DOI: https://doi.org/10.3389/fmech.2026.1734270
تاريخ النشر: 2026-03-23
المؤلف: Luisa Fernanda Mónico Muñoz وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تبحث ورقة البحث في تأثير خلطات الوقود من البنزين والديزل، وتحديداً خلط G10، على أداء وخصائص انبعاثات محركات الديزل، مع التركيز على توقيت الحقن المتغير. تعتبر محركات الديزل، على الرغم من كفاءتها الحرارية، مصادر كبيرة للتلوث، وتهدف الدراسة إلى إيجاد توازن بين تحسين أداء المحرك وتقليل الانبعاثات. تشير النتائج إلى أن تقديم توقيت الحقن يؤدي إلى تحسينات في العزم (حوالي 20%)، وإنتاج الطاقة (حوالي 16%)، وتقليل استهلاك الوقود المحدد بالكبح بنسبة تصل إلى 4%. على العكس، فإن تأخير توقيت الحقن يقلل بشكل فعال من انبعاثات الملوثات، محققاً تخفيضات تصل إلى 77.34% في كثافة الدخان و34.45% في أكاسيد النيتروجين (NOx) في الظروف المثلى (80% تحميل و3,500 دورة في الدقيقة).
تخلص الدراسة إلى أن التعديلات الاستراتيجية في توقيت الحقن يمكن أن تعزز أداء المحرك وتقلل الانبعاثات في نفس الوقت، على الرغم من وجود تبادل بين هذين الهدفين. ومن الجدير بالذكر أنه بينما انخفضت كثافة الدخان وانبعاثات NOx بشكل كبير، زادت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أحيانًا، مما يتوافق مع زيادة استهلاك الوقود تحت ظروف معينة. يوصي المؤلفون بإجراء مزيد من التحقيقات التجريبية في تغييرات توقيت حقن الوقود ودمج استراتيجيات تدوير غاز العادم للتحكم بشكل أفضل في تكوين NOx والتخفيف من ضوضاء محركات الديزل. يجب أن تستكشف الأبحاث المستقبلية أيضًا أداء وانبعاثات خلطات الوقود البديلة تحت ظروف تشغيل محسّنة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث هذه الضوء على الحاجة الملحة لممارسات مستدامة في قطاع النقل بسبب الأزمة البيئية المتزايدة، مع التركيز بشكل خاص على المساهمة الكبيرة لانبعاثات المركبات في تلوث الهواء العالمي. تعتبر محركات الديزل، على الرغم من تفضيلها لكفاءتها الحرارية، مصادر رئيسية لأكاسيد النيتروجين (NOx) والمواد الجسيمية، مما يتطلب تخفيضات كبيرة لتلبية اللوائح البيئية الصارمة. تناقش الورقة التفاعل المعقد بين درجات حرارة الاحتراق والانبعاثات، مشيرة إلى أن التخفيف الفعال لـ NOx يتطلب درجات حرارة محلية تتراوح بين 2000-2200 كلفن، بينما يحدث تكوين المواد الجسيمية ضمن نطاق أوسع من 1000 كلفن إلى 2800 كلفن.
استجابةً لهذه التحديات، تؤكد الورقة على إمكانيات المركبات الهجينة والكهربائية، إلى جانب التقدم في الوقود البديل وتقنيات التحكم في الانبعاثات، مثل فلاتر الجسيمات الديزل وأنظمة تدوير غاز العادم. كما تستكشف فوائد خلطات البنزين والديزل، التي يمكن أن تعزز كفاءة الاحتراق وتقلل الانبعاثات، خاصة تحت ظروف تشغيل معينة. تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات تعديل توقيت حقن الوقود على أداء المحرك والانبعاثات عند استخدام خلطات البنزين والديزل، مع افتراض أن مثل هذه التعديلات يمكن أن تؤدي إلى تشغيل محرك أكثر استدامة بيئيًا من خلال تحسين تأخير الاشتعال وخصائص الاحتراق.
