DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-97620-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40676097
تاريخ النشر: 2025-07-17
المؤلف: Negasa Tesfaye Tefera وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في أداء وانبعاثات محرك الاحتراق المضغوط الذي يتم التحكم في تفاعله (RCCI) باستخدام مزيج من الن-butanol والبنزين كوقود منخفض التفاعل (LRF) ومزيج من الديزل الحيوي (B20) كوقود عالي التفاعل (HRF). استخدمت الدراسة محرك احتراق مضغوط أحادي الأسطوانة معدل، وأجريت تجارب بسرعات ونسب خلط وقود متغيرة. ومن الجدير بالذكر أن تكوين B20+G50n-b50 حقق أعلى ضغط أسطوانة بلغ 92.25 بار عند 2800 دورة في الدقيقة، متفوقًا بشكل كبير على ضغط الوقود الأساسي البالغ 57.24 بار. تميز الأداء الأمثل بقوة كبح قدرها 4.35 كيلو واط وأدنى انبعاثات من NOx (150 جزء في المليون) وCO2 (3.7 حجم %) مع تكوين B20+G25n-b75.
تسلط الاستنتاجات المستخلصة من الدراسة الضوء على التشغيل الفعال لمحرك RCCI باستخدام خلطات الوقود المحددة، حيث أظهرت ضغوط الأسطوانة القصوى وقوة الكبح تحسينات مقارنة بالوقود الأساسي عند سرعات محرك أعلى. تشير النتائج إلى أن وضع RCCI يقلل بشكل كبير من انبعاثات NOx وCO2، خاصة مع تكوين B20+G25n-b75. ومع ذلك، وُجد أن انبعاثات CO وHC تزداد مع بعض الخلطات، بينما حقق تكوين B20+G75n-b25 أدنى انبعاثات. بشكل عام، تؤكد الدراسة على إمكانيات تكنولوجيا RCCI في تحسين استخدام الوقود وتقليل الانبعاثات، مما يساهم في تطوير تقنيات محركات أنظف وأكثر استدامة.
طرق
شملت المنهجية التجريبية اختبار محرك احتراق مضغوط معدل يعمل في وضع الاحتراق المضغوط الذي يتم التحكم في تفاعله (RCCI). استخدمت الإعدادات الأساسية محرك احتراق مضغوط أحادي الأسطوانة، رباعي الأشواط، ومبرد بالماء، والذي تم تعديله لاحقًا لدمج نظام حقن وقود في المنفذ. تم تجهيز المحرك بنظام جمع بيانات (DAS) ومقياس ديناميكي متصل بعمود الخرج. تشمل الوقود المختبر البنزين، والديزل، والن-butanol، والديزل الحيوي، حيث تم إنتاج الديزل الحيوي من زيت بذور القطن عبر عملية التحويل الاستر. ركزت الدراسة على نسب خلط وقود مختلفة، تحديدًا مزيج من الديزل والديزل الحيوي (B20) كوقود عالي التفاعل (HRF) ومزيج من البنزين/الن-butanol كوقود منخفض التفاعل (LRF)، مع كسور حجمية مختلفة (مثل G25n-b75، G50E50، G75n-b25).
أُجريت التجارب عند حمل أقصى قدره 80%، مع تغيير سرعات المحرك بين 1800-2800 دورة في الدقيقة، ونسب LRF مختلفة لتقييم الأداء، وخصائص الاحتراق، والانبعاثات. تم حساب نسبة الخلط المسبق (rp) لتقييم مساهمة الطاقة للوقود المحقون في المنفذ، وقدم بيانات ضغط الأسطوانة التي تم جمعها خلال دورة المحرك رؤى حول عملية الاحتراق. تم تحديد معدل تحرير الحرارة (HRR) باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية المطبق على نموذج منطقة واحدة، مما يسمح بتحليل مفصل لديناميات الاحتراق. بشكل عام، كانت المنهجية تهدف إلى تحديد مراحل الاحتراق المثلى لتحسين الكفاءة وتقليل الانبعاثات في تشغيل محرك RCCI.
نقاش
في هذه الدراسة، تم إنتاج الديزل الحيوي من زيت بذور القطن عبر عملية تحويل استر تقليدية، والتي اعتُبرت مناسبة نظرًا لانخفاض محتوى الأحماض الدهنية الحرة (FFA) في الزيت لأقل من 1%. تضمنت العملية تسخين الزيت مسبقًا، وتحضير محلول ميثوكسيد البوتاسيوم، والحفاظ على درجة حرارة تفاعل تبلغ 60 درجة مئوية. تبعت عملية توصيف الديزل الحيوي المعايير الأوروبية ومعايير ASTM، حيث أكدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) التحويل الناجح إلى استر ميثيلي. تناولت الدراسة أيضًا عدم اليقين في القياسات، مشددة على أهمية الدقة في الحصول على نتائج موثوقة.
