DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.02.135
تاريخ النشر: 2025-02-17
المؤلف: Reza Farzam وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تحليل تأثيرات توقيت حقن الديزل، وضغط مجمع السحب، ونسبة تدوير غاز العادم (EGR) على أداء الاحتراق والانبعاثات لمحرك مزدوج الوقود (HDDF) ذو الاستخدام الثقيل تجريبيًا تحت ظروف سرعة متوسطة وحمل متوسط (1200 دورة في الدقيقة، 8 بار BMEP). تشير النتائج الرئيسية إلى أن قسوة الاحتراق، المميزة بمعدل ارتفاع الضغط الأقصى، هي حاجز حاسم لزيادة استخدام الهيدروجين (H₂) وتقديم توقيت حقن الديزل. يمكن أن يؤدي إدخال 20% من EGR إلى تقليل هذا الارتفاع في الضغط بنسبة تصل إلى 40% عند نسب مشاركة طاقة الهيدروجين العالية (HES)، مما يوفر حلاً قابلاً للتطبيق للتخفيف من قسوة الاحتراق.
تكشف الدراسة أيضًا أن الكفاءة الحرارية للفرامل (BTE) تتأثر بشكل أساسي بتوافر الأكسجين ومرحلة الاحتراق، مع تأثير ضئيل من نسب HES. بينما يقلل EGR قليلاً من BTE، فإن تأثيره يتناقص عند نسب HES الأعلى. ترتبط انبعاثات CO₂ بشكل خطي مع نسب HES، بينما تتأثر انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) بشكل أساسي بمرحلة الاحتراق ومستويات الأكسجين، حيث يقلل EGR من انبعاثات NOx بنسبة 68% تحت ظروف التحكم. ترتبط انبعاثات الجسيمات (PM) بمرحلة الاحتراق ونسبة مكافئ الديزل، حيث يزيد EGR من انبعاثات PM ولكنه يسمح بتقليل كبير عند استخدام نسب HES الأعلى. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن التحكم المنسق في توقيت حقن الديزل، وضغط السحب، وEGR يمكن أن يعزز استخدام H₂ ويقلل من انبعاثات غازات الدفيئة مع الحفاظ على أداء المحرك مقارنة بمحركات الديزل التقليدية. ستسعى الأبحاث المستقبلية إلى تحسين هذه المعلمات لتعظيم نسب HES دون المساس بكفاءة المحرك أو موثوقيته.
مقدمة
يقدم إدخال الهيدروجين (H₂) في محركات الديزل حلاً واعدًا على المدى القصير لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة من وسائل النقل الثقيلة، التي تمثل حوالي 9% من انبعاثات غازات الدفيئة السنوية في كندا. نظرًا للضرورة لتحقيق انبعاثات صفرية بحلول عام 2050، فإن إعادة تجهيز محركات الديزل الحالية بحقن H₂ يمكن أن تحل محل استخدام وقود الديزل بشكل كبير. ومع ذلك، فإن فعالية هذا النهج المزدوج للوقود (HDDF) تعتمد على فهم ديناميات الاحتراق وخصائص الانبعاثات المتأثرة بوجود H₂ في تيار الهواء الداخل. تؤثر المعلمات الرئيسية مثل نسبة طاقة الهيدروجين (HES) ونسبة مكافئ الهيدروجين المخلوط (H₂ EQR) بشكل حاسم على أداء الاحتراق، وتأخير الاشتعال، والانبعاثات، مما يتطلب تحسينًا دقيقًا لتجنب الآثار السلبية مثل زيادة انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) وعدم استقرار الاحتراق.
تهدف هذه الدراسة إلى توضيح التفاعلات بين معلمات التحكم الحيوية في المحرك – تحديدًا بدء حقن الديزل (SODI)، وضغط مجمع السحب (IMP)، ونسبة تدوير غاز العادم (EGR) – على احتراق HDDF والانبعاثات. من خلال التركيز على ظروف القيادة عند حمل متوسط، تسعى الأبحاث إلى تحديد الأسباب الكامنة وراء تباين الأداء في محركات HDDF واقتراح حلول عملية للتغلب على تحديات الاحتراق. ستساهم النتائج في تعظيم نسب HES مع ضمان موثوقية المحرك وأدائه، مما يسهل في النهاية اعتماد تقنية الديزل المعززة بالهيدروجين تجاريًا.
