دراسة تأثير استخدام وقود الديزل الهيدروجيني المزدوج على أداء المحرك والانبعاثات

المؤلفون

  • Ahmed E. Hamdi قسم هندسة الميكانيك، كلية الهندسة، جامعة ذي قار، ذي قار، العراق.
  • Rafid M. Hannun قسم هندسة الميكانيك، كلية الهندسة، جامعة ذي قار، ذي قار، العراق.

DOI:

https://doi.org/10.52716/jprs.v16i2.1054

الكلمات المفتاحية:

IC Engine, H2, Dual fuel, N-heptane, modeling.

الملخص

تبحث هذه الدراسة في تأثيرات احتراق الن-هيبتان بمساعدة الهيدروجين على أداء المحرك وسلوك الاحتراق وخصائص الانبعاث. تم إجراء المحاكاة على محرك ديزل يعمل بالهيبتان الطبيعي بحجم حقن هيدروجين 10٪ و 20٪. تم إجراء محاكاة الاحتراق على قطاع أسطواني ثلاثي الأبعاد، مع الحفاظ على سرعة المحرك عند 2000 دورة في الدقيقة (rpm) بينما تراوحت زاوية العمود المرفقي من 570 درجة إلى 833 درجة. تم استخدام آلية تفاعل لدمج مراحل تفاعل الن-هيبتان والهيدروجين وعمليات تكوين أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين. وفقًا لنتائج النمذجة، فإن زيادة تحريض الهيدروجين يحسن الأداء بشكل كبير من خلال رفع الحد الأقصى لضغط الأسطوانة وكفاءة الحرارة للفرامل ومعدل إطلاق الحرارة. يزداد ضغط الأسطوانة بنسبة 4.1٪ و 15.9٪ عند إضافة 10٪ و 20٪ من الهيدروجين إلى الهبتان على التوالي. إن إضافة 10% من الهيدروجين تزيد من الكفاءة الحرارية بنسبة 23.7%، وإضافة 20% من الهيدروجين تزيدها بنسبة 37%. جنبًا إلى جنب مع خطوط أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين، يوضح توزيع الضغط داخل الأسطوانة خصائص مجال التدفق. انخفض تلوث أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون بشكل كبير بشكل عام. عند إضافة 10% من حجم الهيدروجين، انخفضت انبعاثات أول أكسيد الكربون بنسبة 57.1%، وعند إضافة 20% من حجم الهيدروجين، انخفضت بنسبة 64.2%. انخفضت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 25.1% مع 10% من حجم الهيدروجين وبنسبة 39.1% مع 20% من حجم الهيدروجين. علاوة على ذلك، أدى الاحتراق الأفضل إلى زيادة انبعاثات أكاسيد النيتروجين.

المراجع

K. R. Patil, P. M. Khanwalkar, S. S. Thipse, K. P. Kavathekar, and S. D. Rairikar, “Development of HCNG blended fuel engine with control of NOx emissions,” in 2009 Second International Conference on Emerging Trends in Engineering & Technology, IEEE, 2009, pp. 1068–1074. https://doi.org/10.1109/ICETET.2009.81

C. Fetting, “The European green deal”, ESDN Report, December, vol. 2, no. 9, p. 53, 2020.

M. Zahid and K. S. Syed, “Investigation of pollutants formation in a diesel engine using numerical simulation”, Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences, vol. 8, no. 1, 2021. https://doi.org/10.1186/s40323-021-00204-6.

Z. Stępień, “A comprehensive overview of hydrogen-fueled internal combustion engines: Achievements and future challenges”, Energies, vol. 14, no. 20, p. 6504, 2021. https://doi.org/10.3390/en14206504.

L. Estrada, E. Moreno, A. Gonzalez-Quiroga, A. Bula, and J. Duarte-Forero, “Experimental assessment of performance and emissions for hydrogen-diesel dual fuel operation in a low displacement compression ignition engine”, Heliyon, vol. 8, no. 4, p. e09285, 2022. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e09285.