طرق
في هذه الدراسة، كان الهدف من الإعداد التجريبي هو تقييم تأثيرات خلط البنزين والديزل وتوقيت الحقن المتغير على أداء محرك الديزل. تم إجراء الاختبار على منصة اختبار ثابتة، حيث تميز الإعداد بمقياس هيدروليكي يسمح بالتحكم الدقيق في سرعة المحرك والتحميل من خلال تعديل تدفق الوقود. تضمنت مواصفات المحرك مضخة وقود ميكانيكية قادرة على ضبط توقيت حقن الوقود بمقدار ±5°، مع توقيت أساسي قدره 10°. تم مراقبة المعلمات التشغيلية الرئيسية مثل التسرب، وضغط الزيت، وتدفق الهواء الداخل، وعزم المحرك، وسرعة المحرك، والظروف المحيطة بشكل مستمر باستخدام نظام جمع بيانات SMAC، الذي سهل جمع البيانات في الوقت الفعلي عبر واجهة لوحة التحكم.
لتقييم الانبعاثات واستهلاك الوقود، تم قياس كثافة الدخان باستخدام جهاز قياس الشفافية، بينما قام محلل الغاز المحمول بتحديد انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) وأكاسيد النيتروجين (NOₓ). تم تحديد استهلاك الوقود بطريقة الوزن باستخدام ميزان عالي الدقة، وتمت مراقبة درجة حرارة الوقود عند مدخل المضخة باستخدام ترمومتر. يتم تفصيل دقة أدوات القياس وأجهزة الاستشعار المستخدمة في التجارب في الجداول المرفقة، ويتم توفير مخطط توضيحي للإعداد التجريبي من أجل الوضوح.
نتائج
تقيم نتائج الدراسة أداء وانبعاثات محرك الديزل الذي يعمل على خلط البنزين والديزل (G10) تحت ظروف توقيت حقن متغيرة. تم تقييم مؤشرات الأداء الرئيسية مثل قوة المحرك، والعزم، واستهلاك الوقود المحدد بالكبح (BSFC)، وكفاءة الحرارة. تشير النتائج إلى أن تقديم توقيت الحقن يمكن أن يعزز العزم بنسبة تصل إلى 20% عبر مستويات تحميل مختلفة، مع حدوث ذروة العزم عند حوالي 2,200 دورة في الدقيقة. على العكس، فإن تأخير توقيت الحقن لا يؤثر بشكل كبير على العزم. تتماشى الدراسة مع الأبحاث السابقة، مما يشير إلى أن توقيت الحقن المتقدم يحسن كفاءة الاحتراق وإنتاج الطاقة، بينما يميل التوقيت المتأخر إلى تقليل العزم.
فيما يتعلق بالانبعاثات، وجدت الدراسة أن انبعاثات الدخان كانت أقل مع خلط G10 بسبب تحسين الأكسدة في المناطق الغنية بالوقود وتأخيرات الاشتعال المطولة. تم ملاحظة أقل كثافة للدخان مع توقيت حقن متأخر، مما يسمح بخلط وقود أكثر تجانسًا. ومن الجدير بالذكر أنه بينما يحسن توقيت الحقن المتقدم مؤشرات الأداء، فإن توقيت الحقن المتأخر يؤدي إلى نتائج أفضل في الانبعاثات. كانت الاستراتيجية المثلى المحددة هي تأخير الحقن عند 80% تحميل، مما أسفر عن تخفيضات كبيرة في كثافة الدخان (77.34%)، وأكاسيد النيتروجين (NOx، 34.45%)، وثاني أكسيد الكربون (CO2، 11.34%)، إلى جانب تحسينات في العزم (26.25%)، والطاقة (14.52%)، وانخفاض في BSFC (9.76%). وهذا يبرز تبادلًا بين الأداء والانبعاثات، مما يشير إلى أن استراتيجيات التشغيل المحددة يمكن أن توازن بين الجانبين بشكل فعال.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم خلط البنزين والديزل (G10) لتأثيراته على أداء المحرك والانبعاثات، باستخدام نهج تجريبي منهجي. يتكون الخلط من 10% بنزين و90% ديزل، تم تحضيره في بيئة محكومة لمنع فقدان التبخر. شملت الأبحاث تغيير توقيت الحقن—كلا من المتقدم والمتأخر—عبر أحمال وسرعات محرك مختلفة، مما أسفر عن إجمالي 45 تجربة اختبار. أشارت النتائج الرئيسية إلى أن تقديم توقيت الحقن حسن العزم وإنتاج الطاقة بحوالي 20% و16%، على التوالي، مقارنة بتشغيل الديزل القياسي. بالإضافة إلى ذلك، انخفض استهلاك الوقود المحدد بالكبح (BSFC) بنسبة تصل إلى 4% عند الحمل الكامل مع توقيت متقدم، بينما أدى توقيت الحقن المتأخر إلى زيادة استهلاك الوقود بنسبة تصل إلى 11.68%.
