DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-00952-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40382394
تاريخ النشر: 2025-05-17
المؤلف: Omar Mohamed Saied وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نموذجًا مفصلًا ومحاكاة أحادية الأبعاد لمحرك احتراق داخلي يعمل بالهيدروجين، مع تحليل تأثيرات نسبة الهواء إلى الوقود، وتوقيت الشرارة، وحقن الماء على أداء المحرك والانبعاثات. باستخدام محرك BMW F650 GS أحادي الأسطوانة كمرجع، تكشف المحاكاة التي أجريت في Ricardo WAVE أن تزويد المحرك بالهيدروجين يقلل بشكل كبير من انبعاثات أول أكسيد الكربون (CO) إلى مستويات ضئيلة، بينما يمكن أن تزيد انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) بنسبة تصل إلى 20% بسبب درجات حرارة الاحتراق الأعلى. يظهر إدخال حقن الماء أنه يقلل بشكل فعال من انبعاثات NOx ويعزز الكفاءة الحجمية، على الرغم من وجود انخفاض طفيف في ناتج الطاقة عند نسب الهيدروجين إلى الماء الأعلى.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن تحسين نسبة الهواء إلى الوقود إلى إعداد احتراق رقيق (λ = 2.2) يحقق أفضل تسوية بين الأداء والانبعاثات، مما يؤدي إلى تقليل بنسبة 30% في NOx مع ضمان تشغيل مستقر للمحرك. بالإضافة إلى ذلك، فإن ضبط توقيت الشرارة إلى 12° CA BTDC يقلل من مخاطر الخبط ويحافظ على كفاءة الاحتراق، خاصة عند سرعات المحرك المرتفعة. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على إمكانية استخدام الهيدروجين كوقود مستدام لمحركات الاحتراق الداخلي، مع التأكيد على ضرورة تحسين المعلمات التشغيلية لتحقيق توازن بين الأداء والكفاءة والانبعاثات. توفر الدراسة رؤى قابلة للتنفيذ لتنفيذ احتراق الهيدروجين في التطبيقات العملية، خاصة في النقل الثقيل، حيث تعتبر معايير الانبعاثات الصارمة أمرًا بالغ الأهمية.
طرق
يصف قسم المنهجية استخدام نموذج محرك أحادي الأبعاد (1D) كأداة حسابية لمحاكاة تدفق الهواء غير المستقر داخل المحرك. تم هيكلة هذا النموذج كشبكة تتكون من قنوات، وأحجام، وصمامات، وفتحات، حيث يتم تمثيل الأنابيب كعناصر أحادية الأبعاد تتميز بطولها وقطرها، بينما يتم التعامل مع الأسطوانات كأحجام صفرية الأبعاد تتطور مع مرور الوقت. يستخدم النموذج معادلات الحفاظ على الزخم والطاقة والكتلة، مع دمج البيانات التجريبية لأخذ خسائر التدفق وإطلاق حرارة الاحتراق في الاعتبار. يتم محاكاة عملية الاحتراق من خلال نمذجة إطلاق الحرارة من خليط الهواء والوقود، والذي يؤثر على ضغط الأسطوانة وعزم الدوران الناتج.
يتم تمثيل الاحتكاك الميكانيكي من خلال بيانات تجريبية، وتستمد خسائر الضخ من ضغوط الغاز. على الرغم من أن بعض العناصر، مثل خسائر التدفق وملفات الاحتراق، تعتمد على المدخلات التجريبية، إلا أن تنبؤات النموذج بشأن تدفق الهواء غير المستقر تستند إلى الفيزياء، مما يعزز الدقة. بشكل خاص، بالنسبة لتحويلات محركات الهيدروجين، تسهل طريقة النمذجة أحادية الأبعاد تقييم ديناميات تدفق الهواء، وإطلاق الحرارة، وسلوك عزم الدوران، بهدف تحسين أداء المحرك. يتم دعم التحليل بواسطة Ricardo WAVE 2019.1، وهو برنامج محاكاة أحادي الأبعاد بارز يقوم بنمذجة موجات الضغط، وتدفق الكتلة، وخسائر الطاقة في مكونات المحرك المختلفة، مما يجعله أداة قيمة في صناعات السيارات، وسباقات السيارات، وتوليد الطاقة لمحاكاة الأداء عبر تكوينات مختلفة.
