DOI: https://doi.org/10.64808/engineeringperspective.1839259
تاريخ النشر: 2026-02-15
المؤلف: Sertaç Coşman
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة آثار ثنائي كلور الميثان (DCM) وملحق قائم على بنزويلثيو يوريا، CPTC (N-((2-كلوروبيريدين-3-يل)كارباموثيويل)ثيوفين-2-كربوكسا ميد)، على أداء وانبعاثات محرك الاحتراق الشراري (SI). تم اختبار خلطات وقود مختلفة، بما في ذلك البنزين النقي (G)، والبنزين مع DCM (G+DCM)، وG+DCM مع CPTC بتركيزات 50 و100 و200 جزء في المليون. أشارت النتائج إلى أن إضافة CPTC عززت بشكل كبير الكفاءة الحرارية للفرامل وقللت من استهلاك الوقود المحدد، خاصة عند أحمال المحرك الأعلى. تم ملاحظة الأداء الأمثل مع خليط G+DCM الذي يحتوي على 100 جزء في المليون من CPTC، والذي قلل بشكل فعال من انبعاثات أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروكربونات (HC) مع الحفاظ على مستويات أكاسيد النيتروجين (NOx) القابلة للإدارة.
كشفت النتائج أنه بينما حسنت التركيزات الأعلى من CPTC (100 جزء في المليون و200 جزء في المليون) من كفاءة الوقود وكفاءة الاحتراق، إلا أنها أدت أيضًا إلى زيادة انبعاثات NOx بسبب ظروف الاحتراق الأضعف. على وجه التحديد، تم تحقيق الحد الأقصى من الانخفاض في استهلاك الوقود المحدد بنسبة 35.03% مع خليط 200 جزء في المليون من CPTC عند 75% من الحمل، بينما حدث أعلى زيادة في الكفاءة الحرارية بنسبة 44.59% عند 25% من الحمل مع نفس الخليط. تستنتج الدراسة أن خليط G+DCM مع 100 جزء في المليون من CPTC يقدم نهجًا متوازنًا، مما يحسن كفاءة الوقود والانبعاثات دون رفع مستويات NOx بشكل كبير. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على التخفيف من انبعاثات NOx عند تركيزات أعلى من المضافات واستكشاف قابلية تطبيق هذه الاستراتيجية المضافة عبر خلطات وقود وأنواع محركات مختلفة.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية التحديات الملحة التي تطرحها التنمية الصناعية، وخاصة الطلب المتزايد على الطاقة العالمية، الذي زاد بنسبة 50% على مدار الـ 25 عامًا الماضية ومن المتوقع أن يرتفع بنسبة 2% سنويًا. مع استنفاد مصادر الطاقة التقليدية، هناك حاجة ملحة للوقود البديل وناقلات الطاقة لتعزيز كفاءة الوقود وتقليل الانبعاثات من محركات الاحتراق الداخلي (ICEs)، التي تعد مساهمًا كبيرًا في تلوث الهواء وانبعاثات غازات الدفيئة. تسلط الورقة الضوء على دراسات مختلفة استكشفت استخدام إضافات الوقود، وخاصة تلك ذات المحتوى العالي من الأكسجين، لتحسين كفاءة الاحتراق وتقليل الانبعاثات الضارة في محركات البنزين والديزل.
أظهرت التحقيقات الأخيرة في إضافات الوقود، بما في ذلك الكحوليات والمعقدات المعدنية، نتائج واعدة في تعزيز أداء المحرك وتقليل الملوثات مثل الهيدروكربونات (HC) وأول أكسيد الكربون (CO) وأكاسيد النيتروجين (NOx). من الجدير بالذكر أن الورقة تناقش إمكانيات مشتقات بنزويلثيو يوريا كإضافات وقود مبتكرة، مع التركيز على خصائصها الكيميائية الفريدة وتطبيقاتها السابقة في الكيمياء الطبية. تهدف الدراسة إلى تقييم منهجي لتأثير مركب معين قائم على بنزويلثيو يوريا، N-((2-كلوروبيريدين-3-يل)كارباموثيويل)ثيوفين-2-كربوكسا ميد، على أداء وانبعاثات محرك احتراق شراري أحادي الأسطوانة. تسعى هذه الأبحاث إلى تقديم رؤى حول فعالية مشتقات الثيو يوريا الحلقية كمعززات وقود متعددة الوظائف، مما يمثل انحرافًا عن استراتيجيات تعديل الوقود التقليدية.
