hydrogen.
Emissions analysis indicates that NOx emissions are higher in dual-fuel operation (10.03 g/kWh) compared to diesel (6.46 g/kWh), primarily due to increased in-cylinder temperatures and the extended residence time of combustion products at elevated temperatures. The formation of NO is closely linked to peak in-cylinder temperatures exceeding 1800 K, while NO2 formation is influenced by post-flame temperatures and oxygen availability. The study also highlights the role of OH and HO2 radicals in flame propagation and combustion stability, with HO2 concentrations indicating incomplete combustion in low-temperature regions. Overall, the findings suggest that while dual-fuel operation can enhance combustion efficiency, it also presents challenges related to emissions and combustion completeness.
Discussion
The discussion section of the study highlights the implications of operating a large-bore marine diesel engine in dual-fuel mode with a 60% hydrogen energy fraction. The findings confirm that hydrogen enrichment accelerates ignition, resulting in earlier combustion and higher in-cylinder peak temperatures, which in turn leads to increased NOx emissions due to prolonged residence times in high-temperature regions. The presence of unburned hydrogen near the cylinder walls, coupled with high concentrations of HO₂ radicals, indicates incomplete oxidation and challenges in fully harnessing hydrogen’s reactivity, even at elevated intake temperatures.
The analysis underscores a complex trade-off between efficiency and emissions in high hydrogen fraction scenarios, necessitating targeted mitigation strategies such as exhaust gas recirculation and optimized injection timing. While the trends observed at high loads are expected to persist at lower loads, the magnitude of effects may vary with operating conditions. The study contributes to the maritime sector’s decarbonization efforts by quantifying the potential and challenges of retrofitting existing diesel engines for hydrogen use, aligning with the International Maritime Organization’s greenhouse gas reduction targets. Future research should focus on optimizing injection strategies and integrating advanced aftertreatment technologies to ensure both technical feasibility and regulatory compliance.