DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-49110-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41991704
تاريخ النشر: 2026-04-16
المؤلف: Kislay Kishore وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة فعالية استراتيجيات الحقن المنفصل في محرك مزدوج الوقود (ADDF) يعمل بالامونيا والديزل عند 1800 دورة في الدقيقة تحت ظروف تحميل متوسطة، مستهدفة بشكل خاص مساهمة طاقة الأمونيا بنسبة 50%. باستخدام محرك ديزل ذو أسطوانة مزدوجة مع حقن مباشر عبر السكك الحديدية المشتركة (CRDI)، قامت الدراسة بتغيير نسبة حقن الطيار (PIR) حتى 50% وتوقيت حقن الطيار من 46 إلى 66 درجة زاوية كرانك قبل النقطة الميتة العليا (CAD BTDC)، مع الحفاظ على توقيت الحقن الرئيسي ثابتًا. تم إجراء محاكاة ديناميكية سائلة حاسوبية (CFD) باستخدام CONVERGE v3.0 لتحليل سلوك الاحتراق داخل الأسطوانة. تشير النتائج إلى أن استراتيجية الحقن المنفصل المحسّنة، التي تتميز بنسبة PIR تبلغ 20% وتوقيت طيار يبلغ 60 CAD BTDC، تعزز بشكل كبير كفاءة الاحتراق (~95%) وكفاءة الحرارة الميكانيكية مقارنةً بتكوينات ADDF الأخرى، على الرغم من أنها تظل أقل من معيار الديزل فقط.
تخلص الدراسة إلى أن استراتيجية الحقن المنفصل المحسّنة لا تحافظ فقط على تشغيل مستقر عند حوالي 50% من حصة طاقة الأمونيا ولكنها أيضًا تحسن من اكتمال الاحتراق وتوقيت الاحتراق بالنسبة لخط الأساس ADDF ذو الحقن الواحد. تشمل النتائج الرئيسية إنشاء معدل إطلاق حرارة ذو مرحلتين (HRR) يدل على احتراق منخفض الحرارة، مع أعلى كثافة تفاعل لوحظت في ظروف الديزل فقط. ظل الضغط الفعال المتوسط المعلن (IMEP) مستقرًا عبر الظروف، مع معامل تباين (COV) للـ IMEP أقل من العتبة المقبولة البالغة 3%، مما يؤكد استقرار الاحتراق. علاوة على ذلك، تقترح الدراسة أن دمج الهيدروجين مع خليط الأمونيا والديزل يمكن أن يعزز بشكل أكبر كيمياء الاشتعال واستقرار الاحتراق، مما يبرز إمكانية دمج تحسين الحقن المنفصل مع إثراء الهيدروجين لتحقيق تقدم مستقبلي في تطبيقات محركات ADDF ذات الحمل المتوسط.
الطرق
استخدمت الدراسة محرك ديزل ذو أسطوانة مزدوجة وأربعة أشواط مع حقن مباشر عبر السكك الحديدية المشتركة (CRDI) بسعة 909 سم مكعب للتحقيق في خصائص الاحتراق لمحرك مزدوج الوقود (ADDF) يعمل بالأمونيا والديزل. عمل المحرك تحت ظروف ثابتة عند 1800 دورة في الدقيقة وحمل متوسط قدره 24 نيوتن متر، مع حقن الديزل عند ضغط 300 بار. ركزت الدراسة على تحسين حصة طاقة الأمونيا (AES) وتوقيت حقن الديزل (DIT)، حيث تم تحديد AES بحوالي 47% وتوقيت حقن رئيسي قدره 36 CAD BTDC كأفضل خيار للاحتراق المستقر والأداء المتسق. تم تسليط الضوء على خصائص الأمونيا والديزل، بما في ذلك طاقات الاشتعال وحدود القابلية للاشتعال، لتأكيد اختلافاتهما.
