DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46452-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38454003
تاريخ النشر: 2024-03-07
المؤلف: Xinyi Zhou وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في إمكانيات محركات الاحتراق الأمونيا التي تعمل بالديزل في القطاع البحري، مع معالجة التحديات الكبيرة مثل الانبعاثات العالية من الأمونيا غير المحترقة (NH₃) وأكسيد النيتروز (N₂O)، إلى جانب الكفاءة الحرارية المنخفضة. تقدم الدراسة نهجًا جديدًا يسمى إعادة تدوير الغاز في الأسطوانة، والذي يهدف إلى تعزيز الكفاءة الحرارية مع تقليل الانبعاثات في الوقت نفسه. تتضمن هذه الطريقة تشغيل أسطوانة واحدة من محرك متعدد الأسطوانات في حالة غنية بالستويكومترية، مما يسمح بتفكك الأمونيا الزائدة إلى هيدروجين. يتم بعد ذلك إعادة تدوير العادم الغني بالهيدروجين إلى أسطوانات أخرى، مما يجمع بشكل فعال بين فوائد احتراق الهيدروجين وإعادة تدوير غاز العادم.
تشير النتائج إلى أنه عند نسبة طاقة ديزل تبلغ 3% و1000 دورة في الدقيقة، يمكن أن تحسن الطريقة المقترحة الكفاءة الحرارية المعلنة بنسبة 15.8% وتقلل بشكل كبير من انبعاثات NH₃ غير المحترقة بنسبة 89.3% وانبعاثات N₂O بنسبة 91.2%، مقارنة بمحركات الأمونيا التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، تحقق انخفاضًا ملحوظًا في البصمة الكربونية بنسبة 97.0% وانبعاثات غازات الدفيئة بنسبة 94.0% مقارنة بأنماط الديزل التقليدية. يتماشى هذا مع أهداف المنظمة البحرية الدولية (IMO) لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة من الشحن الدولي، مما يبرز ضرورة الانتقال إلى محركات الوقود البديلة، مثل تلك التي تستخدم الأمونيا والهيدروجين والميثانول والميثان، لتحقيق أهداف الاستدامة المستقبلية.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون محركًا مزدوج الوقود يعمل بالأمونيا والديزل مكون من أربع أسطوانات، يتميز بقطر أسطوانة يبلغ 95 مم ويفتقر إلى نظام استرداد غاز إعادة التدوير الداخلي (IRGR)، لجمع بيانات تجريبية للتحقق من آلية كيميائية حركية ونموذج عددي. شمل الإعداد التجريبي مكونات مختلفة مثل المحرك، ومقياس الديناميكا، ونظام تزويد الوقود بالأمونيا، ونظام حقن الوقود عالي الضغط، ونظام السحب، ونظام قياس انبعاثات العادم. تم تزويد الأمونيا الغازية عند ضغط 0.6 ميغاباسكال، بينما تم حقن وقود الديزل مباشرة في الأسطوانة عند ضغط 120 ميغاباسكال.
تضمنت الأدوات الرئيسية المستخدمة في التجارب جهاز تحكم تدفق الكتلة للأمونيا من بروكس ومقياس تدفق الكتلة للوقود AVL 735 s لقياس معدلات تدفق الكتلة للأمونيا والديزل، على التوالي. تم استخدام الديناميكا الكهربائية HORIBA LI250 AC لقياس عزم الكبح والتحكم في سرعة المحرك، بينما تم استخدام NI PXI للتحكم في نظام المحرك بشكل عام. تم مراقبة ضغط الأسطوانة باستخدام محولات ضغط AVL GH15DK، وتم تحليل انبعاثات العادم، بما في ذلك NOx وCO2 وNH3 غير المحترقة وN2O، باستخدام محلل الغاز بالأشعة تحت الحمراء Fourier-transform HORIBA MEXA-ONE-RS وHORIBA FTX-ONE-CS. تم تفصيل مواصفات المحرك وظروف التشغيل التجريبية في الجدول 1، مع تسليط الضوء على التغيرات في نسب طاقة الأمونيا.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات قيد الدراسة، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في النتائج، تم قياسها من خلال أحجام التأثير التي تشير إلى الأهمية العملية. تمثل الرسوم البيانية، مثل المخططات النقطية ومخططات الأعمدة، هذه النتائج بشكل أكبر، مما يسلط الضوء على الاتجاهات والأنماط التي تدعم الفرضيات المطروحة في الدراسة. بشكل عام، توفر النتائج أدلة قوية للعلاقات والتأثيرات المقترحة، مما يساهم في تقديم رؤى قيمة في مجال الدراسة.
مناقشة
يركز قسم المناقشة في ورقة البحث على أداء وخصائص انبعاثات أسطوانة إعادة التدوير المخصصة في محرك إعادة تدوير الغاز الداخلي (IRGR). تكشف التحليلات أن تغيير نسب الهواء الزائد الكلية (0.7 و0.8 و0.9) يؤثر بشكل كبير على ضغط الأسطوانة ودرجة الحرارة ومعدلات إطلاق الحرارة. من الجدير بالذكر أن نسبة الهواء الزائد المنخفضة (0.7) تعزز تركيزًا أعلى من إنتاج الهيدروجين من خلال تفاعلات تفكك الأمونيا وإعادة التدوير، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الهيدروجين ونسبة تحويل الهيدروجين الأعلى (32.0%) مقارنة بالنسب الأعلى (20.8% لـ 0.8 و8.8% لـ 0.9). تشير الدراسة أيضًا إلى أن مستويات إثراء الوقود الأعلى تؤدي إلى تأخيرات في الاشتعال أطول وضغوط ودرجات حرارة قصوى أقل في الأسطوانة.