كشف تحليل الاحتراق أن استخدام خلطات البنزين/الن-butanol في محرك RCCI المعدل أثر بشكل كبير على ضغط الأسطوانة ومعدلات تحرير الحرارة (HRR). أظهر المزيج B20+G50n-b50 أعلى ضغط أسطوانة ذروة ومعدل تحرير حرارة، مما يدل على تحسين كفاءة الاحتراق مقارنة بالوقود الأساسي. كانت مقاييس أداء المحرك، بما في ذلك قوة الكبح (BP) وعزم الكبح (BT)، عمومًا محسنة مع خلطات الوقود المثلى، خاصة عند السرعات الأعلى. ومن الجدير بالذكر أن مزيج B20+G25n-b75 أظهر أدنى انبعاثات من NOx وCO2، بينما زادت انبعاثات CO والهيدروكربونات مع بعض الخلطات. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات تكنولوجيا RCCI في تحسين استخدام الوقود وتقليل الانبعاثات، مما يمهد الطريق لعمليات محرك أنظف. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على الأداء الانتقالي تحت ظروف العالم الحقيقي المتنوعة لمزيد من التحقق من هذه النتائج.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-97620-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40676097
Publication Date: 2025-07-17
Author(s): Negasa Tesfaye Tefera et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
The research investigates the performance and emissions of a Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) engine using a blend of n-butanol and gasoline as the low reactivity fuel (LRF) and a biodiesel blend (B20) as the high reactivity fuel (HRF). The study utilized a modified single-cylinder compression ignition engine, conducting experiments at varying speeds and fuel blend ratios. Notably, the B20+G50n-b50 configuration achieved the highest cylinder pressure of 92.25 bar at 2800 rpm, significantly outperforming the baseline fuel’s 57.24 bar. The optimal performance was characterized by a brake power of 4.35 kW and the lowest emissions of NOx (150 ppm) and CO2 (3.7 vol%) with the B20+G25n-b75 configuration.
The conclusions drawn from the study highlight the effective operation of the RCCI engine using the specified fuel blends, with peak cylinder pressures and brake power showing improvements over baseline fuel at higher engine speeds. The findings indicate that RCCI mode significantly reduces NOx and CO2 emissions, particularly with the B20+G25n-b75 configuration. However, CO and HC emissions were found to increase with certain blends, while the B20+G75n-b25 configuration achieved the lowest emissions. Overall, the study underscores the potential of RCCI technology in optimizing fuel use and minimizing emissions, contributing to the development of cleaner and more sustainable engine technologies.
Methods
The experimental methodology involved testing a modified compression ignition (CI) engine operating in reactivity-controlled compression ignition (RCCI) mode. The baseline setup utilized a single-cylinder, four-stroke, water-cooled CI engine, which was later adapted to incorporate a port fuel injection system. The engine was equipped with a data acquisition system (DAS) and an AC dynamometer linked to the output shaft. Fuels tested included gasoline, diesel, n-butanol, and biodiesel, with biodiesel produced from cottonseed oil via transesterification. The study focused on various fuel blend ratios, specifically a diesel-biodiesel blend (B20) as the high-reactivity fuel (HRF) and a gasoline/n-butanol blend as the low-reactivity fuel (LRF), with different volume fractions (e.g., G25n-b75, G50E50, G75n-b25).
Experiments were conducted at a maximum load of 80%, varying engine speeds between 1800-2800 rpm, and different LRF ratios to assess performance, combustion characteristics, and emissions. The premixed ratio (rp) was calculated to evaluate the energy contribution of the port-injected fuel, and cylinder pressure data collected during the engine cycle provided insights into the combustion process. The heat release rate (HRR) was determined using the first law of thermodynamics applied to a single-zone model, allowing for a detailed analysis of combustion dynamics. Overall, the methodology aimed to identify optimal combustion phases for improved efficiency and reduced emissions in RCCI engine operation.
Discussion
In this study, biodiesel was produced from cottonseed oil via a conventional transesterification process, which was deemed suitable due to the oil’s low free fatty acid (FFA) content of less than 1%. The process involved preheating the oil, preparing a potassium methoxide solution, and maintaining a reaction temperature of 60 °C. Characterization of the biodiesel followed European and ASTM standards, with Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy confirming successful conversion to methyl ester. The study also addressed measurement uncertainties, emphasizing the importance of precision in obtaining reliable results.
The combustion analysis revealed that the use of gasoline/n-butanol blends in a modified RCCI engine significantly impacted cylinder pressure and heat release rates (HRR). The blend B20+G50n-b50 exhibited the highest peak cylinder pressure and HRR, indicating improved combustion efficiency compared to baseline fuel. Engine performance metrics, including brake power (BP) and brake torque (BT), were generally enhanced with optimal fuel blends, particularly at higher speeds. Notably, the B20+G25n-b75 blend demonstrated the lowest NOx and CO2 emissions, while CO and hydrocarbon emissions increased with certain blends. These findings underscore the potential of RCCI technology to optimize fuel use and reduce emissions, paving the way for cleaner engine operations. Future research should focus on transient performance under varied real-world conditions to further validate these results.