DOI: https://doi.org/10.3389/fmech.2024.1368717
تاريخ النشر: 2024-03-11
المؤلف: Shawn A. Reggeti وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في استخدام الأمونيا اللامائية (NH₃) كوقود خالي من الكربون في محركات الاحتراق الداخلي، مع التركيز على نظام إشعال غرفة مسبقة مدعوم بالهيدروجين لتعزيز كفاءة الاحتراق. تفحص الدراسة تأثيرات تغيير نسبة التكافؤ في الغرفة المسبقة ونسبة الهيدروجين على طاقة الإشعال وسرعة اللهب المضطرب. تشير النتائج إلى أنه بينما تحسن نسب التكافؤ الأقل (ϕ = 0.5-1) من تفاعل الغرفة المسبقة من خلال تقوية النفاثات المضطربة، فإنها تقلل في الوقت نفسه من التفاعل وسرعة اللهب في الغرفة الرئيسية. يتم تحقيق الكفاءة الحرارية المثلى وأدنى انبعاثات غير محترقة من NH₃ وN₂O عند نسب التكافؤ من 0.7-0.8، على الرغم من أن انبعاثات NOₓ تصل إلى ذروتها في هذه الظروف.
تسلط النتائج الضوء على عدة استنتاجات رئيسية: إن تقليل نسب التكافؤ في المدخل يعزز من تفاعل الغرفة المسبقة ولكنه يؤدي إلى تباطؤ انتشار اللهب في الغرفة الرئيسية؛ يمكن أن تؤدي نسب الضغط الأعلى إلى الاشتعال الذاتي دون آثار سلبية كبيرة؛ وانبعاثات NH₃ غير المحترقة هي الأدنى عند نسب ضغط أقل. بالإضافة إلى ذلك، تتشكل انبعاثات N₂O بشكل أساسي بالقرب من الجدران بسبب الاحتراق عند درجات حرارة منخفضة والتبريد، بينما تكون انبعاثات NOₓ مرتفعة ولكن يمكن التخفيف منها من خلال استراتيجيات التخفيض التحفيزي الانتقائي (SCR). بشكل عام، تشير الدراسة إلى أن ضبط عملية الاحتراق بعناية يمكن أن يدير بفعالية كل من انبعاثات NOₓ وNH₃ في المحركات التي تعمل بالأمونيا.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الأهمية المتزايدة لمصادر الطاقة المتجددة، وخاصة الوقود الإلكتروني مثل الهيدروجين (H₂) والأمونيا اللامائية (NH₃)، في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري والتخفيف من انبعاثات غازات الدفيئة (Nalley وLaRose، 2022). يتم التأكيد على الأمونيا كوقود واعد خالٍ من الكربون لمحركات الاحتراق الداخلي (ICEs) بسبب قدراتها على التخزين السائل والبنية التحتية الإنتاجية القائمة. ومع ذلك، فإن التحديات مثل سرعة اللهب اللامع وارتفاع طاقة الإشعال وحدود القابلية للاشتعال الضيقة تعيق استخدامها الفعال في محركات الاحتراق الداخلي (Kobayashi et al.، 2019). استكشفت الدراسات السابقة استراتيجيات متنوعة، بما في ذلك خلط الأمونيا مع الهيدروجين وزيادة نسب الضغط، لتعزيز أداء الاحتراق وتقليل انبعاثات NH₃ غير المحترقة وأكاسيد النيتروجين (N₂O).
تناقش الورقة استراتيجيات احتراق مبتكرة، مثل الإشعال بالضغط المدعوم بالشرارة (SACI) وإشعال النفاثات المضطربة في الغرفة المسبقة (TJI)، والتي أظهرت وعدًا في تحسين خصائص الاحتراق لمحركات تعمل بالأمونيا. وقد لوحظ أن TJI، على وجه الخصوص، لديه القدرة على توسيع حد القابلية للاشتعال الضعيف وتحسين الكفاءة الحرارية من خلال تعزيز سرعة اللهب المضطرب وتوزيع طاقة الإشعال (Rajasegar et al.، 2023). تبحث الدراسة الحالية في أداء محرك أحادي الأسطوانة يستخدم الأمونيا المدخلة عبر المنفذ وغرفة مسبقة نشطة مدعومة بالهيدروجين، مع التركيز على تأثيرات تغيير نسبة التكافؤ لمزيج الأمونيا والهواء واختبار نسب ضغط مختلفة (12:1، 16:1، 20:1). تشير النتائج إلى تشغيل مستقر في ظروف الضعف وتوفر رؤى حول تكوين الانبعاثات والتحسينات في الكفاءة الحرارية المشار إليها (ITE)، إلى جانب أدلة على ظواهر الاشتعال الذاتي بعد انتشار اللهب الأولي.
