DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-47392-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41965441
تاريخ النشر: 2026-04-11
المؤلف: Rajesh Kumar Pandey وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تعديل محرك ماروتي ألتو بسعة 796 سم مكعب والذي يعمل بنظام حقن الوقود المتعدد النقاط (MPFI) ليعمل فقط على الغاز الطبيعي المضغوط (CNG)، بهدف تقليل الانبعاثات الحضرية خلال الانتقال إلى التنقل المستدام. تقيم الأبحاث تأثير فجوات أقطاب شرارة الإيريديوم المختلفة (0.5 و0.6 و0.8 مم) على استقرار الاشتعال، وأداء المحرك، وانبعاثات العادم. تشير النتائج إلى أن فجوة 0.6 مم تحقق احتراقًا أكثر استقرارًا وتقلل من ميل حدوث الانفجارات تحت ظروف CNG الضعيفة. ومن الجدير بالذكر أن انبعاثات أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروكربونات (HC) قد انخفضت بنحو 42% و38% على التوالي، مقارنةً بتشغيل البنزين التقليدي، على الرغم من أن القدرة الناتجة انخفضت بنسبة 4-5% بسبب انخفاض كثافة الطاقة للغاز الطبيعي المضغوط. أكدت تحليل ANOVA الأهمية الإحصائية لهذه النتائج (p < 0.05). في الختام، تؤكد الدراسة الجدوى التقنية لتحويل المركبات الصغيرة، مثل محرك ماروتي ألتو MPFI، للعمل حصريًا على الغاز الطبيعي المضغوط دون الاعتماد على البنزين كوقود تجريبي. الظروف المثلى للاشتعال التي تم تحديدها، وخاصة فجوة شرارة الإيريديوم 0.6 مم، سهلت الاحتراق المستقر، وتطوير نواة اللهب الموحدة، وتقليل الانفجارات، مما يوضح مسارًا قابلاً للتطبيق لاعتماد وقود أنظف في النقل الحضري.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التحقيق الشامل في محركات الاشتعال الشراري (SI) التي تعمل بالوقود الغازي على مدى عدة عقود. أشارت الدراسات الأولية إلى أن خلط الوقود الغازي، مثل الهيدروجين أو غاز المنتج، مع البنزين يعزز الكفاءة الحرارية ويقلل بشكل ملحوظ من انبعاثات أول أكسيد الكربون (CO). ركزت النمذجة الديناميكية الحرارية اللاحقة على تأثيرات إعداد الخليط وتوقيت الاشتعال على خصائص احتراق الوقود المزدوج. كشفت الأعمال التجريبية مع غاز البترول المسال (LPG) وخلائط الغاز الطبيعي المضغوط (CNG) عن تقليل انبعاثات الهيدروكربونات (HC)، على الرغم من ملاحظة مشكلات مثل ميل الخبط، وفقدان الطاقة، واستقرار الخليط.
تركزت التطورات الحديثة على استراتيجيات الاشتعال المبتكرة وتقنيات التحكم في الاحتراق التي تهدف إلى تعزيز استقرار الاحتراق وأداء محركات الوقود الغازي. أكدت التعديلات على نسب الضغط وتوقيت الشرارة على ضرورة المعايرة الدقيقة للاشتعال لتحقيق احتراق مستقر وتحسين كفاءة المحرك. تم توثيق الفوائد البيئية للغاز الطبيعي المضغوط جيدًا، ويرجع ذلك أساسًا إلى نسبة الهيدروجين إلى الكربون الأعلى، مما أدى إلى انخفاض انبعاثات CO وHC مقارنةً بالبنزين. ومع ذلك، فإن محركات البنزين عمومًا تنتج طاقة كبح أعلى قليلاً بسبب كثافة الطاقة الحجمية الأكبر وخصائص تشكيل الخليط المتفوقة للوقود السائل. سلطت الدراسات على المركبات الهندية الضوء على أن تشغيل الغاز الطبيعي المضغوط يمكن أن يؤدي إلى تخفيضات كبيرة في تكاليف التشغيل وتحسينات في جودة الهواء الحضري.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون بناء مجموعة بيانات انبعاثات تجريبية، والتي تشكل أساس تحليلهم. تتكون مجموعة البيانات من مجموعة شاملة من قياسات الانبعاثات، التي تم جمعها تحت ظروف مضبوطة لضمان الموثوقية والدقة. يوضح المؤلفون المعايير التي تم قياسها، بما في ذلك أنواع الانبعاثات، والأساليب المستخدمة لجمع البيانات، والظروف البيئية المحددة خلال التجارب.
