Experimental Investigation of Hydrogen Enrichment in a Methane-Fueled Four-Stroke Spark-Ignition Engine for Improved Combustion, Performance, and Emission Characteristics. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis_Qador_V2_and final.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 December 2026. Download (21MB)

Arabic Abstract

يمثل إثراء الميثان بالهيدروجين أحد المسارات الواعدة لتحسين احتراق محركات الاشتعال بالشرارة وخفض الانبعاثات المرتبطة بالكربون، إلا أن التأثيرات المتداخلة لكل من نسبة الهيدروجين، ونسبة الانضغاط، واستراتيجية توقيت الإشعال ما تزال بحاجة إلى توصيف تجريبي أكثر دقة، ولا سيما عند نسب الإثراء المرتفعة. تهدف هذه الرسالة إلى دراسة سلوك احتراق الميثان المُثرى بالهيدروجين في محرك اشتعال بالشرارة أحادي الأسطوانة، رباعي الأشواط، ذي سحب طبيعي ونسبة انضغاط متغيرة، عند سرعة تشغيل ثابتة مقدارها 1500 دورة/دقيقة وحمل جزئي يعادل 25%. وقد شملت الدراسة اختبار خلطات وقود ذات نسب هيدروجين حجمية تراوحت بين 0 و80%، عند نسبتي انضغاط 9:1 و11:1، ضمن مرحلتين تجريبيتين: الأولى عند توقيت شرارة ثابت مقداره 30 درجة زاوية عمود مرفق قبل النقطة الميتة العليا، والثانية عند تحسين توقيت الشرارة وفق شرط أفضل توقيت يحقق أقصى عزم دوران(MBT) لحالات الإثراء بالهيدروجين. اعتمد تقييم خصائص الاحتراق على تحليل ضغط الغاز داخل الأسطوانة، ومعدل إطلاق الحرارة الظاهري، وتطور الكسر الكتلي المحترق، في حين تم تقييم أداء المحرك من خلال المؤشرات الفرملية، كما جرى قياس انبعاثات العادم الجافة، والمتمثلة في أكاسيد النيتروجين (NOx)، وأول أكسيد الكربون (CO)، والهيدروكربونات غير المحترقة (HC)، وثاني أكسيد الكربون (CO₂)، تحت ظروف تشغيل مستقرة. وقد بينت النتائج أن زيادة نسبة الهيدروجين تؤدي إلى تسريع ملحوظ في عملية الاحتراق نتيجة ازدياد تفاعلية الخليط، وهو ما انعكس في ارتفاع الضغط الأقصى داخل الأسطوانة، وزيادة حدة معدل إطلاق الحرارة وتقدمه زمنيًا، فضلًا عن انخفاض كل من فترة تأخر الاشتعال ومدة الاحتراق. إلا أن هذا التحسن في سرعة الاحتراق، عند استخدام توقيت إشعال ثابت، أدى إلى تقدم مفرط لطور الاحتراق باتجاه النقطة الميتة العليا، وعند نسب الهيدروجين المرتفعة امتد جزء من الاحتراق إلى شوط الانضغاط، مما تسبب في شغل انضغاطي سالب وانخفاض في الأداء الفرَملي. فعند نسبة انضغاط 9:1، انخفضت الكفاءة الحرارية الفرملية من نحو 24.9% عند تشغيل المحرك بالميثان النقي إلى نحو 22.5% عند نسبة هيدروجين بلغت 60%. كما أظهرت النتائج أن الارتفاع الكبير في نسبة الهيدروجين يفرض تأثيرًا سالبًا على الكفاءة الحجمية. ورغم انخفاض الاستهلاك النوعي الفرَملي للوقود مع زيادة نسبة الهيدروجين، نتيجة الارتفاع الكبير في القيمة الحرارية الدنيا للهيدروجين على أساس الكتلة، فإن هذا الانخفاض لا يعكس بالضرورة تحسنًا مباشرًا في الكفاءة الحرارية بقدر ما يعكس اختلاف الخصائص الطاقية للوقود. أما فيما يتعلق بالانبعاثات، فقد كشفت النتائج عن وجود مفاضلة واضحة؛ إذ أدى إثراء الميثان بالهيدروجين إلى زيادة انبعاثات أكاسيد النيتروجين، في حين انخفضت انبعاثات الهيدروكربونات غير المحترقة وثاني أكسيد الكربون بصورة منتظمة. كما ظل أول أكسيد الكربون منخفضًا عند نسبة الانضغاط 9:1، بينما أظهر اتجاهًا تنازليًا مع زيادة الهيدروجين عند نسبة الانضغاط 11:1. وعند تطبيق تحسين توقيت الإشعال وفق شرط MBT، أمكن إعادة موضع الاحتراق إلى المجال الأمثل، حيث تمركزت قيمة CA50 بالقرب من 6-7 درجات زاوية عمود مرفق بعد النقطة الميتة العليا، مما أسهم في تحسين تموضع الاحتراق واستعادة جزء من الفاقد في الكفاءة، إلى جانب خفض كل من الاستهلاك النوعي الفرَملي للوقود وانبعاثات NOx. فعند نسبة هيدروجين 80% ونسبة انضغاط 11:1، انخفض الاستهلاك النوعي الفرَملي للوقود من نحو 230 إلى 217 غ/كيلوواط.ساعة، كما انخفضت انبعاثات NOx من 0.435% إلى 0.253%، إلا أن ذلك ترافق مع زيادة نسبية في انبعاثات CO وHC مقارنة بحالة توقيت الإشعال الثابت. وبوجه عام، تؤكد هذه الدراسة أن إثراء الميثان بالهيدروجين يساهم بفاعلية في تحسين خصائص الاحتراق داخل محركات الاشتعال بالشرارة وتقليل الانبعاثات الكربونية، غير أن تحقيق الفائدة العملية القصوى من هذا الوقود يتطلب ضبطًا متكاملًا لكل من نسبة الهيدروجين، ونسبة الانضغاط، وتوقيت الإشعال. وعليه، فإن الاستخدام الناجح لوقود HCNG في تطبيقات محركات الاشتعال بالشرارة يعتمد بصورة أساسية على الإدارة الدقيقة لطور الاحتراق بما يضمن تحقيق توازن مناسب بين الأداء، والكفاءة، والانبعاثات.