R. Kavtaradze, T. Natriashvili, and S. Gladyshev, “Hydrogen-diesel engine: Problems and prospects of improving the working process”, SAE Technical Paper, 2019. https://doi.org/10.4271/2019-01-0541.

H. Koten, “Hydrogen effects on the diesel engine performance and emissions”, International journal of hydrogen energy, vol. 43, no. 22, pp. 10511–10519, 2018. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.04.146.

X. Zhang, J. Hu, B. Wang, Z. Li, S. Xu, and X. Ma, "A chiral zinc(II) metal-organic framework as a high selective luminescent sensor for detecting trace nitro explosives picric acid and Fe3+ ion", Journal of Solid State Chemistry, vol. 269, pp. 459–464, 2019, doi https://doi.org/10.1016/j.jssc.2018.10.021.

A. Demirci, H. Koten, and M. Gumus, “The effects of small amount of hydrogen addition on performance and emissions of a direct injection compression ignition engine”, Thermal science, vol. 22, no. 3, pp. 1395–1404, 2018. https://doi.org/10.2298/TSCI170802004D.

M. Sughayyer, “Effects of hydrogen addition on power and emissions outputs from diesel engines”, Journal of Power and Energy Engineering, vol. 4, pp. 47-65, 2016. http://dx.doi.org/10.4236/jpee.2016.41003.

M. Loganathan, A. Velmurugan, T. Page, E. J. Gunasekaran, and P. Tamilarasan, “Combustion analysis of a hydrogen-diesel fuel operated DI diesel engine with exhaust gas recirculation”, Frontiers in Energy, vol. 11, pp. 568–574, 2017. https://doi.org/10.1007/s11708-017-0461-y.

O. H. Ghazal, “Performance and combustion characteristic of CI engine fueled with hydrogen enriched diesel”, International journal of hydrogen energy, vol. 38, no. 35, pp. 15469–15476, 2013. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.09.037.

M. Deb, G. R. K. Sastry, P. K. Bose, and R. Banerjee, “An experimental study on combustion, performance and emission analysis of a single cylinder, 4-stroke DI-diesel engine using hydrogen in dual fuel mode of operation”, International journal of hydrogen energy, vol. 40, no. 27, pp. 8586–8598, 2015. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.04.125.

Y. Karagöz, T. Sandalcı, L. Yüksek, A. S. Dalkılıç, and S. Wongwises, “Effect of hydrogen–diesel dual-fuel usage on performance, emissions and diesel combustion in diesel engines”, Advances in Mechanical Engineering, vol. 8, no. 8, p. 1687814016664458, 2016. https://doi.org/10.1177/1687814016664458.

A. M. De Morais, M. A. M. Justino, O. S. Valente, S. de Morais Hanriot, and J. R. Sodré, “Hydrogen impacts on performance and CO2 emissions from a diesel power generator”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 38, no. 16, pp. 6857–6864, 2013. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.03.119.

H. Köse and M. Ciniviz, “An experimental investigation of effect on diesel engine performance and exhaust emissions of addition at dual fuel mode of hydrogen”, Fuel processing technology, vol. 114, pp. 26–34, 2013. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2013.03.023.

R. Adnan, H. H. Masjuki, and T. M. I. Mahlia, “Experimental investigation on in-cylinder pressure and emissions of diesel engine with port injection hydrogen system”, International Journal of Mechanical and Materials Engineering, vol. 5, no. 2, pp. 136–141, 2010.

F. S. D. Almutairi, “Modelling and simulation of combustion characteristics of hydrogen-enriched dual-fuel combustion”, University of Southampton, Doctoral Thesis, pp. 283, 2022. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.10.078.

H. K. Versteeg, "An introduction to computational fluid dynamics the finite volume method", 2/E. Pearson Education India, 2007.

M. C. R. Martins, “3D CFD Combustion Simulation of a Four-Stroke SI Opposed Piston IC Engine”, Universidade da Beira Interior (Portugal) ProQuest Dissertations & Theses, 2020.