نتائج
تستكشف نتائج الدراسة تأثير تغيير نسب الهواء إلى الوقود، وتوقيت الشرارة، وكميات حقن الماء على أداء محرك حقن الوقود بالهيدروجين. تم استخدام خمسة إعدادات تجريبية متميزة لتحليل هذه العوامل بشكل شامل. تشير النتائج إلى أن تحسين هذه المعلمات يمكن أن يعزز بشكل كبير من أداء المحرك، مما يشير إلى تفاعل معقد بين خصائص وقود الهيدروجين وإعدادات تشغيل المحرك. تعتبر التفاصيل الإضافية حول النتائج المحددة لكل دراسة ضرورية لفهم التكوينات المثلى لتحسين الكفاءة وتقليل الانبعاثات.
مناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على اختيار ونمذجة محرك دراجة نارية أحادي الأسطوانة، وبشكل خاص محرك BMW F650 GS، لتحويل النموذج الأولي إلى وقود الهيدروجين. يبسط اختيار محرك أحادي الأسطوانة دمج الأنظمة الفرعية المخصصة مثل تزويد الهيدروجين والتحكم في الإشعال، مما يعزز القابلية للتكيف والموثوقية. يتم تحليل أداء المحرك باستخدام نماذج فرعية تحاكي العمليات الرئيسية بما في ذلك حركة المكبس، وديناميات الاحتراق، والانبعاثات. يتم استخدام آلية الكرنك-المنزلق لوصف حركة المكبس، بينما يستخدم نموذج الاحتراق دالة SI Wiebe للتنبؤ بدقة بمعدلات احتراق الوقود وسلوك الاحتراق.
تتناول الدراسة أيضًا الانبعاثات، وبشكل خاص CO وNOx، من خلال نماذج فرعية مخصصة تأخذ في الاعتبار ظروف الاحتراق والديناميات الكيميائية. يعيد نموذج انبعاثات CO معايرة التركيزات بناءً على التوازن الديناميكي الحراري، بينما يتضمن نموذج انبعاثات NOx الديناميات الكيميائية المعتمدة على درجة الحرارة والديناميات الحرارية للاحتراق في منطقتين. يتنبأ نموذج الخبط بأحداث الاشتعال الذاتي بناءً على حسابات زمن الحث، وتستخدم نماذج نقل الحرارة لتقييم درجات الحرارة داخل الأسطوانة، والتي تعتبر حاسمة لتحسين تصميم المحرك. يتم التحقق من إطار المحاكاة مقابل بيانات الشركة المصنعة لقوة الكبح وعزم الدوران، مما يضع أساسًا موثوقًا للمراحل اللاحقة التي تستكشف التحويل إلى وقود الهيدروجين وتأثير حقن الماء على الأداء والانبعاثات. بشكل عام، توفر هذه الطريقة الشاملة في النمذجة رؤى قيمة حول الخصائص التشغيلية والآثار البيئية لمحركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بالهيدروجين.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-00952-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40382394
Publication Date: 2025-05-17
Author(s): Omar Mohamed Saied et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
This study presents a detailed 1D modeling and simulation of a hydrogen-fueled internal combustion engine, specifically analyzing the effects of air-fuel ratio, spark timing, and water injection on engine performance and emissions. Utilizing a single-cylinder BMW F650 GS engine as a reference, simulations conducted in Ricardo WAVE reveal that hydrogen fueling significantly reduces carbon monoxide (CO) emissions to negligible levels, while nitrogen oxides (NOx) emissions can increase by up to 20% due to higher combustion temperatures. The introduction of water injection is shown to effectively reduce NOx emissions and enhance volumetric efficiency, albeit with a slight decrease in power output at higher hydrogen-to-water ratios.