طرق
في هذه الدراسة، تم إجراء تجارب المحرك باستخدام محرك بنزين أحادي الأسطوانة، مبرد بالهواء، رباعي الأشواط من نوع هوندا GX200، تم اختياره لأدائه المستقر وتطبيقه الشائع في توليد الطاقة على نطاق صغير. تضمنت الإعدادات التجريبية جهاز دينامومتر لتطبيق ومراقبة حمل المحرك، مع تغيير العزم من 0 إلى 10 نيوتن متر لتقييم سلوك المحرك تحت ظروف مختلفة. تم قياس استهلاك الوقود بدقة باستخدام ميزان دقيق رقمي، بينما تم تحليل انبعاثات العادم المنظمة (CO، CO2، HC، وNOx) باستخدام محلل غاز العادم من بيلسا. تم استقرار المحرك باستخدام البنزين النقي قبل اختبار خلطات الوقود المختلفة عند سرعة ثابتة تبلغ 2500 دورة في الدقيقة عبر مستويات حمل متعددة (0%، 25%، 50%، 75%، و100%).
لضمان سلامة النتائج، تم تنظيف نظام الوقود بين الاختبارات، وتمت ملاحظة فترة استقرار قبل جمع البيانات. تم تقييم عدم اليقين في القياسات بدقة، مع تسجيل استهلاك الوقود بدقة ±1% وانبعاثات العادم بدقة ±2%. التزمت الدراسة بدليل التعبير عن عدم اليقين في القياس (GUM) لتحليل عدم اليقين، مؤكدة أن عدم اليقين المدمج للمعلمات الرئيسية للأداء ظل ضمن بضع نقاط مئوية. تدعم هذه المنهجية الصارمة موثوقية النتائج، مما يتماشى مع الممارسات القياسية في أبحاث محركات الاحتراق الشراري.
نتائج
استهدفت الاختبارات التجريبية التي أجريت في مركز تطبيقات وتكنولوجيا السيارات بجامعة ساكاريا للعلوم التطبيقية تقييم آثار مضاف وقود مصنّع على أداء محرك احتراق شراري أحادي الأسطوانة (SI). تضمنت المعلمات الرئيسية للأداء التي تم تقييمها استهلاك الوقود المحدد (SFC)، والكفاءة الحرارية، ودرجة حرارة العادم، ونسبة لامدا. بالإضافة إلى ذلك، قامت الدراسة بتحليل انبعاثات العادم، حيث تم قياس مستويات ثاني أكسيد الكربون (CO2)، وأول أكسيد الكربون (CO)، والهيدروكربونات (HC)، وأكاسيد النيتروجين (NOx).
توفر النتائج من هذه الاختبارات رؤى حول كيفية تأثير مضاف الوقود على كفاءة المحرك والانبعاثات، مما يساهم في الفهم الأوسع لتركيبات الوقود البديلة في تعزيز أداء المحرك وتقليل الأثر البيئي.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم الخصائص التشغيلية لمحرك بنزين أحادي الأسطوانة، مبرد بالهواء، رباعي الأشواط (هوندا GX200) لتقييم تأثير تركيبات الوقود المختلفة على أداء المحرك. حافظت التجارب على سرعة محرك ثابتة تبلغ 2500 دورة في الدقيقة مع تغيير الحمل من عدم الحمل إلى 10%. تضمنت خلطات الوقود المختبرة البنزين النقي وعدة تركيبات تحتوي على ثنائي كلور الميثان (DCM) والمضاف CPTC بتركيزات 50 و100 و200 جزء في المليون. أشارت النتائج إلى أن إضافة DCM وCPTC حسنت بشكل كبير من استهلاك الوقود المحدد (SFC) والكفاءة الحرارية عبر جميع الأحمال، مع ملاحظة أكبر مكاسب في الكفاءة عند أعلى تركيز مضاف (200 جزء في المليون). على وجه التحديد، انخفض SFC من 935.45 جرام/كيلوواط ساعة مع البنزين النقي إلى 305.69 جرام/كيلوواط ساعة عند الحمل الكامل مع خليط G+DCM+200 جزء في المليون، مما يبرز دور المضاف في تعزيز كفاءة الاحتراق.
