طراحی و مطالعه اثرات مقاوم‌سازی موتورهای دیزلی در کامیون‌های هیدروژنی از طریق شبیه‌سازی

گذار به حمل و نقل با انتشار کم برای دستیابی به اهداف جهانی آب و هوا ضروری است. این مطالعه، مقاوم‌سازی یک کامیون دیزلی با ظرفیت متوسط را برای کار با موتور احتراق داخلی هیدروژنی، با استفاده از داده‌های تجربی موتور و شبیه‌سازی خودرو 0D در پنج چرخه رانندگی نظارتی، بررسی می‌کند. دو پیکربندی هیدروژنی مورد آزمایش قرار گرفت: یک پیکربندی پایه و یک نسخه بهینه شده با هدف کاهش NOx. نتایج نشان می‌دهد که H2-ICE بهینه شده، انتشار NOx را بیش از 90٪ (زیر 400 میلی‌گرم بر کیلووات ساعت) کاهش می‌دهد و CO2 را از احتراق سوخت حذف می‌کند. در چرخه‌های شهری و سخت شهری، پیشرانه هیدروژنی در مقایسه با دیزل، بهره‌وری انرژی را تا 9.4٪ بهبود می‌بخشد. اگرچه مدل بهینه شده 1 تا 2 درصد نسبت به حالت پایه کاهش بهره‌وری دارد، اما در چرخه‌های بزرگراه بیش از 9000 کیلوگرم بار مفید را حفظ می‌کند. این کار امکان‌سنجی مقاوم‌سازی H2-ICE را به عنوان یک راه‌حل مقرون به صرفه و کم انتشار برای لجستیک شهری نشان می‌دهد و پتانسیل بالایی را در جایی که زیرساخت‌ها و شیوه‌های نگهداری برای ICE های معمولی از قبل وجود دارد، ارائه می‌دهد.

مقدمه

در حال حاضر، انتشار گازهای گلخانه‌ای مرتبط با حمل و نقل بیش از هر زمان دیگری مورد بررسی و تنظیم قرار می‌گیرد، زیرا اثرات منفی متعددی که این گازها ایجاد می‌کنند، تغییرات اقلیمی ناشی از گرمایش جهانی است که یکی از مهمترین آنهاست [1]. بنابراین، ارزیابی میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای در کل چرخه عمر خودروها ضروری است، با تأکید ویژه بر گازهای تولید شده در طول مرحله عملیاتی [2]. بازارهای مختلف شروع به ارزیابی و تنظیم میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) و اجرای سیاست‌هایی با هدف کاهش آنها کرده‌اند. نمونه بارز آن اتحادیه اروپا (EU) است که هدف آن دستیابی به بی‌طرفی اقلیمی و پایداری با کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، نه تنها در بخش خودرو، است [3]. از جمله این اقدامات، ممنوعیت فروش و ثبت خودروهایی است که در لوله اگزوز از نظر کربن خنثی نیستند [4]. در نتیجه، تولیدکنندگان به سمت کشف فناوری‌های جدید، مانند خودروهای الکتریکی خالص و بهبود خودروهای موجود، مانند توسعه سوخت‌های جایگزین که با این مقررات مطابقت دارند، سوق داده می‌شوند. هیدروژن یکی از قابل توجه‌ترین گزینه‌ها است [5،6]. مقایسه این فناوری‌ها برای شناسایی فناوری‌هایی که از نظر اقتصادی، مهندسی و زیست‌محیطی قابل اجرا هستند، ضروری است [7]. این نیاز در مورد وسایل نقلیه سنگین مانند کامیون‌ها که بخش قابل توجهی از انتشار گازهای گلخانه‌ای در حمل و نقل را تشکیل می‌دهند، حتی بیشتر آشکار می‌شود [8،9]. علاوه بر این، عواملی مانند برد عملیاتی و هزینه‌های جاری برای حمل و نقل کارآمد کالا بسیار مهم هستند [10].