طرق البحث
شملت منهجية الدراسة إجراء اختبارات تجريبية على محرك بحث أحادي الأسطوانة مزدوج الوقود، مع التركيز على ثلاثة معلمات مستقلة: SODI (حقن الديزل المؤكسد البديل)، IMP (توقيت الحقن)، ونسبة EGR (تدوير غاز العادم). تم تحليل تأثير كل معلمة على معدل إطلاق الحرارة (HRR) وخصائص الاحتراق بشكل فردي قبل تجميع النتائج لتقييم تأثيراتها التفاعلية على مقاييس أداء المحرك، بما في ذلك ضغط الأسطوانة الأقصى (PCP)، ومشتق الضغط الأقصى (max dP/dCA)، ودرجة حرارة غاز العادم (EGT)، وكفاءة الفرامل الحرارية، والانبعاثات.
تم إجراء الإعداد التجريبي في مركز أبحاث الابتكار في الطاقة النظيفة، باستخدام محرك مزدوج الوقود H₂-ديزل مزود بأنظمة مختلفة لحقن الوقود، والتحكم في درجة الحرارة، وقياس الانبعاثات. تضمنت المواصفات الرئيسية درجة حرارة هواء السحب المتحكم بها عند 40 درجة مئوية وتنظيم دقيق لمعدلات تدفق الهيدروجين والديزل باستخدام مقاييس تدفق الكتلة الحرارية. استخدمت الدراسة تقنيات متقدمة لجمع البيانات، بما في ذلك محول ضغط Kistler Piezo-Star لقياسات ضغط الأسطوانة ومتوسط الوزن الغاوسي لتحسين حسابات HRR. تم إجراء تحليلات الانبعاثات باستخدام أجهزة تحليل من California Analytical Instruments، مما يضمن دقة عالية في قياس تركيبات غاز العادم. بشكل عام، تم تصميم المنهجية لتوفير فهم شامل لعملية الاحتراق والانبعاثات في عمليات محركات الوقود المزدوج.
النتائج
في هذا القسم، تحقق الدراسة من التفاعلات بين نسبة الغاز الصناعي المعزز بالهيدروجين (HES) ومختلف معلمات أداء الاحتراق والانبعاثات للمحرك. تم تحليل تأثيرات معلمات التحكم، تحديدًا بدء الحقن المباشر (SODI)، وضغط الحقن (IMP)، وتدوير غاز العادم (EGR)، على معدل إطلاق الحرارة وخصائص الاحتراق. تكشف النتائج كيف تؤثر هذه المعلمات على العوامل المحدودة للمحرك، بما في ذلك كفاءة الفرامل الحرارية (BTE) والانبعاثات، حيث يتم تغييرها.
بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى وجود ارتباطات كبيرة بين معلمات التحكم ومقاييس الأداء، مما يشير إلى أن تحسين هذه العوامل يمكن أن يعزز كفاءة المحرك ويقلل من الانبعاثات. تم تقديم مجموعة شاملة من النتائج والبيانات التكميلية لدعم هذه النتائج، مما يسهل المزيد من الاستكشاف للعلاقات بين نسبة HES وأداء المحرك.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق بشكل منهجي في تأثيرات ثلاثة معلمات تحكم مستقلة – بدء حقن الديزل (SODI)، وضغط مجمع السحب (IMP)، وتدوير غاز العادم (EGR) – على خصائص الاحتراق والانبعاثات في محرك مزدوج الوقود يعمل بالهيدروجين والديزل. تم إجراء الاختبارات تحت ظروف ثابتة عند 1200 دورة في الدقيقة و8 بار ضغط متوسط فعال للفرامل (BMEP)، والتي تمثل ظروف قيادة الشاحنات الثقيلة. تم تغيير نسبة مشاركة طاقة الهيدروجين (HES)، وتم الحفاظ على استقرار الاحتراق من خلال مراقبة معلمات مثل معاملات التباين لضغط المتوسط الفعال (IMEP) وضغط الأسطوانة الأقصى (PCP)، مما يضمن بقاء القيم ضمن الحدود المقبولة لمنع طرق المحرك والحفاظ على اتساق الأداء.