كما درست الدراسة درجة حرارة غاز العادم (EGT)، ونسبة الهواء إلى الوقود (لامدا)، وانبعاثات CO2 وCO والهيدروكربونات (HC). أظهرت EGT زيادة عامة مع الحمل، بينما أثرت إضافة DCM وCPTC على EGT بشكل متغير، حيث حقق 100 جزء في المليون من CPTC التحكم الحراري الأمثل. أشارت قيم لامدا إلى تحول نحو خلطات أضعف مع تركيزات أعلى من CPTC، مما قد يعزز كفاءة الاحتراق ولكنه يثير القلق بشأن زيادة انبعاثات NOx. كشفت تحليلات الانبعاثات أن انبعاثات CO2 زادت مع الحمل، لكن خليط G+DCM مع 100 جزء في المليون من CPTC قلل من انبعاثات CO2 عند الأحمال المتوسطة. تم تقليل انبعاثات CO وHC بشكل كبير مع تركيزات أعلى من CPTC، خاصة عند الحمل الكامل، مما يشير إلى أن المضاف يعزز الاحتراق الأكثر اكتمالًا. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن تحسين تركيبة الوقود باستخدام DCM وCPTC يمكن أن يعزز بشكل فعال أداء المحرك ويقلل من الانبعاثات الضارة، مما يقدم استراتيجية قابلة للتطبيق لتحسين كفاءة الوقود والأثر البيئي في محركات الاحتراق الشراري.
DOI: https://doi.org/10.64808/engineeringperspective.1839259
Publication Date: 2026-02-15
Author(s): Sertaç Coşman
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
This study explores the effects of dichloromethane (DCM) and a benzoylthiourea-based additive, CPTC (N-((2-chloropyridin-3-yl)carbamothioyl)thiophene-2-carboxamide), on the performance and emissions of a spark-ignition (SI) engine. Various fuel blends were tested, including pure gasoline (G), gasoline with DCM (G+DCM), and G+DCM with CPTC at concentrations of 50, 100, and 200 ppm. The results indicated that the addition of CPTC significantly enhanced brake thermal efficiency and reduced specific fuel consumption, particularly at higher engine loads. The optimal performance was observed with the G+DCM blend containing 100 ppm CPTC, which effectively reduced carbon monoxide (CO) and hydrocarbon (HC) emissions while maintaining manageable nitrogen oxides (NOx) levels.
The findings revealed that while higher concentrations of CPTC (100 ppm and 200 ppm) improved fuel economy and combustion efficiency, they also led to increased NOx emissions due to leaner combustion conditions. Specifically, the maximum reduction in specific fuel consumption of 35.03% was achieved with the 200 ppm CPTC blend at 75% load, while the highest thermal efficiency increase of 44.59% occurred at 25% load with the same blend. The study concludes that the G+DCM blend with 100 ppm CPTC offers a balanced approach, optimizing fuel efficiency and emissions without significantly raising NOx levels. Future research should focus on mitigating NOx emissions at higher additive concentrations and exploring the applicability of this additive strategy across various fuel blends and engine types.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the pressing challenges posed by industrial development, particularly the increasing global energy demand, which has surged by 50% over the past 25 years and is projected to rise by 2% annually. As conventional energy sources become depleted, there is a critical need for alternative fuels and energy carriers to enhance fuel efficiency and reduce emissions from internal combustion engines (ICEs), which are significant contributors to air pollution and greenhouse gas emissions. The paper highlights various studies that have explored the use of fuel additives, particularly those with high oxygen content, to improve combustion efficiency and reduce harmful emissions in gasoline and diesel engines.