یکی از فناوری‌هایی که به طور گسترده برای استفاده در حمل و نقل مورد مطالعه قرار گرفته است، پیل‌های سوختی هیدروژنی (FC) هستند، زیرا مزایای متعددی مانند راندمان بالاتر نسبت به موتورهای احتراق داخلی ارائه می‌دهند [11]. علاوه بر این، خودروهای الکتریکی پیل سوختی (FCEV) مزیت زمان سوخت‌گیری کوتاه، که مشخصه سوخت‌های گازی است، را ارائه می‌دهند، در حالی که از راندمان عملیاتی و نگهداری پیشرانه‌های الکتریکی بهره می‌برند [12]. با این حال، پیل‌های سوختی با محدودیت‌های متعددی از جمله حساسیت به خلوص هیدروژن [13]، هزینه‌های بالای تولید [14] و تخریب عملکرد [15] در طول زمان به دلیل کیفیت هیدروژن و اثرات تجمعی چرخه‌های عملیاتی [16] مواجه هستند. این چالش‌ها در موتورهای احتراق داخلی با سوخت هیدروژنی (H2ICEs) که تحت اصول اساساً متفاوتی کار می‌کنند و عموماً در شرایط سخت مقاوم‌تر هستند، وجود ندارد [17]. مانند FCEVها، H2-ICEs نسبت به خودروهای الکتریکی باتری‌دار (EVs) مزایایی دارند، به ویژه در تطبیق‌پذیری و پتانسیل زیست‌محیطی هیدروژن به عنوان حامل انرژی [18]. اگرچه موتورهای احتراق داخلی هیدروژنی (H2-ICEs) عموماً نسبت به پیل‌های سوختی یا موتورهای الکتریکی راندمان کمتری دارند، اما همچنان گزینه‌ای قوی و امیدوارکننده برای تحرک پایدار هستند [19]. یکی از مزایای کلیدی آنها، توانایی آنها در مقاوم‌سازی موتورهای بنزینی یا دیزلی موجود است که نیاز به تعویض تنها چند قطعه به جای توسعه یک سیستم انتقال قدرت کاملاً جدید دارد [20،21]. این رویکرد مقاوم‌سازی همچنین مزایای زیست‌محیطی را ارائه می‌دهد، زیرا طول عمر وسایل نقلیه موجود را افزایش می‌دهد و نیاز به استخراج مواد جدید را محدود می‌کند – که فقط به اصلاحات خاص موتور و یک سیستم ذخیره‌سازی هیدروژن اختصاصی نیاز دارد [22]. یکی از چالش‌های اصلی موتورهای هیدروژنی تبدیل شده از سوخت‌های دیگر، انتشار اکسیدهای نیتروژن (NOx) در شرایط بار زیاد است [23]. با این حال، با طراحی مناسب موتور – چه از ابتدا و چه از طریق تبدیل به خوبی اجرا شده – می‌توان این انتشار NOx را به سطوح ناچیز کاهش داد. دستیابی به این هدف مستلزم بهینه‌سازی مؤثر شروع تزریق (SOI) [24]، هندسه و فشارهای عملیاتی توربوشارژر [25]، سیستم‌های چرخش مجدد گازهای خروجی (EGR) [26] و تزریق آب [27] است. احتراق رقیق پرکاربردترین استراتژی است زیرا امکان دستیابی به دمای احتراق پایین و به حداقل رساندن انتشار NOx را فراهم می‌کند [28،29]. نوع تزریق – تزریق سوخت دریچه‌ای (PFI) یا تزریق مستقیم (DI) – نیز یک پارامتر حیاتی است که بر عملکرد موتور تأثیر می‌گذارد [29]. سیستم‌های DI کنترل احتراق بهتری ارائه می‌دهند، راندمان حجمی را افزایش می‌دهند و تلفات پمپاژ را کاهش می‌دهند، که آنها را به طور کلی مؤثرتر از فناوری PFI می‌کند. با این حال، PFI از نظر سادگی و هزینه، برای گزینه مقاوم‌سازی، مزایایی را ارائه می‌دهد [30،31].

