CFD modeling of ammonia fueled internal combustion engines

Ammonia is one of the main alternatives for a carbon-free energy future because of its thermo-chemical properties and its carbon-free characteristics. A partially substitution with ammonia of common fuels, for reducing CO2 emissions in heavy-duty applications, relies on a deeper knowledge of ammonia combustion and on the development of new research tools. Higher efficiency is a basic requirement for lowering greenhouse gases (GHG) and pollutant emissions. Compression ignition (CI) engines are characterised by higher efficiency with respect to spark ignition (SI) engines, therefore future developments in alternative fuels field focus on CI engine. Because of bad flammability properties of ammonia, the most suitable solution to keep the CI benefits and to use ammonia is an ammonia diesel dual fuel (DDF) engine. This thesis work aims to simulate ammonia DDF combustion for internal combustion engine applications and to provide a better understanding of ammonia DDF engines performances. Simulations are performed by the use of CFD solvers developed by Politecnico di Milano for DDF applications and implemented in Lib-ICE code, a OpenFOAM based library developed by ICEGroup. This work considers two engines: a MTU 4000 modified engine in high pressure direct injection (HPDI) configuration simulated by a tabulated kinetic approach and a CAT 3401 engine with port injected ammonia approached by the use of the Weller combustion model. Unfortunately, this first case encounters many problems during the initial condition setup and it is set aside. The second case is successful and the results are compared with some experimental data available in literature, with a focus on the engine performances and neglecting the exhaust gases emission analysis. Keeping the same total energy input, different conditions are simulated: the ammonia energy input is increased in three steps (0%, 20% and 40%) and, at 40%, the start of diesel injection (SOI) is advanced. The general result is very promising because pressure and apparent heat release rate (AHRR) curves are quite well matched. Future studies should be done to improve the model parameters, to understand the ignition event and to validate the model for exhaust emissions.

L’ammoniaca è una delle proposte principali per un futuro energetico carbon-free grazie alle sue proprietà termochimiche e alla sua combustione senza emissioni di CO2. Una maggiore conoscenza della combustione dell’ammoniaca e lo sviluppo di nuovi strumenti di ricerca sono la base per una parziale sostituzione dei combustibili fossili nelle applicazioni heavy-duty, al fine di ridurre le emissioni di CO2. Un maggior rendimento è un requisito fondamentale per ridurre le emissioni di inquinanti e di gas serra e i motori ad accensione spontanea sono caratterizzati da un maggior rendimento rispetto ai motori ad accensione comandata. Per questa proprietà, le ricerce per futuri sviluppi si concentrano su questa tipologia. A causa della scarsa infiammabilità dell’ammoniaca, la soluzione più adatta per mantenere i benefici di un motore ad accensione spontanea alimentato con l’ammoniaca è una configurazione di tipo dual fuel diesel-ammoniaca. Lo scopo di questa tesi è la simulazione della combustione diesel-ammoniaca in motori dual fuel. Per fare ciò, si avvale di due diversi risolutori CFD sviluppati dal Politecnico di Milano per applicazioni diesel-metano e implementati nel codice Lib-ICE, una libreria basata su OpenFOAM sviluppata dal gruppo di ricerca ICEGroup. Due motori sono presi in considerazione: un motore derivato dal modello MTU 4000 con iniezione diretta di ammoniaca e un motore CAT 3401 con l’iniezione indiretta di ammoniaca. Purtroppo, il primo caso è abbandonato per alcuni problemi nella definizione delle condizioni iniziali. Il secondo caso, invece, ottiene risultati positivi che sono confrontati con dei dati sperimentali presenti in letteratura, concentrandosi soprattutto sulle prestazioni del motore. Diverse condizioni a pari input energetico sono simulate: vari input energetici legati all’ammoniaca (0%, 20% e 40%) e, al 40%, l’inizio dell’iniezione diesel è anticipato. I risultati ottenuti sono molto promettenti perchè le risultanti curve di pressione e di AHRR sono simili a quelle sperimentali. Studi più dettagliati rimangono tuttavia necessari per un raffinamento dei parametri del modello, per una completa comprensione dell’accensione e per uno studio delle emissioni dei gas di scarico.