Підвищення показників ефективності та зниження викидів СО2 шляхом застосування добавок водню та метану до бензину в двигуні з іскровим запалюванням

Автор(и)

  • Андрій Петрович Марченко Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0001-9746-4634
  • Микита Тимофійович Міщенко Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-1265-8155

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.356685

Ключові слова:

добавка водню, добавка метану, модель Вібе, параметри згоряння, декарбонізація транспорту

Анотація

Об'єктом дослідження є робочий процес бензинового двигуна 4Ч7,6/6,6 при використанні добавок водню та метану до палива. Проблема, що вирішувалася, полягає у відсутності єдиного методологічного підходу до порівняльної кількісної оцінки впливу різних газових добавок на параметри згоряння, показники ефективності та викиди CO2. Як наслідок, виникає ускладнення обґрунтованого вибору оптимального компонента для підвищення енергоефективності та зниження вуглецевого сліду існуючого парку бензинових двигунів.

У роботі дістали подальшого розвитку напівемпіричні залежності для визначення параметрів моделі Вібе при додаванні метану до бензину, які базуються на масштабуванні через співвідношення ламінарних швидкостей полум'я. За результатами математичного моделювання встановлено, що при додаванні 10% водню показник динаміки згоряння m зменшується на 32,4–38,7%, тривалість згоряння φz скорочується на 26,1–28,2%. Визначено, що питома ефективна витрата палива знижується на 13,9–14,3%, ефективний коефіцієнт корисної дії (ККД) зростає на 0,5–1,8%, а об'ємна частка CO2 зменшується на 14,1%. При додаванні метану до 10% параметр динаміки m зростає на 3,2–3,9%, та, відповідно, тривалість згоряння φz збільшується на 2,4–2,6%, при цьому питома витрата знижується на 2,3–4,8%, ефективний ККД зростає на 1,4–3,7%, також спостерігається зниження CO2, яке становить 11,7%.

Визначальною особливістю є кількісні результати впливу при однаковій частці добавки (10%), відповідно до яких,  водень забезпечує в 1,2 рази більше зниження CO2 порівняно з метаном, але одночасно спостерігається покращенні паливної ефективності. Отримані результати дозволяють обґрунтовано обирати тип добавки для комплексного підвищення ефективності та екологічності або помірної декарбонізації з мінімальною модернізацією двигуна

Біографії авторів

Андрій Петрович Марченко, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Доктор технічних наук, професор

Кафедра двигунів та гібридних енергетичних установок

Микита Тимофійович Міщенко, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Доктор філософії (PhD)

