I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o wer   E ng i neer ing   ( I J AP E )   Vo l.  1 5 ,   No .   1 Ma r ch   20 2 6 ,   p p .   2 1 1 ~ 2 2 7   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e . v 1 5 . i 1 . pp 211 - 227           211     J o ur na l ho m ep a g e h ttp : // ija p e. ia esco r e. co m/   M o deling  H 2 - en ri ched dual  fuel  en g ine   performa nce and   emis sio ns       J a y a g o pa l N a ra y a na n 1 , Y V .   V Sa t y a na r a y a na   M urt hy 2 ,   Sa nd ee p   K um a r 1 ,   T a la ri  Su re nd ra 3 ,   Ra m   M o ha n Ra o   M a da ka 3   1 D e p a r t me n t   o f   M a r i n e   En g i n e e r i n g ,   I n d i a n   M a r i t i me  U n i v e r si t y ,   C h e n n a i ,   I n d i a   2 D e p a r t me n t   o f   M a r i n e   En g i n e e r i n g ,   S c h o o l   o f   M a r i n e   E n g i n e e r i n g   a n d   Te c h n o l o g y ,   I n d i a n   M a r i t i me   U n i v e r si t y ,   C h e n n a i ,   I n d i a   3 G I TA M   ( D e e me d   t o   b e   U n i v e r si t y ) ,   V i sak h a p a t n a m ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 1 1 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Oct  3 0 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   No v   2 8 ,   2 0 2 5       Th is  stu d y   u ti li z e a   v a li d a ted   G T - P o we sim u latio n   m o d e t o   e v a lu a t e   h y d ro g e n   (H 2 e n rich m e n e ffe c ts  o n   th e   p e rfo rm a n c e   a n d   e m issio n s   o a   fo u r - c y li n d e r,   8 6   k d u a l - fu e d ies e e n g in e .   T h e   p rima ry   g o a is  id e n ti f y in g   o p e ra ti n g   stra teg ies   t h a e n h a n c e   e fficie n c y   wh il e   m a in tain in g   n it ro g e n   o x i d e   (NO x e m issio n s a o b e lo b a se li n e   lev e ls,   term e d   " NO x   n e u tral"   o p e ra ti o n .   Th e   m e th o d o lo g y   i n v o lv e a d ju st in g   e n g in e   lo a d   b e twe e n   2   a n d   1 6   b a r   b ra k e   m e a n   e ffe c ti v e   p re ss u re   (BM EP a n d   v a ry i n g   H 2   e n e rg y   su b stit u ti o n   fr o m   1 0 %   to   7 0 %   a 1 5 0 0   rp m .   T o   a n a ly se   c o m p lex   n o n - li n e a re latio n sh ip s,  t h is   re se a rc h   e m p lo y e d   re sp o n se   su rfa c e   m e th o d o lo g y   (RS M a n d   a   ra n d o m   fo re st   (RF m a c h in e   lea rn in g   a lg o r it h m .   Re su lt in d ica te  o p ti m a H 2   su b sti tu ti o n   li e s   in   th e   2 0 3 0 %   ra n g e ,   y ield in g   a   2 3 %   imp r o v e m e n t   in   b ra k e   th e rm a e fficie n c y   (BTE a n d   a   si g n ifi c a n d e c re a se   in   b ra k e   sp e c ifi c   f u e c o n su m p ti o n   (BS F C)  fro m   2 0 0 2 2 0   g /k Wh   to   1 6 0 1 8 0   g / k W h .   W h il e   CO 2 ,   HC ,   a n d   CO  e m issio n d e c re a se d ,   NO x   re m a in e d   sta b le  o n l y   u p   t o   2 5 %   su b stit u t io n in c re a sin g   sh a rp l y   th e re a fter.  Co n se q u e n tl y ,   H 2   e n e rg y   c o n tri b u ti o n   sh o u l d   b e   li m it e d   t o   2 5 %   t o   e ffe c ti v e ly   c o n tro l   NO x .   Th e   c o m b in e d   u se   o sim u latio n   with   RS M   a n d   R F   m o d e ls  p ro v e a n   e fficie n t,   a c c u ra te  m e th o d   f o e n g in e   a n a ly sis,  m in imiz i n g   e x ten siv e   p h y sic a tes ti n g   re q u irem e n ts .   K ey w o r d s :   Du al  f u el  en g i n e   H 2   en r ich m en t   NOx   n eu tr al   Per f o r m an ce   R an d o m   f o r est   R esp o n s s u r f ac m eth o d o lo g y   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Y V .   V .   Saty an ar ay a n Mu r th y   Dep ar tm en t o f   Ma r in E n g in e er in g ,   Sch o o l o f   Ma r in E n g in ee r in g   an d   T ec h n o lo g y     I n d ian   Ma r itime   Un i v er s ity   C h en n ai  6 0 0 0 1 9 ,   T am il Na d u ,   I n d ia   E m ail:  y v v s n m u r th y @ im u . ac . in       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e   is s u o f   g lo b al  war m in g ,   d r iv en   b y   f o s s il  f u el  em is s io n s ,   is   ac ce ler atin g   th s ea r ch   f o r   clea n   en er g y   alter n ativ es.  Hy d r o g e n   ( H₂)   is   em er g in g   as  p r o m is in g   ca r b o n - f r ee   f u el   [ 1 ] .   Usi n g   H₂  in   ex is tin g   in ter n al  co m b u s tio n   en g i n es  o f f er s   p r ac tical  way   to   d ec ar b o n ize  tr an s p o r tatio n   a n d   r e d u ce   its   ca r b o n   f o o tp r in t   [ 2 ] ,   [ 3 ] .   Ho we v er ,   em p lo y in g   p u r H₂  in   e n g in es  p r esen ts   d if f icu lties   d u to   c o m p lex   c o m b u s tio n   p r o ce s s es   an d   in cr ea s ed   NO x   em is s io n s   [ 4 ] .   Mo d if y in g   d iesel  en g in es  to   o p e r ate  in   d u al - f u el  s etu p ,   w h er H₂  is   th e   p r im ar y   f u el  an d   d iesel is   u s ed   f o r   ig n itio n ,   is   cr u cial  s tep   to war d s   lo wer in g   t h ese  em is s i o n s   [ 5 ]   T h m ain   ch allen g in   co n v er t in g   ex is tin g   en g in es  to   H₂ - d iesel  d u al - f u el  is   co n tr o llin g   NO x   em is s io n s   to   lev els  co m p ar ab le   to   th o s o f   p u r d iesel,  en s u r in g   c o m p lian ce   with   r e g u lato r y   s t an d ar d s .   Mo s in - p r o d u ctio n   en g in es  r ely   o n   tr ad itio n al  m ec h an ical  d iesel  f u el  in jectio n   s y s tem ,   wh ich   h as   f ix ed ,   s in g le - p u ls e   in jectio n   an d   tim in g .   T h is   in f le x ib ilit y   r estricts  th ab ilit y   to   o p tim ize  in jectio n   s tr ateg ies  o r   i n teg r ate  ad d itio n al   ex h au s g as  tr ea tm e n s y s tem s   ( E GT ) .   Fu r th er m o r e,   o p e r atio n al  lim its   with   H ₂  ar e   also   c o n s tr ain t,  with   o n e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  1 5 ,   No .   1 ,   Ma r ch   20 2 6 :   21 1 - 2 2 7   212   s tu d y   s u g g esti n g   th at  H₂  s u b s titu tio n   s h o u ld   b lim ited   to   3 5 f o r   lo ad s   b elo 5 0 an d   1 5 f o r   lo ad s   ab o v e   5 0 % to   en s u r e   s tab le  an d   ef f icien t o p e r atio n   [ 6 ] .   