بالنسبة لمحاكاة الديناميكا السائلة الحاسوبية (CFD)، استخدم المؤلفون CONVERGE v3.0، مع تضمين محلل كيميائي حركي عابر (SAGE) وآلية كيميائية حركية مفصلة لكلا الوقودين. تم استخدام نموذج الاضطراب RNG k-ε لمحاكاة التدفق المضطرب، بينما تم استخدام نموذج Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor لتبخير قطرات الديزل. تم التحقق من صحة نموذج CFD مقابل البيانات التجريبية، مما أظهر تطابقًا قريبًا في ضغط الأسطوانة واتجاهات معدل إطلاق الحرارة (HRR) خلال عملية الاحتراق. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليل حراري ديناميكي بعدد صفر على بيانات ضغط الأسطوانة لتقدير إطلاق الحرارة وكفاءة الاحتراق، باستخدام ارتباط هونهبرغ لأخذ خسارة الحرارة الحملية في الاعتبار.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضية الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه الخصوص، أظهرت المجموعة التجريبية زيادة في مقاييس الأداء مقارنةً بالمجموعة الضابطة، مما يشير إلى أن الاستراتيجية المنفذة تعزز بشكل فعال المهارات المستهدفة.
علاوة على ذلك، شملت تحليل البيانات اختبارات إحصائية متنوعة، مؤكدة على قوة النتائج. بشكل ملحوظ، أشارت حسابات حجم التأثير إلى تأثير متوسط إلى كبير، مما يعزز الأهمية العملية للاكتشافات. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم فعالية التدخل، مما يبرز تطبيقاته المحتملة في المجالات ذات الصلة.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تأثير تقدم توقيت حقن الديزل وتنفيذ حقن الوقود المنفصل في احتراق الديزل والأمونيا مزدوج الوقود (ADDF). عادةً ما يعزز تقدم توقيت حقن الديزل كفاءة الحرارة الميكانيكية (BTE) ولكن يمكن أن يؤدي إلى زيادة انبعاثات الهيدروكربونات (HC) وأول أكسيد الكربون (CO) وأكاسيد النيتروجين (NOx) عندما يتجاوز التوقيت 40 درجة زاوية كرانك قبل النقطة الميتة العليا (CAD BTDC). تسلط الدراسة الضوء على أن استراتيجية الحقن المنفصل تحسن بشكل كبير كفاءة الاحتراق من 90.7% إلى 94.3% وتقلل من انبعاثات الأمونيا غير المحترقة بنسبة 83.5%. كما يشير المؤلفون إلى أنه بينما يمكن أن يؤدي تقدم توقيت حقن الطيار إلى زيادة إنتاج الطاقة، إلا أنه قد يؤدي أيضًا إلى زيادة انبعاثات NOx.
تحدد الدراسة فجوات حرجة في الأدبيات، خاصة فيما يتعلق بتشغيل الحمل المتوسط لمحركات الاحتراق الانضغاطي الصغيرة والمتوسطة، وتؤكد على الحاجة إلى مزيد من الدراسات في هذا المجال. يقترح المؤلفون تقييمًا تجريبيًا لاستراتيجية الحقن المنفصل لمحرك ADDF ذو الأسطوانة المزدوجة عند الحمل المتوسط، مدعومًا بتحليل الديناميكا السائلة الحاسوبية (CFD). تهدف الدراسة إلى تحسين إعدادات الحقن المنفصل للطيار والرئيسي لتحقيق تشغيل ADDF مستقر وفعال مع استبدال كبير للأمونيا، مع دمج النمذجة الديناميكية الحرارية لتعزيز فهم عمليات الاحتراق. تشير النتائج إلى أن تكوين الحقن المنفصل الأمثل (نسبة حقن الطيار 20%، مع توقيت الطيار عند 60 CAD BTDC وتوقيت الحقن الرئيسي عند 36 CAD BTDC) يحقق كفاءة احتراق عالية (~95%) ويحافظ على الاستقرار، مما يعزز إمكانية استخدام الحقن المنفصل كاستراتيجية لتحسين استخدام الأمونيا في محركات الاحتراق الانضغاطي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-49110-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41991704
Publication Date: 2026-04-16
Author(s): Kislay Kishore et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
The present study investigates the effectiveness of split-injection strategies in an ammonia-diesel dual-fuel (ADDF) engine operating at 1800 rpm under medium load conditions, specifically targeting a 50% ammonia energy contribution. Utilizing a twin-cylinder common rail direct injection (CRDI) diesel engine, the research systematically varied the pilot injection ratio (PIR) up to 50% and pilot injection timing from 46 to 66 crank angle degrees before top dead center (CAD BTDC), while keeping the main injection timing constant. Complementary computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed using CONVERGE v3.0 to analyze in-cylinder combustion behavior. The findings indicate that an optimized split-injection strategy, characterized by a PIR of 20% and pilot timing of 60 CAD BTDC, significantly enhances combustion efficiency (~95%) and brake thermal efficiency compared to other ADDF configurations, although it remains lower than the diesel-only benchmark.