پیشرفت‌های اخیر رهبران صنعت، کشش رو به رشد H2-ICEها را در کاربردهای تجاری و سنگین نشان می‌دهد [32]. موسسه تحقیقات جنوب غربی (SwRI) پس از نمایش موفقیت‌آمیز یک کامیون سنگین هیدروژنی کلاس 8 در سال 2024 [34]، کنسرسیوم H2-ICE2 را در مارس 2025 [33] راه‌اندازی کرد. مرحله دوم بر اعتبارسنجی عملکرد، ایمنی و دوام در دنیای واقعی از طریق همکاری با تولیدکنندگان اصلی تجهیزات (OEM) و تأمین‌کنندگان تمرکز دارد. به طور مشابه، کامینز پروژه برونل [35] را رهبری کرد که در حال توسعه یک H2-ICE 6.7 لیتری برای کامیون‌ها و اتوبوس‌های متوسط بود و اجزای سازگار با هیدروژن مانند انژکتورهای اصلاح‌شده، پوشش‌های پیشرفته و استراتژی‌های کالیبراسیون موتور متناسب با احتراق هیدروژن را ادغام می‌کرد. در نمایشگاه IAA هانوفر 2025، کامینز از موتورهای هیدروژنی X10 و X15H سازگار با یورو 7 خود، بخشی از پلتفرم مدولار HELM، رونمایی کرد که امکان معماری مشترک بین انواع دیزل، گاز طبیعی و هیدروژن را فراهم می‌کند – که استقرار را تسریع می‌کند و در عین حال هزینه‌های توسعه را کاهش می‌دهد. از دیگر ابتکارات کلیدی می‌توان به تویوتا کرولا GR هیدروژنی که در مسابقات استقامتی استفاده می‌شود [36] و موتورهای احتراق هیدروژنی JCB برای ماشین‌آلات خارج از جاده [37] اشاره کرد. این مثال‌ها، بلوغ رو به رشد و اهمیت صنعتی موتورهای احتراق داخلی هیدروژن (H2-ICEs) را نشان می‌دهند. استراتژی‌های کنترل موتور در این سیستم‌ها به دلیل محدودیت‌های گسترده اشتعال‌پذیری هیدروژن ضروری هستند [38]. در حالی که این ویژگی ملاحظات ایمنی را مطرح می‌کند، حالت‌های احتراق پیشرفته مانند احتراق رقیق و مخلوط‌های لایه‌ای را نیز امکان‌پذیر می‌سازد. با این حال، یکی از چالش‌های اصلی در مقاوم‌سازی موتورهای احتراق داخلی هیدروژن، ذخیره‌سازی سوخت است [39]. مخازن فشار بالای نوع چهارم بر بسته‌بندی و توزیع وزن خودرو تأثیر می‌گذارند و به طور بالقوه فضای بار موجود را کاهش می‌دهند.

این مطالعه با تبدیل یک موتور دیزل موجود و ادغام آن در یک کامیون نیمه سنگین شبیه‌سازی شده با استفاده از شبیه‌سازی خودرو 0D در AVL Cruise M، پتانسیل موتورهای احتراق داخلی هیدروژنی را به عنوان یک راه حل جایگزین برای نیروی محرکه بررسی می‌کند. در حالی که بازار خودروهای الکتریکی به سرعت گسترش یافته است، اکثریت قریب به اتفاق خودروهای در حال کار هنوز به موتورهای احتراق داخلی متکی هستند. این موضوع، دلیلی قانع‌کننده برای مقاوم‌سازی ناوگان‌های موجود با فناوری هیدروژن است که با جایگزینی تنها چند قطعه کلیدی و حفظ بیشتر معماری اصلی خودرو، امکان عملکرد بدون CO2 را فراهم می‌کند. برخلاف سیستم‌های کاملاً الکتریکی یا پیل سوختی، مقاوم‌سازی H2-ICE می‌تواند از زیرساخت‌های گسترده و تخصص فنی موجود برای موتورهای احتراق داخلی بهره ببرد و هم هزینه‌های اجرا و هم موانع گذار را کاهش دهد [30]. نوآوری این کار در ارزیابی کاربرد عملی H2-ICEها در حمل و نقل بار شهری نهفته است – حوزه‌ای که اغلب با وجود تأثیر بالای آلودگی محلی نادیده گرفته می‌شود. وسیله نقلیه مورد نظر، یک کامیون با ظرفیت متوسط است که عمدتاً در محیط‌های شهری فعالیت می‌کند – دقیقاً جایی که کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای بسیار مهم است. با تغییر کاربری یک پلتفرم موجود، این رویکرد، انتشار گازهای گلخانه‌ای در چرخه عمر را به حداقل می‌رساند و مسیری مقرون به صرفه را به سمت لجستیک شهری بدون کربن ارائه می‌دهد (منبع).