علاوة على ذلك، يحدد القسم التقنيات الإحصائية المستخدمة لتحليل مجموعة البيانات، مع التأكيد على أهمية التعامل القوي مع البيانات لاستخلاص استنتاجات ذات مغزى. يبرز المؤلفون النتائج الرئيسية من التحليلات الأولية، التي تكشف عن أنماط وارتباطات كبيرة بين المتغيرات المقاسة. لا تدعم مجموعة البيانات هذه الأبحاث الحالية فحسب، بل توفر أيضًا موردًا قيمًا للدراسات المستقبلية في مجال تحليل الانبعاثات.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة حول محرك ماروتي ألتو MPFI الذي يعمل على الغاز الطبيعي المضغوط النقي عن اختلافات كبيرة في كل من الأداء والانبعاثات مقارنةً بتشغيل البنزين. تم تقسيم التحليل إلى فئتين رئيسيتين: تحليل الأداء وتحليل الانبعاثات، مع تقديم النتائج بالنسبة لتشغيل البنزين المرجعي، مع تسليط الضوء على كل من المزايا والعيوب لتحويل الغاز الطبيعي المضغوط.
في تحليل الأداء، تشير نتائج ANOVA إلى وجود فرق كبير في قدرة الكبح (F = 18.72، p < 0.01) واستهلاك الوقود المحدد للفرامل (BSFC) (F = 12.45، p < 0.05) عند استخدام الغاز الطبيعي المضغوط. يظهر تحليل الانبعاثات انخفاضًا كبيرًا جدًا في انبعاثات أول أكسيد الكربون (CO) (F = 45.63، p < 0.001) وانخفاضًا كبيرًا في انبعاثات الهيدروكربونات (HC) (F = 28.14، p < 0.001) مع الغاز الطبيعي المضغوط. ومع ذلك، أظهرت انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) زيادة طفيفة ولكنها ملحوظة (F = 6.92، p < 0.05) مقارنةً بالبنزين. تؤكد هذه النتائج على الفوائد المحتملة للغاز الطبيعي المضغوط كوقود بديل أنظف، مع الإشارة أيضًا إلى المقايضة المتعلقة بانبعاثات NOx.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم لتعديلات نظام الاشتعال في تحسين أداء محركات الغاز الطبيعي المضغوط (CNG)، لا سيما في المركبات الصغيرة مثل ماروتي ألتو. يؤكد على أنه بينما يوفر تشغيل الغاز الطبيعي المضغوط فوائد كبيرة في الانبعاثات، مثل تقليل انبعاثات أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروكربونات غير المحترقة (HC) بنحو 42% و38% على التوالي، هناك مقايضة طفيفة في أداء المحرك، حيث تنخفض قدرة الكبح بنحو 5-7% مقارنةً بالبنزين. يُعزى هذا الانخفاض إلى انخفاض محتوى الطاقة للغاز الطبيعي المضغوط. تؤكد الدراسة على أهمية تحسين فجوة شمعات الإشعال، حيث تم تحديد فجوة 0.6 مم كأفضل خيار لتعزيز استقرار الاحتراق وتقليل الانفجارات، مما يسهل تشغيل الغاز الطبيعي المضغوط بكفاءة.
علاوة على ذلك، تحدد الأبحاث الفجوات في الأدبيات الحالية فيما يتعلق بالتحقق التجريبي من معايرة الاشتعال ومقايضات الانبعاثات في المركبات المدمجة. تدعو إلى مزيد من الدراسات حول المتانة طويلة الأمد لمكونات الاشتعال ودمج استراتيجيات الاشتعال المحسّنة مع الأنظمة الهجينة لتعزيز كفاءة المحرك. تدعم النتائج جدوى التعديلات المخصصة للغاز الطبيعي المضغوط في المركبات الصغيرة، مما يساهم في حلول تنقل أنظف في الهند مع الحفاظ على مستويات أداء مقبولة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-47392-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41965441
Publication Date: 2026-04-11
Author(s): Rajesh Kumar Pandey et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
This study explores the retrofitting of a 796 cc Maruti Alto multi-point fuel injection (MPFI) engine to operate solely on compressed natural gas (CNG), aiming to reduce urban emissions during the transition to sustainable mobility. The research evaluates the impact of different iridium spark plug electrode gaps (0.5, 0.6, and 0.8 mm) on ignition stability, engine performance, and exhaust emissions. Results indicate that a 0.6 mm gap yields the most stable combustion and minimizes misfire tendencies under lean CNG conditions. Notably, emissions of carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) were reduced by approximately 42% and 38%, respectively, compared to conventional petrol operation, although brake power decreased by 4-5% due to the lower energy density of CNG. ANOVA analysis confirmed the statistical significance of these findings (p < 0.05). In conclusion, the study establishes the technical feasibility of converting small passenger vehicles, such as the Maruti Alto MPFI engine, to operate exclusively on CNG without relying on petrol as a pilot fuel. The optimal ignition conditions identified, particularly the 0.6 mm iridium spark plug gap, facilitated stable combustion, uniform flame kernel development, and reduced misfires, demonstrating a viable pathway for cleaner fuel adoption in urban transportation.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the extensive investigation into gaseous-fuel spark-ignition (SI) engines over several decades. Initial studies indicated that blending gaseous fuels, such as hydrogen or producer gas, with gasoline enhances thermal efficiency and markedly decreases carbon monoxide (CO) emissions. Subsequent thermodynamic modeling focused on the impacts of mixture preparation and ignition timing on dual-fuel combustion characteristics. Experimental work with liquefied petroleum gas (LPG) and compressed natural gas (CNG) blends revealed reductions in hydrocarbon (HC) emissions, although issues such as knocking tendency, power loss, and mixture stability were noted.