الطرق
استخدمت الإعدادات التجريبية محركًا معدلًا من Waukesha Cooperative Fuel Research (CFR) مصممًا خصيصًا لعملية الغرفة المسبقة. كان المحرك يتميز بقطر 82.5 مم وسكتة 114.3 مم، مع محول ضغط داخل الأسطوانة ومحول ضغط في الغرفة المسبقة من Kistler (النوع 6056A). كانت الغرفة المسبقة، التي تم تزويدها من MAHLE Powertrain، مدعومة بنشاط بواسطة غاز الهيدروجين المدخل عبر حقنة BorgWarner، وكان تصميمها يعتمد على غرف الوقود التقليدية، مما يجعلها قاعدة لمحركات تعمل بالأمونيا (NH₃). تم بدء عملية الاحتراق بواسطة شمعات الإشعال، مما أنتج نفاثات مضطربة أشعلت مزيج الأسطوانة، مما زاد من احتمالية الاشتعال الذاتي بسبب الضغط المطول وتسخين المزيج غير المحترق.
تم إجراء التجارب عند سرعة محرك 900 دورة في الدقيقة، مع تغيير نسب الضغط ومزيج المدخل، مع تلخيص المعلمات التفصيلية في الجدول 1. قدم ضاغط مركزي هواءً جافًا، تم قياسه وتكييفه قبل خلطه مع NH₃ الغازي upstream من صمام المدخل لإنشاء مزيج متجانس. تم تعديل نسبة التكافؤ عن طريق تغيير معدلات تدفق NH₃ والهواء مع الحفاظ على ضغط المدخل ثابتًا. تم إدخال الهيدروجين في الغرفة المسبقة لمدة ثابتة قبل توقيت الشرارة، مع تأكيد معدلات التدفق بأنها كانت مختنقة تحت جميع ظروف الاختبار. تم تقييم توقيتين للشرارة: توقيت ثابت عند 25° قبل النقطة العليا (bTDC) والتوقيت الأمثل لأقصى ضغط متوسط فعال إجمالي (gIMEP). تم قياس الانبعاثات باستخدام منصة AVL i60 SESAM FT، مع تحديد الأنواع القائمة على النيتروجين من خلال مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وتم متوسط النتائج على 300 دورة محرك لضمان الموثوقية.
النتائج
تسلط نتائج الدراسة الضوء على الأداء العام للمحرك المميز بكفاءة حرارية مؤشرة (ITE) وضغط متوسط فعال إجمالي (gIMEP) عند توقيت الشرارة الأقصى لعزم الكبح (MBT)، كما هو موضح في الشكل 2. تشير النتائج إلى أن جميع نسب الضغط المختبرة تظهر اتجاهات أداء مشابهة عبر نسب التكافؤ في المدخل المتغيرة، مع ملاحظة ذروة ITE عند نسب التكافؤ بين 0.7 و0.8. يرتبط انخفاض نسبة التكافؤ بتقليل gIMEP، مما يشير إلى أنه مع انخفاض نسبة التكافؤ في المدخل، ينخفض الضغط الفعال الناتج عن المحرك أيضًا.
تشير الضغوط المدخلة المتسقة عبر جميع الظروف التجريبية إلى أن الطاقة المدخلة من الوقود تنخفض مع انخفاض نسب التكافؤ. علاوة على ذلك، تتأثر مقاييس الأداء بتفاعل الغرفة المسبقة، الذي يسهل إشعال النفاثات المضطربة، والديناميات اللاحقة للاحتراق داخل الغرفة الرئيسية. تؤكد هذه الظواهر المترابطة على تعقيد تحسين أداء المحرك من خلال التعديلات في نسب التكافؤ وتصميم الغرفة.