T o   o p tim ize  d u al   f u el   p er f o r m a n ce ,   v ar io u s   co n tr o l stra teg ies   ar em p lo y ed .   I n jectio n   s tr ateg ies  o f   b o th   H 2   an d   d iesel  ar tai lo r ed   to   in f lu en ce   co m b u s tio n   ch ar ac ter is tics   [ 7 ] ,   [ 8 ] .   Alth o u g h   r esear c h   o n   H₂ - d iesel  d u al - f u el  en g in es  is   ex p an d i n g ,   s ig n if ican g ap   r em ain s   in   ac h iev in g   p er f o r m an ce   an d   em is s io n   ad v an tag es,  esp ec ially   wh ile  k ee p in g   NO x   em is s io n s   n eu tr al.   T h is   ch allen g i s   p ar ticu lar ly   r ele v an f o r   in - p r o d u ctio n   e n g in es,  wh ich   lack   t h f lex ib ilit y   o f   p ilo f u el  in je ctio n   an d   th u s o f   E GT .   T h m ajo r ity   o f   p u b lis h ed   r esear ch   h as  f o c u s ed   o n   s in g le - cy lin d er   e n g in es  o p er atin g   at  lo lo ad s   ( b r ak e   m ea n   ef f ec tiv p r ess u r ( B ME P )   u n d er   1 0   b a r )   [ 9 ] ,   [ 1 0 ] .   C o n s eq u en tly ,   th er is   co n s id er ab le  s h o r tag o f   in f o r m atio n   o n   ac h iev in g   NO x   n eu tr al  p er f o r m an ce   i n   m u l ti - cy lin d er ,   tu r b o ch a r g ed   i n - p r o d u ctio n   en g in es,   p ar ticu lar ly   at  h ig h   lo ad s   an d   with   in cr ea s ed   H₂  en er g y   s u b s titu tio n   r ates  wh er co n tr o llin g   NO x   p o s es  th g r ea test   ch allen g e   [ 1 1 ] ,   [ 1 2 ]   T o   ad d r ess   th is   g ap ,   th is   s tu d y   u tili ze s   v alid ated   s i m u latio n   m o d el  cr ea ted   wit h   Gam m T ec h n o lo g ies   ( GT - Po wer ) .   T o   m an ag th in tr icate ,   n o n - lin ea r   co n n ec tio n s   b etwe en   en g in p ar am eter s   an d   o u tp u ts ,   th is   r esear ch   ap p lies   two   ef f ec tiv tech n i q u es:  r e s p o n s s u r f ac m eth o d o lo g y   ( R SM)   f o r   en g in e   o p tim izatio n   [ 1 3 ] - [ 1 5 ] ,   an d   t h r a n d o m   f o r est  ( R F)  m ac h in lear n in g   al g o r ith m   f o r   r e liab le  d ata - d r iv en   p r ed ictio n s   [ 1 6 ] - [ 1 8 ] .   T h R m ac h in lear n in g   tech n iq u ac ts   as  "v ir tu al  en g in e, allo win g   f o r   a   m o r e   ef f icien ex p lo r atio n   o f   co m p lex   tr ad e - o f f s   an d   p r ec is id e n tific atio n   o f   o p tim al  o p er atin g   co n d itio n s   th an   tr ad itio n al  p h y s ical  ex p e r im en ts .   T h is   s tu d y   ass ess es  en g in p er f o r m an ce   o v er   b r o ad   s p ec tr u m   o f   lo a d s ,   f r o m   2   to   1 6   b ar   B ME P,  with   H₂  en er g y   s u b s titu tio n   r an g i n g   f r o m   1 0 to   7 0 %.  T h g o al  is   to   d eter m in th e   b est  o p er atin g   s tr ateg ies  th at  en h a n ce   ef f icien c y   wh ile  co m p ly in g   with   em is s io n   r eg u latio n s .   F o r   th is   s tu d y ,   H ₂  is   in d u cted   in to   th in tak s y s te m   th r o u g h   p o r f u el  in jectio n   ( PF I )   tech n iq u at  v ar y i n g   f l o r ates  to   en s u r h o m o g en eo u s   air - f u el  m i x tu r e .     T h e   n o v elty   o f   th is   wo r k   is   two - f o ld   c o n tr ib u tio n s tatis t ical  an d   m ac h in lear n in g   m eth o d o lo g y   was  ap p lied   to   v alid ated   s im u latio n   d ata  to   cr e ate  "v ir tu al   en g in e. T h is   ap p r o ac h   was  e x ten d ed   t o   b r o ad   r an g o f   B ME f o r   d u al - f u el   en g in es,  u p   to   1 6   b ar s ,   a n d   en ab led   s tr ateg y   th at  in c r ea s ed   H₂  s u b s titu tio n   with o u alter in g   th e   en g i n e' s   ar ch itectu r e   ( s p ec if ically ,   th m ec h an ical   s in g le - p u ls d i esel  f u el  in jectio n   s y s tem ) .   T h is   wo r k   also   r esu lt ed   in   a   d u al - f u el  s y s tem   ca lib r atio n   s tr ateg y   th at  m ain tain ed   th en g in e - o u t   NO x   lev el  wh ile  r ed u cin g   all  ca r b o n - b ased   em is s io n s   ( C O,   C O₂,   an d   HC )   an d   im p r o v in g   th e r m al  ef f icien cy   b y   2 . 5 %.   T h s u b s eq u en s ec tio n s   o f   th is   p ap er   d etail  th m eth o d o l o g y ,   in clu d in g   th s im u latio n   s o f twar an d   s u b - m o d els  u s ed ,   th v alid atio n   p r o ce s s ,   th ap p licatio n   o f   m a ch in lear n in g ,   an d   th r esu lts   o f   o p tim izin g   H₂  s u b s titu tio n   ac r o s s   v ar io u s   B ME P lev els.       2.   M E T H O D   In   o r d er   d er iv e   th e   m ax im u m   H 2   s u b s titu tio n   an d   e x ten d   th B ME r an g e   o f   th e n g in en tire ly   th r o u g h   ex p er im en is   tim c o n s u m in g   a n d   in v o lv l o o f   co s t.  Simu latio n   m o d els  v alid ated   u s in g   ex p er im en tal  d ata  ar th er ef o r u s ed   f o r   e n g in ca lib r atio n   o p tim is atio n   to   r ed u ce   th tim an d   m o n ey   in v o lv e d   in   th is   p r o ce s s .   Ma ch in lea r n in g   tec h n iq u es  ar e   ab le  to   cr ea te  v ir t u al  en g in e   m o d els  wh ich   ca n   b f u r th er   r eu s ed   f o r   o p tim is atio n   ( in cr ea s th er m al  ef f icien cy   a n d   r e d u ce   em is s io n ) .     2 . 1 .     Num er ic a l a na ly s is   o n e - d im e n s io n al  en g i n m o d el  was d ev elo p e d   in   GT - p o w er   to   r ep licate  th e   co m b u s tio n   p r o ce s s   o f   H 2 - d iesel  d u al - f u el  e n g in e.   T h s im u latio n   em p lo y s   an   a d v an ce d   ca lib r atio n   p r o ce d u r th at  m o d if ies  two   p r ed ictiv co m b u s tio n   m o d els DI - Pu ls f o r   th d iesel  p ilo in jectio n   an d   SIT u r b   f o r   th p r em ix ed   H 2   ch a r g e.   T h s im u latio n   s ch em atic  lay o u o f   t h GT - Po wer   m o d el  s h o wn   in   th Fig u r 1 .   T h ca lib r atio n   p r o ce s s   in itiates   with   th cy lin d er   p r ess u r o b ject  attr ib u te  ( C POA)   to o l   [ 1 9 ] ,   wh ich   ev al u ates  ex p e r im en tal  in - cy lin d e r   p r ess u r d ata   to   d er iv tar g et   n et  h ea r elea s r ate   ( HR R )   cu r v e.   