Recent investigations into fuel additives, including alcohols and metal complexes, have shown promising results in enhancing engine performance and reducing pollutants such as hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), and nitrogen oxides (NOx). Notably, the paper discusses the potential of benzoylthiourea derivatives as innovative fuel additives, emphasizing their unique chemical properties and previous applications in medicinal chemistry. The study aims to systematically evaluate the effects of a specific benzoylthiourea-based compound, N-((2-chloropyridin-3-yl)carbamothioyl)thiophene-2-carboxamide, on the performance and emissions of a single-cylinder spark-ignition engine. This research seeks to provide insights into the efficacy of heterocyclic thiourea derivatives as multifunctional fuel enhancers, marking a departure from traditional fuel modification strategies.
Methods
In this study, engine experiments were conducted using a Honda GX200 single-cylinder, air-cooled, four-stroke gasoline engine, chosen for its stable performance and common application in small-scale power generation. The experimental setup involved a dynamometer to apply and monitor engine load, varying torque from 0 to 10 Nm to assess engine behavior under different conditions. Fuel consumption was accurately measured using a digital precision balance, while regulated exhaust emissions (CO, CO2, HC, and NOx) were analyzed with a Bilsa exhaust gas analyzer. The engine was stabilized with neat gasoline before testing various fuel blends at a constant speed of 2500 rpm across multiple load levels (0%, 25%, 50%, 75%, and 100%).
To ensure the integrity of the results, the fuel system was flushed between tests, and a stabilization period was observed before data collection. Measurement uncertainties were meticulously evaluated, with fuel consumption recorded at ±1% accuracy and exhaust emissions at ±2%. The study adhered to the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) for uncertainty analysis, confirming that the combined uncertainty of key performance parameters remained within a few percent. This rigorous methodology supports the reliability of the findings, aligning with standard practices in spark-ignition engine research.
Results
The experimental tests conducted at the Automotive Technologies Application and Research Center of Sakarya University of Applied Sciences aimed to assess the effects of a synthesized fuel additive on the performance of a single-cylinder spark ignition (SI) engine. Key performance parameters evaluated included specific fuel consumption (SFC), thermal efficiency, exhaust temperature, and the lambda ratio. Additionally, the study analyzed exhaust emissions, measuring levels of carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC), and nitrogen oxides (NOx).
The findings from these tests provide insights into how the fuel additive influences both engine efficiency and emissions, contributing to the broader understanding of alternative fuel formulations in enhancing engine performance and reducing environmental impact.
Discussion
In this study, the operating characteristics of a single-cylinder, air-cooled, four-stroke gasoline engine (Honda GX200) were evaluated to assess the impact of various fuel formulations on engine performance. The experiments maintained a constant engine speed of 2500 rpm while varying the load from no-load to 10%. The fuel blends tested included pure gasoline and several formulations containing dichloromethane (DCM) and the additive CPTC at concentrations of 50, 100, and 200 ppm. Results indicated that the addition of DCM and CPTC significantly improved specific fuel consumption (SFC) and thermal efficiency across all loads, with the most substantial efficiency gains observed at the highest additive concentration (200 ppm). Specifically, SFC decreased from 935.45 g/kWh with pure gasoline to 305.69 g/kWh at full load with the G+DCM+200 ppm blend, highlighting the additive’s role in enhancing combustion efficiency.
The study also examined exhaust gas temperature (EGT), air-fuel ratio (lambda), and emissions of CO2, CO, and hydrocarbons (HC). EGT showed a general increase with load, while the addition of DCM and CPTC influenced EGT variably, with 100 ppm of CPTC yielding optimal thermal control. Lambda values indicated a shift towards leaner mixtures with higher concentrations of CPTC, potentially enhancing combustion efficiency but raising concerns about increased NOx emissions. Emission analyses revealed that CO2 emissions increased with load, but the G+DCM blend with 100 ppm CPTC minimized CO2 output at moderate loads. CO and HC emissions were significantly reduced with higher concentrations of CPTC, particularly at full load, suggesting that the additive promotes more complete combustion. Overall, the findings suggest that optimizing fuel composition with DCM and CPTC can effectively enhance engine performance and reduce harmful emissions, presenting a viable strategy for improving fuel economy and environmental impact in spark-ignition engines.