المناقشة
تستكشف قسم المناقشة في الورقة البحثية تأثيرات تفاعل الغرفة المسبقة وخصائص الاحتراق في محرك يعمل بالأمونيا باستخدام الإشعال المدعوم بالهيدروجين. يبرز أن إدخال H₂ في الغرفة المسبقة يعزز الديناميات الضغط، خاصة عند نسب التكافؤ الضعيفة، مما يعزز النفاثات المضطربة الأقوى التي تشعل الغرفة الرئيسية. تجد الدراسة أن أقصى فرق ضغط بين الغرفة المسبقة والغرفة الرئيسية (ΔP_max) هو الأكبر تحت ظروف الضعف، مما يشير إلى تحسين التفاعل بسبب انخفاض تركيز الأمونيا ونسب التكافؤ المحلية الأكثر ستوكيومترية. ومع ذلك، بينما تعزز الخلطات الضعيفة الإشعال، فإنها أيضًا تبطئ من انتشار اللهب في الغرفة الرئيسية، مما يؤدي إلى احتراق غير مكتمل.
يكشف تحليل معدلات تحرير الحرارة الصافية (NHRRs) عن سلوكيات احتراق مميزة عبر نسب ضغط مختلفة. عند ضغط أقل (12:1)، تظهر NHRRs زيادة تدريجية، بينما تظهر النسب الأعلى (16:1 و20:1) أنماط ذروة مزدوجة تشير إلى أحداث الاشتعال الذاتي. تحدد الدراسة أيضًا أن انبعاثات الأمونيا غير المحترقة تكون في أدنى مستوياتها عند نسبة ضغط 12:1 مع نسبة تكافؤ ضعيفة تبلغ 0.8، مما يتعارض مع التوقعات بأن درجات حرارة الاحتراق المنخفضة ستؤدي إلى انبعاثات أعلى. على العكس، تصل انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOₓ) إلى ذروتها عند ظروف ضعيفة قليلاً، مما يشير إلى أن جبهة اللهب هي المكان الذي تتشكل فيه NOₓ. تشير النتائج إلى أن تحسين عملية الاحتراق يمكن أن يسمح بالتخفيف الفعال من كل من انبعاثات NOₓ والأمونيا غير المحترقة من خلال نظام تخفيض تحفيزي انتقائي (SCR)، خاصة عند نسب التكافؤ حول 0.8.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmech.2024.1368717
Publication Date: 2024-03-11
Author(s): Shawn A. Reggeti et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
The research investigates the use of anhydrous ammonia (NH₃) as a zero-carbon fuel in internal combustion engines, focusing on a hydrogen-fueled pre-chamber ignition system to enhance combustion efficiency. The study examines the effects of varying the pre-chamber equivalence ratio and hydrogen fraction on ignition energy and turbulent flame speed. Results indicate that while leaner intake equivalence ratios (ϕ = 0.5-1) improve pre-chamber reactivity by strengthening turbulent jets, they simultaneously reduce the reactivity and flame speed in the main chamber. Optimal indicated thermal efficiency and minimal unburned NH₃ and N₂O emissions are achieved at equivalence ratios of 0.7-0.8, although NOₓ emissions peak at these conditions.
The findings highlight several key conclusions: decreasing intake equivalence ratios enhances pre-chamber reactivity but leads to slower flame propagation in the main chamber; higher compression ratios can induce auto-ignition without significant adverse effects; and unburned NH₃ emissions are lowest at lower compression ratios. Additionally, N₂O emissions are primarily formed near the walls due to low-temperature combustion and quenching, while NOₓ emissions are high but could be mitigated through selective catalytic reduction (SCR) strategies. Overall, the study suggests that careful tuning of the combustion process can effectively manage both NOₓ and NH₃ emissions in ammonia-fueled engines.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the growing significance of renewable energy sources, particularly e-fuels such as hydrogen (H₂) and anhydrous ammonia (NH₃), in reducing reliance on fossil fuels and mitigating greenhouse gas emissions (Nalley and LaRose, 2022). Ammonia is emphasized as a promising carbon-free fuel for internal combustion engines (ICEs) due to its liquid storage capabilities and established production infrastructure. However, challenges such as slow laminar flame speed, high ignition energy, and narrow flammability limits hinder its effective use in ICEs (Kobayashi et al., 2019). Previous studies have explored various strategies, including blending ammonia with hydrogen and increasing compression ratios, to enhance combustion performance and reduce emissions of unburned NH₃ and nitrogen oxides (N₂O).
