DOI: https://doi.org/10.3390/en18195051
تاريخ النشر: 2025-09-23
المؤلف: Annalena Braun وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة إمكانية استخدام الأمونيا (NH₃) كوقود خالٍ من الكربون لمحركات الاحتراق الداخلي، مع معالجة التحديات الكامنة مثل رد الفعل المنخفض وخصائص الاشتعال السيئة. تفصل الدراسة تطوير عملية احتراق مشتعلة بالشرر تمكن من التشغيل المستقر لمحرك بحثي أحادي الأسطوانة معدل باستخدام 100% من الأمونيا السائلة. تم تجهيز المحرك بحقن وقود منفذ للأمونيا ونظام إشعال سعوي عالي الطاقة، مما يسمح بالاحتراق الفعال عبر ظروف تحميل مختلفة. ومن الجدير بالذكر أن النتائج تشير إلى أن الاحتراق المستقر الخالي من الصدمات يمكن تحقيقه دون الحاجة إلى مساعدات الاشتعال مثل الديزل أو الهيدروجين، محققًا كفاءة مؤشرة تبلغ 50% تحت ظروف الحمل الكامل.
أظهر تحليل الانبعاثات أن أكاسيد النيتروجين (NOₓ) وNH₃ تُنتج بنسبة 1:1، وهو ما يفيد أنظمة الاختزال التحفيزي الانتقائي السلبية (SCR). ومع ذلك، لاحظت الدراسة أيضًا زيادة في انبعاثات أكسيد النيتروز (N₂O) عند الأحمال المنخفضة ودرجات حرارة غرفة الاحتراق المنخفضة. بشكل عام، تؤكد هذه الأبحاث الجدوى التقنية لاستخدام NH₃ الخالي من الكربون في المحركات المشتعلة بالشرر، مما يمثل تقدمًا كبيرًا نحو تحقيق احتراق صافي صفر.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم للنقل البحري في انبعاثات CO₂ العالمية والتزام المنظمة البحرية الدولية (IMO) بتحقيق الحياد المناخي للسفن البحرية بحلول عام 2050. في هذا السياق، يتم تقديم الأمونيا (NH₃) كوقود واعد خالٍ من الكربون نظرًا لقدرتها على الاحتراق دون إنتاج CO₂ وبنيتها التحتية العالمية المعروفة من صناعة الأسمدة. تناقش الورقة استراتيجيات مختلفة لاستخدام NH₃ في محركات الاحتراق الداخلي، مشيرة إلى أنه بينما تعزز الأساليب ثنائية الوقود مع وقود الطيار الكربوني الاشتعال، فإنها تضر بإمكانات NH₃ الخالية من الكربون. بالمقابل، فإن دمج NH₃ مع الهيدروجين (H₂) يتجنب هذه المشكلة ولكنه يقدم تعقيدات تتعلق بإمدادات H₂.
تهدف الدراسة إلى التحقيق في استخدام NH₃ السائل النقي كوقود وحيد في محرك الاحتراق المشعل (SI)، مع التركيز على خصائص الاشتعال والاحتراق عبر نقاط تحميل مختلفة. تم الاعتراف بالتحديات المرتبطة باحتراق الأمونيا، مثل درجة حرارة الاشتعال الذاتي العالية وحدود القابلية للاشتعال الضيقة، إلى جانب اعتماد انبعاثات الملوثات على ظروف الاحتراق. من خلال استكشاف جدوى تحقيق احتراق صافي صفر باستخدام 100% من NH₃ السائل، تسعى الأبحاث إلى تحديد الحدود التقنية لتطبيقه في أنظمة الدفع البحرية المستقبلية، مع التركيز على خصائص الاشتعال، وإطلاق الحرارة، والكفاءة، وتكوين الانبعاثات.
الطرق
شمل الإعداد التجريبي محرك بحثي أحادي الأسطوانة معدل بناءً على محرك الديزل Liebherr D966، تم تعديله للاشتعال الشراري ووقود الأمونيا السائلة (NH₃) كجزء من مشروع Campfire Alliance. تم تركيب المحرك على منصة اختبار مجهزة بالكامل، مما سهل جمع البيانات الشاملة باستخدام MORPHÉE وتحليل الاحتراق في الوقت الحقيقي مع DEWE-800. للحفاظ على ظروف تشغيل متسقة، تم تثبيت درجات حرارة سائل التبريد وزيت التشحيم عند 85 درجة مئوية، بينما تم تسخين هواء الشحن إلى 60 درجة مئوية لتعزيز تبخر الأمونيا وتحسين موثوقية الاشتعال، خاصة تحت ظروف الحمل المنخفض.