English Abstract

Hydrogen enrichment of methane offers a practical route to improve spark-ignition engine combustion while reducing carbon-related emissions; however, the combined effects of hydrogen fraction, compression ratio, and ignition strategy remain insufficiently quantified at high hydrogen levels. This thesis experimentally investigates hydrogen-enriched methane combustion in a naturally aspirated, single-cylinder, four-stroke variable-compression-ratio spark-ignition engine operated at 1500 rpm and 25% load, where the low load condition was selected to minimize high load breathing constraints associated with gaseous hydrogen addition, including reduced intake charge density, air displacement, and the resulting decrease in volumetric efficiency. Accordingly, hydrogen fractions of 0-80 vol.%, were examined at compression ratios of 9:1 and 11:1 under a two-phase strategy comprising fixed spark timing at 30°CA BTDC and maximum brake torque (MBT) based variable spark optimization for the hydrogen-enriched cases. Operation with 100 vol.% hydrogen was excluded because it led to unstable combustion control, with an increased tendency for pre-ignition or uncontrolled ignition before spark activation. Combustion behavior was evaluated using in-cylinder pressure, apparent heat-release rate, and mass-fraction-burned analysis, while brake performance and dry exhaust emissions (NOx, CO, HC, and CO₂) were measured at steady state. The results show that increasing hydrogen fraction markedly accelerates combustion by increasing mixture reactivity, raising peak cylinder pressure, sharpening and advancing heat release, and reducing ignition delay and combustion duration. Under fixed spark timing, however, the faster burn shifted combustion excessively toward top dead center and, at high hydrogen fractions, into the compression stroke, producing negative compression work and reducing brake performance. At CR 9, brake thermal efficiency decreased from about 24.9% for pure methane to 22.5% at 60% hydrogen, while very high hydrogen fractions also imposed a volumetric-efficiency penalty. Although brake specific fuel consumption decreased because hydrogen has a higher lower heating value on a mass basis, the higher compression ratio mainly improved the thermodynamic baseline rather than eliminating the phasing penalty. Emissions results revealed a clear trade-off: hydrogen enrichment increased NOx, whereas HC and CO₂ decreased consistently; CO remained low at CR 9 and decreased with hydrogen at CR 11. MBT based spark retard restored CA50 to the optimum range near 6-7°CA ATDC, improved combustion phasing, recovered part of the efficiency loss, and lowered both BSFC and NOx. At HF-80% and CR 11, MBT optimization reduced BSFC from about 230 to 217 g/kWh and NOx from 4350 to 2530 ppm, however, CO increased from about 370 to 3200 ppm, and HC increased from about 350 to 1200 ppm relative to the fixed-spark condition. Overall, the study demonstrates that hydrogen enrichment can significantly improve methane SI combustion characteristics and reduce carbon-based emissions, but its practical benefit depends on coordinated optimization of hydrogen fraction, compression ratio, and ignition timing for cleaner spark-ignition engine applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Ahmed Abdelhafez,
Thesis Committee Members:	Mohammed Habib, Medhat Nemitallah,
Depositing User:	ABDEL RAHMAN QADOR (g202308430)
Date Deposited:	12 May 2026 11:13
Last Modified:	12 May 2026 11:13
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144220