T h is   cu r v s ig n if ies   th e   to tal  en er g y   r elea s ed   b y   b o th   f u els.  T h o b jectiv o f   th ca lib r atio n   is   to   iter ativ ely   ad ju s th DI - Pu ls an d   SIT u r b   m o d els  u n til  th eir   co m b in ed   HR R   o u tp u alig n s   with   th is   tar g et  cu r v e.   I n itially ,   th p ar a m eter s   o f   th DI - Pu ls m o d el  ar f in e - tu n ed   to   c o r r esp o n d   with   t h f ir s s h ar p   p ea k   o f   th e   HR R   cu r v e,   wh ich   is   in d icativ o f   th e   co m b u s tio n   o f   th d iesel  p ilo t.  T h is   m o d el  m o n ito r s   th co m p lete  life cy cle  o f   th d iesel  f u el,   f r o m   in jectio n   to   co m b u s tio n ,   b y   s eg m en tin g   t h f u el  in t o   v ar i o u s   ax ial   an d   r ad ial   zo n es.   I t   co n s id er s   d r o p let  b r ea k u p ,   a ir   en tr ain m en t,  a n d   ev ap o r atio n ,   u tili zin g   ca lib r atio n   f ac to r s   f o r   ig n itio n   d elay ,   p r em ix ed   co m b u s tio n ,   an d   d if f u s iv co m b u s tio n .   On ce   th DI - Pu ls m o d el   is   ca lib r ated ,   th SIT u r b   m o d el  i s   m o d if ied   to   alig n   wit h   th s u b s eq u en t,  b r o a d er   s ec tio n   o f   th HR R   cu r v e,   w h ich   is   p r im ar ily   in f lu en ce d   b y   th tu r b u len c o m b u s tio n   o f   H 2 .   T h is   m o d el,   g r o u n d ed   in   th B lizza r d   an d   Kec k   f r am ewo r k ,   s im u lates  th tr an s itio n   o f   th e   f lam f r o m   a   lam in ar   to   a   tu r b u len t state.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Mo d elin g   H 2 - en r ich ed   d u a l f u el  en g in ep erfo r ma n ce   a n d   emi s s io n s   ( Ja ya g o p a l Na r a ya n a n )   213       Fig u r 1 .   H 2 - d iesel d u al  f u el:  s im u latio n   s ch em atic  lay o u t       I t   c o m p u t es   t h e   r at at   w h i ch   t h e   u n b u r n e d   m i x t u r e   is   d r aw n   in t o   t h e   f la m f r o n t   an d   t h e   r a t at   w h ic h   th is   m ass   c o m b u s ts .   T h tu n i n g   p r o c ess   n e ce s s i tat es  a n   i te r at iv e x ch a n g b e twe e n   t h t wo   m o d els ,   as  th e n e r g y   p r o d u c ed   f r o m   th d i esel   c o m b u s ti o n   h as  a   d i r e ct  i m p a ct  o n   t h H 2   c o m b u s ti o n   [ 2 0 ] T h is   b u r n   r ate  is   c o m p u te d   u s i n g   t h co m b u s ti o n   m o d e l.   E n e r g y   e q u a ti o n s   o f   u n b u r n   a n d   b u r n e d   zo n ar m e n t io n e d   i n   ( 1 )   a n d   ( 2 ) .     ( )  =  ( ,  + ,  ) + ,  ,   ( 1 )     ( )  =  ( ,  + ,  )   ( 2 )     W h er   &     r ep r esen th e   m ass es  o f   th u n b u r n ed   an d   b u r n ed   zo n es,  r esp ec tiv ely ,     &     d en o te  t h en er g ies  o f   th e   u n b u r n ed   a n d   b u r n e d   zo n es,  &     in d icate   th e   v o lu m es  o f   th u n b u r n ed   an d   b u r n ed   z o n es,    &     r ef er   to   th h ea t tr an s f er   r ates o f   th u n b u r n ed   an d   b u r n e d   zo n es,     s ig n if ies th in - cy lin d er   p r ess u r e,   r ep r esen ts   tim e,     is   th en th a lp y   o f   th f u el  m ass ,     is   th en th alp y   o f   th air   m ass ,   ,   is   th e n th alp y   o f   th in jecte d   f u el  m ass ,   ,   is   th m ass   o f   air   tr an s f er r ed   to   th b u r n ed   zo n e,   ,   is   th in jecte d   f u e m ass ,   an d   ,   is   th f u el  m ass   tr an s f er r ed   t o   th b u r n ed   z o n e.     2 . 1 . 1 .   DIPuls e”   dies el  co m bu s t io n m o del   T he   co m b u s tio n   p r o ce s s   is   g o v er n ed   b y   k ey   ca lib r atio n   f ac to r s   s u ch   as  ig n itio n   d elay (  ) ,   p r em ix ed   co m b u s tio n   a n d   d if f u s iv c o m b u s tio n .   T h air - e n tr ain m en f ac to r   ( )   is   ca lcu lated   ac co r d in g   to   ( 3 )   b ased   o n   th e   in jecto r   n o zz le  v el o city   ( )   an d   th e   s u b s eq u en t   f u el   s p r ay   b r ea k u p   tim e   ( )   to   d eter m i n th e   s p r ay   tip   len g th   ( S ).       = 2       ( 3 )     ( ) = { 16 ( ) 0 . 5 1 16 ( ) 1 ( )   = 4 . 351 2 ( )   = 2  = ̇       W h er e,     is   tim e,     is   s p r ay   tip   le n g th ,     is   b r ea k u p   tim e,     is   d en s ity   o f   H 2,     is   d iam eter   o f   n o zz le,     is   d is ch ar g co e f f icien o f   n o zz l e,     is   d iesel d en s ity ,      is   n o zz le  p r ess u r d r o p ,   ̇   is   i n jecto r   o u t   m ass   f lo w   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  1 5 ,   No .   1 ,   Ma r ch   20 2 6 :   21 1 - 2 2 7   214   r ate,     is   ar ea   o f   n o zz le ,   an d     is   in jecto r   n o zz le  v elo city .   T h ig n itio n   d elay   f ac to r   (  )   is   ca lcu lated   b ased   in   ( 4 )   b ased   o n   th i g n it io n   d elay .     (  )   =  1 . 5  ( 3500 ) ( 2 ) 0 . 5   ( 4 )     1 0  = 1       W h er e,      is   ig n itio n   d elay ,   ( 2 )   is   co n ce n tr atio n   o f   o x y g e n   with i n   th e   p u ls e,   T   is   tem p e r atu r e   with in   th e   p u ls e ,   an d     is   g as  d en s ity   wit h in   th p u ls e.   Fo llo win g   ig n it io n ,   th m o d el  ca lc u lates  th r ate  o f   p r em ix ed   ch ar g m ass   f o r m atio n   (   )   an d   th r ate  o f   en tr ain ed   m ass   f o r m atio n   f o r   d if f u s iv b u r n in g   (   )   th th e   p r em ix ed   c o m b u s tio n   f ac to r   a s   m en tio n ed   in   ( 5 )   a n d   d if f u s i v co m b u s tio n   f ac to r   as m en ti o n ed   in   ( 6 ) .     (   )   =   (  ) 2 ( ( 2 ) )   ( 5 )     (   ) =  3 ( ( 2 ) )   ( 6 )     W h er e,     is   th cu r r en tim e,      is   ig n itio n   p h ase  d u r atio n ,      is   m ass   o f   p r em ix ed   ch ar g e,   k   is   p r em ix e d   s tag tu r b u len f lo en er g y /en tr ain m en s tag tu r b u len k i n etic  en er g y ,     is   en tr ain m en s tag cy lin d er   v o lu m e ,   an d   ( 2 )   is   e n tr ain m en s tag o x y g e n   co n ce n tr atio n .   