كشفت تحليلات الانبعاثات عن تخفيضات كبيرة في كثافة الدخان وأكاسيد النيتروجين (NOx) مع استراتيجيات الحقن المتأخر، محققة تخفيضات تصل إلى 70% و50%، على التوالي. ومع ذلك، أظهرت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) ميلاً للزيادة تحت ظروف الحقن المتقدمة، مما يتوافق مع زيادة استهلاك الوقود. خلصت الدراسة إلى أن تحسين توقيت الحقن يمكن أن يعزز أداء المحرك بينما يقلل من الانبعاثات، مما يشير إلى مزيد من البحث في دمج تدوير غاز العادم (EGR) وخلطات الوقود البديلة لتخفيف انبعاثات NOx بشكل أكبر وتحسين كفاءة المحرك بشكل عام.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmech.2026.1734270
Publication Date: 2026-03-23
Author(s): Luisa Fernanda Mónico Muñoz et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
The research paper investigates the impact of gasoline-diesel fuel blends, specifically a G10 blend, on the performance and emission characteristics of diesel engines, with a focus on varying injection timing. Diesel engines, while thermally efficient, are significant sources of pollution, and the study aims to find a balance between enhancing engine performance and reducing emissions. The findings indicate that advancing injection timing leads to improvements in torque (approximately 20%), power output (around 16%), and a reduction in brake specific fuel consumption by up to 4%. Conversely, delaying injection timing effectively reduces pollutant emissions, achieving reductions of up to 77.34% in smoke density and 34.45% in nitrogen oxides (NOx) at optimal conditions (80% load and 3,500 rpm).
The study concludes that strategic adjustments in injection timing can simultaneously enhance engine performance and decrease emissions, although a trade-off exists between these two objectives. Notably, while smoke density and NOx emissions decreased significantly, carbon dioxide emissions occasionally increased, correlating with higher fuel consumption under certain conditions. The authors recommend further experimental investigations into fuel injection timing variations and the integration of Exhaust Gas Recirculation strategies to better control NOx formation and mitigate diesel engine noise. Future research should also explore the performance and emissions of alternative fuel blends under optimized operating conditions.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the urgent need for sustainable practices in the transportation sector due to the escalating environmental crisis, particularly focusing on the significant contribution of vehicular emissions to global air pollution. Diesel engines, while favored for their thermal efficiency, are major sources of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter, necessitating substantial reductions to meet stringent environmental regulations. The paper discusses the complex interplay between combustion temperatures and emissions, noting that effective NOx mitigation requires localized temperatures between 2000-2200 K, while particulate matter formation occurs within a broader range of 1000 K to 2800 K.