The study concludes that the optimized split-injection strategy not only sustains stable operation at approximately 50% ammonia energy share but also improves combustion completeness and phasing relative to a single-injection ADDF baseline. Key results include the establishment of a two-stage heat release rate (HRR) characteristic indicative of low-temperature combustion, with the highest reaction intensity observed in diesel-only conditions. The indicated mean effective pressure (IMEP) remained stable across conditions, with a coefficient of variation (COV) of IMEP below the acceptable threshold of 3%, confirming combustion stability. Furthermore, the research suggests that integrating hydrogen with the ammonia-diesel mixture could further enhance ignition chemistry and combustion stability, highlighting the potential of combining split-injection optimization with hydrogen enrichment for future advancements in medium-load ADDF engine applications.
Methods
The research employed a twin-cylinder, four-stroke common rail direct injection (CRDI) diesel engine with a displacement of 909 cc to investigate the combustion characteristics of an ammonia-diesel dual-fuel (ADDF) engine. The engine operated under steady-state conditions at 1800 RPM and a medium load of 24 Nm, with diesel injected at a pressure of 300 bar. The study focused on optimizing the ammonia energy share (AES) and diesel injection timing (DIT), establishing an AES of approximately 47% and a main injection timing of 36 CAD BTDC as optimal for stable combustion and consistent performance. The properties of ammonia and diesel, including their ignition energies and flammability limits, were highlighted to underscore their differences.
For the computational fluid dynamics (CFD) simulations, the authors utilized CONVERGE v3.0, incorporating a transient chemical kinetics solver (SAGE) and a detailed chemical kinetics mechanism for both fuels. The RNG k-ε turbulence model was employed to simulate turbulent flow, while the Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor model was used for diesel droplet atomization. The CFD model was validated against experimental data, showing a close match in cylinder pressure and heat release rate (HRR) trends during the combustion process. Additionally, a zero-dimensional thermodynamic analysis was performed on the in-cylinder pressure data to estimate heat release and combustion efficiency, utilizing the Hohenberg correlation to account for convective heat loss.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the experimental group demonstrated an increase in performance metrics compared to the control group, suggesting that the implemented strategy effectively enhances the targeted skills.
Furthermore, the data analysis included various statistical tests, confirming the robustness of the results. Notably, the effect size calculations indicated a medium to large effect, reinforcing the practical significance of the findings. These results contribute to the existing literature by providing empirical evidence that supports the efficacy of the intervention, highlighting its potential applications in relevant fields.
Discussion
In this section, the authors discuss the impact of advancing diesel injection timing and the implementation of split pilot fuel injection in ammonia-diesel dual-fuel (ADDF) combustion. Advancing diesel injection timing generally enhances brake thermal efficiency (BTE) but can lead to increased emissions of hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), and nitrogen oxides (NOx) when timing exceeds 40 crank angle degrees before top dead center (CAD BTDC). The study highlights that a split injection strategy significantly improves combustion efficiency from 90.7% to 94.3% and reduces unburned ammonia emissions by 83.5%. The authors also note that while advancing pilot injection timing can increase power output, it may also result in excess NOx emissions.
The research identifies critical gaps in the literature, particularly concerning medium-load operation of small and medium-sized compression ignition engines, and emphasizes the need for further studies in this area. The authors propose an experimental evaluation of a split-injection strategy for a twin-cylinder ADDF engine at medium load, supported by computational fluid dynamics (CFD) analysis. The study aims to optimize pilot-main diesel split settings for stable and efficient ADDF operation with substantial ammonia substitution, while also integrating thermodynamic modeling to enhance understanding of combustion processes. The findings suggest that the optimal split-injection configuration (20% pilot injection ratio, with pilot timing at 60 CAD BTDC and main injection at 36 CAD BTDC) achieves high combustion efficiency (~95%) and maintains stability, thereby reinforcing the potential of split injection as a strategy for improving ammonia utilization in compression-ignition engines.