كشفت النتائج أن تقديم SODI بشكل متقدم عمومًا زاد من تأخير الاشتعال ومرحلة الاحتراق، خاصة عند نسب HES الأعلى، بينما أثر أيضًا على معدلات إطلاق الحرارة (HRR). بشكل محدد، أدى إدخال الهيدروجين إلى تقليل مدة الاحتراق بسبب خصائص انتشار اللهب السريعة. أظهرت دراسة IMP أن الضغوط المنخفضة للسحب أدت إلى زيادة HRR وضغوط داخل الأسطوانة القصوى، بينما أظهر EGR أنه يعزز تأخير الاشتعال ويحسن الخلط، على الرغم من تكلفة استقرار الاحتراق. سلط تحليل العوامل المحدودة للمحرك الضوء على التوازن الحرج المطلوب بين تعظيم نسب HES والتحكم في معدلات ارتفاع الضغط لتجنب تلف المحرك. بشكل عام، تؤكد النتائج التفاعلات المعقدة بين إدخال الهيدروجين، وديناميات الاحتراق، ومقاييس أداء المحرك، مما يوفر رؤى قيمة لتحسين عمليات محركات الوقود المزدوج.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.02.135
Publication Date: 2025-02-17
Author(s): Reza Farzam et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
In this study, the effects of diesel injection timing, intake manifold pressure, and exhaust gas recirculation (EGR) ratio on the combustion and emissions performance of a heavy-duty dual-fuel (HDDF) engine were experimentally analyzed under mid-speed and mid-load conditions (1200 RPM, 8 bar BMEP). Key findings indicate that combustion harshness, characterized by the maximum rate of pressure rise, is a critical barrier to increasing hydrogen (H₂) utilization and advancing diesel injection timing. The introduction of 20% EGR can reduce this pressure rise by up to 40% at high hydrogen energy share (HES) ratios, providing a viable solution to mitigate combustion harshness.
The study further reveals that brake thermal efficiency (BTE) is primarily influenced by oxygen availability and combustion phasing, with minimal impact from HES ratios. While EGR slightly reduces BTE, its effect diminishes at higher HES ratios. CO₂ emissions correlate linearly with HES ratios, while nitrogen oxides (NOx) emissions are predominantly affected by combustion phasing and oxygen levels, with EGR reducing NOx emissions by 68% under controlled conditions. Particulate matter (PM) emissions are linked to combustion phasing and diesel equivalence ratio, with EGR increasing PM emissions but allowing for a significant reduction when higher HES ratios are employed. Overall, the findings suggest that coordinated control of diesel injection timing, intake pressure, and EGR can enhance H₂ utilization and reduce greenhouse gas emissions while maintaining engine performance comparable to conventional diesel engines. Future research will aim to optimize these parameters to maximize HES ratios without compromising engine efficiency or reliability.
Introduction
The introduction of hydrogen (H₂) into diesel engines presents a promising short-term solution for reducing greenhouse gas emissions from heavy-duty transportation, which accounts for approximately 9% of Canada’s annual GHG emissions. Given the urgency to achieve net-zero emissions by 2050, retrofitting existing diesel engines with H₂ injection could significantly displace diesel fuel usage. However, the effectiveness of this hydrogen-diesel dual fuel (HDDF) approach is contingent upon understanding the combustion dynamics and emissions characteristics influenced by H₂ presence in the intake air stream. Key parameters such as hydrogen energy share (HES) and hydrogen premixed equivalence ratio (H₂ EQR) critically affect combustion performance, ignition delay, and emissions, necessitating careful optimization to avoid adverse effects like increased nitrogen oxides (NOx) emissions and combustion instability.