تم إجراء التجارب في حالة تشغيل مستقرة عبر ثلاثة أنظمة تحميل: منخفض، متوسط، وعالي. لكل حالة تحميل، تم تسجيل ما لا يقل عن 200 دورة متتالية ومتوسطها لتقييم استقرار الاحتراق، الذي تم قياسه بواسطة معامل التباين (COV) للضغط الفعال المتوسط المؤشر (IMEP). تم اختبار نظام الاشتعال باستخدام كل من نظام الاشتعال الحثي التقليدي ونظام سعوي عالي الطاقة يعرف باسم “FlexiSpark”، مما يتيح مقارنة مباشرة لأداء الاشتعال مع تغذية NH₃ السائلة النقية.
النتائج
تشير التجارب التي أجريت إلى أن الاشتعال الشراري المستقر للأمونيا النقية (NH₃) يمكن تحقيقه تحت ظروف محكومة. على الرغم من أن تأخير الاشتعال لـ NH₃ أطول مقارنة بأنظمة الوقود المزدوج، فإن مزايا استخدام وقود خالٍ من الكربون—دون الحاجة إلى الهيدروجين (H₂) أو إضافات الديزل—تؤكد جدوى تصاميم محركات الأمونيا المبسطة. تشير هذه النتائج إلى أن الأمونيا يمكن أن تكون بديلاً واعدًا للوقود في محركات الاحتراق الداخلي، مما يساهم في تقليل انبعاثات الكربون مع الحفاظ على الكفاءة التشغيلية.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الأبحاث التعديلات التي أجريت على محرك الديزل لتسهيل استخدام الأمونيا النقية (NH₃) كوقود، مع التركيز على تكوين المحرك، ونظام الاشتعال، والأجهزة، وخصائص الاحتراق. تم تعديل رأس أسطوانة الديزل الأصلي ليشمل شمعات الإشعال، وتم تصميم مجمع سحب متخصص لحقن NH₃ السائل، مع أنظمة خارجية تدير ضغط ودرجة حرارة السحب. تؤكد الدراسة على التحديات المرتبطة بإشعال NH₃ النقي بسبب درجة حرارة الاشتعال الذاتي العالية وسرعة اللهب المنخفضة، مما يتطلب استخدام نظام إشعال سعوي يسمح بتعديل طاقة الشرارة ومدة الاشتعال. أثبت هذا النظام فعاليته في تحقيق احتراق مستقر عبر أحمال مختلفة، خاصة عند الأحمال المنخفضة حيث كانت فترات الشرارة الممتدة ضرورية للاشتعال الموثوق.
تشير النتائج إلى أن نظام الاشتعال السعوي يعزز بشكل كبير استقرار الاحتراق وكفاءته، مما يمكّن التشغيل باستخدام 100% من NH₃ دون الحاجة إلى الهيدروجين أو وقود الطيار الآخر. عند الأحمال المنخفضة، كانت فترات الشرارة الأطول (≥2000 ميكروثانية) مطلوبة، بينما عند الأحمال العالية، تم تحقيق الاشتعال الموثوق بفترات قصيرة تصل إلى 40 ميكروثانية. أظهرت قياسات الانبعاثات أنه بينما كانت انبعاثات NH₃ وانبعاثات أكسيد النيتروز (N₂O) مرتفعة عند الأحمال المنخفضة، انخفضت عند الأحمال الأعلى، حيث أصبح الاحتراق أكثر اكتمالًا. تختتم الدراسة بأن استراتيجيات الاشتعال المحسنة يمكن أن تسهل استخدام NH₃ النقي في المحركات المشتعلة بالشرر، على الرغم من أنها تعترف بالقيود في الإعداد التجريبي وتقترح اتجاهات بحث مستقبلية لاستكشاف العمليات العابرة ودمج أنظمة معالجة العوادم.
DOI: https://doi.org/10.3390/en18195051
Publication Date: 2025-09-23
Author(s): Annalena Braun et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
This section discusses the potential of ammonia (NH₃) as a carbon-free fuel for internal combustion engines, addressing its inherent challenges such as low reactivity and poor ignition properties. The study details the development of a spark-ignited combustion process that successfully enables stable operation of a modified single-cylinder research engine using 100% liquid NH₃. The engine was equipped with NH₃ port fuel injection and a high-energy capacitive ignition system, allowing for effective combustion across various load conditions. Notably, the findings indicate that stable, knock-free combustion is achievable without the need for ignition aids like diesel or hydrogen, achieving an indicated efficiency of 50% under full load conditions.
