Riassunto analitico
Nella transizione che condurrà l’economia verso un impiego sostanziale di forme di energia rinnovabili, l’ammoniaca NH3 potrebbe rappresentare una valida alternativa per il loro immagazzinamento. Le sue caratteristiche fisiche, infatti, sono ingegneristicamente più favorevoli sia dell’idrogeno liquido sia delle principali batterie. Inoltre, si può considerare un combustibile totalmente carbon-free, dai prodotti innocui quali azoto e vapor d’acqua. Le sue limitazioni in termini di velocità laminare di fiamma e di intervallo di infiammabilità, però, richiedono un promotore di combustione che favorisca l’accensione della miscela. In tal senso, è stata condotta una simulazione numerica RANS di un recente motore turbocompresso ad accensione comandata, con modellazione dettagliata della chimica volta a verificare se l’idrogeno potesse considerarsi un valido promotore e se il suo impiego fosse necessario per applicazioni a pieno carico per due punti operativi noti. Sono state simulate tre differenti miscele stechiometriche, dalla pura ammoniaca fino ad un contenuto di idrogeno della miscela di combustibile pari al 40\% in volume. I risultati hanno mostrato per tutte e tre le miscele un comportamento migliore rispetto al funzionamento a benzina in termini di performance ed efficienza. La bassa tendenza all'autoaccensione di entrambi i combustibili ha permesso di aumentare l'anticipo e sfruttare la prima parte dell'espansione. Per di più, l’utilizzo di pura ammoniaca a pieno carico ha raggiunto percentuali soddisfacenti di completamento della combustione e ha permesso di abbassare al minimo le temperature in camera di combustione, riducendo così gli scambi termici con l’esterno e massimizzando IMEP e rendimento indicato. L'aggiunta di idrogeno ha garantito una notevole riduzione della durata della combustione e un suo migliore completamento. In termini di emissioni, invece, la situazione è più complessa: sebbene con la sola ammoniaca si limiti il Thermal NOx, la presenza di azoto nel combustibile influisce negativamente sulle emissioni globali, risultando in un comportamento peggiore rispetto al funzionamento a benzina in termini di NOx. L’ammoniaca incombusta allo scarico è un problema da gestire per questa tecnologia e sarebbe preferibile aumentare il contenuto di idrogeno nella miscela.
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Abstract
In the transition phase towards green economy, ammonia could represent an attractive solution as a form of renewable energy storage. Indeed, it has more favourable physical characteristic than both liquid hydrogen and main batteries. Moreover, ammonia (NH3) is a totally carbon-free fuel, with harmless combustion products such as atmospheric nitrogen and water vapor. Its limitations in terms of laminar burning velocity and flammability interval can be overcome by the utilization of a combustion promoter to help the ignition of the mixture. RANS numerical simulations with detail chemistry model of a modern turbocharged SI engine were carried out to understand if hydrogen could be considered as a valid promoter and if it is necessary during full load applications for two engine speeds. Three different stoichiometric mixtures, from pure ammonia to a fuel mixture with 40\%vol. hydrogen, have been simulated and all of them resulted in better performances and efficiencies than gasoline operations. The low tendency to autoignite of both fuels permitted to advance the spark timing and to use the first part of the expansion phase. In addition, pure ammonia utilization at full load reached satisfactory levels of completion of the combustion and permitted to lower to a minimum the temperatures inside the combustion chamber, reaching a peak in IMEP and indicated efficiency. Hydrogen addition guaranteed a considerable reduction of the combustion and an increase in combustion efficiency. In terms of emissions the situation appears more complex: even if ammonia limits Thermal NOx, the presence of nitrogen in the fuel negatively affects global NOx production resulting in worse numbers than gasoline operations. Unburnt ammonia at the exhaust could represent a problem of this technology and higher hydrogen content would be preferable.
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