DOI: https://doi.org/10.64808/engineeringperspective.1802746
تاريخ النشر: 2026-02-12
المؤلف: Kamran Poorghasemi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في عملية الاحتراق في محرك الاحتراق المضبوط بالتفاعل (RCCI) الذي يعمل بوقود مزيج من الغاز الطبيعي (NG) والديزل، باستخدام إطار عمل مرتبط من CFD ثلاثي الأبعاد والديناميكا الكيميائية. تم استخدام آلية ديناميكا كيميائية مختزلة تتكون من 57 نوعًا و190 تفاعلًا لمحاكاة ديناميات الاحتراق. تشير النتائج الرئيسية إلى أن زيادة نسبة الخلط المسبق (PR) من 75% إلى 97% تؤخر بدء الاحتراق (SOC) وزاوية الكرنك التي يتم عندها حرق 50% من الوقود (CA50)، بينما تطيل مدة احتراق الديزل. على العكس من ذلك، تؤدي النسب المنخفضة من PR إلى تقليل مدة احتراق الميثان. تقدم بدء حقن الديزل (SOI) في البداية SOC ولكن في النهاية تؤخره، مع زيادة الحقن المبكر لزيادة مدة احتراق الديزل وتقليل مدة احتراق الميثان. من الجدير بالذكر أن كفاءة الاحتراق تنخفض مع SOI المبكر، بينما تتحسن الكفاءة الإجمالية، مصحوبة بزيادة انبعاثات الهيدروكربونات (HC) وأول أكسيد الكربون (CO) وانخفاض انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx).
تخلص الدراسة إلى أن تغيير PR وSOI يؤثر بشكل كبير على خصائص الاحتراق والانبعاثات في محرك RCCI. بشكل محدد، فإن تقليل PR يعزز الحد الأقصى لمعدل تحرير الحرارة للديزل ويزيد من درجات حرارة الأسطوانة بسبب الاحتراق المحلي. ترتبط النسب الأعلى من PR بزيادة انبعاثات CO وHC ولكن بانخفاض انبعاثات NOx، بينما تؤثر أيضًا على ضغط الذروة في الأسطوانة ودرجة حرارة الغاز. تقدم SOI الانتقال من وضع الاحتراق الثنائي الوقود إلى نظام أكثر تحكمًا في التفاعل، مما يغير ديناميات الاشتعال ومدة احتراق كلا الوقودين. تضع النتائج الأساس لمزيد من استكشاف خصائص احتراق RCCI، مشيرة إلى أن العمل المستقبلي يجب أن يركز على التحقق من صحة نموذج KIVA مقابل البيانات التجريبية وتحسين استراتيجيات PR لتحسين كفاءة الاحتراق والتحكم في الانبعاثات.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية أهمية محركات الاحتراق الداخلي التقليدية (IC)، وخاصة محركات الاشتعال بالضغط (CI)، في تطبيقات متنوعة مثل النقل وتوليد الطاقة الثابتة. تُفضل محركات CI لكفاءتها الحرارية الأعلى وإنتاج الطاقة؛ ومع ذلك، تواجه تحديات تتعلق بارتفاع انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) والمواد الجسيمية (PM). ظهرت التطورات الأخيرة في تقنيات الاحتراق منخفض الحرارة (LTC)، وخاصة محرك الاشتعال بالضغط المضبوط بالتفاعل (RCCI)، كبدائل واعدة لمحركات CI التقليدية. تستخدم محركات RCCI نهج الوقود المزدوج، حيث تجمع بين وقود منخفض التفاعل (مثل البنزين أو الغاز الطبيعي) مع وقود عالي التفاعل (مثل الديزل)، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الاحتراق وتقليل الانبعاثات.
تسلط الورقة الضوء على دراسات متنوعة استكشفت تحسين محركات RCCI، مع التركيز على عوامل مثل توقيت حقن الوقود، ونسب الكتلة، وإعادة تدوير غاز العادم (EGR). من الجدير بالذكر أن الأبحاث تشير إلى أن احتراق RCCI يمكن أن يخفف بشكل فعال من انبعاثات NOx والسخام بينما يعزز كفاءة الوقود مقارنة باحتراق الديزل التقليدي. على الرغم من التقدم المحرز، يؤكد المؤلفون على تعقيد عملية احتراق RCCI، التي تتأثر بالتفاعلات بين الوقودين واستراتيجيات حقنهما. تهدف الدراسة الحالية إلى التحقيق في تأثيرات نسبة الخلط المسبق للميثان وتوقيت بدء الحقن (SOI) للديزل على مراحل الاحتراق في محركات RCCI من خلال نمذجة CFD ثلاثية الأبعاد مقترنة بالديناميكا الكيميائية المختزلة، مع معالجة فجوة في الأدبيات الحالية بشأن دراسات المحاكاة الشاملة حول مراحل احتراق RCCI.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل المنهجية لتوليد معدل تحرير الحرارة (HRR) للديزل والميثان. تضمنت الإعدادات التجريبية تشغيل كود يدمج آلية مشتركة لتفاعلات أكسدة الن-هيبتان والميثان. تم حساب HRR للن-هيبتان عن طريق ضرب معدل استهلاكه بقيمته الحرارية المنخفضة (LHV)، وتم تطبيق نهج مشابه للميثان. تم تقييم دقة هذه الطريقة من خلال مقارنة إجمالي HRR الذي تم الحصول عليه من المحاكاة مع مجموع HRRs الفردية للن-هيبتان (الذي يمثل الديزل) والميثان (الذي يمثل الغاز الطبيعي).