The paper discusses innovative combustion strategies, such as spark-assisted compression ignition (SACI) and pre-chamber turbulent jet ignition (TJI), which have shown promise in improving the combustion characteristics of ammonia-fueled engines. TJI, in particular, has been noted for its ability to extend the lean flammability limit and improve thermal efficiency by enhancing turbulent flame speed and ignition energy distribution (Rajasegar et al., 2023). The current study investigates the performance of a single-cylinder engine utilizing port-injected ammonia and an active hydrogen-fueled pre-chamber, focusing on the effects of varying the equivalence ratio of the ammonia-air mixture and testing different compression ratios (12:1, 16:1, 20:1). The findings indicate stable operation at lean conditions and provide insights into emissions formation and improvements in indicated thermal efficiency (ITE), alongside evidence of auto-ignition phenomena following initial flame propagation.
Methods
The experimental setup utilized a modified Waukesha Cooperative Fuel Research (CFR) octane rating engine, specifically designed for pre-chamber operation. The engine featured a bore of 82.5 mm and a stroke of 114.3 mm, with an in-cylinder pressure transducer and a pre-chamber pressure transducer both from Kistler (Type 6056A). The pre-chamber, supplied by MAHLE Powertrain, was actively fueled by hydrogen gas injected through a BorgWarner injector, and its design was based on conventional fuel pre-chambers, serving as a baseline for ammonia (NH₃)-fueled engines. The combustion process was initiated by a spark plug, producing turbulent jets that ignited the cylinder mixture, enhancing the likelihood of auto-ignition due to prolonged pressurization and heating of the unburned mixture.
Experiments were conducted at an engine speed of 900 RPM, varying compression ratios and intake mixtures, with detailed parameters summarized in Table 1. A centralized compressor provided dry air, which was metered and conditioned before being mixed with gaseous NH₃ upstream of the intake valve to create a homogeneous mixture. The equivalence ratio was adjusted by varying the flow rates of NH₃ and air while maintaining constant intake pressure. Hydrogen was injected into the pre-chamber for a fixed duration before spark timing, with flow rates confirmed to be choked under all test conditions. Two spark timings were evaluated: a fixed timing at 25° before top dead center (bTDC) and the optimal timing for maximum gross indicated mean effective pressure (gIMEP). Emissions were measured using an AVL i60 SESAM FT emissions bench, with nitrogen-based species quantified through Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and results were averaged over 300 engine cycles to ensure reliability.
Results
The results of the study highlight the overall engine performance characterized by indicated thermal efficiency (ITE) and gross indicated mean effective pressure (gIMEP) at the maximum brake torque (MBT) spark timing, as illustrated in Figure 2. The findings indicate that all tested compression ratios exhibit similar performance trends across varying intake equivalence ratios, with peak ITE observed at equivalence ratios between 0.7 and 0.8. A decrease in the equivalence ratio correlates with a reduction in gIMEP, suggesting that as the intake equivalence ratio diminishes, the effective pressure generated by the engine also declines.
The consistent intake pressure across all experimental conditions implies that the energy input from the fuel decreases with lower equivalence ratios. Furthermore, the performance metrics are influenced by the reactivity of the pre-chamber, which facilitates turbulent jet ignition, and the subsequent combustion dynamics within the main chamber. These interconnected phenomena underscore the complexity of optimizing engine performance through adjustments in equivalence ratios and chamber design.
Discussion
The discussion section of the research paper explores the effects of pre-chamber reactivity and combustion characteristics in an ammonia-fueled engine utilizing hydrogen-assisted ignition. It highlights that H₂ injection into the pre-chamber enhances pressure dynamics, particularly at lean intake equivalence ratios, which promotes stronger turbulent jets that ignite the main chamber. The study finds that the maximum pressure difference between the pre-chamber and main chamber (ΔP_max) is greatest under lean conditions, indicating improved reactivity due to reduced ammonia concentration and more stoichiometric local equivalence ratios. However, while leaner mixtures enhance ignition, they also slow down flame propagation in the main chamber, leading to incomplete combustion.
The analysis of net heat release rates (NHRRs) reveals distinct combustion behaviors across varying compression ratios. At lower compression (12:1), NHRRs exhibit a gradual increase, while higher ratios (16:1 and 20:1) show dual-peak patterns indicative of auto-ignition events. The study also identifies that unburned ammonia emissions are minimized at a 12:1 compression ratio with a lean equivalence ratio of 0.8, contradicting expectations that lower combustion temperatures would lead to higher emissions. Conversely, nitrogen oxides (NOₓ) emissions peak at slightly lean conditions, suggesting that the flame front is where NOₓ forms. The findings indicate that optimizing the combustion process could allow for effective mitigation of both NOₓ and unburned ammonia emissions through a selective catalytic reduction (SCR) system, particularly at equivalence ratios around 0.8.