Emission analysis revealed that nitrogen oxides (NOₓ) and NH₃ are produced in a 1:1 ratio, which is beneficial for passive selective catalytic reduction (SCR) systems. However, the study also noted an increase in nitrous oxide (N₂O) emissions at low loads and lower combustion chamber temperatures. Overall, this research confirms the technical feasibility of utilizing carbon-free NH₃ in spark-ignited engines, marking a significant advancement towards achieving net-zero combustion.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of maritime transport in global CO₂ emissions and the International Maritime Organization’s (IMO) commitment to achieving climate neutrality for sea-going vessels by 2050. In this context, ammonia (NH₃) is presented as a promising zero-carbon fuel due to its ability to combust without producing CO₂ and its established global infrastructure from the fertilizer industry. The paper discusses various strategies for utilizing NH₃ in internal combustion engines, noting that while dual-fuel approaches with carbonaceous pilot fuels enhance ignition, they compromise NH₃’s carbon-neutral potential. Conversely, combining NH₃ with hydrogen (H₂) avoids this issue but introduces complexities related to H₂ supply.
The study aims to investigate the use of pure liquid NH₃ as a single fuel in a Spark Ignition (SI) engine, focusing on its ignition and combustion characteristics across different load points. The challenges associated with ammonia combustion, such as high autoignition temperature and narrow flammability limits, are acknowledged, alongside the dependence of pollutant emissions on combustion conditions. By exploring the feasibility of achieving net-zero combustion with 100% liquid NH₃, the research seeks to identify the technical boundaries for its application in future marine powertrains, emphasizing ignition properties, heat release, efficiency, and emission formation.
Methods
The experimental setup involved a modified single-cylinder research engine based on the Liebherr D966 diesel engine, adapted for spark ignition and liquid ammonia (NH₃) fuel as part of the Campfire Alliance project. The engine was mounted on a fully instrumented test bench, which facilitated comprehensive data acquisition using MORPHÉE and real-time combustion analysis with DEWE-800. To maintain consistent operating conditions, coolant and lubricating oil temperatures were stabilized at 85 °C, while charge air was heated to 60 °C to enhance ammonia vaporization and improve ignition reliability, particularly under low-load conditions.
Experiments were conducted at steady-state operation across three load regimes: low, medium, and high. For each load condition, at least 200 consecutive cycles were recorded and averaged to assess combustion stability, measured by the Coefficient of Variation (COV) of the Indicated Mean Effective Pressure (IMEP). The ignition system was tested using both a conventional inductive ignition and a high-energy capacitive system known as “FlexiSpark,” enabling a direct comparison of ignition performance with pure liquid NH₃ fueling.
Results
The experiments conducted indicate that stable spark ignition of pure ammonia (NH₃) is achievable under controlled conditions. Although the ignition delay for NH₃ is longer when compared to dual-fuel systems, the advantages of utilizing a zero-carbon fuel—without the need for hydrogen (H₂) or diesel additives—underscore the viability of simplified ammonia engine designs. These findings suggest that ammonia could serve as a promising alternative fuel in internal combustion engines, contributing to reduced carbon emissions while maintaining operational efficiency.
Discussion
In this section, the research discusses the modifications made to a diesel engine to facilitate the use of pure ammonia (NH₃) as a fuel, focusing on the engine configuration, ignition system, instrumentation, and combustion characteristics. The original diesel cylinder head was adapted to include a spark plug, and a specialized intake manifold was designed for liquid NH₃ injection, with external systems managing intake pressure and temperature. The study emphasizes the challenges of igniting pure NH₃ due to its high auto-ignition temperature and low flame speed, necessitating the use of a capacitive ignition system that allows for adjustable spark energy and duration. This system proved effective in achieving stable combustion across various loads, particularly at low loads where extended spark durations were essential for reliable ignition.
The findings indicate that the capacitive ignition system significantly enhances combustion stability and efficiency, enabling operation with 100% NH₃ without the need for hydrogen or other pilot fuels. At low loads, longer spark durations (≥2000 µs) were required, while at high loads, reliable ignition was achieved with durations as short as 40 µs. Emission measurements revealed that while NH₃ slip and nitrous oxide (N₂O) emissions were elevated at low loads, they decreased at higher loads, where combustion became more complete. The study concludes that optimized ignition strategies can facilitate the use of pure NH₃ in spark-ignited engines, although it acknowledges limitations in the experimental setup and suggests future research directions to explore transient operations and the integration of exhaust aftertreatment systems.