T h m o d el  ac co u n ts   f o r   th tr a n s itio n   f r o m   s p r ay - d o m in ated   c o m b u s tio n   to   an   estab lis h ed   f lam e   f r o n t.  T h is   is   ac h iev ed   b y   ca lcu latin g   an   ef f ec tiv f lam e   ar ea   ( )   as sh o wn   in   ( 7 ).     ( )   =   ( 1 )  + ( )   ( 7 )     W h er e,     is   th ef f ec tiv e   f lam ar ea ,     is   th f lam f r o n t r ad i u s   o r   r ea ctio n   zo n e   th ick n ess ,     is   th s p r ay   ti p   len g th ,      is   ar ea   o f   th f u el  s p r a y ,   an d     is   th ch ar ac ter is tic  ar e o f   th f lam e.     2 . 1 . 2 .   SI T urb”   -   H 2   co m bu s t io n m o del   T h e   ch a r ac ter is tic  b u r n in g   tim ( )   is   d eter m in e d   b y   th lam i n ar   f lam e   s p ee d   ( )   as  p er   in   ( 8 )   an d   th tu r b u le n b u r n in g   v elo city   ( )   is   ca lcu lated   to   d escr ib th f lam p r o p ag atio n   as  p e r   ( 9 ) T h m o d el   ca lcu lates  th r ate  at  wh ich   th u n b u r n e d   m ix t u r is   en tr ai n ed   in to   t h f lam e   f r o n an d   th r ate  at  wh ich   th is   m ass   b u r n s .   R ate  o f   m ass   en tr ain m en ca lcu lated   as  p er   in   ( 10 )   in to   th f lam f r o n (  )   an d   th en   d eter m in es  th f in al  r ate  o f   b u r n e d   m ass   f o r m atio n   (  )   as  p er   in   ( 11 )   b ase d   o n   th en tr ai n ed   m ass   ( )   an d   th b u r n in g   tim ( ) .     ( )   =   ( 8 )     ( )   =  ( 1 1 1 +  ( ) 2 )   ( 9 )     (  ) =     ( 1 0 )     (  ) =   ( 1 1 )     W h er e,     is   th b u r n in g   tim e,     is   ch ar ac ter is tic  len g th   s ca l e,     is   lam in ar   f lam s p ee d ,     i s   tu r b u len t   f lu ctu atin g   v elo cit y ,      is   tu r b u len f lam s p ee d   m u ltip lier ,      is   f lam k er n el  g r o wth   m u ltip l ier ,     is   f lam r ad iu s ,     is   in teg r al  len g t h   s ca le  o f   tu r b u len ce ,     is   en tr ain ed   m ass ,     is   en tr ain m en s ta g u n b u r n ed   m ix tu r d en s ity ,      is   ar ea   o f   f la m f r o n at  e n tr ain m en t   s tag e,      is   en tr ain m en t   s tag tu r b u len v elo city ,     is   en tr ain ed   m ass ,   is   b u r n e d   m ass ,   an d     is   b u r n in g   tim e.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Mo d elin g   H 2 - en r ich ed   d u a l f u el  en g in ep erfo r ma n ce   a n d   emi s s io n s   ( Ja ya g o p a l Na r a ya n a n )   215   2 . 1 . 3 .   Appa re nt  hea t   re lea s ra t ( AH RR)   Net  HR R   ca lcu lated   as  p er   ( 12 )   as  f u n ctio n   o f   c r an k   an g le   [ 2 1 ] .   T h is   cu r v r ep r esen ts   th co m b in ed   en er g y   r elea s f r o m   b o th   t h d iesel a n d   H 2   co m b u s tio n   p h ase s .      = (     ( )  + ̇ , )   ( 1 2 )     W h er     is   th e   r ate  o f   wo r k   d o n b y   th s y s tem ,       is   th r ate  o f   h ea tr an s f er   o u t   o f   th e   s y s tem ,   ( )    is   th r ate  o f   ch an g o f   s en s ib le  en er g y   o f   th m ass   with in   t h s y s tem ,   ̇ ,   is   th s u m   o f   th en th alp y   f lo ws  ass o ciate d   with   th e   s en s ib le  en er g y   o f   m ass   cr o s s in g   t h s y s tem   b o u n d ar y ,   ̇   is   th m ass   f lo r ate  o f   s p ec ies ‘ i’ ,   an d   ,   is   th s p ec if ic  s en s ib le  en th alp y   o f   s p ec ies ‘ i’ .     2 . 2 .     E x perim ent a l set up   f o v a lid a t ing   co m bu s t io n mo del   Fo r   th e   ex p e r im en tal  s tu d y ,   a   f o u r - cy lin d er   d iesel  en g in was  m o d if ied   to   o p e r ate  o n   a   d u al - f u el   m ix tu r o f   H 2 - d iesel.  T ab le  1   an d   Fig u r 2   d ep ict  th e   en g i n s p ec if icatio n s   an d   th s ch e m atic  lay o u o f   th e   ex p er im en tal  s etu p .   H 2   was  in t r o d u ce d   in to   th in tak p o r th r o u g h   in jecto r s   af ter   its   p r ess u r was  r ed u ce d   f r o m   2 5 0   b ar   to   lev el   o f   2   b ar .   Die s el  ac ted   as th e   p ilo t   f u el,   ig n it in g   u n d er   co m p r ess io n   to   in iti ate  th c o m b u s tio n   o f   th e   H 2 - air   m i x tu r e.   E x p e r im en ts   wer ca r r ied   o u t   at  f o u r   d is tin ct  en g in lo a d s   ( 4 ,   8 ,   1 2 ,   an d   1 6   b ar   B ME P),   with   m ea s u r em en ts   tak en   f o r   p u r d iesel  o p er atio n   as  b aselin e,   f o llo wed   b y   test s   with   H 2   co n tr ib u tin g   2 5 %   o f   th e   to tal  e n er g y   in p u t.  T h H 2   in jectio n   was  o p tim ize d   to   o cc u r   d u r in g   th e   in tak e   s tr o k t o   en s u r a   h o m o g en eo u s   m ix tu r a n d   to   p r ev en g as f r o m   escap in g .       T ab le  1 .   E n g in s p ec if icatio n   P a r a me t e r   U n i t   V a l u e   En g i n e   ma k e   ---   K O EL     c y l i n d e r s   B o r e   x   st r o k e   mm   1 0 5   x   1 2 5   D i sp l a c e me n t   Lt r   4 . 3 2   R a t i n g   kW   8 6   k W   @   1 5 0 0   r p m   F i r i n g   o r d e r   ---   1 - 3 - 4 - 2   C o m p r e ss i o n   r a t i o   ---   1 5 . 5   : 1   P i l o t   f u e l   ---   D i e se l   P i l o t   f u e l   t i m i n g   °   B TD C   1 5 °   ±   1       T h d u r atio n   o f   H 2   in jectio n   v ar ied   f r o m   1 5 . 0   °C to   7 4 . 9   ° C f o r   f lo r ates r an g in g   f r o m   0 . 5   k g /h r   to   2 . 5   k g /h r .   T h o p tim al  in jec tio n   tim in g   was  d eter m in e d   to   b 4 5 °  af ter   g as  ex ch a n g T D C ,   wh ich   alig n s   with   p r ev io u s   r esear ch   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] .   Deta iled   in s tr u m en tatio n   lis t p r e s en ted   in   T ab le   2 .   E ac h   e x p er i m en t w as r ep ea te d   th r ee   tim es  to   en s u r e   r eliab ilit y ,   an d   a n   u n ce r tain ty   an al y s is   was  co n d u cted   to   ev alu ate   th o v e r all  ac cu r ac y ,   s im ilar   to   a   p r e v io u s   s tu d y   [ 2 4 ] .   T h r esu lts   o f   t h e x p er im e n tal  u n ce r tain ty   ar e   p r esen ted   i n   T ab le   3 ,   wh ile  th e   eq u ip m en u n ce r tain t y   is   s h o w n   in   T a b le   4 .   