Recent advancements have centered on innovative ignition strategies and combustion control techniques aimed at enhancing combustion stability and performance in gaseous-fuel engines. Adjustments to compression ratios and spark timing have underscored the necessity of precise ignition calibration for achieving stable combustion and improved engine efficiency. The environmental benefits of CNG, primarily due to its higher hydrogen-to-carbon ratio, have been well-documented, leading to lower CO and HC emissions compared to petrol. However, petrol engines generally yield slightly higher brake power due to the greater volumetric energy density and superior mixture formation characteristics of liquid fuels. Studies on Indian passenger vehicles have highlighted that CNG operation can lead to significant reductions in operating costs and enhancements in urban air quality.
Methods
In this section, the authors describe the construction of an experimental emission dataset, which serves as the foundation for their analysis. The dataset comprises a comprehensive collection of emission measurements, collected under controlled conditions to ensure reliability and accuracy. The authors detail the parameters measured, including the types of emissions, the methodologies employed for data collection, and the specific environmental conditions during the experiments.
Furthermore, the section outlines the statistical techniques used to analyze the dataset, emphasizing the importance of robust data handling to draw meaningful conclusions. The authors highlight key findings from preliminary analyses, which reveal significant patterns and correlations among the measured variables. This dataset not only supports the current research but also provides a valuable resource for future studies in the field of emissions analysis.
Results
The results of the study on the Maruti Alto MPFI engine operating on pure CNG reveal significant differences in both performance and emissions compared to petrol operation. The analysis is divided into two main categories: performance analysis and emission analysis, with findings presented in relation to the reference petrol operation, highlighting both advantages and disadvantages of the CNG conversion.
In the performance analysis, ANOVA results indicate a significant difference in brake power (F = 18.72, p < 0.01) and brake specific fuel consumption (BSFC) (F = 12.45, p < 0.05) when using CNG. Emission analysis shows a highly significant reduction in carbon monoxide (CO) emissions (F = 45.63, p < 0.001) and a significant reduction in hydrocarbon (HC) emissions (F = 28.14, p < 0.001) with CNG. However, nitrogen oxides (NOx) emissions exhibited a slight but significant increase (F = 6.92, p < 0.05) when compared to petrol. These findings underscore the potential benefits of CNG as a cleaner alternative fuel, while also noting the trade-off regarding NOx emissions.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the critical role of ignition system modifications in optimizing the performance of compressed natural gas (CNG) engines, particularly in small passenger vehicles like the Maruti Alto. It emphasizes that while CNG operation offers significant emission benefits, such as reductions in carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbons (HC) by approximately 42% and 38%, respectively, there is a slight trade-off in engine performance, with brake power decreasing by about 5-7% compared to petrol. This reduction is attributed to the lower energy content of CNG. The study underscores the importance of spark plug gap optimization, identifying a 0.6 mm gap as optimal for enhancing combustion stability and minimizing misfires, thereby facilitating efficient CNG operation.
Furthermore, the research identifies gaps in existing literature regarding the experimental validation of ignition calibration and emission trade-offs in compact vehicles. It calls for further studies on the long-term durability of ignition components and the integration of optimized ignition strategies with hybrid systems to enhance engine efficiency. The findings support the feasibility of dedicated CNG retrofits in small passenger vehicles, contributing to cleaner mobility solutions in India while maintaining acceptable performance levels.