Key findings indicate that optimizing the air-fuel ratio to a lean combustion setting (λ = 2.2) achieves the best compromise between performance and emissions, resulting in a 30% reduction in NOx while ensuring stable engine operation. Additionally, adjusting spark timing to 12° CA BTDC minimizes knocking risks and maintains combustion efficiency, particularly at elevated engine speeds. Overall, the research underscores the potential of hydrogen as a sustainable fuel for internal combustion engines, emphasizing the necessity of optimizing operational parameters to balance performance, efficiency, and emissions. The study provides actionable insights for the implementation of hydrogen combustion in practical applications, particularly in heavy-duty transportation, where stringent emission standards are paramount.
Methods
The methodology section describes the use of a one-dimensional (1D) engine model as a computational tool for simulating unsteady airflow within an engine. This model is structured as a network comprising ducts, volumes, valves, and orifices, where pipes are represented as one-dimensional elements characterized by their length and diameter, while cylinders are treated as zero-dimensional volumes that evolve over time. The model employs conservation equations for momentum, energy, and mass, integrating empirical data to account for flow losses and combustion heat release. The combustion process is simulated by modeling the heat release from the air-fuel mixture, which influences cylinder pressure and torque output.
Mechanical friction is represented through empirical data, and pumping losses are derived from gas pressures. Although certain elements, such as flow losses and combustion profiles, depend on empirical inputs, the model’s predictions regarding unsteady airflow are grounded in physics, enhancing accuracy. Specifically, for hydrogen engine conversions, the 1D modeling approach facilitates the evaluation of airflow dynamics, heat release, and torque behavior, ultimately aiming to optimize engine performance. The analysis is supported by Ricardo WAVE 2019.1, a prominent 1D simulation software that models pressure waves, mass flow, and energy losses in various engine components, making it a valuable tool in automotive, motorsport, and power generation industries for performance simulations across different configurations.
Results
The results of the study investigate the impact of varying air-fuel ratios, spark timing, and water injection amounts on the performance of a hydrogen port fuel injection engine. Five distinct experimental setups were employed to comprehensively analyze these factors. The findings indicate that optimizing these parameters can significantly enhance engine performance, suggesting a complex interplay between hydrogen fuel characteristics and engine operational settings. Further details on the specific outcomes of each study are essential for understanding the optimal configurations for improved efficiency and emissions reduction.
Discussion
In this section, the discussion focuses on the selection and modeling of a single-cylinder motorcycle engine, specifically the BMW F650 GS engine, for a prototype conversion to hydrogen fuel. The choice of a single-cylinder engine simplifies the integration of custom subsystems such as hydrogen fueling and ignition control, enhancing adaptability and reliability. The engine’s performance is analyzed using sub-models that simulate key processes including piston motion, combustion dynamics, and emissions. The crank-slider mechanism is employed to characterize piston motion, while a combustion model utilizing the SI Wiebe function accurately predicts fuel burn rates and combustion behavior.
The study also addresses emissions, specifically CO and NOx, through dedicated sub-models that account for combustion conditions and chemical kinetics. The CO emissions model recalibrates concentrations based on thermodynamic equilibrium, while the NOx emissions model incorporates temperature-dependent kinetics and two-zone combustion thermodynamics. The knock sub-model predicts auto-ignition events based on induction time calculations, and heat transfer models are utilized to assess in-cylinder temperatures, which are critical for optimizing engine design. The simulation framework is validated against manufacturer data for brake power and torque, establishing a reliable baseline for subsequent phases that explore the conversion to hydrogen fuel and the impact of water injection on performance and emissions. Overall, this comprehensive modeling approach provides valuable insights into the operational characteristics and environmental implications of hydrogen-fueled internal combustion engines.