CFD study of an ammonia-fuelled internal combustion engine: from spark-ignition to hydrogen-enhanced turbulent jet ignition

The transition towards carbon neutrality requires alternative solutions to reduce the environmental impact of internal combustion engines (ICEs). Among the possible carbon-free fuels, ammonia is gaining attention thanks to its higher energy density compared to hydrogen and the availability of an established infrastructure for production, storage, and distribution. However, its unfavourable chemical properties, such as low reactivity and slow flame propagation, make its efficient use in ICEs challenging. This thesis investigates ammonia operation in a Cooperative Fuel Research (CFR) engine by means of three-dimensional computational fluid dynamics (3D CFD) simulations performed with the software OpenFOAM, extended with dedicated libraries developed by the ICE group of Politecnico di Milano. Two configurations were analysed: spark-ignition (SI) and turbulent jet ignition (TJI). In the SI setup, the objective was to correctly simulate ammonia premixed combustion within a complex combustion chamber geometry up to the onset of autoignition. In the TJI configuration, hydrogen direct injection into the pre-chamber was simulated to evaluate the influence of different injection strategies on mixture formation. For this purpose, two customised boundary conditions were developed and tested. Cold-flow simulations provided consistent results with experiments and served to initialise combustion and injection simulations. After a suitable calibration, the SI combustion model showed promising results, successfully reproducing the development of the pressure curve under normal SI combustion and capturing the increase in peak pressure with spark advance. In the TJI configuration, advanced injection with respect to spark timing tend to reduce the influence of injection pressure and nozzle geometry on pre-chamber reactivity. However, excessively high injection pressures still promote hydrogen transfer into the main chamber, with possible effects on combustion development (e.g. end-gas autoignition). Future work should improve the SI combustion model by including an autoignition sub-model and assess the impact of longer-duration injections in the pre-chamber.

La transizione verso la neutralità carbonica richiede soluzioni alternative per ridurre l’impatto ambientale dei motori a combustione interna. Tra i combustibili carbon-free, l’ammoniaca sta suscitando interesse grazie alla maggiore densità energetica rispetto all’idrogeno e alla disponibilità di un’infrastruttura consolidata per produzione, stoccaggio e distribuzione. Tuttavia, le sue proprietà sfavorevoli, come la bassa reattività e la lenta propagazione di fiamma, ne rendono complesso l’impiego efficiente nei motori. Questa tesi analizza l’utilizzo dell’ammoniaca in un motore CFR attraverso simulazioni tridimensionali di fluidodinamica computazionale svolte con il software OpenFOAM, esteso con librerie dedicate sviluppate dal gruppo ICE del Politecnico di Milano. Sono state studiate due configurazioni: spark-ignition (SI) e turbulent jet ignition (TJI). Nel caso SI l’obiettivo era simulare la combustione premiscelata dell'ammoniaca all'interno di una geometria complessa fino al verificarsi dell'autoaccensione. Nella configurazione TJI, è stata simulata l’iniezione di idrogeno in precamera per valutare l’influenza di più strategie sulla reattività della miscela. A tal fine sono state sviluppate due condizioni al contorno personalizzate. Le simulazioni cold-flow, consistenti con i dati sperimentali, sono servite a inizializzare quelle di combustione e di iniezione. Dopo la calibrazione, il modello di combustione SI ha mostrato risultati promettenti, riproducendo correttamente l’andamento della pressione in condizioni di combustione regolare e catturando l’aumento del picco con l’anticipo della scintilla. Nella configurazione TJI, l’iniezione anticipata rispetto all'accensione tende a ridurre l’influenza della pressione di iniezione e del numero di ugelli sulla reattività della precamera. Pressioni di iniezione troppo elevate, però, favoriscono l’uscita di idrogeno nel cilindro, con possibili effetti sullo sviluppo della combustione (es. autoaccensione). Sviluppi futuri dovranno migliorare il modello di combustione SI aggiungendo un sotto-modello per l’autoaccensione e valutare l’impatto di iniezioni di durata maggiore in precamera.