تظهر النتائج، الموضحة في الشكل 6، توافقًا وثيقًا بين إجمالي HRR المحسوب وHRR المحاكي، مع انحراف أقصى قدره 1.5° زاوية كرنك فقط. وهذا يشير إلى أن طريقة الفصل لحساب HRR للديزل والميثان صالحة وموثوقة لأغراض هذه الدراسة. بالإضافة إلى ذلك، يقدم الشكل 5 مقارنة بين النتائج العددية والتجريبية لانبعاثات عادم المحرك، مما يدعم النتائج بشكل أكبر.
مناقشة
في هذا البحث، تم نمذجة عملية الاحتراق في محرك الاشتعال بالضغط المضبوط بالتفاعل (RCCI) باستخدام كود KIVA-3V المقترن بـ CHEMKIN-II، مع استخدام آلية كيميائية مختزلة تتكون من 57 نوعًا و190 تفاعلًا. ركزت الدراسة على تأثيرات تغيير نسبة الخلط المسبق (PR) وتوقيت بدء الحقن (SOI) على خصائص احتراق وقود الديزل والميثان. تشير النتائج الرئيسية إلى أن تقليل PR من 97% إلى 75% يعزز بشكل كبير الحد الأقصى لمعدل تحرير الحرارة (HRR) للديزل ويقدم بدء احتراقه (SOC)، بينما يزيد أيضًا من HRR للميثان. بالإضافة إلى ذلك، ترتفع درجة حرارة الأسطوانة بسبب وجود احتراق الديزل، مما يؤدي إلى مناطق غنية محليًا بدرجات حرارة مرتفعة، مما يؤثر بدوره على الانبعاثات، مع ملاحظة زيادة في CO وHC ولكن انخفاض في انبعاثات NO عند النسب الأعلى من PR.
كشفت تحليل توقيت SOI أن تقديم SOI من -20 CAD aTDC إلى -40 CAD aTDC ينتقل بوضع الاحتراق من وضع الوقود الثنائي التقليدي إلى وضع احتراق عالي التحكم في التفاعل، حيث يعمل الديزل كمنظم لاحتراق الميثان. تؤدي هذه التحولات إلى تقليل المناطق الغنية وزيادة أوقات تأخير الاشتعال، مما يؤدي لاحقًا إلى تأخير SOC للديزل وتغيير مدة احتراق كلا الوقودين. تخلص الدراسة إلى أنه بينما يزيد توقيت SOI المتقدم من انبعاثات HC وCO، فإنه يقلل من انبعاثات NOx بسبب انخفاض درجات حرارة الأسطوانة واحتراق أكثر خلطًا. تضع هذه النتائج الأساس لمزيد من التحقيقات في تحسين كفاءة احتراق RCCI والتحكم في الانبعاثات في محركات الديزل/الغاز الطبيعي، مع التأكيد على الحاجة إلى مزيد من التحقق من صحة نموذج KIVA والآليات الكيميائية مقابل البيانات التجريبية.
DOI: https://doi.org/10.64808/engineeringperspective.1802746
Publication Date: 2026-02-12
Author(s): Kamran Poorghasemi et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
The research investigates the combustion process in a Reactivity Controlled Combustion Ignition (RCCI) engine fueled by a blend of natural gas (NG) and diesel, utilizing a coupled 3D-CFD and chemical kinetics framework. A reduced chemical kinetics mechanism comprising 57 species and 190 reactions was employed to simulate the combustion dynamics. Key findings indicate that increasing the premixed ratio (PR) from 75% to 97% delays the start of combustion (SOC) and the crank angle at which 50% of the fuel is burned (CA50), while extending the burning duration of diesel. Conversely, lower PRs lead to reduced methane combustion duration. Advancing the diesel start of injection (SOI) initially advances the SOC but eventually retards it, with early injection increasing diesel burning duration and decreasing methane burning duration. Notably, combustion efficiency declines with earlier SOI, while gross indicated efficiency improves, accompanied by increased hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions and decreased nitrogen oxides (NOx) emissions.