E s s en tial  in s tr u m en tatio n ,   s u ch   as  p r ess u r e   an d   tem p er atu r e,   alo n g   with   s af ety   m ea s u r es,  s u ch   as  n o n - r et u r n   v al v es,  f lam tr ap s ,   an d   f lam ar r esto r s ,   h av b ee n   in teg r ated   in to   th e   H₂  s u p p ly   lin as sh o wn   i n   T a b le  2 .           Fig u r 2 .   H 2 - d iesel d u al  f u el:  ex p er im en tal  s ch em atic   lay o u t       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  1 5 ,   No .   1 ,   Ma r ch   20 2 6 :   21 1 - 2 2 7   216   T ab le  2 .   I n s tr u m en tatio n   S y st e m   D e scri p t i o n   M a k e   R a n g e   A c c u r a c y   H 2   G a s fl o w   F i r st   s t a g e   p r e ss u r e   r e g u l a t o r   G C E   10 - 2 5 0   b a r   ± 1 . 0 o f   F S   2 nd   st a g e   p r e ss u r e   r e g u l a t o r   VANAZ   10 - 2 5 0   b a r   ± 1 . 0 o f   F S   H 2   l i n e   P r e ss u r e   g a u g e   G C E   0 - 3   b a r ,   0 - 1 5   b a r   ± 1 . 0 o f   F S   H 2   Le a k   d e t e c t i n g   s e n so r s   A M B E TR O N I C   0 - 1 0 0 H 2   ± 1 . 0 o f   F S   H 2   -   F l o w   me t e r   A a l b o r g   0 - 1 0   k g   / h r .   ± 1 . 0 o f   F S   G a s fl a s h   b a c k   a r r e s t o r   D EM A X   0 - 5 . 0   b a r ,   0 - 1 5   b a r ,     ± 1 . 0 o f   F S   D i e se l   f l o w   D i e se l   f l o w   m e t e r   A V 7 3 5   0 - 1 0 0   c c   ± 1 . 0 o f   F S   A i r   f l o w   V e n t u r i   f l o w   me t e r   Eu r e k a   0 - 8 0 0   m 3 / h r .   ± 1 . 0 o f   F S   P r e ssu r e   P r e ssu r e   s e n so r s   D R U C K   0 - 5   b a r   ± 1 . 0 o f   F S   Te mp e r a t u r e   Te mp e r a t u r e   se n s o r s   Hi - Te c h   R TD   a n d   T h e r m o c o u p l e   ±   0 . 8   ° C   u p   t o   2 0 0   ° C   Emi ssi o n   Emi ssi o n   a n a l y ser   H O R I B A   M EX A   5 8 4 L   N O :   0 - 5 0 0 0   p p m   1   p p m   H C :   0 - 1 0 0 0 0   p p m   > 2 0 0 0   p p m,   1   p p m   CO 2 :   0 - 20%   0 . 1 v o l   In - c y l i n d e r   p r e ss u r e   C o m b u st i o n   s y s t e m   A V I N D I C O M   7 2 0   ° C A   ± 0 . 5   ° CA   6 0 4 5   A   p i e z o e l e c t r i c   se n s o r   K i s t l e r     0   . . .   2 5 0   b a r   2 0   p C / b a r       T ab le  3 .   E m is s io n   p a r am eter s   u n ce r tain ty   a n aly s is   P o l l u t a n t   A v e r a g e   r e a d i n g   R a n d o u n c e r t a i n t y   I n st r u m e n t   u n c e r t a i n t y   To t a l   me a su r e me n t   u n c e r t a i n t y   ( %)   H C   ( P P M )   85   4 . 7 1 %   1 . 7 0 %   2 . 1 7 %   N O x   ( P P M )   6 3 4   4 . 2 5 %   1 . 7 0 %   1 . 9 9 %   C O   ( P P M )   9 9 . 3   0%   1 . 7 0 %   1 . 7 0 %   C O ₂ (%)   8 . 1   3 . 0 2 %   1 . 7 0 %   1 . 8 8 %       T ab le  4 .   Per f o r m an ce   p ar am et er s   u n ce r tain ty   a n aly s is   P a r a me t e r   U n i t   U n c e r t a i n t y   V o l t a g e   V   ±2   C u r r e n t   A   ±1   D i e se l   m a ss fl o w   k g / s   ± 5 . 4 × 10 5   H 2   mass  f l o w   k g / s   ± 3 . 3 × 10 6   To t a l   f u e l   c o n s u m p t i o n   k g / s   ± 5 . 4 × 10 5       2 . 3 .     M o del v a lid a t io n   d etailed   v alid atio n   o f   co m p u tatio n al  m o d els  f o r   b o th   d ies el  an d   d u al - f u el  en g in es  was  p er f o r m ed   b y   co m p a r in g   s im u latio n   r esu lts   with   ex p er im en tal  d ata  f o r   4 ,   8 ,   1 2 ,   a n d   1 6   b ar   B ME with   2 5 H 2   en er g y   s u b s titu tio n .   T h g r ap h ical  d e p ictio n   o f   in - c y lin d er   p r ess u r e ,   h ea r elea s r ate  ( HR R ) ,   an d   co m b u s tio n   p h ases   at  1 2   b ar   B ME f o r   b o th   d iesel  an d   d u al  f u el  m o d es  is   illu s tr ated   in   Fig u r es  3 ( a)   a n d   3 ( b ) Fig u r es  4 ( a)   an d   4 ( b )   f o r   en h a n ce d   c o m p r e h en s io n .   T h e   r esu lt  s h o ws   s tr o n g   co r r elatio n   b etwe en   s im u late d   an d   ex p e r im en tal  in - cy lin d er   p r ess u r e,   HR R   an d   co m b u s tio n   p h ases   f o r   b o th   “DI   p u ls e”   an d   co m b i n "DI P lu s SIT u r b d u al  f u el   m o d el.   T h v alid atio n   c o n f ir m e d   th at  b o th   m o d els  ar h ig h ly   ac cu r ate,   with   an   ab s o lu te  er r o r   f o r   in - cy lin d er   p r ess u r with in   ± 5 an d   a   co m b u s tio n   p h ase  p r e d i ctio n   er r o r   with in   ± 2   °C A.   T h i s   r o b u s tly   v alid ated   d u al - f u el  m o d el  was  th en   u s ed   to   s im u late  wid er   r an g o f   o p er atin g   co n d itio n s .   T h co n s is ten cy   in   m atch in g   cu r v s h ap es a n d   p ea k   v alu es  ac r o s s   all  test ed   B ME P lev el s   co n f ir m s   th e   m o d els'   r eliab ilit y .           ( a)   ( b )     Fig u r 3 .   Mo d el  v alid atio n   co m p ar in g   s im u latio n   an d   ex p er i m en tal  r esu lts   f o r   d iesel m o d e   at  1 2   b a r   B ME P ,   s h o win g   ( a)   i n - cy lin d er   d ata  a n d   ( b )   co m b u s tio n   p h ase  d etai ls   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Mo d elin g   H 2 - en r ich ed   d u a l f u el  en g in ep erfo r ma n ce   a n d   emi s s io n s   ( Ja ya g o p a l Na r a ya n a n )   217       ( a)   ( b )     Fig u r 4 .   Mo d el  v alid atio n   co m p ar in g   s im u latio n   an d   ex p er i m en tal   r esu lts   f o r   d u al  f u el  m o d at  1 2   b ar   B ME P ,   s h o win g   ( a)   in - c y lin d e r   d ata  an d   ( b )   co m b u s tio n   p h a s d etails       2 . 4 .     Respo ns s urf a ce   m et ho do lo g y   ( RSM )   s t a t is t ica l a na ly s is   T o   o p tim ize  en g in e   p er f o r m an ce   an d   em is s io n s ,   a   r esp o n s e   s u r f ac m eth o d o lo g y   ( R SM)   was u tili ze d   with   B o x - B eh n k en   ex p e r im e n tal  d esig n   [ 9 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ]   as  p er   Do E   m en tio n e d   in   T ab le   5 .   T h s tu d y   an aly ze d   in f lu en ce   o f   t h r ee   in d ep en d en t   f ac to r   s u ch   as  en g in l o ad   ( B ME P) lo wer   ca lo r if ic  v alu e   o f   f u el  ( L C V)   an d   H 2.   