This study aims to elucidate the interactions among critical engine control parameters—specifically the start of diesel injection (SODI), intake manifold pressure (IMP), and exhaust gas recirculation (EGR) ratio—on HDDF combustion and emissions. By focusing on mid-load cruising conditions, the research seeks to identify the underlying causes of performance variability in HDDF engines and propose practical solutions to overcome combustion challenges. The findings will contribute to maximizing HES ratios while ensuring engine reliability and performance, ultimately facilitating the commercial adoption of hydrogen-enhanced diesel technology.
Methods
The methodology of the study involved conducting experimental tests on a dual-fuel single-cylinder research engine, focusing on three independent parameters: SODI (Substituted Oxygenated Diesel Injection), IMP (Injection Timing), and EGR (Exhaust Gas Recirculation) ratio. Each parameter’s effect on heat release rate (HRR) and combustion characteristics was analyzed individually before aggregating the findings to assess their interactive impacts on engine performance metrics, including peak cylinder pressure (PCP), maximum pressure derivative (max dP/dCA), exhaust gas temperature (EGT), brake thermal efficiency, and emissions.
The experimental setup was conducted at the Clean Energy Innovation Research Center, utilizing a H₂-Diesel dual-fuel engine equipped with various systems for fuel injection, temperature control, and emission measurement. Key specifications included a controlled intake air temperature of 40°C and precise regulation of hydrogen and diesel flow rates using thermal mass flow meters. The study employed advanced data acquisition techniques, including a Kistler Piezo-Star pressure transducer for in-cylinder pressure measurements and Gaussian-weighted averaging to enhance HRR calculations. Emission analyses were performed using California Analytical Instruments analyzers, ensuring high accuracy in measuring exhaust gas compositions. Overall, the methodology was designed to provide a comprehensive understanding of the combustion process and emissions in dual-fuel engine operations.
Results
In this section, the study investigates the interactions between the hydrogen-enriched syngas (HES) ratio and various combustion and emission performance parameters of the engine. The effects of control parameters, specifically the Start of Direct Injection (SODI), Injection Pressure (IMP), and Exhaust Gas Recirculation (EGR), on the heat release rate and combustion characteristics are analyzed. The findings reveal how these control parameters influence the engine’s limiting factors, including Brake Thermal Efficiency (BTE) and emissions, as they are varied.
Additionally, the results indicate significant correlations between the control parameters and the performance metrics, suggesting that optimizing these factors could enhance engine efficiency and reduce emissions. A comprehensive set of results and supplementary data is provided to support these findings, facilitating further exploration of the relationships between HES ratio and engine performance.
Discussion
In this study, the effects of three independent control parameters—Start of Diesel Injection (SODI), Intake Manifold Pressure (IMP), and Exhaust Gas Recirculation (EGR)—on combustion characteristics and emissions in a hydrogen-diesel dual-fuel engine were systematically investigated. Tests were conducted under steady-state conditions at 1200 RPM and 8 bar Brake Mean Effective Pressure (BMEP), representative of heavy-duty truck cruising conditions. The Hydrogen Energy Share (HES) ratio was varied, and combustion stability was maintained by monitoring parameters such as the coefficients of variation for Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) and Peak Cylinder Pressure (PCP), ensuring values remained within acceptable limits to prevent engine knock and maintain performance consistency.
The findings revealed that advancing SODI generally increased ignition delay and combustion phasing, particularly at higher HES ratios, while also affecting heat release rates (HRR). Specifically, the introduction of hydrogen led to shorter combustion durations due to its rapid flame propagation characteristics. The IMP study indicated that lower intake pressures resulted in higher HRR and peak in-cylinder pressures, while EGR was shown to enhance ignition delay and improve mixing, albeit at the cost of combustion stability. The analysis of engine limiting factors highlighted the critical balance required between maximizing HES ratios and controlling pressure rise rates to avoid engine damage. Overall, the results underscore the complex interactions between hydrogen introduction, combustion dynamics, and engine performance metrics, providing valuable insights for optimizing dual-fuel engine operations.