1D Numerical modelling of spark-induced compression ignition engine (SICI) operating with ammonia fuel

Nel perseguimento della decarbonizzazione globale, l'ammoniaca emerge come un promettente combustibile a zero emissioni di carbonio grazie ai suoi vantaggi nello stoccaggio, nel trasporto e nella produzione rispetto all'idrogeno. La sua combustione completa si traduce in sottoprodotti rispettosi dell'ambiente; acqua e azoto, posizionando l'ammoniaca come combustibile verde ideale per i motori a combustione interna. Questo studio numerico unidimensionale del modello Gasdyn esplora la possibilità di adattare gli attuali motori diesel per il funzionamento ad accensione comandata ad ammoniaca. Il processo di validazione prevede un confronto approfondito con i dati sperimentali. I risultati rivelano che temperature di aspirazione elevate e rapporto di compressione migliorano significativamente la combustione dell'ammoniaca, con conseguente aumento della pressione di picco, propagazione accelerata della fiamma e durata della combustione ridotta. I rapporti di equivalenza influiscono sulla combustione dell'ammoniaca in modo non monotono, con condizioni ottimali riscontrate a miscele di combustibili leggermente ricche, che portano alla massima pressione di picco, al picco di rilascio del calore e alla riduzione delle emissioni. In particolare, lo studio rivela complessità nella formazione delle emissioni, sfidando le aspettative convenzionali. La combustione di ammoniaca magra, nonostante le temperature più basse, produce concentrazioni più elevate di ossidi di azoto (NOX) a causa dell'azoto nel carburante. Inoltre, l'avanzamento della fasatura della scintilla in condizioni ricche dimostra una riduzione unica delle emissioni di NOX, contrariamente ai tradizionali motori ad accensione comandata.

In the pursuit of global decarbonization, ammonia emerges as a promising zero-carbon fuel due to its advantages in storage, transport, and production over hydrogen. Its complete combustion results in environmentally benign byproducts; water and nitrogen, positioning ammonia as an ideal green fuel for internal combustion engines. This one-dimensional numerical study of Gasdyn model explores the possibility of adapting current diesel engines for ammonia spark ignition operation. The validation process involves a thorough comparison with experimental data. The findings reveal that elevated intake temperatures and compression ratio significantly enhance ammonia combustion, resulting in increased peak pressure, accelerated flame propagation, and shortened combustion duration. Equivalence ratios impact ammonia combustion in a nonmonotonic manner, with optimal conditions found at slightly rich fuel mixtures, leading to the highest peak pressure, peak heat release rate, and reduced emissions. Notably, the study uncovers complexities in emissions formation, challenging conventional expectations. Lean ammonia combustion, despite lower temperatures, produces higher nitrogen oxides (NOX) concentrations due to nitrogen in the fuel. Additionally, advancing spark timing near rich conditions demonstrates a unique reduction in NOX emissions, contrary to traditional spark ignition engines. Moreover, the broader implications of nitrogen oxides, contributing to issues such as acid rain, ozone formation, and respiratory problems, underscore the need for further fundamental research.