en er g y   s u b s titu tio n   o n   r esp o n s f ac to r s   lik B T E   an d   B SF C ,   as  well  as  o n   th em is s io n s   i n clu d in g   NO x HC CO ,   an d   CO 2 Usi n g   ANOVA ,   q u a d r atic  p o ly n o m ial  eq u a tio n   was  d ev elo p ed   an d   v alid ated   with   s tatis tical  m etr ics  lik Ad j - ,   an d   Pr ed - .   T h m o d el' s   s tr o n g   f it,  with   an   R ²  v alu o v er   8 0 % ,   c o n f ir m ed   its   ac cu r ac y   f o r   p r ed ictin g   e n g in b eh av io r   an d   id e n tify in g   o p tim al  o p er a tin g   co n d itio n s .     2 . 5 .     Ra nd o m   f o re s t   m a chine le a rning   T h is   r esear ch   u tili ze d   R alg o r ith m   to   p r e d ict  th p er f o r m an ce   o f   d u al - f u el  en g in [ 1 6 ] ,   [ 2 5 ] .   Fig u r 5   s h o ws   th e   m o d el  was   b u ilt  u s in g   o r an g d ata  m i n in g   ( v 3 . 3 )   a n d   tr ain ed   o n   a   n o r m alize d   d ataset  o f   9 0   u n iq u e   d ata  p o in ts ,   wh ich   wer s p lit  in to   a   7 0 tr ai n in g   s et  ( 6 0   p o in ts )   a n d   a   3 0 test in g   s et  ( 3 0   p o in ts ) .   T h e   R m o d el  was  d esig n e d   t o   p r ed ict  s ev en   k ey   o u tp u t s   wh ic h   ar e   B T E ,   B SF C ,   NO x ,   HC ,   C O,   an d   C O 2 .   T h in p u ts   u s ed   to   m ak th ese  p r e d ictio n s   B ME P,  L C V,   an d   H 2   s u b s titu tio n .   T h co r o f   th m o d el  is   en s em b le  lear n in g   an d   b a g g in g ,   wh ich   i n v o lv es b u ild in g   " f o r est" o f   m u ltip le  d ec is io n   tr ee s .   E ac h   tr ee   was  tr ain e d   o n   d if f er en r an d o m   s u b s et  o f   th tr ain in g   d ata   cr ea ted   t h r o u g h   b o o ts tr a p   s am p lin g .   T o   f u r t h er   en h a n ce   d iv er s ity   an d   p r e v en o v er f itti n g ,   th cu r r e n m o d el  u s ed   th r an d o m   s u b s p ac e   m eth o d ,   wh ich   co n s id er s   o n ly   r an d o m   s u b s et  o f   2   f ea tu r es  at  ea ch   s p li with in   tr ee .   T ab le  6   s h o ws   th h y p er p ar am eter s   f o r   th m o d el  wer s et  as  f o llo ws:   7 0   t r ee s   ( n _ esti m ato r s ) ,   m ax im u m   tr ee   d ep th   o f   7   ( m ax _ d e p th ) ,   a n d   m i n im u m   o f   3   s am p les  p e r   s p lit  ( m in _ s am p les_ s p lit).   T h m o d el' s   p er f o r m an ce   was  ev alu ated   u s in g   1 0 - f o ld   cr o s s - v alid atio n   a n d   a   v ar iety   o f   m etr ics.  Key   m etr ics  in clu d e d   m ea n   s q u ar e d   er r o r   ( MSE ) ,   r o o m ea n   s q u ar e d   er r o r   ( R MSE ) ,   an d   th c o ef f icie n o f   d eter m i n atio n   ( R 2 )   [ 2 6 ] ,   [ 2 7 ] .   s u cc ess f u l   m o d el  was  d ef in ed   as  h av in g   an   R 2   v alu o f   0 . 9   o r   g r ea ter ,   in d icatin g   s tr o n g   f it  with   m in im al  d if f er en ce   b etwe en   th tr ain in g   an d   test in g   r esu lts .   T o   co m b at  o v er f itti n g ,   th s tu d y   lev er ag e d   th R m o d el' s   in h er en t   r an d o m n ess   in   b o th   d ata   s am p lin g   an d   f ea tu r s elec tio n .   Ad d itio n ally ,   h y p er p ar am eter   tu n in g   was  p er f o r m e d   b y   a d ju s tin g   th e   m ax _ d ep t h ,   m in _ s am p les_ leaf ,   a n d   n _ esti m ato r s   to   e n s u r t h m o d el  w asn ' o v er ly   co m p le x   an d   co u ld   g e n er alize   well  to   n ew  d ata.           Fig u r 5 .   Or a n g d ata   m in in g   lay o u t: r an d o m   f o r est     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  1 5 ,   No .   1 ,   Ma r ch   20 2 6 :   21 1 - 2 2 7   218   T ab le  5 .   R SM  m o d el  -   DOE     B M EP ( b a r )   LC V   ( k J/ k g )   H 2   %   R e s p o n se   Le v e l   0 1   2   4 3 5 0 0   0   B TE  ( %)   B S F C   ( g / k w . h r )   NO x   ( p p m)   C O   ( p p m)   H C   ( p p m)   CO 2   ( p p m)     Le v e l   0 2   4   4 6 4 6 2   10   Le v e l   0 3   6   4 9 8 5 7   20   Le v e l   0 4   8   5 3 7 8 7   30   Le v e l   0 5   10   5 8 3 8 9   40   Le v e l   0 6   12   6 3 8 5 3   50   Le v e l   0 7   14   7 0 4 4 5   60   Le v e l   0 8   16   7 8 5 5 5   70       T ab le  6 .   Hy p er   p a r am eter s   P a r a me t e r s   S e l e c t e d   C r i t e r i o n   g i n i   n _ e st i ma t o r s   70   max _ d e p t h   7   mi n _ sa mp l e s _ s p l i t   3   mi n _ sa mp l e _ l e a f   1   max _ f e a t u r e s   sq r t       3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   3 . 1 .     B ra k t herma l e f f icienc y   ( B T E ,   %)   T h co n to u r   p lo in   Fig u r 6   d em o n s tr ates  th co n n ec tio n   b etwe en   B T E   ( %),   th p er ce n tag o f   H 2   ( H₂ - %),   u s ed   as  s u b s titu tio n   f u el  an d   B ME ( b ar ) .   I n cr ea s i n g   H 2   s u b s titu tio n   u p   to   4 0 b o o s ts   B T E   b y   ab o u 1 f o r   ev er y   1 0 o f   H 2   ad d ed .   T h h ig h est  B T E   is   ac h iev ed   wh e n   b o th   en g in e   lo ad   ( B ME P)  an d   H 2   s u b s titu tio n   ar h ig h .   p ea k   e f f icien cy   o f   4 1 was  r ec o r d ed   at  4 0 H 2   an d   1 4   b a r   B ME P,  3 im p r o v em en t   o v er   p u r d iesel.  Fu r th er m o r e,   2 . 5 B T E   in cr ea s is   p o s s i b le  with o u r aisi n g   NO x   em is s io n s .   T h o b s er v e d   r esu lts   ar s im i lar   to   th p r ev io u s   r esear ch   [ 2 8 ] ,   [ 2 9 ] .   B ey o n d   4 0 H 2   s u b s titu tio n   B T E   s tar ts   d ec l in es  f r o m   4 1 to   3 8 s im ilar   to   p r eiv o u s   p u b lis h ed   r esu lts   [ 3 0 ] T h e   an ticip ated   r ea s o n s   f o r   d ec r ea s in   B T E   is   m ain ly   d u to   c o m b in atio n   o f   f ac to r s ,   in clu d in g   co m b u s tio n   p h asin g ,   r e d u ce d   v o lu m et r ic  ef f ici en cy ,   an d   in cr ea s ed   h ea lo s s .   H 2   d is p lace s   p o r ti o n   o f   th i n co m in g   air   f o r   t h e   s am v o lu m an d   d ec r ea s es  th to tal  m ass   o f   th ch ar g e   [ 3 1 ] .   T h is   r ed u ctio n   in   th m ass   o f   th ch a r g also   f u r th er   s u p p o r t a lo n g   to   lo we r   B T E   [ 3 2 ] .   