In response to these challenges, the paper emphasizes the potential of hybrid and electric vehicles, alongside advancements in alternative fuels and emission control technologies, such as diesel particulate filters and exhaust gas recirculation systems. It also explores the benefits of gasoline-diesel blends, which can enhance combustion efficiency and reduce emissions, particularly under specific operating conditions. The study aims to investigate the effects of modifying fuel injection timing on engine performance and emissions when using gasoline-diesel blends, positing that such adjustments can lead to more environmentally sustainable engine operation by optimizing ignition delay and combustion characteristics.
Methods
In this study, the experimental setup aimed to evaluate the effects of a gasoline-diesel blend and varying injection timing on a diesel engine’s performance. Conducted on a stationary test bench, the setup featured a hydraulic dynamometer that allowed for precise control of engine speed and load through modulation of fuel flow. The engine specifications included a mechanical fuel pump capable of adjusting fuel injection timing by ±5°, with a baseline timing of 10°. Key operational parameters such as blow-by, oil pressure, intake air flow, engine torque, engine speed, and ambient conditions were continuously monitored using a SMAC data acquisition system, which facilitated real-time data collection via a control panel interface.
To assess emissions and fuel consumption, smoke density was measured with an opacimeter, while a portable gas analyzer quantified carbon dioxide (CO₂) and nitrogen oxide (NOₓ) emissions. Fuel consumption was determined gravimetrically with a high-precision balance, and a thermocouple monitored the fuel temperature at the pump inlet. The accuracy of the measurement instruments and sensors utilized in the experiments is detailed in the accompanying tables, and a schematic diagram of the experimental setup is provided for clarity.
Results
The results of the study evaluate the performance and emissions of a diesel engine operating on a gasoline-diesel blend (G10) under varying injection timing conditions. Key performance metrics such as engine power, torque, brake specific fuel consumption (BSFC), and thermal efficiency were assessed. The findings indicate that advancing the injection timing can enhance torque by up to 20% across different load levels, with peak torque occurring at approximately 2,200 rpm. In contrast, delaying the injection timing does not significantly affect torque. The study aligns with previous research, suggesting that advanced injection timing improves combustion efficiency and power output, while retarded timing tends to decrease torque.
In terms of emissions, the study found that smoke emissions were lower with the G10 blend due to improved oxidation in fuel-rich zones and prolonged ignition delays. The lowest smoke density was observed with delayed injection timing, which allows for a more homogeneous fuel mixture. Notably, while advanced injection timing improves performance metrics, delayed injection timing yields better emissions results. The optimal strategy identified was delaying the injection at 80% load, which resulted in significant reductions in smoke density (77.34%), nitrogen oxides (NOx, 34.45%), and carbon dioxide (CO2, 11.34%), alongside improvements in torque (26.25%), power (14.52%), and a decrease in BSFC (9.76%). This highlights a trade-off between performance and emissions, suggesting that specific operational strategies can balance both aspects effectively.
Discussion
In this study, a gasoline-diesel blend (G10) was evaluated for its effects on engine performance and emissions, utilizing a systematic experimental approach. The blend consisted of 10% gasoline and 90% diesel, prepared in a controlled environment to prevent evaporation losses. The research involved varying injection timing—both advanced and retarded—across different engine loads and speeds, resulting in a total of 45 test runs. Key findings indicated that advancing the injection timing improved torque and power output by approximately 20% and 16%, respectively, compared to standard diesel operation. Additionally, brake specific fuel consumption (BSFC) decreased by up to 4% at full load with advanced timing, while delayed injection timing led to increased fuel consumption of up to 11.68%.
Emission analyses revealed significant reductions in smoke density and nitrogen oxides (NOx) with delayed injection strategies, achieving reductions of up to 70% and 50%, respectively. However, carbon dioxide (CO2) emissions showed a tendency to increase under advanced injection conditions, correlating with higher fuel consumption. The study concluded that optimizing injection timing can enhance engine performance while reducing emissions, suggesting further research into the integration of Exhaust Gas Recirculation (EGR) and alternative fuel blends to further mitigate NOx emissions and improve overall engine efficiency.