Кафедра двигунів та гібридних енергетичних установок

Посилання

  1. Tracking Clean Energy Progress 2023 (2023). IEA. Available at: https://www.iea.org/reports/tracking-clean-energy-progress-2023
  2. Marchenko, A., Koruba, Z. (Eds.) (2025). Decarbonization of Transport Energy Installations in the Context of Sustainable Development Strategies. Studies in Systems, Decision and Control. https://doi.org/10.1007/978-3-032-05884-3
  3. Singh, G., Khan, S., Stork, K., Weismiller, M. (2022). Advanced Engine and Fuel Technologies 2021 Annual Progress Report. Office of Scientific and Technical Information (OSTI). https://doi.org/10.2172/2483827
  4. Stone, R. (1999). Introduction to Internal Combustion Engines. Macmillan Education UK. https://doi.org/10.1007/978-1-349-14916-2
  5. Sailor, D. J. (2011). A review of methods for estimating anthropogenic heat and moisture emissions in the urban environment. International Journal of Climatology, 31 (2), 189–199. https://doi.org/10.1002/joc.2106
  6. Hawkins, T. R., Singh, B., Majeau‐Bettez, G., Strømman, A. H. (2012). Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles. Journal of Industrial Ecology, 17 (1), 53–64. https://doi.org/10.1111/j.1530-9290.2012.00532.x
  7. Dorado, M. P., Ballesteros, E., Arnal, J. M., Gómez, J., López, F. J. (2003). Exhaust emissions from a Diesel engine fueled with transesterified waste olive oil. Fuel, 82, 1311–1315. https://doi.org/10.1016/s0016-2361(03)00034-6
  8. Demirbas, A. (2009). Biofuels securing the planet’s future energy needs. Energy Conversion and Management, 50 (9), 2239–2249. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.05.010
  9. Zacharof, N.-G., Broekaert, S., Fontaras, G. (2021). Future CO2 reducing technologies in VECTO: VECTO technology coverage and market uptake. Publications Office. Available at: https://data.europa.eu/doi/10.2760/985739
  10. Depczyński, W. P., Marchenko, A., Mishchenko, S., Mishchenko, M. (2025). The effect of hydrogen addition to traditional petrol engine fuel in a hybrid power plant on its environmental performance and fuel efficiency. Combustion Engines, 200 (1), 87–94. https://doi.org/10.19206/ce-199735
  11. Wang, X., Sun, B., Luo, Q. (2019). Energy and exergy analysis of a turbocharged hydrogen internal combustion engine. International Journal of Hydrogen Energy, 44 (11), 5551–5563. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.10.047
  12. Di Battista, D., Cipollone, R. (2023). Waste Energy Recovery and Valorization in Internal Combustion Engines for Transportation. Energies, 16 (8), 3503. https://doi.org/10.3390/en16083503
  13. Bhan, S., Yadav, P. S., Mahajan, S., Bibhu, V., Awasthi, S., Sharma, A. et al. (2025). Optimization of SI engine responses fueled with hydrogen‐enriched G30 fuel: Experimental and statistical approach. Environmental Progress & Sustainable Energy, 45 (2). https://doi.org/10.1002/ep.70257
  14. Erdiwansyah, Mamat, R., Ghazali, M. F., Basrawi, F., Rosdi, S. M., Bahagia. (2025). A recent review of alternative fuels in SI engines: Performance, emissions, and combustion aspects. Next Research, 2 (4), 100810. https://doi.org/10.1016/j.nexres.2025.100810
  15. Nuthan Prasad, B. S., Pandey, J. K., Kumar, G. N. (2021). Effect of hydrogen enrichment on performance, combustion, and emission of a methanol fueled SI engine. International Journal of Hydrogen Energy, 46 (49), 25294–25307. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.05.039
  16. Baswana, C. S., Narang, S. A. (2025). HCNG for Sustainable Emission Reduction in SI Engines. Journal of Engineering Sciences, 12 (2), G1–G11. https://doi.org/10.21272/jes.2025.12(2).g1
  17. Karagöz, Y., Balcı, Ö., Gezer, O., Köten, H., Işın, Ö. (2021). Performance and emissions of spark-ignition engines fuelled with petrol and methane. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Energy, 174 (4), 156–169. https://doi.org/10.1680/jener.19.00055
  18. Kubica, G. (2023). Combustion of LPG / DME gas mixtures in an SI engine with correction of the ignition advance angle. Combustion Engines. https://doi.org/10.19206/ce-168401
  19. Fosudo, T., Kar, T., Windom, B., Olsen, D. (2024). Low-carbon fuels for spark-ignited engines: A comparative study of compressed natural gas and liquefied petroleum gas on a CFR engine with exhaust gas recirculation. Fuel, 360, 130456. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.130456
  20. Marchenko, A. P., Mishchenko, M. T. (2024). Research of the combustion parameters of gasoline with additional hydrogen in a spark-ignition engine in external speed characteristic modes. Internal Combustion Engines, 1, 52–60. https://doi.org/10.20998/0419-8719.2024.1.07
  21. Giglio, V., di Gaeta, A. (2020). Novel regression models for wiebe parameters aimed at 0D combustion simulation in spark ignition engines. Energy, 210, 118442. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118442
  22. Lindström, F., Ångström, H.-E., Kalghatgi, G., Möller, C. E. (2005). An Empirical SI Combustion Model Using Laminar Burning Velocity Correlations. SAE Technical Paper Series, 1. https://doi.org/10.4271/2005-01-2106
  23. Gatowski, J. A., Balles, E. N., Chun, K. M., Nelson, F. E., Ekchian, J. A., Heywood, J. B. (1984). Heat Release Analysis of Engine Pressure Data. SAE Technical Paper Series, 1. https://doi.org/10.4271/841359
  24. Verhelst, S., Wallner, T. (2009). Hydrogen-fueled internal combustion engines. Progress in Energy and Combustion Science, 35 (6), 490–527. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2009.08.001
  25. Shivaprasad, K. V., Chitragar, P. R., Kumar, G. N. (2018). Effect of hydrogen addition on combustion and emissions performance of a high speed spark ignited engine at idle condition. Thermal Science, 22 (3), 1405–1413. https://doi.org/10.2298/tsci180407157s
  26. Verhelst, S. (2014). Recent progress in the use of hydrogen as a fuel for internal combustion engines. International Journal of Hydrogen Energy, 39 (2), 1071–1085. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.10.102
  27. Metghalchi, M., Keck, J. C. (1982). Burning velocities of mixtures of air with methanol, isooctane, and indolene at high pressure and temperature. Combustion and Flame, 48, 191–210. https://doi.org/10.1016/0010-2180(82)90127-4
  28. Hasche, A., Bräuer, P., Bauer, F., Will, S., Krause, H., Eckart, S. (2026). Experimental determination of the laminar burning velocity of hydrogen-methane-oxygen flames through a micro-cone burner. https://doi.org/10.2139/ssrn.6291867
  29. Heywood, J. B. (1988). Internal Combustion Engines Fundamentals. McGraw-Hill, 930.
  30. Ricci, F., Zembi, J., Avana, M., Grimaldi, C. N., Battistoni, M., Papi, S. (2024). Analysis of Hydrogen Combustion in a Spark Ignition Research Engine with a Barrier Discharge Igniter. Energies, 17 (7), 1739. https://doi.org/10.3390/en17071739
  31. Panthi, N., Sharma, P., AlRamadan, A. S., Cenker, E., Magnotti, G. (2026). Direct injection of methane or hydrogen on port-fueled methane combustion in a heavy-duty optical spark ignition engine. Fuel, 405, 136587. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.136587
  32. Osetrov, O., Haas, R. (2025). Modeling Homogeneous, Stratified, and Diffusion Combustion in Hydrogen SI Engines Using the Wiebe Approach. Energies, 18 (12), 3004. https://doi.org/10.3390/en18123004
  33. Farhan, M., Salam, H. A., Shahid, M. I., Chen, T., Xiao, Q., Jiang, L. et al. (2026). Experimental and predictive advancements in hydrogen enriched compressed natural gas spark ignition engines: a critical review. Fuel, 407, 137248. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.137248
Підвищення показників ефективності та зниження викидів СО2 шляхом застосування добавок водню та метану до бензину в двигуні з іскровим запалюванням

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-04-30

Як цитувати

Марченко, А. П., & Міщенко, М. Т. (2026). Підвищення показників ефективності та зниження викидів СО2 шляхом застосування добавок водню та метану до бензину в двигуні з іскровим запалюванням. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(1 (140), 66–77. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.356685

Номер

Том 2 № 1 (140) (2026): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Виробничо-технологічні системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2026 Andrii Marchenko, Mykyta Mishchenko

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.