R eg r ess io n   in   ( 1 3 )   is   q u ad r a tic  m o d el  o f   R SM  th at  p r e d icts   B T E   ( %)  b ased   o n   th r ee   in d ep en d en t   v ar iab les:   B ME ( b ar ) ,   th e   p e r ce n tag o f   H 2   s u b s titu tio n   ( H 2 - %),   L C ( k J /Kg ) .   T ab le  7   p r o v id es  th m o d el' s   p er f o r m an ce   o f   b o th   R SM  an d   R F.  Fig u r 7   d e p icts   th cr o s s - v alid atio n   p r o ce s s   u s ed   to   e v a lu ate  th m o d el  b y   tr ain in g   an d   test in g   it  o n   v ar i o u s   s u b s ets  o f   th d ata  m u ltip le  tim es.  R m o d el  p r o v id es  h ig h ly   ac cu r a te  an d   co n s is ten t p r ed ictio n s ,   m ak i n g   it a   m u ch   m o r s u itab le  an d   tr u s two r th y   m o d el  th an   R SM  m o d el.       ( % ) = 24 . 7 + 1 . 36    + 0 . 112   2 % + 0 . 00004    0 . 0078         0 . 00037   2 % 2 % + 0 . 000000     + 0 . 0129    2 %     0 . 000019     0 . 000004   2 %    ( 1 3 )             Fig u r 6 .   C h an g in   B T E   ( %)  with   r esp ec t to   H 2   s u b titu tio n   ( %)  an d   B ME P ( b ar )     Fig u r 7 .   C r o s s - v alid atio n r an d o m   f o r est - B T E   ( %)         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Mo d elin g   H 2 - en r ich ed   d u a l f u el  en g in ep erfo r ma n ce   a n d   emi s s io n s   ( Ja ya g o p a l Na r a ya n a n )   219   T ab le  7 .   Mo d el  ac cu r ac y   - B T E ,   %   M e t r i c   R S M   m o d e l   R F   m o d e l   R ² ( t r a i n )   0 . 9 3 9 1   0 . 9 9 8   R ² ( t e st / p r e d i c t e d )   0 . 7 7 0 3   0 . 9 7 9   C r o ss - v a l i d a t i o n   R ²   -   0 . 9 8 4       3 . 2 .     B ra k s pecif ic  f uel c o ns um ptio n ( B SFC,   g /k W. hr)   Fig u r 8   s h o ws th co n to u r   p l o t o n   th r elatio n s h ip   b etwe en   B S FC B ME P ,   an d   th p er ce n tag o f   H 2   ( H 2 - %) .   A n   i n c r e a s e   i n   H 2   s u b s t i t u t i o n   r e d u c es   B S FC   o f   a p p r o x i m a t e l y   1 0   g / k W . h r   f o r   e v e r y   1 0 %   o f   H 2   e n e r g y   s u b s ti t u t i o n .   S p e c i f i c a ll y ,   a   s u b s t it u t i o n   r at e   o f   4 0 %   H 2   r e s u l t s   i n   a   d e c r ea s i n   B S FC   b y   8 0   g /k W   w h e n   c o m p a r e d   t o   p u r e   d i e s e l .   H o w e v e r ,   i n   o r d e r   t o   m a i n t a i n   t h e   s a m e   N O x   em i s s i o n s   a s   p u r e   d i e s el ,   t h e   i m p r o v e m e n t   i n   B S FC   i s   l i m it e d   t o   4 0   g / k W . h r ,   w h i c h   r e p r e s e n t s   a n   1 8 %   r e d u c t i o n   r e l a t i v e   t o   p u r e   d i e s e l   f o r   a   2 5 %   H 2   s u b s ti t u t i o n .   T h e   n o t e d   r e d u c t i o n   i n   B S FC   wi t h   H 2   s u b s ti t u t i o n   d i r e ct l y   r e f l e c ts   t h e   e n h a n c e d   t h e r m a l   e f f i c i e n cy   o f   t h e   e n g i n e .   T h e   i m p r o v e d   c o m b u s t i o n   c h a r a c ter i s t ic s   f a c i li t a te   a   m o r e   e f f i c i en t   c o n v e r s i o n   o f   f u e l   e n e r g y   in t o   p o w e r ,   t h e r e b y   r e q u i r i n g   l e s s   f u e l   f o r   e a c h   k i lo w a t t - h o u r   o f   e n e r g y   p r o d u c e d .   T h e   r e s u l ts   o b t ai n e d   a r e   c o n s i s t e n t   w it h   f i n d i n g s   f r o m   p r e v i o u s   s t u d i es   [ 10 ] ,   [ 3 3 ] .   R eg r ess io n   ( 1 4 )   is   q u ad r a tic  m o d el  o f   R SM  th at  p r e d icts   B SF C   ( g /k W . h r )   b ased   o n   th r ee   in d ep en d en v a r iab les:   B ME ( b ar ) ,   t h p e r ce n tag o f   H 2   s u b s titu tio n   ( H 2 - %),   an d   L C ( k J /Kg ) .   T ab le   8   p r o v id es  t h m o d el' s   p er f o r m a n ce   o f   b o th   R SM  an d   R F.  Fig u r 9   d ep icts   th c r o s s - v alid at io n   p r o ce s s   u s ed   to   ev alu ate  th m o d el  b y   tr ain in g   an d   test in g   it  o n   v ar io u s   s u b s ets  o f   th d ata  m u ltip le  tim es.   B o th   R SM   an d   R F   m o d el  p r o v id es  h ig h ly   ac cu r a te  an d   c o n s is ten p r ed ictio n s ,   m ak in g   it  a   m u c h   m o r s u itab le  with   e x c e p t i o n a l   p r e d i c t i v e   c a p a b il i t y   o n   u n s e e n   t e s t   d at a .      ( /  ) = 286 4 . 06    1 . 52   2 % 0 . 0 0 0 8 6    + 0 . 0380         + 0 . 0115   2 % 2 % + 0 . 0 0 0 0 0 0     0 . 0 0 9 6    2 % +     0 . 0 0 0 0 2 2     0 . 0 0 0 0 0 7   2 %    (1 4 )             Fig u r 8 .   C h an g in   B SF C   ( g /k W . h r )   with   r esp ec to   H 2   s u b titu tio n   ( %)  an d   B ME P ( b ar )     Fig u r 9 .   C r o s s - v alid atio n r an d o m   f o r est    B SF C   ( g /k W . h r )       T ab le  8 .   Mo d el  ac cu r ac y - B SF C ,   g /k W . h r   M e t r i c   R S M   mo d e l   R F   m o d e l   R ² (t r a i n )   0 . 9 9   0 . 9 9   R ² (t e st / p r e d i c t e d )   0 . 9 8   0 . 9 9   C r o ss - v a l i d a t i o n   R ²   -   0 . 9 4       3 . 3 .     Nit r o g en  o x ide ( NO x ,   P P M )   T h co n to u r   p lo illu s tr ated   in   Fig u r 1 0   d ep icts   th co r r elat io n   b etwe en   NO x   ( PP M) ,   th p er ce n tag e   o f   H 2   s u b s titu tio n   ( H 2 - %)   an d   B ME ( b ar ) .   T h is   r esear ch   u til ized   c o m p r ess io n   r atio   o f   1 5 :1 ,   an d   it   was  f o u n d   th at  with   co m b in atio n   o f   lo C R   an d   H 2   s u b s titu tio n   at  o r   b elo w   2 5 %,  NO x   em is s io n s   r em ain   r elativ ely   s tab le,   ir r esp ec tiv o f   th B M E P.  s im i lar   f in d in g   was  r ep o r ted   in   p r io r   s tu d y ,   wh ich   in d icate d   th at  th ad d itio n   o f   H 2   h a d   n e g lig ib l im p ac o n   NO x   em is s io n s   at  2 0 an d   4 0 [ 3 4 ] .   An o th e r   in v esti g atio n   also   n o ted   m in o r   r e d u ctio n   in   NO x   em is s io n s   with   s m all  q u an titi es  o f   H 2   ad d itio n   [3 5 ] .   Ho wev er ,   wh en   H 2   s u b s titu tio n   ex ce ed s   th 2 5 th r esh o ld ,   th e r is   s ig n if ican in cr ea s in   NO x   em is s io n s .   