Naukowcy opracowali strategię bezpośredniego wtrysku amoniaku w silnikach spalinowych zasilanych mieszanką wodoru i amoniaku. Podwójny wtrysk z niewielkim stosunkiem wtrysku wtórnego może zmniejszyć emisje NH₃ o 26,5% i emisje NO o 24,2% przy zachowaniu porównywalnej sprawności cieplnej.
Amoniak (NH₃) przyciąga uwagę jako wydajny nośnik wodoru i paliwo wolne od węgla, szczególnie w sektorze żeglugi morskiej. Jego zastosowanie w silnikach spalinowych ograniczają jednak wysoka energia zapłonu i wąski zakres palności. Wodór (H₂) oferuje wyższą reaktywność, niższą energię zapłonu i szerszy zakres palności, co czyni mieszankę amoniak-wodór obiecującą technologią dla silników spalinowych.
Badania numeryczne przeprowadzone na silniku o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem amoniaku wykazały, że współczynnik mieszania wodoru i wyprzedzenie zapłonu iskrowego poprawiają spalanie amoniaku poprzez skrócenie całkowitego czasu spalania.
Stratyfikowane spalanie zwiększa efektywność procesu
Odpowiednie opóźnienie momentu pojedynczego wtrysku może wywołać spalanie stratyfikowane i stworzyć korzystniejsze warunki dla inicjacji i rozprzestrzeniania się jądra płomienia. W wyniku tego emisje niespalonego NH₃, N₂O i NOx zmniejszają się wraz ze wzrostem współczynnika mieszania wodoru.
Bezpośredni wtrysk amoniaku umożliwia spalanie stratyfikowane, gdzie lokalnie bogate mieszanki skutecznie pokonują wrodzone problemy z zapłonem NH₃, poprawiając tym samym zdolność rozruchu na zimno. W przeciwieństwie do wtrysku przez kolektor dolotowy, bezpośredni wtrysk nie zmniejsza gęstości ładunku, co pozwala na lepszą wydajność silnika.
Podwójny wtrysk optymalizuje emisje zanieczyszczeń
Badacze przeanalizowali strategię podwójnego wtrysku z małym stosunkiem wtrysku wtórnego w celu redukcji emisji niespalonego NH₃ i NO. Przy porównywalnym poziomie sprawności cieplnej i emisji N₂O, emisje NH₃ i NO można zmniejszyć odpowiednio o 26,5% i 24,2%.
Badania obejmowały wpływ kluczowych parametrów, w tym współczynnika mieszania wodoru (10-30%), momentu zapłonu iskrowego (-30 do -10°C A ATDC) oraz momentu zakończenia wtrysku (-80 do -20°C A ATDC) w warunkach bliskich stechiometrycznym (0,99-1,03).
Optymalizacja dla warunków stechiometrycznych
Podczas gdy poprzednie badania koncentrowały się głównie na ubogich warunkach spalania, nowe analizy skupiają się na optymalizacji spalania w warunkach stechiometrycznych. Mieszanki amoniak-wodór często charakteryzują się nadmiernymi emisjami NOx w warunkach ubogich, a optymalny zakres znajduje się przy lekko bogatym stosunku równoważności 1,0-1,05.
Spalanie stechiometryczne sprzyja wyższym prędkościom rozprzestrzeniania się płomienia, co jest szczególnie istotne dla efektywnego wykorzystania amoniaku jako paliwa bezemisyjnego pod względem węgla.
Strategiczne znaczenie dla dekarbonizacji transportu
Rozwój technologii spalania amoniaku w silnikach spalinowych stanowi kluczowy element strategii redukcji emisji CO₂ w sektorze transportu, zgodnie z celami Porozumienia Paryskiego. Sektor transportu pozostaje głównym źródłem emisji węgla z powodu spalania konwencjonalnych paliw kopalnych, co czyni poszukiwanie paliw o zerowej lub bliskiej zeru emisji węgla nieuniknionym kierunkiem rozwoju. Technologia bezpośredniego wtrysku amoniaku w połączeniu z wodorem może znacząco przyczynić się do dekarbonizacji transportu, szczególnie w żegludze morskiej, gdzie amoniak wykazuje największy potencjał zastosowania.