H. An, W. M. Yang, A. Maghbouli, J. Li, S. K. Chou, K. J. Chua, J. X. Wang, and L. Li, “Numerical investigation on the combustion and emission characteristics of a hydrogen assisted biodiesel combustion in a diesel engine”, Fuel, vol. 120, pp. 186–194, 2014. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.12.021.

Y. Song, L. Marrodán, N. Vin, O. Herbinet, E. Assaf, C. Fittschen, A. Stagni, T. Faravelli, M.U. Alzueta, and F. Battin-Leclerc, “The sensitizing effects of NO2 and NO on methane low temperature oxidation in a jet stirred reactor”, Proceedings of the Combustion Institute, vol. 37, no. 1, pp. 667–675, 2019. https://doi.org/10.1016/j.proci.2018.06.115.

S. Bari and M. Mohammad Esmaeil, “Effect of H2/O2 addition in increasing the thermal efficiency of a diesel engine,” Fuel, vol. 89, no. 2, pp. 378–383, 2010. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2009.08.030.

X. Liu, S. Liu, L. Shen, Y. Bi, and L. Duan, “Study on the Effects of the Hydrogen Substitution Rate on the Performance of a Hydrogen–Diesel Dual-Fuel Engine under Different Loads”, Energies, vol. 16, no. 16, 2023. https://doi.org/10.3390/en16165971.

J. Luo, Z. Liu, J. Wang, H. Xu, Y. Tie, D. Yang, and Z. Zhang, “Effects of Hydrogen Addition on the Performance, Combustion, and Emission Characteristics of a Heavy-Duty Dual-Fuel Engine”, SSRN, pp. 49, 2022. https://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4110723.

N. Abbas, M. A. Badshah, M. B. Awan, and N. Zahra, “Performance and Gaseous Emission Investigation of Low Powered Spark Ignition Engine Fueled with Gasoline and Hydroxyl Gas: Hydroxyl Gas-gasoline Mixture Engine”, Proceedings of the Pakistan Academy of Sciences: A. Physical and Computational Sciences, vol. 55, no. 1, pp. 11–20, 2018.

W. Tutak, A. Jamrozik, and K. Grab-Rogaliński, “Co-Combustion of Hydrogen with Diesel and Biodiesel (RME) in a Dual-Fuel Compression-Ignition Engine”, Energies, vol. 16, no. 13, p. 4892, 2023. https://doi.org/10.3390/en16134892.

B. Swapnil, and S. C. Omkar, “Study of Performance and Emission Analysis of Hydrogen-Diesel Dual Fuel Engine”, no. May, pp. 1214–1218, 2019.

P. Karvounis and G. Theotokatos, “Diesel Substitution with Hydrogen for Marine Engines”, Proceedings of the 4th International Conference on Modelling and Optimisation of Ship Energy Systems, 2023, TU Delft OPEN Publishing, 2024. https://doi.org/10.59490/moses.2023.657.

A. Shaafi, M. J. Noroozi, and V. Manshaei, “Investigating the effects of fuel injection strategies on a dual-fuel diesel-h2 compression ignition engine”, Journal of Computational & Applied Research in Mechanical Engineering, vol. 10, no. 1, pp. 63–71, 2020. https://doi.org/10.22061/jcarme.2019.5430.1675.

J. T. Mcnally, and C. R. Koch, "Hydrogen-Diesel Dual Fuel Combustion Characterization", Diss. Ph. D. thesis), University of Alberta, 2023.

L. Xu, H. Dong, S. Liu, L. Shen, and Y. Bi, “Study on the Combustion Mechanism of Diesel/Hydrogen Dual Fuel and the Influence of Pilot Injection and Main Injection”, Processes, vol. 11, no. 7, p. 2122, 2023. https://doi.org/10.3390/pr11072122.

التنزيلات

منشور

2025-06-21

كيفية الاقتباس

(1)
Hamdi, A. E.; Hannun, R. M. دراسة تأثير استخدام وقود الديزل الهيدروجيني المزدوج على أداء المحرك والانبعاثات. Journal of Petroleum Research and Studies 2025, 16, 174-196.