The study concludes that varying the PR and SOI significantly impacts combustion characteristics and emissions in the RCCI engine. Specifically, reducing PR enhances the maximum heat release rate of diesel and increases in-cylinder temperatures due to localized combustion. Higher PRs correlate with increased CO and HC emissions but lower NOx emissions, while also affecting in-cylinder peak pressure and gas temperature. Advancing SOI transitions the combustion mode from pilot dual-fuel to a more reactivity-controlled regime, altering the ignition dynamics and combustion duration of both fuels. The findings lay the groundwork for further exploration of RCCI combustion characteristics, suggesting future work should focus on validating the KIVA model against experimental data and refining PR strategies to optimize combustion efficiency and emissions control.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significance of conventional internal combustion (IC) engines, particularly compression ignition (CI) engines, in various applications such as transportation and stationary power generation. CI engines are favored for their higher thermal efficiency and power output; however, they face challenges related to elevated emissions of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM). Recent advancements in low temperature combustion (LTC) technologies, particularly the reactivity controlled compression ignition (RCCI) engine, have emerged as promising alternatives to conventional CI engines. RCCI engines utilize a dual-fuel approach, combining a low-reactivity fuel (e.g., gasoline or natural gas) with a high-reactivity fuel (e.g., diesel), leading to improved combustion efficiency and reduced emissions.
The paper highlights various studies that have explored the optimization of RCCI engines, focusing on factors such as fuel injection timing, mass fractions, and exhaust gas recirculation (EGR). Notably, research indicates that RCCI combustion can effectively moderate NOx and soot emissions while enhancing fuel efficiency compared to traditional diesel combustion. Despite the progress made, the authors emphasize the complexity of the RCCI combustion process, which is influenced by the interactions between the two fuels and their respective injection strategies. The current study aims to investigate the effects of the premixed ratio of methane and the start of injection (SOI) timing of diesel on the combustion phasing of RCCI engines through 3D-CFD modeling combined with reduced chemical kinetics, addressing a gap in the existing literature regarding comprehensive simulation studies on RCCI combustion phasing.
Methods
In this section, the methodology for generating the Heat Release Rate (HRR) for diesel and methane is detailed. The experimental setup involved running a code that incorporates a combined mechanism for n-heptane and methane oxidation reactions. The HRR for n-heptane was calculated by multiplying its consumption rate by its Lower Heating Value (LHV), and a similar approach was applied for methane. The accuracy of this method was evaluated by comparing the total HRR obtained from simulations with the sum of the individual HRRs for n-heptane (representing diesel) and methane (representing natural gas).
The results, illustrated in Figure 6, demonstrate a close alignment between the total calculated HRR and the simulated HRR, with a maximum deviation of only 1.5° crank angle. This indicates that the separation method for calculating the HRR of diesel and methane is valid and reliable for the purposes of this study. Additionally, Figure 5 presents a comparison of numerical and experimental results for engine exhaust emissions, further supporting the findings.
Discussion
In this research, the combustion process of a Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) engine was modeled using the KIVA-3V code coupled with CHEMKIN-II, employing a reduced chemical kinetics mechanism comprising 57 species and 190 reactions. The study focused on the effects of varying the premixed ratio (PR) and the start of injection (SOI) timing on the combustion characteristics of diesel and methane fuels. Key findings indicate that decreasing the PR from 97% to 75% significantly enhances the maximum heat release rate (HRR) of diesel and advances its start of combustion (SOC), while also increasing the HRR of methane. Additionally, the in-cylinder temperature rises due to the presence of diesel combustion, leading to local rich regions with elevated temperatures, which in turn affects emissions, with higher CO and HC but lower NO emissions observed at higher PRs.
The analysis of SOI timing revealed that advancing the SOI from -20 CAD aTDC to -40 CAD aTDC transitions the combustion mode from a typical dual-fuel to a highly reactivity-controlled combustion mode, where diesel acts as a controller for methane combustion. This shift results in a reduction of rich zones and an increase in ignition delay times, subsequently retarding the SOC of diesel and altering the burning durations of both fuels. The study concludes that while advancing SOI timing increases HC and CO emissions, it decreases NOx emissions due to lower in-cylinder temperatures and more premixed combustion. These findings lay the groundwork for future investigations into optimizing RCCI combustion efficiency and emissions control in diesel/natural gas engines, emphasizing the need for further validation of the KIVA model and chemical mechanisms against experimental data.