T h is   r is is   p ar ticu lar ly   n o tab le  f o r   all  th e   B ME lev els,  wh er NO x   e m is s io n s   s u r g b y   a p p r o x im ately   2 0 0   p p m .   T h is   in cr em en tal  r is in   NO x   is   attr ib u ted   to   th f ac t   th at  th e   co m b u s tio n   o f   H 2   ca n   o cc u r   ac r o s s   b r o ad   s p ec tr u m   o f   air - f u el  r atio s ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  1 5 ,   No .   1 ,   Ma r ch   20 2 6 :   21 1 - 2 2 7   220   an d   th e   co m b u s tio n   o f   a   r ich   air - H 2   m ix tu r e   at  elev ated   te m p er atu r es  f o s ter s   an   o p tim al   en v ir o n m en t   f o r   th f o r m atio n   o f   NO x   em is s io n s   [3 6 ] .   Alth o u g h   3 0 - 4 0 H 2   s u b s titu tio n   was  f o u n d   to   b o p tim al  f o r   o th e r   p er f o r m an ce   an d   em is s io n   f a cto r s ,   it  led   to   h ig h er   NO x   em is s io n s .   T h er ef o r e,   a   2 5 %   H 2   s u b s titu tio n   is   r ec o m m en d ed   as  p r ac tical  c o m p r o m is e.   T h is   lev el  p r o v id es  m o s o f   th b en ef its   o f   h ig h er   s u b s titu tio n   r ates   wh ile  k ee p in g   NO x   em is s io n s   lo w,   alig n in g   with   t h g o al  o f   m ain tain in g   NO x   lev els  s im ilar   to   co n v en tio n al   d iesel e n g in es.  NO x   em is s io n   p r im ar ily   d r iv en   b y   c o m b u s tio n   p h asin g   an d   o x y g en   av ailab i lity .   B y   co n tr o llin g   th ese  p ar am eter s ,   NO x   lev els ca n   b k e p t c o m p ar ab le  to   co n v en tio n al  d iesel e n g in es   [3 7 ] .   R eg r ess io n   ( 1 5 )   is   q u ad r atic   m o d el  o f   R SM  th at  p r ed icts   NO x   ( PP M)   b ased   o n   th r ee   in d ep en d e n t   v ar iab les:   B ME ( b ar ) ,   th e   p er ce n tag o f   H 2   s u b s titu tio n   ( H₂ - %),   an d   L C ( k J /Kg ) .   T a b le  9   p r o v id es  th e   m o d el' s   p er f o r m a n ce   o f   b o t h   R SM  an d   R F.  Fig u r 1 1   d ep ic ts   th cr o s s - v alid atio n   p r o ce s s   u s ed   to   ev al u ate  th e   m o d el  b y   tr ain in g   an d   test in g   it  o n   v ar io u s   s u b s ets  o f   th d ata  m u ltip le  tim es.  B o th   R SM  an d   R m o d el  p r o v id es   h ig h ly   ac c u r ate  an d   co n s is ten p r ed ictio n s ,   m ak in g   it  m u ch   m o r s u itab le  with   e x c e p t i o n a l   p r e d i c t i v c a p a b i l i t y   o n   u n s ee n   t e s t   d a t a .        (  ) = 2704 180 . 0    + 34 . 9   % 0 . 0278    + 9 . 81         + 0 . 697   2 % 2 % + 0 . 000000     0 . 938        2 % 0 . 00096   0 . 000521   2 %    (1 5 )             Fig u r 1 0 .   C h an g in   NOx   ( P PM)   with   r esp ec t to   H 2   s u b titu tio n   ( %)  an d   B ME P ( b ar )     Fig u r 1 1 .   C r o s s   v alid atio n : r a n d o m   f o r est    No x   ( PP M)       T ab le  9 .   Mo d el  ac cu r ac y   -   NO x ,   PP M   M e t r i c   R S M   m o d e l   R F   m o d e l   R ² ( t r a i n )   0 . 9 8   0 . 9 8   R ² ( t e st / p r e d i c t e d )   0 . 9 4   0 . 9 8   C r o ss - v a l i d a t i o n   R ²   -   0 . 9 2       3 . 4 .   H y dro ca rbo n   ( H C,   P P M )   T h co n to u r   p l o p r esen ted   Fi g u r e   1 2   s h o ws  th e   r elatio n s h i p   b etwe en   HC   ( PP M) ,   th e   p e r ce n tag o f   H 2   s u b s titu tio n   ( H 2 - %)  an d   B ME ( b ar ) .   HC   em is s io n s   r em ain   u n ch a n g ed   wh en   H 2   s u b s ti tu tio n   is   at  o r   b el o 1 0 %,  ir r esp ec tiv e   o f   th e   b r ak e   m ea n   ef f ec tiv e   p r ess u r ( B ME P).   On ce   t h H 2   s u b s titu tio n   s u r p ass es  th 1 0 %   th r esh o ld ,   a   g r a d u al  r ed u ctio n   in   HC   em is s io n s   co m m en ce s .   Fo r   ea ch   1 r is in   H 2   s u b s titu tio n   b e y o n d   1 0 %,  HC   em is s io n s   d im in is h   b y   1 0   p p m .   T h is   d ec r ea s b ec o m es  ev en   m o r s ig n if ican wh en   H 2   s u b s titu tio n   g o es   b ey o n d   2 0 %.  T o   ac h iev e   NO x - n eu tr al  o p er atio n ,   a   2 0 r e d u ctio n   i n   HC   em is s io n s   is   th m ax im u m   b e n ef it   o b s er v ed ,   w h ich   o cc u r s   at  2 5 H 2   s u b s titu tio n   r ate .   Ad d i n g   H 2   to   f u el  r ed u ce s   u n b u r n t   HC   em is s io n s   b y   m ak in g   c o m b u s tio n   co m p lete   an d   m o r e f f icien t.  T h is   h ap p en ed   b ec a u s o f   h ig h er   c o m b u s tio n   tem p er atu r es  h elp ed   t o   b u r n   u p   r esid u al   h y d r o ca r b o n   f u el   lef o v er   f r o m   th in itial  co m b u s tio n   p h ase .   Fas ter   f lam s p ee d   en s u r ed   th f u el - air   m ix t u r is   co n s u m ed   r ap id ly   a n d   th o r o u g h ly ,   leav in g   less   u n b u r n f u e to   escap in to   th e   ex h au s t.  E n h an ce d   o x id atio n   h y d r o x y l   r ad icals  ( OH)   m o le cu les  ac tiv ely   b r ea k   d o wn   an d   o x i d ize  s tu b b o r n   h y d r o ca r b o n   m o lecu les,  en s u r i n g   th ey   ar f u lly   b u r n e d .   W id e r   Flam m ab ilit y   R an g o f   H 2   b u r n   in   a   wid er   r a n g o f   air - to - f u el  r atio s   th an   d iesel.  T h is   allo ws  it  to   b u r n   in   p o ck ets  o f   th c y lin d er   w h er th e   m ix tu r m ig h b t o o   lean   o r   to o   r ich   f o r   d iesel  to   co m b u s o n   its   o wn ,   th er e b y   r ed u ci n g   p o ck ets  o f   u n b u r n f u el.   s im ilar   o b s er v atio n   wa s   m ad b y   a   r e s ea r ch er   wh o   f o u n d   th at  with   an   1 8 H 2   m ass   s h ar in   a   co m p r ess io n - ig n itio n   ( C I )   en g in r u n n in g   in   d u al - f u el  m o d e,   HC   em is s io n s   wer c o n s id er ab ly   lo wer   co m p ar ed   t o   p u r d iesel  m ass   s h ar e.   Sp ec if ically ,   at  f u ll  lo ad ,   HC   em is s io n s   d r o p p ed   f r o m   1 3 0   p p m   to   7 0   p p m ,   an d   at  2 0 lo ad ,   th ey   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.