علاوة على ذلك، تظهر تحليل الانبعاثات أن محرك IRGR يقلل بشكل فعال من انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) وأكسيد النيتروز (N2O) بينما يقلل بشكل كبير من مستويات الأمونيا غير المحترقة. يحقق مفهوم IRGR تقليلًا بنسبة تقارب 84% في الأمونيا غير المحترقة وانخفاضات ملحوظة في انبعاثات N2O، ويعزى ذلك إلى خصائص الاحتراق المحسنة وانخفاض محتوى الأكسجين في غرفة الاحتراق. تشير النتائج إلى أن تقنية IRGR لا تحسن الكفاءة الحرارية فحسب—بما يصل إلى 24.4% عند سرعات المحرك الأعلى—بل تخفف أيضًا بشكل فعال من انبعاثات غازات الدفيئة، مما يجعلها حلاً واعدًا لمحركات تعمل بالأمونيا تحت ظروف تشغيل مختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46452-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38454003
Publication Date: 2024-03-07
Author(s): Xinyi Zhou et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
The research investigates the potential of pilot-diesel-ignition ammonia combustion engines in the maritime sector, addressing significant challenges such as high emissions of unburned ammonia (NH₃) and nitrous oxide (N₂O), alongside low thermal efficiency. The study introduces a novel approach termed in-cylinder reforming gas recirculation, which aims to enhance thermal efficiency while simultaneously reducing emissions. This method involves operating one cylinder of a multi-cylinder engine in a rich stoichiometric condition, allowing excess ammonia to decompose into hydrogen. The resulting hydrogen-enriched exhaust is then recirculated into other cylinders, effectively combining the benefits of hydrogen combustion and exhaust gas recirculation.
Results indicate that at a 3% diesel energetic ratio and 1000 rpm, the proposed method can improve indicated thermal efficiency by 15.8% and significantly decrease unburned NH₃ emissions by 89.3% and N₂O emissions by 91.2%, compared to traditional ammonia engines. Additionally, it achieves a remarkable reduction in carbon footprint by 97.0% and greenhouse gas emissions by 94.0% relative to conventional diesel modes. This aligns with the International Maritime Organization’s (IMO) targets for reducing greenhouse gas emissions from international shipping, emphasizing the necessity of transitioning to alternative fuel engines, such as those utilizing ammonia, hydrogen, methanol, and methane, to meet future sustainability goals.
Methods
In this study, the authors employed a four-cylinder ammonia-diesel dual-fuel engine, characterized by a 95 mm bore diameter and lacking an Internal Recirculation Gas Recovery (IRGR) system, to gather experimental data for validating a chemical kinetic mechanism and numerical model. The experimental setup included various components such as the engine, a dynamometer, an ammonia fuel supply system, a high-pressure pilot fuel injection system, an intake system, and an exhaust emission measurement system. The gaseous ammonia was supplied at a pressure of 0.6 MPa, while diesel fuel was injected directly into the cylinder at a pressure of 120 MPa.
Key instruments utilized in the experiments included a Brooks ammonia mass flow controller and an AVL 735 s fuel mass flow meter for measuring the mass flow rates of ammonia and diesel, respectively. The HORIBA LI250 AC electrical dynamometer was employed for measuring brake torque and controlling engine speed, while NI PXI was used for overall engine system control. In-cylinder pressure was monitored using AVL GH15DK pressure transducers, and exhaust emissions, including NOx, CO2, unburned NH3, and N2O, were analyzed using the HORIBA MEXA-ONE-RS and HORIBA FTX-ONE-CS Fourier-transform infrared gas analyzer. The engine specifications and experimental operating conditions were detailed in Table 1, highlighting the variations in ammonia energetic ratios.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to measurable improvements in the outcomes, quantified by effect sizes that indicate practical significance. Graphical representations, such as scatter plots and bar charts, further illustrate these findings, highlighting trends and patterns that support the hypotheses posited in the study. Overall, the results provide robust evidence for the proposed relationships and effects, contributing valuable insights to the field of study.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the performance and emissions characteristics of a dedicated reforming cylinder in an Internal Reforming Gas Recirculation (IRGR) engine. The analysis reveals that varying the overall excess air ratios (0.7, 0.8, and 0.9) significantly influences in-cylinder pressure, temperature, and heat release rates. Notably, a lower excess air ratio (0.7) promotes a higher concentration of hydrogen production through ammonia decomposition and reforming reactions, resulting in increased hydrogen generation and a higher hydrogen conversion ratio (32.0%) compared to higher ratios (20.8% for 0.8 and 8.8% for 0.9). The study also indicates that higher fuel enrichment levels lead to longer ignition delays and reduced maximum in-cylinder pressures and temperatures.
Furthermore, the emissions analysis demonstrates that the IRGR engine effectively reduces nitrogen oxides (NOx) and nitrous oxide (N2O) emissions while significantly lowering unburned ammonia levels. The IRGR concept achieves approximately 84% reduction in unburned ammonia and notable decreases in N2O emissions, attributed to the enhanced combustion characteristics and reduced oxygen content in the combustion chamber. The findings suggest that the IRGR technology not only improves thermal efficiency—by up to 24.4% at higher engine speeds—but also effectively mitigates greenhouse gas emissions, positioning it as a promising solution for ammonia-fueled engines under various operational conditions.